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1、第18卷第1期石家庄铁道学院学报Vo.l18No.12005年3月JOURNALOFSHIJIAZHUANGRAILWAYINSTITUTEMar.2005机械动态优化设计综述张志强,郭京波(石家庄铁道学院机械工程分院,河北石家庄050043)摘要:阐述了机械系统动态优化设计的概念、目的及必要性;介绍了机械结构系统的建模方法及动态设计方法;并分析了当前机械动态优化设计中存在的主要问题及今后的发展方向。关键词:动态设计;优化方法;数学模型;机械系统中图分类号:TB21文献标识码:A文章编号
2、:10063226(2005)010074041机械动态优化设计的概念、目的及必要性机械产品和机械设备日益朝着高速、高效、精密、轻量化及自动化的方向发展,产品结构日趋复杂,产品更新换代的速度日益加快,对产品的性能要求越来越高,这要求产品或设备的结构系统具有良好的静态和动态特性。如何降低产品或设备在工作情况下的振动和噪声,保护操作者的身心健康以及设备本身,同时尽量不影响周围的环境,成为一个必须解决的问题。传统的静态理论规范越来越难以满足市场的迅速变化,同时,传统的设计方法,很难综合考虑各方面的约束条件,
3、得到的往往只是复杂问题的可行方案,而非最优方案,也难以很好的满足机械设备动态特性要求。对产品进行动态优化设计,可以在很大程度上解决此类问题,其特点是把问题解决在设计阶段;其优点是代价较小,能够适应当前激烈的市场竞争的需要。机械动态优化设计主要是指系统参数的数值优化,其研究内容是将数学规划理论、机械振动理论和数值计算方法结合起来,以计算机为工具,建立一整套科学的、系统的、可靠而又高效的方法。其主要内容有:(1)建立符合实际情况的结构动力学模型。(2)选择有效的结构动态优化设计方法。本质是在产品的设计阶段就
4、将系统的动态特性问题考虑进去,从而取代传统设计中所使用的先依据静态设计规范及理论设计出样品或样机,再不断进行修改的设计方法,即进行动态优化设计。其目的是在产品的开发阶段就对产品的动态性能进行优化,这是一项正在迅速发展的技术,它涉及到现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、设计方法等许多学科,由于其涉及问题的复杂性,迄今为止还没有提出一套完整的动态优化设计理论、方法和体系。2建立机械系统动态优化设计的数学模型对于机械动态优化设计,主要依据机械振动理论以及一些数学基础理论。2.1建模方法(1)有限
5、元法。对于复杂机械结构的动态设计,有限元法是一种应用广泛的理论建模方法。它的基本思想是把结构离散化,使结构变为离散的物理模型(有限元模型),然后利用弹性力学中的变分原理,建立单元的动力学方程,以此为基础,利用所有单元在公共结点上位移相等的原理,对各单元动力学方程进行组结,便得到整个系统的动力学方程,加上边界条件,就成为所需的数学模型。(2)传递矩阵法。传递矩阵法属于集中参数建模方法,它主要用于研究轴类组件的弯曲振动和机械传动系统的扭转振动,其基本思想是将轴及轴上各组件简化成质量元件、梁元件、径向支承元件
6、、轴向支承元件等,根据相应理论分别写出各元件的传递矩阵,将各元件的传递矩阵按一定顺序相乘,就得到轴的收稿日期:20040225作者简介:张志强男1971年出生硕士研究生第1期张志强等:机械动态优化设计综述75累积传递矩阵,而建立起整个系统的数学模型。(3)实验模态法。20世纪70年代以来,由于快速傅立叶变换(FFT)技术的发展,模态分析设备发展非常迅速,推动了试验模态整体技术的发展,它是利用试验的方法完成数学模型的建立,通过测量对结构的激振和系统的响应来得到系统的模态参数,从而完成对于系统特性的
7、分析,它在实际中已经得到了广泛的应用。(4)混合建模法。它是将理论建模方法与实验建模方法相结合,利用理论建模方法与实验建模方法各自的优点而形成的一种建模方法。mn(5)利用人工神经网络理论建模。其理论基础是Kolmogorov定理,即对任一映射:ER,(X)=Y(E为单位闭区间),可以精确地由三层神经网络实现,且该神经网络的第一层有m个神经元,中间层有(2m+1)个神经元,第三层有n个神经元。这就从理论上保证任意一个映射都能通过一个前向三层神经网络实现,从而在数学上保证了三层BP神经网络的高度非
8、线性映射能力。而机械系统的结构参数与系统动态特性参数之间的关系从本质上讲,就是一种非线性的映射关系,分别将系统的结构参数和系统动态特性参数与神经网络的网络输入和网络输出相对应,利用已有的数据进行训练,就可以将对应结构的数学模型建立起来,用学习后的模型进行结构设计的再修改及优化,可大大减少运算时间,提高运算效率。从理论上讲,这种建模方式既可以解决动态优化设计中的正问题也可以解决逆问题,只是参数的对应方式不同而已,但由于此问题的复杂性,
