機械產品設計中結構整合的運用論文
1前言
在少數幾個待選方案中進行比較分析，尋找最優方案的技術稱為最佳化設計。與傳統的機械產品設計相比，它既不需要參考透過估算、經驗定義出的同類產品基本結構，與檢查各效能指標是否滿足設計要求。更不需要人工試湊類比與分析，這樣可以大幅度的縮短設計週期。因此，最佳化設計是現代設計方法的重要內容之一。為了提高產品的競爭力，縮短開發週期，CAE以及最佳化方法已經頻繁的引入到產品的設計，生產的各個環節。特別是綜合運用拓撲最佳化和尺寸最佳化可以協助設計員在設計全新產品時，即使沒有參照物也能設計出滿足要求的產品。
2結構最佳化的方法與分層
由研究物件、約束物件、變數、目標函式與最佳策略的要求不同，我們便可衍生出不同結構的最佳化方法。根據最佳化目標的深淺可將最佳化分為尺寸最佳化、形狀最佳化、拓撲最佳化，三個不同層次的最佳化方法，它們的難度依次加大，與此同時它們收益也相應的提高。
2.1尺寸最佳化
原有元件的結構形狀與拓撲結構不變的同時，透過分析重組設計變數，進而尋找出最好的效能組合關係的最佳化方法。
2.2形狀最佳化
保證設計域內拓撲關係不變，從而求得結構的邊界，並且用這些邊界組成的新結構能達到理想的幾何形狀，同時能表現出某種效能的最佳狀態，這種方法稱為形狀最佳化設計。
2.3拓撲最佳化
連續體結構拓撲最佳化和離散結構的拓撲最佳化組成結構拓撲最佳化。孔洞數目、形狀分佈的最佳化，結構邊界形狀的最佳化均稱為連續體結構拓撲優；確定各給定節點位置的最佳聯結關係的最佳化，稱為拓撲最佳化。
3結構最佳化設計的過程及一般步驟
3.1目標函式
怎樣減小變形和應力是機械設計中的最關心的因素，我們可定義其目標函式為極小化變形或應力。由此可以知道，依據設計中最關注的因素是我們來確定目標函式。
3.2設計變數
設計變數是指參與結構最佳化設計的所有引數。在工程最佳化設計時，通常所用的設計變數有表徵結構外型的幾何引數和物理引數兩大類。例如：板的長、寬、高尺寸，圓孔半徑、材料的彈性模量、密度、屈服極限、安全係數等。
3.3約束條件
約束條件是指在迭代計算中，最佳化過程的設計變數要受到某些限制的條件。例如裝配位置的限制條件，確保運動可能性的極值條件等，這些條件均可稱為約束。
3.4選擇最佳化方法並分析評估
現在解決機械最佳化設計的方法很多，但一種普遍適用的.有效方法卻是少之又少。因為機械最佳化設計解決的主要問題是約束的非線性規劃問題，因此必須具體問題具體分析，從中選擇最佳化方法，並對最佳化計算結果進行分析評估。
4產品設計的最佳化應用分析
4.1支承結構拓撲最佳化的應用
在一個原本模糊的形狀，底部不動，裡面有受力圓孔的支承結構中，拓撲形狀分別取不同材料減少率為60%，80%時所形成的模型。在最佳化過程中連續減重，材料減少率達80%時，能清晰加強筋的脈絡。根據結構上的分杈可設計出帶有加強筋的新概念模型。根據拓撲最佳化結果設計支撐結構的變形和應力分佈。
4.2拓撲最佳化分析
當前，最佳化分析功能是大多數有限元分析軟體所具備的。設計變數（DV）、狀態變數（SV）和目標函式（OBJ），CAE最佳化模組均可定義，但它卻只能設定一個目標函式，其它需要最佳化的目標只有透過定義狀態變數的方式來實現。定義多個設計變數和狀態變數在分析課題中比比皆是，設計變數也稱自變數，透過改變設計變數的數值來取得最佳化結果，設計變數的函式有狀態變數和目標函式。
例如結構的長寬高尺寸，筋板厚度等定義為設計變數，結構變形和應力隨設計變數的變化而變化，為設計變數的函式，可以定義為狀態變數，使結構重量極小化定義為目標函式。設計變數，狀態變數和目標函式組成最佳化變數。這些變數在多數的分析軟體中，都是由使用者定義的引數來指定。使用者必須指出在引數集中的設計變數，狀態變數和目標函式。滿足所有給定的約束條件（設計變數的約束和狀態變數的約束）的設計才能稱得上是合理的設計。假如其中任一約束條件不被滿足，設計就是不合理的。既滿足所有的約束條件又能達到最小目標函式值的設計才能算優設計。
5機械產品設計中結構最佳化技術的應用
5.1機床橫樑的最佳截面設計
橋式高速數控龍門銑床是在國內推出的新一代航空製造裝備，其中橫樑是很關鍵的結構，設計水平的好壞直接影響整個裝置效能，對於橫樑的最佳化主要從兩方面考慮：（1）在不增加重量的前提下，使橫樑上的最大變形極小化，提高橫樑的靜剛度；（2）最佳化中初階固有頻率不小於設定值，提高橫樑的動剛度。
5.2機床橫樑的布筋最佳化
原始橫樑是某機械公司採用的結構，如圖1所示。最佳化設計橫樑採用了筋格的拓撲最佳化結果，但筋格由於太複雜，加工製造非常不利，因此從加工方面考慮這種方案採用的可能性不大，如圖2所示。
6結語
最佳化技術與CAE分析技術相結合，使設計人員從繁瑣凌亂的湊試工作中解脫出來，特別是近10年來在機械設計領域，隨著ANSYS、MARC、ABAQUS等CAE軟體的廣泛應用，已經可以用現代化的設計方法進行新產品的開發設計，來滿足使用者提出的各種要求。透過最佳化設計，使好鋼用在刀刃上，降低產品重量，極大的提高產品效能；並能創新設計思路，激發設計創新的熱情，使機械製造工業發生深刻變革。
【機械產品設計中結構整合的運用論文】相關文章：