機械結構動態(tài)優(yōu)化設計

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

隨著高速切削技術的發(fā)展推動了各種數控機床的出現及迅速發(fā)展。新穎的機械結構系統使現代數控機床比傳統的數控機床的運動速度提高了5-10倍,與此相應它對動態(tài)性能的要求比傳統機床提高了很多倍。這就使得我國數控機床的水平與國際先進水平的差距更大。主要表現在:可靠性差、應變能力差、產品開發(fā)周期長、設計手段落后等,并且業(yè)內人士意識到我國數控機床的薄弱環(huán)節(jié)已從數控系統轉移到機械系統。但傳統的機床設計主要是經驗設計和實驗相結合,其步驟是:經驗設計-樣機試制--樣機測試-改進設。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驗設計為主的落后設計方法必須改變。

1 機械結構動態(tài)設計的發(fā)展

傳統的設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,得到的往往只是復雜問題的可行方案,而非最優(yōu)方案,也難以很好的滿足機械設備動態(tài)特性要求。對產品進行動態(tài)優(yōu)化設計,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計階段;其優(yōu)點是代價較小,能夠適應當前激烈的市場競爭的需要。機械結構動態(tài)設計是一項涉及現代動態(tài)分析,計算機技術,產品結構動力學理論,設計方法學等眾多科學領域的高新技術。其基本思想是對按功能要求設計的結構圖紙或要改進的機械結構進行動力學建模,并做動特性分析。根據對其動特性的要求或預定的動態(tài)設計目標,進行結構修改,再設計和結構重分析,直到滿足結構動特性的設計要求。

1.1 機械結構動態(tài)設計的內容

1.1.1 建立一個切合實際的動力學模型

機械結構的動力學模型有著極其重要的作用。在機床設計階段,建立動力學模型,可以進行動態(tài)分析和設計;預估機床結構的動態(tài)特性,分析薄弱環(huán)節(jié),尋求改進措施;用數字仿真方法,比較各種設計方案和結構,并為設計自動化打下基礎。建模的方法有:有限元法、傳遞矩陣法、實驗模態(tài)法、混合建模法、利用人工神經網絡理論建模。

1.1.2 選擇有效的結構動態(tài)優(yōu)化設計方法

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

1.2 機械結構動態(tài)設計的關鍵技術

機械結構動態(tài)設計的關鍵技術有:結構結合部參數的辨識;系統中阻尼矩陣的確定;模型的修正方法;以設計變量直接作為優(yōu)化變量,實現結構動力學的求解方法;尋求更快速、更準確的結構動態(tài)特性重分析模型與方法。結構動態(tài)設計的發(fā)展主要集中在對關鍵技術的研究上,結合面在整機性能研究中的主要作用,最早是在1939年,德國柏林工業(yè)大學的一篇論文中提到的,而真正的研究則是1959年,前蘇聯的Reshetov和Levina所進行的,從此以后,世界各國的眾多學者對其進行了大量的研究,也取得了大量的研究成果。隨著人工神經網絡技術和模糊設計技術的發(fā)展,國、內外許多研究人員把神經網絡技術和模糊設計技術引人動態(tài)設計過程中,為結構動態(tài)設計提供了全新的思路。

2 相關技術

對于復雜機械結構的動態(tài)設計,有限元法是一種應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,機械結構的動態(tài)有限元法分析主要是從八十年代開始的。到了九十年代,隨著數值模擬技術的引人,機械動態(tài)有限元分析法的廣度和深度不斷增加。在對復雜機械結構動力分析和動態(tài)設計方面,有限元法是一種應用最廣的建模方法.利用彈性力學和有限元法建立結構的動力學模型,可以計算出結構的固有頻率、振型等模態(tài)參數以及動力響應,在此基礎上還可根據不同需要對機械結構進行動態(tài)設計。由于有限元法具有精度高、適應強、計算格式規(guī)范統一等優(yōu)點,已廣泛應用于許多領域,已成為現代機械產品設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,其中絕大多數不僅可以進行簡單、線性、靜態(tài)分析,也可以進行復雜、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

在產品設計過程中,通常需要做大量的分析計算,ANSYS軟件是一種應用廣泛的通用有限元工程分析軟件,該軟件可在大多數計算機及操作系統中運行。它能與大多數CAD軟件結合使用,實現數據的共享及交換.是現代產品設計中高級CAD工具之一。已廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究。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)分析到復雜的非線性動態(tài)分析。主要的功能模塊有:結構分析、熱分析、電磁分析、流體力學分析、禍合場分析等模塊。而且,還具有產品的優(yōu)化設計、估計分析等附加功能。

2.4 ANSYS軟件的主要特點

(1)主要技術特點。唯一能實現多場及多場禍合分析,唯一能實現前、后處理、求解及多場分析統一數據庫的一體化,具有多物理場優(yōu)化功能,強大的非線性分析,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、異構平臺的網絡浮動,在異種、異構平臺上用戶界面統一、數據文件兼容。具有強大的并行計算功能,支持分布式并行及共享內存式并行,多種自動網格劃分技術,良好的用戶開發(fā)環(huán)境。

(2)與CAD的接口。可以導入當前使用的大多數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入。

2.5 ANSYS結構分析過程

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)化分析的有機結合,為復雜結構的優(yōu)化分析提供了新的方法,已成為解決現代工程學間題必不可少的有力工具。

總之,機械結構的動態(tài)設計是以計算機仿真、建模為基礎,集計算機技術、機械動力學、有限元和優(yōu)化設計方法為一體,由多學科知識組成的綜合系統技術,是機械結構動力學設計與分析在計算機環(huán)境中數字化、圖象化的映射,通過虛擬動態(tài)環(huán)境,進行虛擬產品開發(fā),對產品的動態(tài)特性做出分析,大大提高了機床的整機性能。

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