機械結構動態(tài)設計及應用分析

呂鐘朋

摘要：近年來，隨著我國新舊動能轉換，我國機械化水平得到顯著提高，機械設備的應用領域不斷擴大。把機械設備應用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，降低了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率和降低了生產(chǎn)難度，進而節(jié)約了人工成本。隨著機械工業(yè)的不斷發(fā)展，企業(yè)對機械設備的自動化、精準化方面有了更高的要求。本文立足當下機械機構的動態(tài)設計，分析了機械結構動態(tài)設計常用技術、機械結構動態(tài)設計應用分析并對這些應用提出了優(yōu)化建議。

關鍵詞：動態(tài)設計；機械結構；應用分析

近年來，機械工業(yè)得到快速發(fā)展，企業(yè)對機械設備的要求也不斷提高，企業(yè)不再需要傳統(tǒng)的機械設備，而是需要那些精準化、現(xiàn)代化、自動化、智能化的機械設備[1]。這些機械設備結構越來越復雜，相應的設計難度也在不斷加大，傳統(tǒng)的設計模式已經(jīng)無法滿足新的機械設計要求，因此我們必須采用更加高效更加科學的設計方法。機械產(chǎn)品的動態(tài)設計突破了傳統(tǒng)的機械審計模式，提高了機械結構設計水平，更好地為機械結構的修改提供數(shù)據(jù)支持，大大提高了機械設計的能力和效率，讓機械設計更加具有科學性和針對性。

一、機械結構動態(tài)設計

傳統(tǒng)的機械設計一般是基于理論或者經(jīng)驗進行設計，很難具有針對性和適應性，這種設計屬于靜態(tài)設計，往往不能充分考慮各種參數(shù)指標，這樣設計出的產(chǎn)品很難形成市場競爭力。而機械結構的動態(tài)設計是針對機械結構的各種指標進行分析，基于產(chǎn)品的動態(tài)載荷作用，構建動力模型，并將產(chǎn)品的各項參數(shù)加入到模型之中。這種設計方法相比傳統(tǒng)設計方法安全又經(jīng)濟，實際應用性較強[2]。因為這種設計是一種動態(tài)設計，在設計過程中能充分了解設計方案的動態(tài)特性，能夠迅速找到設計過程中的薄弱環(huán)節(jié)，找到動態(tài)運行過程中存在的問題，從而對設計進行完善，應用設計過程中的有效變量信息完善了設備初始設計的不足，進而確保了設計出的產(chǎn)品性能。機械結構的動態(tài)設計提高了設計的可靠性、穩(wěn)定性、安全性，對機械設備的設計進行了強化，是一種比較科學有效的設計方案。

二、機械結構動態(tài)設計常用技術

2.1 ANSYS技術

在機械結構動態(tài)化設計中采用了美國ANSYS公司研制的FEA軟件ANSYS。ANSYS作為大型權威性的有限元分析軟件，對提高解決動態(tài)設計能力是有跟大幫助，但ANSYS是一門相當難學的軟件，一方面，ANSYS軟件需要學習者有比較扎實的力學理論基礎，對ANSYS分析結果能有個比較準確的預測和判斷，可以說，理論水平的高低在很大程度上決定了ANSYS使用水平；另一方面，需要學習者不斷摸索出軟件的使用經(jīng)驗不斷總結以提高解決問題的效率。ANSYS使用過程中還需要有著一定的編程能力，還需要設計者能夠及時查看機械設計的反饋結果，并能根據(jù)非線性變化不斷的修正自己的設計誤差，進而提升自己設計的準確性和實用性。

2.2 有限元建模技術

機械動態(tài)設計另一個主要設計技術是有限元法（Finite Element Method）。由于機械設計是一個及其復雜繁瑣的過程，為了優(yōu)化設計方案，必須對一些數(shù)值進行近似，有限元法就是用來解決機械設計中那些帶有特點邊界的PDE（偏微分方程）問題。通過有限元法的運用優(yōu)化了設計方案，使機械設計方案更加完善，這種方法讓機械設計模型變得更加真實，運用有限元法把機械設計劃分成不同的單元踢，進而分析出了不同結構數(shù)值的優(yōu)缺點。

三、機械結構動態(tài)設計應用分析

機械結構的動態(tài)設計優(yōu)勢明顯，相比傳統(tǒng)的靜態(tài)設計，有著更好的設計效率和設計效果。因為機械結構動態(tài)設計的這些先天優(yōu)勢，所以在機械工業(yè)領域有著廣泛的應用。

