第14卷第5期莆田學院學報Vol.14 No.52007年10月Journal of Put ian UniversityOct. 2007文章編號:1672- 4143(2007)05-007404中圖分類號:TH122文獻標識碼:A基于參數(shù)優(yōu)化與動力改進的組合優(yōu)化方法陳慶堂(湄洲灣職業(yè)技術學院，福建莆田351254)摘要:利用ANSYS軟件分析了結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析環(huán)境下參數(shù)優(yōu)化設計和模態(tài)分析環(huán)境下動力改進優(yōu)化設計兩種方法的優(yōu)缺點,綜合了兩種優(yōu)化設計方法的優(yōu)點,提出了基于靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化與模態(tài)動力改進的組合優(yōu)化設計方法,在實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中取得了良好的設計效果。關鍵詞:靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化;模態(tài)動力改進;組合優(yōu)化Optimization Design Based on Parameters OptimizationDesign Mixed with Dynamic ModifyCHEN Qing-tang( Meizhouwan Vocational Tecbnology College, Putian 351254, China )Abstract: This text analyzed the merit and sbortoming of static parameters optimization design and modeldynamic nodification on ANSYS, sythesizing the advantage of two kinds of design methods, a desigon nethodisproposed in this paper based on static panameters optimization mixed with modal dymamic modifcation, andobained the good design result in Bectual stucture optimization designKey words: static parameter optimization design; modal dynamic modifcation; mixed optimization應用現(xiàn)代設計理論和方法來改進和提高機電(Calculation Aied Desig)模型;生成優(yōu)化循環(huán)所產(chǎn)品的設計質(zhì)量,縮短開發(fā)周期,降低成本,增強用的分析文件;建立優(yōu)化過程的參數(shù);進入優(yōu)化處產(chǎn)品的競爭能力，巳為各國實踐證明是非常有效理器,指定分析文件;聲明優(yōu)化變量;選擇優(yōu)化方法的途徑和發(fā)展方向,而且在不斷擴展和深化。本文或優(yōu)化工具;指定優(yōu)化循環(huán)控制方式;進行優(yōu)化分提出了一種先利用參數(shù)化優(yōu)化方法對結(jié)構(gòu)各參數(shù)析;查看設計序列結(jié)果;多層優(yōu)化。0] 其優(yōu)化過程的最優(yōu)組合進行規(guī)劃，并在此基礎上根據(jù)結(jié)構(gòu)的如下圖1所示。特點和實際情況對其進行動力特性分析以提高動1.2 參數(shù)化優(yōu)化設計的特點態(tài)特性為目標從形狀上進行優(yōu)化，做到了靜態(tài)參結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設計方法是利用較高精確數(shù)優(yōu)化設計質(zhì)量優(yōu)化與模態(tài)動力改進形狀優(yōu)化相度的數(shù)值分析方法，從大量可行方案中尋找最優(yōu)結(jié)合的混合優(yōu)化設計方法。設計方案,這樣不僅可使產(chǎn)品設計過程自動化,還必將提高產(chǎn)品的工藝性能。它將有限元與優(yōu)化搜1結(jié)構(gòu)的參數(shù)化優(yōu)化設計索技術充分結(jié)合起來，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計突破了傳1.1 參數(shù)化優(yōu)化設計過程統(tǒng)的中國煤化τ比或采用許多ANSYS環(huán)境下結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計步驟有;選假設MHCNMHG在校核方面的擇組成結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)建立參數(shù)化CAD .