机械结构虚拟优化设计技术与应用研究

发表时间:2019/2/19   来源:《基层建设》2018年第36期   作者:程昌伟
[导读] 摘要:随着现代科学技术的发展,市场产品竞争也越来越激烈,产品品种的换代速度加快,产品的复杂性在不断增加。
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        摘要:随着现代科学技术的发展,市场产品竞争也越来越激烈,产品品种的换代速度加快,产品的复杂性在不断增加。所以产品生产正在以小批量、多品种的生产方式取代过去的单一品种大批量生产方式。而这种生产方式,肯定会缩短产品的生产周期,产品的成本也会降低,产品提高市场的占有率和竞争力也会提高。所以在机械结构设计中采用优化设计是满足市场竞争的需要。
        关键词:机械结构;虚拟优化;设计技术;应用
        引言
        机械产品应用范围相对较广,为确保机械产品在我国日常生活及企业从生产中得到有效应用,实施优化设计十分必要。目前我国已经针对机械结构优化设计进行了研究,并取得一定成果,主要表现在船舶行业、焊工航天以及汽车行业等。机械结构的优化设计可有效提高其产品性能并增加其自身市场竞争力,对其市场发展起重要作用。
        1.机械结构优化设计方法
        目前,机械结构优化设计的应用已经应用到各个领域,很多的机械产品在设计中都会采用优化设计,才用优化设计能解决结构重量扩展到降低应力水平,还还能改进结构性能以及提高产品安全寿命等问题。
        在这样的方法中,由于函数最终表达为显式,因而计算所化的时间和存储量以当前的计算机技术看来是不难做到的。但是,对于复杂的机械结构来说,采用力学公式求解往往就不能胜任了。在有限元等数值方法快速发展的今天,自然被用在机械结构优化的分析中。由于这些数值方法应用广泛,可以求解结构的各类问题,包括静力、动力、弹塑性、热传导等,因此,随着计算机的软件和硬件技术快速发展,在过去经常被视作瓶颈的计算速度和存储量,对于一般的机械结构优化已经不是太大的问题时,机械结构优化中越来越多地采用数学规划+数值计算的模式。这种模式最大的优点是适应性好,使用方便,适合各类机械结构优化问题,包括大型杆系结构、三维连续体和板壳结构以及各种载荷和约束条件下的优化设计。但是,随着优化迭代次数的增加,重分析次数也大幅度上升,尤其对于大规模的结构问题,特别是涉及动力、可靠性问题,如果单次有限元分析的时间就很长,再加上求偏导数时的重分析时间将可能使求解变得过于耗时,以致不可行。
        2.机械结构动态设计常用技术
        2.1ANSYS技术
        在机械结构动态化设计中采用了美国ANSYS公司研制的FEA软件ANSYS。ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件,对提高解决动态设计能力是有跟大帮助,但ANSYS是一门相当难学的软件,一方面,ANSYS软件需要学习者有比较扎实的力学理论基础,对ANSYS分析结果能有个比较准确的预测和判断,可以说,理论水平的高低在很大程度上决定了ANSYS使用水平;另一方面,需要学习者不断摸索出软件的使用经验不断总结以提高解决问题的效率。ANSYS使用过程中还需要有着一定的编程能力,还需要设计者能够及时查看机械设计的反馈结果,并能根据非线性变化不断的修正自己的设计误差,进而提升自己设计的准确性和实用性。
        2.2有限元建模技术
        机械动力设计的另一个主要设计技术是有限元法(有限元法)。由于机械设计是一个极其复杂和复杂的过程,为了优化设计方案,必须对一些数值进行近似。采用有限元方法求解机械设计中具有特征边界的偏微分方程(PDE)问题。采用有限元法对设计方案进行优化,使机械设计方案更加完善。该方法使机械设计模型更加逼真。采用有限元法将机械设计划分为不同的单元踢。分析了不同结构值的优缺点。
        3.机械结构动态虚拟设计流程
        在三维可视化环境中,设计者利用各种 CAD设计软件(如 Pro/E,UGII 等)建立机械结构的实体模型,通过 IGES 或 STEP 文件传输格式将简化的 CAD 模型的几何特征信息输入CAE 软件(如ANSYS,NASTRAN),建立三维可视化的 CAE 模型,并对模型进行工程分析(包括振动模态,热变形,运动学和动力学仿真等),把 CAE 模型数据和分析结果数据分别存入 CAE 模型数据库和分析结果数据库,以图形或图像的形式直观地显示出来,仿真结果可直接指导设计人员进行结构的动力学优化设计与性能预测,见图 1。
        在三维虚拟环境中,设计者通过可视化图形和图像直接获取模型信息,并对有限元模型进行修改,以提高建模精度。同时,在视觉环境中,以图形或图像的形式动态或直观地显示结构的运动学和动力学仿真,使设计者能够了解整个结构和零件的特点。如结构运动仿真与干涉检测、结构整体或构件静、动态分析等。特别是通过对结构的动力分析和仿真,及时发现和修正结构中的薄弱环节,以保证其优良的动力性能。
        利用虚拟设计技术,将人机交互设计思想应用于三维可视化虚拟环境中,并利用现有的设计分析软件对模型进行结构动态优化设计。实现机械结构的动态分析、结构优化和性能预测,充分发挥设计者的想象力和创造性,使设计人员确定的经验与科学的计算分析有机地结合起来,促进结构设计的创新和发展。提高机械产品的创新能力和开发能力。
 
        4.机械结构优化的应用趋势
        随着优化方法的不断发展和完善,结构优化设计也逐渐发展起来。近年来,在结构优化算法方面,由于结构优化设计中变量较多,结构优化设计往往采用接近实际情况的复杂结构模型来模拟一些大型结构系统。因此,新的准则优化方法备受关注,但如何为一些特殊结构设计相应的计算公式,以解决与数值计算和推导有关的问题。同时,还可以采用一些机械系统分解和优化方法,在机械结构优化中,通过对多层分解或子结构分解的优化,将学科分解和优化方法应用于一些复杂的多学科系统。分解算法的关键是如何建立子问题之间的耦合关系。例如,利用线性分解和最优解对参数的敏感性来建立耦合关系,从而使某些子问题的解是相容的。这确保了迭代收敛,但问题是如何确保它能够得到解决。并将计算技术应用于结构优化设计。近十年来,人工神经网络和遗传算法等方法得到了迅速的发展。它们在连续混合和离散变量的全局优化中起着重要的作用,对结构近似再分析的专家系统的发展具有重要意义。目前的问题是如何提高该方法的精度、质量、收敛性和通用性。形状优化、拓扑优化和材料优化是机械结构优化的重要组成部分。
        5.小结
        机械结构优化设计的发展有助于提高机械产品的性能和质量,为机械工业的发展提供方向和机遇。实施优化设计可以缩短机械产品的生产周期,提高机械制造业的竞争力,促进机械产品的优化发展。
        参考文献:
        [1]张钟文.试析机械结构优化设计的应用及趋势[J].装备制造技术,2016,07:270-271.
        [2]曾文忠.机械产品设计的结构优化技术应用策略探究[J].湖南农机,2014,09:44-45.
        [3]周继瑶.论现代机械中的结构优化设计[J].企业科技与发展,2013,09:19-21.
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