付杰

摘要：隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法已經(jīng)難以滿足這些日益提高的要求，以非線性理論為基礎(chǔ)的深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計理論的研究和應(yīng)用已成為機械工程的一個重要的研究方向。

關(guān)鍵詞：動態(tài)優(yōu)化設(shè)計深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計非線性理論

中圖分類號：TB482.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（b）-0111-01

現(xiàn)代機械動態(tài)優(yōu)化設(shè)計是在產(chǎn)品的研究和開發(fā)過程中，對機械產(chǎn)品的運動學(xué)和動力學(xué)等問題進(jìn)行分析和計算，以保證所研究和開發(fā)的設(shè)備具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能及其他相關(guān)性能[1]。

隨著科技的發(fā)展，動態(tài)設(shè)計的廣度與深度正發(fā)生變化，總體上分為以下三個方向：（1）就廣度而言，由狹義的向廣義的方向發(fā)展；（2）就深度而言，由傳統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計向深層次的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計發(fā)展；（3）就內(nèi)容而言，從一般機械的動態(tài)設(shè)計擴展到包括振動機械在內(nèi)的動態(tài)設(shè)計[2]。

1深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)涵

傳統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化以提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能為主要目標(biāo)、以線性動力學(xué)理論為基礎(chǔ)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計法。

深層次的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計主要是以非線性動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，使產(chǎn)品能夠獲得優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能，研究內(nèi)容包括以非線性動力學(xué)理論為基礎(chǔ)的動態(tài)設(shè)計和以非線性可靠性理論為基礎(chǔ)的機器及其零部件可靠性設(shè)計。

2深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計法的研究意義

動態(tài)優(yōu)化設(shè)計是機械設(shè)計內(nèi)容中最重要和最具廣泛性的問題。而目前機械設(shè)計中，以靜態(tài)設(shè)計為主，或采用傳統(tǒng)動態(tài)設(shè)計方法。但這對大型機械裝備來說，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要的。對重大機械產(chǎn)品設(shè)備進(jìn)行深層次的動力學(xué)設(shè)計，引入非線性動力學(xué)理論與方法，是十分必要的[3]。

3深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 在振動機械中的應(yīng)用

振動機械是泛指利用振動原理而工作的機械，它是化工、冶金、建筑等領(lǐng)域常見的設(shè)備，雖種類繁多，但基本工作原理相同[4]。隨著振動機械向大型化發(fā)展，對機械性能的要求越來越高。例如對冶煉設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備—— 振動篩的動負(fù)荷的要求隨即增大，所以在振動狀態(tài)下常會引起篩體結(jié)構(gòu)強度和剛度不足，導(dǎo)致篩體變形過大，甚至使篩體出現(xiàn)斷梁、側(cè)板斷裂等故障，造成嚴(yán)重后果。以往對這種設(shè)備結(jié)構(gòu)上的不合理設(shè)計可能引起的故障缺少測試手段，因此往往在故障發(fā)生后才被重視，造成難以挽回的損失。隨著振動機械性技術(shù)的發(fā)展和社會對振動機械要求的不斷提高，傳統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足要求，以非線性理論為基礎(chǔ)的深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計理論的研究和應(yīng)用將會成為振動機械領(lǐng)域的主流方向。

3.2 在機床領(lǐng)域中的應(yīng)用

現(xiàn)代機床要求高的加工精度和表面質(zhì)量，并具有高的生產(chǎn)率。由于加工過程存在各種振動，機床主軸受迫振動的干擾力主要來自軸上不平衡旋轉(zhuǎn)零件所產(chǎn)生的周期變化的慣性力和不均勻切削時時變的切削力。機床運轉(zhuǎn)時，由于強迫干擾諧振力引起主軸上工件或刀具切削部位的振幅等，使加工過程達(dá)不到預(yù)定的加工精度和表面質(zhì)量[5]。

在機床設(shè)計方面，優(yōu)化設(shè)計方法也得到了應(yīng)用，取得了一定的成果。在國外，Michigan大學(xué)的T.jiang和M.Chiredast[6]在應(yīng)用有限元法和動態(tài)分析的基礎(chǔ)上，提出一種數(shù)學(xué)模型來模擬機床結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)形式，建立整機的模型并對機床結(jié)合面的聯(lián)接件的位置和數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在國內(nèi)，西安交通大學(xué)張波、陳天寧[7]等在ANSYS環(huán)境中建立了機床主軸部件的有限元動力學(xué)模型，并對主軸部件進(jìn)行了靜、動態(tài)特性的計算和動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。他們建立了簡化的有限元動力學(xué)模型，在ANSYS中分析其前8階的模態(tài)頻率，確定動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，然后設(shè)計和修改主軸的結(jié)構(gòu)使之達(dá)到預(yù)期的動態(tài)特性。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，社會對機械零部件的加工精密度要求越來越高，深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用空間也將越來越大。

3.3 在交通工具研究中的應(yīng)用

隨著社會的進(jìn)步，生活水平的提高，人們對交通工具的要求也越來越高，這體現(xiàn)在對交通工具乘坐舒適性、安全性、外觀的美觀性等。

目前，我國大力發(fā)展高速列車的研究和使用。據(jù)報道，2010年5月27日，新一代高速列車“和諧號”380A首輛車在長春下線，最高時速可達(dá)380km。對于高速列車這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法已經(jīng)失去了作用，深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計法成為了必然的理論基礎(chǔ)。

在汽車領(lǐng)域，汽車在行駛時，路面的不平度會引起汽車的振動。為提高汽車的平順性，減少其振動，一方面要改善路面質(zhì)量，減少振動的來源；另一方面要求汽車對路面不平度有良好的隔振特性。車輛的減振一般有三個環(huán)節(jié)，即輪胎、懸架和座椅，其中，起重要作用的是由彈性元件和阻尼元件構(gòu)成的車輛懸架系統(tǒng)。而車輛懸架系統(tǒng)是典型的非線性模型，只有利用深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計法才能建立其準(zhǔn)確的模型。

4結(jié)論

本文對深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計理論的研究內(nèi)容及意義進(jìn)行了分析，并通過在振動機械、機床、交通工具等典型領(lǐng)域為例，介紹了深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用現(xiàn)狀。

在過去的這些年里，深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計理論的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，也有了很多比較成功的應(yīng)用實例。但是科技是不斷向前進(jìn)步的，對機械設(shè)備各方面性能的要求也越來越高，深層次動態(tài)優(yōu)化設(shè)計理論依然有待于完善，其應(yīng)用前景將會更加光明。

參考文獻(xiàn)

[1] 聞邦椿，韓清凱，姚紅良，等.產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能及動態(tài)優(yōu)化設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 陳新，賈玉蘭，等.機械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計理論方法及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[3] 李小彭.面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的“1+3+X”綜合設(shè)計法及其應(yīng)用研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2005.

[4] 孫偉，韓清凱，聞邦椿，等.可視動態(tài)設(shè)計法在振動機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].第十一屆全國機械設(shè)計年會，機械設(shè)計，2005（增刊）：41-42.

[5] 傅曉錦.機床主軸多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[J].機床與液壓，1999.6：51-52.

[6] T.Jiang，M.Chirehdest.A System Approach to Structural Topology Optimization[J].Designing Optimal Connections，1999（30）：521-523.

[7] 張波，陳天寧，等.數(shù)控機床主軸部件動態(tài)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計，2004（5）：33-35.