者多局限。心竹力依兀萬創(chuàng)用」日箅機技術、有限收稿8期: 2007-06-12作者簡介:陳慶堂(1973- ),男,福建莆田人,講師,工學碩士,主要從事站構(gòu)分析與優(yōu)化設計研究。第5期陳慶堂:基于參數(shù)優(yōu)化與動力改進的組合優(yōu)化方法75開始分析掌握結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)的基礎上進行改進設計,其優(yōu)化目的性強，優(yōu)化效率高。閃.然而基于動力特性分析的優(yōu)化方法其優(yōu)化的結(jié)果一般是提高了局部乃至整體結(jié)構(gòu)的重量,該方法由于其計算量大而無法通過參數(shù)優(yōu)化來提高動態(tài)性能，給自動探索最優(yōu)設計域帶來了很大的在看設計序列困難，故單純采用動力修改無法對結(jié)構(gòu)整體尺寸數(shù)允點和應力進行最合理分布，無法在材料的分布上進行合理有效地優(yōu)化。淵足否Tes↓3基于ANSYS的參數(shù)優(yōu)化與動力特性分|輸出最佳畢果析的結(jié)構(gòu)混合優(yōu)化方法綜合分析基于參數(shù)化優(yōu)化設計方法與基于動結(jié)闌力特性分析的優(yōu)化設計方法的優(yōu)缺點，本文提出圈1參數(shù)化優(yōu)化設計過程了基于ANSYS的參數(shù)優(yōu)化和動力特性分析的結(jié)元技術和優(yōu)化技術，自動地設計出滿足各種給定構(gòu)混合優(yōu)化方法,它是在ANSYS中基于靜態(tài)分析要求的最佳結(jié)構(gòu)尺寸、形狀等,使得結(jié)構(gòu)設計快速進行結(jié)構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化設計，參數(shù)優(yōu)化設計初步做而精確,從而大大地縮短了設計周期,提高了產(chǎn)品到了結(jié)構(gòu)各參數(shù)的最優(yōu)組合，對結(jié)構(gòu)進行整體規(guī)的精度與性能，該方法能有效地對結(jié)構(gòu)進行整體劃;進而對參數(shù)化優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,分析出結(jié)構(gòu)的合理規(guī)劃和應力的合理分布。結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的薄弱環(huán)節(jié)，以提高動態(tài)性能為目但參數(shù)優(yōu)化設計方法僅適用于簡單結(jié)構(gòu)模型標，從結(jié)構(gòu)形狀上進行改進以提高動態(tài)性能的需在靜態(tài)分析的基礎上對其進行參數(shù)優(yōu)化設計,只能要。既能克服單純參數(shù)化優(yōu)化設計在減輕重量的在所選擇的參數(shù)范圍內(nèi)進行結(jié)構(gòu)整體參數(shù)的變化,同時降低結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的缺點，又能彌補單純考進而通過尺寸或質(zhì)量的改變對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,無法慮提高動態(tài)性能而提高結(jié)構(gòu)重量而無法做到最充滿足結(jié)構(gòu)在形狀方面的優(yōu)化;由于在模態(tài)分析的情分利用材料的缺點，混合優(yōu)化設計方法做到了靜況下循環(huán)計算需要耗費大量的機時,無法使結(jié)構(gòu)在態(tài)分析與模態(tài)分析的有機結(jié)合，做到了結(jié)構(gòu)整體參數(shù)化下以橫態(tài)分析為目標進行參數(shù)循環(huán)優(yōu)化設優(yōu)化設計與局部結(jié)構(gòu)改進相結(jié)合, 也做到了材料計,無法在參數(shù)化下達到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。合理分配與動態(tài)性能保持兼顧的統(tǒng)-。其優(yōu)化流程圖如圖2所示。2基于動力特性分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析方法及特點4應用實例一主軸箱的混合 優(yōu)化設計過程基于動力特性分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法是以4.1 主軸箱結(jié)構(gòu)靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化設計及結(jié)果分析結(jié)構(gòu)模態(tài)分析為基礎，通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析掌一主軸箱 結(jié)構(gòu)的整體規(guī)劃握結(jié)構(gòu)模態(tài)的薄弱環(huán)節(jié),進而對薄弱環(huán)節(jié)改進,提在文[4]中對XK713數(shù)控銑床主軸箱進行有高其動態(tài)性能，最終達到綜合提高結(jié)構(gòu)的動靜剛限元建模基礎.