結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)在礦山機械設計中的初步應用

蔣焱

摘要：傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，在某種意義上說是一門藝術(shù)。隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元理論和方法日益完善，把有限元方法和數(shù)學規(guī)劃法結(jié)合起來，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。但由于數(shù)學規(guī)劃方法對于變量多約束多的設計問題，計算量很大，一般計算機勝任不了。因此，本文旨在推廣和應用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)，逐步改進我國傳統(tǒng)的礦山機械設計方法。

關鍵詞：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)；礦山機械設計；初步

礦山機械中的一些大型設備大部分是結(jié)構(gòu)件。據(jù)不完全統(tǒng)計，裝載機、牙輪鉆機、挖掘機等設備，其結(jié)構(gòu)件占60%以上。對這些以結(jié)構(gòu)件為主的設備，采用傳統(tǒng)的設計方法，其結(jié)果是很不理想的。慶幸的是，我們這行業(yè)的研究設計人員開始關注這個問題，做了一些有益的工作。如對一些機構(gòu)進行了優(yōu)化設計，用有限原方法進行結(jié)構(gòu)的靜動強度分析等等。但到目前為止，仍沒見到有關礦山機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的文獻。

一、礦山機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性和必要性

1.盡管有這樣那樣的困難，對礦山機械進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計還是有可能的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計應用有三個前提條件：一是電子計算機的發(fā)展和普及，二是有限元理論和方法的發(fā)展；三是高效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。從目前情況著，電子計算機特別是微型電子計算機在科研、設計部門已日益普及，作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎之一的有限元理論和方法是比較成熟的，而且有了不少通用的有限元分析程序；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計理論，經(jīng)過二十多年的發(fā)展也日臻成熟，無論是優(yōu)化準則法、數(shù)學規(guī)劃法還是兩者的統(tǒng)一方法，其解題效率都比較高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)目前已廣泛地應用于航空部門、土建部門等。在礦山機械領域由于廣大科技工作者的努力，在有限元分析方面已取得了較大的進展。對牙輪鉆機、裝載機、挖掘機等主要礦山機械的有限元分析已全面展開。這就為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了直接的便利條件。給礦山機械的優(yōu)化提供了可靠的保證。

2.礦機中的一些主要設備如牙輪鉆機、裝載機、挖掘機等都具有一個比較明顯的特點，那就是：十分笨重，運輸不便。對這些設備采用傳統(tǒng)方法進行設計時，則往往難以找到一個理想的方案。其應力分布和結(jié)構(gòu)往往是不太合理。而采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，可以在對原始設計方案進行有限元分析的基礎上，采用自動尋優(yōu)方法，就可以找到一個較理想的方案。使結(jié)構(gòu)的應力分布更加均勻，結(jié)構(gòu)更加合理。而且，從現(xiàn)在的文獻來看，設備的自重可以減輕25%左右，其經(jīng)濟效益是十分顯著的。因此，有必要對礦機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。

二、 礦山機械設計中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)

1. 最大可靠性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。"可靠性"的概念對我們并不陌生，但將可靠性概率引入超靜定結(jié)構(gòu)的設計中，卻鮮為人知。而在工程設計中卻經(jīng)常希望在給定材料體積下盡可能合理地分布結(jié)構(gòu)材料，使結(jié)構(gòu)的可靠性盡可能地大，或是研究一個用料省、可靠性大的折衷方案。因此在礦山機械結(jié)構(gòu)件設計中，引入可靠性概率（結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)完成預定功能的概率）這一衡量結(jié)構(gòu)可靠性的指標，采用一次二階矩概率設計理論，以傳統(tǒng)的安全系數(shù)為目標進行優(yōu)化，就可以提高結(jié)構(gòu)的安全度，而且使結(jié)構(gòu)更為合理。文獻"1"以結(jié)構(gòu)桿件截面積為設計變量進行了可靠性最大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計表明這個方法是可行的。

2. 結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化設計。從目前的有限元程序，對于所給定的計算模型，其結(jié)果是比較精確的。但是對實際結(jié)構(gòu)而言，這個結(jié)果是不大可信的。這是與模型、載荷，約束的簡化等多方面因素有關。本來，這些因素在實際工作或結(jié)構(gòu)中是不大容易確定的，也就是說具有一定的"模糊性"。另外，對于有限元分析的計算工況的確定也是比較困難的。目前，我們在有限元分析中，一般是選擇典型工況進行，至于這典型工況的"典型性"則是由分析者自己確定。此外，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中，還有許多東西是模糊的，目標函數(shù)、約束條件、約束條件的右端項等等均具有一定的模糊性。最后，為了真正地得到滿足所有可能約束的結(jié)構(gòu)最佳組成，我們要對最后的尺寸和形狀作出決策。因為，對每種不同的工況，計算得到的"最優(yōu)值"是各不相同的，那么，在綜合所有計算工況時，究竟如何確定其最終尺寸呢？顯然，按滿應力法則不大可行，因為滿應力法是要求每一單元至少在一種工況下達到滿應力狀態(tài)，這樣綜合的結(jié)構(gòu)就不可能是最輕結(jié)構(gòu)。因此，最后尺寸和形狀的決定也要借助模糊理論來解決。從模糊到精確，再從精確到模糊，這是符合歷史發(fā)展規(guī)律。