在實際機械動態(tài)設計中，首先要根據(jù)實際需要確定一個比較明確的設計目標，然后根據(jù)這個目標指定一個可行性方案，整個設計過程都必須嚴格按照這個目標來進行設計。如果設計過程中脫離目標來進行設計很可能出現(xiàn)設計出的產(chǎn)品和我們的需求產(chǎn)品性能出現(xiàn)矛盾，進而影響設計的成效。在設計過程中要全面考慮，單一問題可能會引發(fā)整體效果。例如一個參數(shù)出現(xiàn)問題，就可能引發(fā)機械設備的某一方面出現(xiàn)問題，進而影響設備的整體性能，還有可能導致安全問題。所以我們在進行機械設備的動態(tài)設計時要全面考慮、綜合考慮，保證結構的適用性、安全性、經(jīng)濟性等。在進行機械設備動態(tài)設計時要通過動態(tài)分析找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，把握好機械結構的頻率、振型、阻尼比等參數(shù)從而減小結構的振動幅度，進而提高機械結構的各階模態(tài)剛度，防止共振。在建模前要認真比對圖紙，理解設計師的設計意圖，知道各參數(shù)的具體要求，只有這樣才能保證動態(tài)設計從一開始就不出錯。在建立模型之后，接下來要做的就是求解自由振動方程，求解方程至關重要，這是分析結構固有特性的主要依據(jù)，我們后期對數(shù)據(jù)的分析也要依賴于這個結果。然后做動力響應分析，分析出影響運行的不確定因素，評估結構振動的穩(wěn)定性能，通過與預期的效果比對，對原來設計進行修改，優(yōu)化結構性能，全面提高結構穩(wěn)定性。具體的動態(tài)修改過程主要通過靈敏度分析來實現(xiàn)對機械結構的物理參數(shù)的修改，要保證工作頻率與固有頻率的距離不能太近。在具體修改中主要采用與結構力學相似的直接求導法或者利用直接對系統(tǒng)進行分析的伴隨結構法這兩種方法進行分析。通過建模保證了精度，同時要選用好的軟件來進行設計，一個好的軟件可以降低設計難度，保證能更好的完成設計。

四、機械結構動態(tài)設計應用優(yōu)化

從機械結構動態(tài)的應用方面進行分析，提出如下相關優(yōu)化措施。機械產(chǎn)品具有多樣性的結構動態(tài)設計，設計涉及的工藝技術復雜，增加了動態(tài)設計的實施壓力，因此需優(yōu)化處理動態(tài)設計及及結構修改方面，來提供動態(tài)設計整體靈敏度。如在實施機械結構動態(tài)設計優(yōu)化的措施過程中，分析設計特征為向量，完善動態(tài)設計相關數(shù)據(jù)計算，確定設計中的潛在影響，夯實設計基礎。機械動態(tài)設計過程中存在逆向問題主要是指實施設計過程中雖然可以滿足機械特征動態(tài)需求，但是不能有效融合結構參數(shù)及剛度矩陣。因此在優(yōu)化設計中應考慮轉化機械機構動態(tài)設計參數(shù)為逆特征值，對設計對象信息推理，常見求解有限元逆特征值，借助線性求解得出機械機構尺寸整體數(shù)據(jù)來對機械產(chǎn)品機構設計參數(shù)研究。

引入模糊理論來優(yōu)化設計，借助時間里分析探討優(yōu)化設計可行性，完善有限元模型建構，精確設計中存在的逆向問題，來提高動態(tài)設計的精準度。

最后優(yōu)化機械動態(tài)設計中計算機信息技術的應用，加強對仿真技術的應用及信息化模式的兩者配合，保證動態(tài)設計體現(xiàn)機械產(chǎn)品的特點-——自動化和智能化。如在動態(tài)設計分析有限元過程中引入多項研究成果——機械動力技術和虛擬技術等研究成果你，以保證機械動態(tài)設計綜合性能，根據(jù)機械結構動態(tài)設計應用計算機信息技術，提供合適的額虛擬環(huán)境，加快產(chǎn)品的開發(fā)，借助虛擬環(huán)境快速更改設計中存在的虛擬誤差，在保證設計水平的基礎上提升機械產(chǎn)品的進準度。

五、結束語

機械結構動態(tài)設計在應用過程中還有很多不完善的地方，我們在進行動態(tài)設計的過程中要不斷優(yōu)化設計思路，結合電子、物理等更多學科的知識，用跨學科的思維去思考我們機械設計中的不足，真正改變我們錯誤的設計思路，養(yǎng)成正確的設計習慣，真正實現(xiàn)設計滿足行業(yè)需求，真正實現(xiàn)動態(tài)設計的價值。

參考文獻：

[1]劉曉輝，李嚴克.芻議如何優(yōu)化機械結構動態(tài)設計[J].大科技， 2017（20）.

[2]尉曉娟.機械結構動態(tài)優(yōu)化設計及其相關技術[J].明日風尚，2017（6）.

[3]鄺泳聰，洪海生，梁經(jīng)倫，等.基于動態(tài)特性的橫梁結構優(yōu)化設計[J].機械設計與制造工程，2018（1）.

[4]劉雪軍.機械結構動態(tài)優(yōu)化設計及其相關技術淺析[J].工程技術：全文版，2016（5）：00218-00218.