機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計

2013-06-14 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展推動了各種數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)及迅速發(fā)展。新穎的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床的運動速度提高了5-10倍,與此相應(yīng)它對動態(tài)性能的要求比傳統(tǒng)機(jī)床提高了很多倍。這就使得我國數(shù)控機(jī)床的水平與國際先進(jìn)水平的差距更大。主要表現(xiàn)在:可靠性差、應(yīng)變能力差、產(chǎn)品開發(fā)周期長、設(shè)計手段落后等,并且業(yè)內(nèi)人士意識到我國數(shù)控機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)已從數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到機(jī)械系統(tǒng)。但傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)計主要是經(jīng)驗設(shè)計和實驗相結(jié)合,其步驟是:經(jīng)驗設(shè)計-樣機(jī)試制--樣機(jī)測試-改進(jìn)設(shè)。這種方法耗費大量的人力和財力,且周期長,效果差。因此長期沿用的以經(jīng)驗設(shè)計為主的落后設(shè)計方法必須改變。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的發(fā)展

傳統(tǒng)的設(shè)計方法越來越難以滿足市場的迅速變化,同時,很難綜合考慮各方面的約束條件,得到的往往只是復(fù)雜問題的可行方案,而非最優(yōu)方案,也難以很好的滿足機(jī)械設(shè)備動態(tài)特性要求。對產(chǎn)品進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計,可以在很大程度上解決此類問題,其特點是把問題解決在設(shè)計階段;其優(yōu)點是代價較小,能夠適應(yīng)當(dāng)前激烈的市場競爭的需要。機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計是一項涉及現(xiàn)代動態(tài)分析,計算機(jī)技術(shù),產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論,設(shè)計方法學(xué)等眾多科學(xué)領(lǐng)域的高新技術(shù)。其基本思想是對按功能要求設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖紙或要改進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)建模,并做動特性分析。根據(jù)對其動特性的要求或預(yù)定的動態(tài)設(shè)計目標(biāo),進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改,再設(shè)計和結(jié)構(gòu)重分析,直到滿足結(jié)構(gòu)動特性的設(shè)計要求。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的內(nèi)容

1.1.1 建立一個切合實際的動力學(xué)模型

機(jī)械結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型有著極其重要的作用。在機(jī)床設(shè)計階段,建立動力學(xué)模型,可以進(jìn)行動態(tài)分析和設(shè)計;預(yù)估機(jī)床結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,分析薄弱環(huán)節(jié),尋求改進(jìn)措施;用數(shù)字仿真方法,比較各種設(shè)計方案和結(jié)構(gòu),并為設(shè)計自動化打下基礎(chǔ)。建模的方法有:有限元法、傳遞矩陣法、實驗?zāi)B(tài)法、混合建模法、利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建模。

1.1.2 選擇有效的結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法

結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計是對系統(tǒng)設(shè)計變量的初始參數(shù),通過計算,作出必要的修改,使機(jī)械機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能在規(guī)定的約束條件下達(dá)到最優(yōu)。目前,動態(tài)設(shè)計的優(yōu)化正處于發(fā)展與完善階段,從現(xiàn)有的資料來看,系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法可分為3類:基于模態(tài)柔度和能量平衡的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、基于變分原理的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計和基于最小值原理的動態(tài)優(yōu)化。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)有:結(jié)構(gòu)結(jié)合部參數(shù)的辨識;系統(tǒng)中阻尼矩陣的確定;模型的修正方法;以設(shè)計變量直接作為優(yōu)化變量,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)動力學(xué)的求解方法;尋求更快速、更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性重分析模型與方法。結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的發(fā)展主要集中在對關(guān)鍵技術(shù)的研究上,結(jié)合面在整機(jī)性能研究中的主要作用,最早是在1939年,德國柏林工業(yè)大學(xué)的一篇論文中提到的,而真正的研究則是1959年,前蘇聯(lián)的Reshetov和Levina所進(jìn)行的,從此以后,世界各國的眾多學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究,也取得了大量的研究成果。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模糊設(shè)計技術(shù)的發(fā)展,國、內(nèi)外許多研究人員把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模糊設(shè)計技術(shù)引人動態(tài)設(shè)計過程中,為結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計提供了全新的思路。