3.研制、推廣、應用CAD軟件。根據(jù)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設計的需要，借助計算機輔助設計，不但能對結(jié)構(gòu)的初始方案和改進方案快速地進行結(jié)構(gòu)分析和強度校核。而且還能開展以最輕重量的單目標優(yōu)化設計和以機器工作性能、節(jié)省鋼材和結(jié)構(gòu)強度三大要素為出發(fā)點的多目標優(yōu)化設計。因此加速研制一些多功能的計算機輔助設計軟件，對于提高礦山機械設計的質(zhì)量，是很有必要的。目前，在農(nóng)機領域已經(jīng)有了用于微型機的大型多功能的MAS程序系統(tǒng)，不過，在優(yōu)化設計等方面，還有待進一步完善。應用CAD軟件，可以在以下幾個方面起到明顯作用：一是提供合理的設計方案、節(jié)省鋼材和成本。二是提高產(chǎn)品設計水平。三是可找出結(jié)構(gòu)損壞的原因和有害振動的根源。四是可以對機器系統(tǒng)進行多目標的優(yōu)化設計。在研制CAD系統(tǒng)時，應該注意的是：一是發(fā)掘較為普及的微型機的潛力。二是結(jié)構(gòu)設計和分析的完備性（結(jié)構(gòu)靜動分析、結(jié)構(gòu)靜動優(yōu)化計算機繪圖等）。三是適用于多種結(jié)構(gòu)型式，即適用于多單元的結(jié)構(gòu)（如桿、梁、板、殼等）。

三、發(fā)展方向

1.大力推廣應用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的發(fā)展方向。航空、國防、造船等行業(yè)分別召開了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的學術(shù)交流會。土建部門還舉辦了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的專門講習班。機械工程學會召開的強度學術(shù)會議上也交流了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的論文。這說明在這些行業(yè)和部門，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計已經(jīng)受到重視。因此，礦山機械設計部門的工作者（包括設計師、研究生和教師）應該注意推廣和應用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)?？梢耘e辦結(jié)構(gòu)優(yōu)化枝術(shù)講習班，召開礦山機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計學術(shù)交流會。學習工程設計人員應該掌握結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的基本知識，學會使用一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計軟件。對具體的結(jié)構(gòu)采用優(yōu)化設計，以提高整個礦山機械的設計水平。

2.礦機結(jié)構(gòu)從靜力優(yōu)化向動力優(yōu)化過渡。首先，我們要大力開展礦機結(jié)構(gòu)的靜力優(yōu)化設計，推廣應用和完善現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序，研制和發(fā)展一些通用性較強而且又適合礦機特點的軟件包。其次，我們應該在結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化的基礎上，對礦機結(jié)構(gòu)進行動力優(yōu)化設入計。因為在靜力優(yōu)化時沒有考慮結(jié)構(gòu)的動力特性。如固有頻率、動態(tài)響應等。而這些動力特性對于大部分礦山機械來說是比較重要的。如固有頻率對司機乘坐的舒適性以及共振破壞等都是很重要的。而結(jié)構(gòu)的動力優(yōu)化設計就是在靜力優(yōu)化的基礎上引進頻率約束，動強度約束，動剛度約束等。在理論上，進行動力優(yōu)化是沒有困難的，靜力優(yōu)化的結(jié)果可以作為動力優(yōu)化的初始值。

我們建議，在近幾年內(nèi)，應該集中精力著手研究一些具有專業(yè)特色的典型的程序包。如底盤、車架、機架等結(jié)構(gòu)件的優(yōu)一化程序。按照結(jié)構(gòu)的通用性、統(tǒng)一性和組合性原則建立程序包，對結(jié)構(gòu)件進行選型優(yōu)化設計。當然，如果在程序包中加上對整機參數(shù)的優(yōu)化、液壓系統(tǒng)優(yōu)化設計、傳動系統(tǒng)優(yōu)化設計等等，可以使礦山機械的設計更趨自動化。

參考文獻：

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