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    機械產(chǎn)品設計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)運用探究

    2016-02-04 05:29:15310023中國船舶重工集團公司第七一五研究所浙江杭州康愷
    中國機械 2016年6期
    關鍵詞:機械產(chǎn)品優(yōu)化結(jié)構(gòu)

    310023 中國船舶重工集團公司第七一五研究所 浙江 杭州|康愷

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    機械產(chǎn)品設計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)運用探究

    310023 中國船舶重工集團公司第七一五研究所 浙江 杭州|康愷

    摘要:主要研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械產(chǎn)品設計中的應用,分析機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的基本思路,并對機械產(chǎn)品設計結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的具體應用策略進行了討論。關鍵詞:機械產(chǎn)品;結(jié)構(gòu);優(yōu)化

    長期以來,機械產(chǎn)品的設計工作都是參照相同產(chǎn)品的估算、經(jīng)驗、類比來確定其基本結(jié)構(gòu),并通過性能計算檢查各項性能指標是否滿足設計標準要求。這樣的機械設計方法人工試錯與類比分析過程比較復雜,會消耗更多的時間,導致設計周期延長,而且設計方案的比選只能局限在幾個方案之間,方案優(yōu)化工作有待加強。

    機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計思路

    面對越來越激烈的市場競爭,更多的機械設備制造廠商意識到,只有更快地推出新產(chǎn)品,才能占領更多的市場,因此機械設計工作人員開始關注機械產(chǎn)品設計工作效率的提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械設計工作中的應用能夠顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期,尤其是在沒有參照物可供參考的全新產(chǎn)品設計工作中,對拓撲優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化的綜合應用,能夠讓設計員快速設計出滿足要求的機械產(chǎn)品。

    a設計流程

    ①目標函數(shù)

    目標函數(shù)往往是機械設計中最受關注的關鍵因素,在機械設計中如何控制變形或者應力水平是設計者最為關心的問題,所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的目標函數(shù)可以設置為變形或應力的最小值。

    ②設計變量

    設計變量是指所有與機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計有關的參數(shù),在機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化過程中,所涉及到的設計變量主要可以分為兩大類。一類是描述結(jié)構(gòu)變形的幾何參數(shù),如長寬高、直徑厚度等,另一類是物理參數(shù),主要包括彈性模量密度屈服極限等。

    ③約束條件

    機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化函數(shù)的迭代計算中,很多設計變量都存在著一些約束條件,其中最為常見的是位置限制和運動可能性的極值。

    ④優(yōu)化分析評估

    機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計往往是有約束的非線性函數(shù)問題,現(xiàn)階段已經(jīng)有多種數(shù)學工具可供使用,但是在實際工作中選擇一種合適的優(yōu)化方法仍然比較困難,需要根據(jù)問題的實際情況靈活選擇優(yōu)化算法,并對結(jié)果進行分析評估。

    b結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要內(nèi)容

    根據(jù)機械結(jié)構(gòu)設計目標、約束對象、目標函數(shù)等條件的不同,選擇不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法。根據(jù)優(yōu)化目標層次的不同,機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計工作可以分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化3個不同的層次,隨著優(yōu)化層次的加深,優(yōu)化工作的難度也隨之增加,但是優(yōu)化工作帶來的效益也更加顯著。

    ①尺寸優(yōu)化

    尺寸優(yōu)化是指保持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下,通過對設計變量的分析重組,對性能組合關系進行優(yōu)化。

    ②形狀優(yōu)化

    形狀優(yōu)化是保持設計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關系不變的情況下,利用結(jié)構(gòu)邊界獲取某種性能最佳狀態(tài)的優(yōu)化方法。

    ③拓撲優(yōu)化

    拓撲優(yōu)化是指機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化與離散結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的組合,其中連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化主要包括孔洞分布數(shù)量邊界的優(yōu)化,而拓撲優(yōu)化主要是指定節(jié)點位置以及相互連接關系的優(yōu)化。

    結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在機械產(chǎn)品設計工作中的應用

    計算機技術(shù)與仿真技術(shù)在機械產(chǎn)品設計中的應用更加普遍,計算機強大的計算以及仿真功能給結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供了極大的發(fā)揮空間。基于計算機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械產(chǎn)品設計中的應用,能夠通過對機械產(chǎn)品系統(tǒng)的分析和持續(xù)的優(yōu)化,保證產(chǎn)品的性能滿足要求,同時顯著縮短機械產(chǎn)品的設計周期,在保證機械產(chǎn)品設計質(zhì)量的同時,節(jié)省了設計工作成本。

    a建立優(yōu)化信息模型

    機械產(chǎn)品往往有上千個設計變量和幾百個設計函數(shù),設計一個涉及到如此多變量和函數(shù)的優(yōu)化程序是比較困難的,因此可以應用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立一個機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的信息函數(shù)模型。首先分析用戶要求,將用戶要求分解為多個基本設計參數(shù),之后分別根據(jù)用戶要求和邊界條件建立目標函數(shù)與約束函數(shù),進行數(shù)據(jù)分析處理,根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果生成修正函數(shù),代表最終輸出。數(shù)據(jù)輸入和處理過程中,設計變量構(gòu)成目標函數(shù)與約束函數(shù)的生成通過數(shù)據(jù)傳遞系數(shù)實現(xiàn),而數(shù)據(jù)分析和處理工程依賴數(shù)據(jù)修正因子建立基于目標函數(shù)和約束函數(shù)的修正函數(shù),通過該信息模型,能夠完成機械產(chǎn)品設計計算流程函數(shù)之間調(diào)用關系定義,將機械產(chǎn)品設計涉及到的參數(shù)關聯(lián)用計算機語言準確表示出來。

    b基于信息模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    信息庫建立完畢,將根據(jù)機械產(chǎn)品設計情況,給出幾個優(yōu)化方案,并將其核心設計參數(shù)存入信息函數(shù)模型,數(shù)據(jù)庫應用數(shù)據(jù)離散化方法存儲、配置有限元分析結(jié)果,使用粗糙集機器學習方法對有限元分析結(jié)果進行解釋,并提取數(shù)據(jù)背后的優(yōu)化設計規(guī)則,最后應用優(yōu)化規(guī)則對幾個方案的綜合性能進行全面對比,獲取有約束條件下的最優(yōu)解。

    結(jié)語

    結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械產(chǎn)品設計中的應用能夠顯著降低工作人員的設計工作量,應用三維仿真模擬技術(shù)能夠有效節(jié)省產(chǎn)品設計優(yōu)化工作成本,同時經(jīng)過多次模擬分析優(yōu)化,能夠獲得更好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果,滿足用戶的各種性能需求,及時發(fā)現(xiàn)并消除了更多質(zhì)量隱患,這才是一種優(yōu)秀的機械產(chǎn)品設計方法。

    參考:

    [1]胡桂川,劉敬花.基于CAE分析的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].機械設計與研究,2011(03).

    [2]聶勇軍,廖啟征.多學科優(yōu)化設計在工程機械產(chǎn)品開發(fā)中的應用展望[J].起重運輸機械,2014(08).

    [3]劉樹春,張敬佩,李初曄.機械產(chǎn)品設計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應用[J].機械設計與制造,2013(08).

    [4]羅忠,柳洪義,田洪海,聞邦椿.現(xiàn)代機械產(chǎn)品智能優(yōu)化設計方法及其應用[J].東北大學學報(自然科學版),2014(07).

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