2 相關(guān)技術(shù)

對于復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計,有限元法是一種應(yīng)用廣泛的理論建模方法。分析軟件中最有名的是ANSYS公司的ANSYS。下面針對有限元法和ANSYS軟件作一簡單的介紹。

2.1 有限元法

有限元法是R.Courant于1943年首先提出的,機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)有限元法分析主要是從八十年代開始的。到了九十年代,隨著數(shù)值模擬技術(shù)的引人,機(jī)械動態(tài)有限元分析法的廣度和深度不斷增加。在對復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)動力分析和動態(tài)設(shè)計方面,有限元法是一種應(yīng)用最廣的建模方法.利用彈性力學(xué)和有限元法建立結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型,可以計算出結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)以及動力響應(yīng),在此基礎(chǔ)上還可根據(jù)不同需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計。由于有限元法具有精度高、適應(yīng)強(qiáng)、計算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域,已成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的一種重要工具。

目前,通用的有限元計算軟件有很多種,其中絕大多數(shù)不僅可以進(jìn)行簡單、線性、靜態(tài)分析,也可以進(jìn)行復(fù)雜、非線性、動態(tài)分析。其分析功能幾乎覆蓋了所有的工程領(lǐng)域,程序使用也非常方便。在我國工程界比較流行,被廣泛使用的大型有限元分析軟件主要有MSC/Nastran, Ansys, Abaqus, Marc,Adina和Algor等。

2.2 有限元分析軟件ANSYS

在產(chǎn)品設(shè)計過程中,通常需要做大量的分析計算,ANSYS軟件是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程分析軟件,該軟件可在大多數(shù)計算機(jī)及操作系統(tǒng)中運行。它能與大多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享及交換.是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中高級CAD工具之一。已廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。下面就ANSYS軟件作一簡單的介紹。

2.3 ANSYS軟件功能模塊

ANSYS軟件具有多種多樣的分析能力,從簡單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動態(tài)分析。主要的功能模塊有:結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體力學(xué)分析、禍合場分析等模塊。而且,還具有產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計、估計分析等附加功能。

2.4 ANSYS軟件的主要特點

(1)主要技術(shù)特點。唯一能實現(xiàn)多場及多場禍合分析,唯一能實現(xiàn)前、后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化,具有多物理場優(yōu)化功能,強(qiáng)大的非線性分析,多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置,支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動,在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件兼容。具有強(qiáng)大的并行計算功能,支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行,多種自動網(wǎng)格劃分技術(shù),良好的用戶開發(fā)環(huán)境。

(2)與CAD的接口。可以導(dǎo)入當(dāng)前使用的大多數(shù)CAD軟件繪圖格式,如UG,proe,I-Deas,Catia, SolidEdge,Solidworks等。其中,proe繪圖的IGES格式的文件可以直接導(dǎo)入。

2.5 ANSYS結(jié)構(gòu)分析過程

ANSYS 的分析過程包括:確定問題的范圍、建立有限元模型、施加載荷和求解、后處理。

因ANSYS有以上的功能模塊和特點,是有限元分析和優(yōu)化分析的有機(jī)結(jié)合,為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析提供了新的方法,已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)間題必不可少的有力工具。

總之,機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計是以計算機(jī)仿真、建模為基礎(chǔ),集計算機(jī)技術(shù)、機(jī)械動力學(xué)、有限元和優(yōu)化設(shè)計方法為一體,由多學(xué)科知識組成的綜合系統(tǒng)技術(shù),是機(jī)械結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計與分析在計算機(jī)環(huán)境中數(shù)字化、圖象化的映射,通過虛擬動態(tài)環(huán)境,進(jìn)行虛擬產(chǎn)品開發(fā),對產(chǎn)品的動態(tài)特性做出分析,大大提高了機(jī)床的整機(jī)性能。

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