机械结构动态优化设计及其相关技术

随着高速切削技术的发展推动了各种数控机床的出现及迅速发展。新颖的机械结构系统使现代数控机床比传统的数控机床的运动速度提高了5-10倍，与此相应它对动态性能的要求比传统机床提高了很多倍。这就使得我国数控机床的水平与国际先进水平的差距更大。主要表现在:可靠性差、应变能力差、产品开发周期长、设计手段落后等，并且业内人士意识到我国数控机床的薄弱环节已从数控系统转移到机械系统。但传统的机床设计主要是经验设计和实验相结合，其步骤是:经验设计-样机试制--样机测试-改进设。这种方法耗费大量的人力和财力，且周期长，效果差。因此长期沿用的以经验设计为主的落后设计方法必须改变。

1 机械结构动态设计的发展

传统的设计方法越来越难以满足市场的迅速变化，同时，很难综合考虑各方面的约束条件，得到的往往只是复杂问题的可行方案，而非最优方案，也难以很好的满足机械设备动态特性要求。对产品进行动态优化设计，可以在很大程度上解决此类问题，其特点是把问题解决在设计阶段;其优点是代价较小，能够适应当前激烈的市场竞争的需要。机械结构动态设计是一项涉及现代动态分析，计算机技术，产品结构动力学理论，设计方法学等众多科学领域的高新技术。其基本思想是对按功能要求设计的结构图纸或要改进的机械结构进行动力学建模，并做动特性分析。根据对其动特性的要求或预定的动态设计目标，进行结构修改，再设计和结构重分析，直到满足结构动特性的设计要求。

1.1 机械结构动态设计的内容

1.1.1 建立一个切合实际的动力学模型

机械结构的动力学模型有着极其重要的作用。在机床设计阶段，建立动力学模型，可以进行动态分析和设计;预估机床结构的动态特性，分析薄弱环节，寻求改进措施;用数字仿真方法，比较各种设计方案和结构，并为设计自动化打下基础。建模的方法有:有限元法、传递矩阵法、实验模态法、混合建模法、利用人工神经网络理论建模。

1.1.2 选择有效的结构动态优化设计方法

结构动态优化设计是对系统设计变量的初始参数，通过计算，作出必要的修改，使机械机构的动态性能在规定的约束条件下达到最优。目前，动态设计的优化正处于发展与完善阶段，从现有的资料来看，系统的动态优化设计方法可分为3类:基于模态柔度和能量平衡的动态优化设计、基于变分原理的动态优化设计和基于最小值原理的动态优化。

1.2 机械结构动态设计的关键技术

机械结构动态设计的关键技术有:结构结合部参数的辨识;系统中阻尼矩阵的确定;模型的修正方法;以设计变量直接作为优化变量，实现结构动力学的求解方法;寻求更快速、更准确的结构动态特性重分析模型与方法。结构动态设计的发展主要集中在对关键技术的研究上，结合面在整机性能研究中的主要作用，最早是在1939年，德国柏林工业大学的一篇论文中提到的，而真正的研究则是1959年，前苏联的Reshetov和Levina所进行的，从此以后，世界各国的众多学者对其进行了大量的研究，也取得了大量的研究成果。随着人工神经网络技术和模糊设计技术的发展，国、内外许多研究人员把神经网络技术和模糊设计技术引人动态设计过程中，为结构动态设计提供了全新的思路。

2 相关技术

对于复杂机械结构的动态设计，有限元法是一种应用广泛的理论建模方法。分析软件中最有名的是ANSYS公司的ANSYS。下面针对有限元法和ANSYS软件作一简单的介绍。

2.1 有限元法

有限元法是R.Courant于1943年首先提出的，机械结构的动态有限元法分析主要是从八十年代开始的。到了九十年代，随着数值模拟技术的引人，机械动态有限元分析法的广度和深度不断增加。在对复杂机械结构动力分析和动态设计方面，有限元法是一种应用最广的建模方法.利用弹性力学和有限元法建立结构的动力学模型，可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响应，在此基础上还可根据不同需要对机械结构进行动态设计。由于有限元法具有精度高、适应强、计算格式规范统一等优点，已广泛应用于许多领域，已成为现代机械产品设计中的一种重要工具。

目前，通用的有限元计算软件有很多种，其中绝大多数不仅可以进行简单、线性、静态分析，也可以进行复杂、非线性、动态分析。其分析功能几乎覆盖了所有的工程领域，程序使用也非常方便。在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元分析软件主要有MSC/Nastran, Ansys, Abaqus, Marc,Adina和Algor等。

2.2 有限元分析软件ANSYS

在产品设计过程中，通常需要做大量的分析计算,ANSYS软件是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件，该软件可在大多数计算机及操作系统中运行。它能与大多数CAD软件结合使用，实现数据的共享及交换.是现代产品设计中高级CAD工具之一。已广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。下面就ANSYS软件作一简单的介绍。

2.3 ANSYS软件功能模块

ANSYS软件具有多种多样的分析能力，从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。主要的功能模块有:结构分析、热分析、电磁分析、流体力学分析、祸合场分析等模块。而且，还具有产品的优化设计、估计分析等附加功能。

2.4 ANSYS软件的主要特点

(1)主要技术特点。唯一能实现多场及多场祸合分析，唯一能实现前、后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化，具有多物理场优化功能，强大的非线性分析，多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置，支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件兼容。具有强大的并行计算功能，支持分布式并行及共享内存式并行，多种自动网格划分技术，良好的用户开发环境。

(2)与CAD的接口。可以导入当前使用的大多数CAD软件绘图格式，如UG,Pro/e,I-Deas,Catia, SolidEdge, Solidworks等。其中，Pro/e绘图的IGES格式的文件可以直接导入。

2.5 ANSYS结构分析过程

ANSYS 的分析过程包括:确定问题的范围、建立有限元模型、施加载荷和求解、后处理。

因ANSYS有以上的功能模块和特点，是有限元分析和优化分析的有机结合，为复杂结构的优化分析提供了新的方法，已成为解决现代工程学间题必不可少的有力工具。

总之，机械结构的动态设计是以计算机仿真、建模为基础，集计算机技术、机械动力学、有限元和优化设计方法为一体，由多学科知识组成的综合系统技术，是机械结构动力学设计与分析在计算机环境中数字化、图象化的映射，通过虚拟动态环境，进行虚拟产品开发，对产品的动态特性做出分析，大大提高了机床的整机性能。

文章来源：网络转载作者：杨秀琴杨家军

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