上,對主軸箱進行了靜力分析、模態(tài)度的目的。內(nèi)分析。分析結(jié)果表明,XK713數(shù)控銑床的主軸箱原基于動力特性分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法可以設計安全 系數(shù)較大,設計趨于保守,其結(jié)構(gòu)還具較有效地改善局部結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，它可以通過改大的計主軸箱的結(jié)構(gòu)中國煤化工變局部的尺寸或改變局部結(jié)構(gòu)形狀兩種形式來達材料分王變形分布不均到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能的目的，同時也可以通過勻,有YH.CNMH.設計。文[5]中運形狀優(yōu)化來改善結(jié)構(gòu)靜剛度。它是建立在動靜態(tài)用工程軟件ANSYS的OPT優(yōu)化設計模塊,在參76莆田學院學報2007年10月開姻造結(jié)構(gòu)的特點，故對上表面及左右側(cè)面采用寬18mm,厚12mm的加強筋,改進后結(jié)構(gòu)如圖3所示。馬爵并體要用經(jīng)強排異勢萬法查看設計序列調(diào)足苦ES上[輸出象佳好廁↓圈3動力改進 后主軸箱結(jié)構(gòu)圈對改進后結(jié)構(gòu)在進行有限元分析,共劃分了39085個單元。結(jié)構(gòu)重量為59.85 kg,比原設計降[覆控育門低了20.6%。模態(tài)計算結(jié)果列于表1。表1 優(yōu)化前后主軸箱 結(jié)構(gòu)的貿(mào)有頻辜變化階數(shù)原設計固有參數(shù)優(yōu)化設計后結(jié)構(gòu)改進后根據(jù)薄弱環(huán)頻率/Hz_固有頻率/Hz 固有頻率/Hz節(jié)確定結(jié)構(gòu)改進方案第一階568.62512.64570.71600.68566.74609.38999.43596.08826.27第四階1051.00733.95981.93第五階1220.30852.021146.20第六階1326.30962.451186.20第七階1377.601089.261268.00圖2參數(shù)化優(yōu)化設計與動力改進相結(jié)合的混合優(yōu)化法第八階1531.101175.741371.00數(shù)化建?；A上，根據(jù)主軸箱的實際工況及零件第九階1856.001221.441445.50第十階1901.701351.901662.60加工精度要求對主軸箱結(jié)構(gòu)以組成主軸箱的六個4.3基于靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化與模態(tài)動力改進的主軸箱側(cè)面厚度為設計變量,以減輕重量為目標的優(yōu)化混合優(yōu)化設計結(jié)果分析設計,并把設計結(jié)果與原設計進行比較分析,根據(jù)主軸箱結(jié)構(gòu)經(jīng)過了靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化設計的整體對優(yōu)化分析后主軸箱的結(jié)構(gòu)分析，主軸箱結(jié)構(gòu)減規(guī)劃和動力特性局部形狀改進，得到了混合優(yōu)化輕了23.2%,材料得到了較為合理的分布,但結(jié)構(gòu)設計后的新結(jié)構(gòu)。從優(yōu)化后結(jié)構(gòu)靜力計算結(jié)果可的動態(tài)性能有了較為明顯的下降,前兩階的固有以看出，主軸箱結(jié)構(gòu)混合優(yōu)化后比靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化頻率比原設計分別降低了56Hz,34Hz,主軸箱的設計結(jié)構(gòu)的應力與位移均有一定程度的降低,靜力薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在底面、上表面、右側(cè)面。計算結(jié)果仍然滿足結(jié)構(gòu)靜剛度和強度的要求,新4.2 主軸箱結(jié)構(gòu)模態(tài)動力改進主軸箱局部結(jié)主軸箱在三個方向上的變形分別為9.446 μum,構(gòu)的形狀優(yōu)化設計6.069 um,7317μm。在三個方向上的變形量較為為了使主軸箱在合理分布應力的情況下能保接近，這表明混合優(yōu)化后主軸箱結(jié)構(gòu)在三個方向持良好的動態(tài)性能,有必要對其結(jié)構(gòu)進-步改進。上的強度和剛度得到了合理的分布;從模態(tài)計算基于以上分析,本設計通過改變主軸箱的局部剛的結(jié)果看出，新主軸箱的前十階固有頻率均超過度,提高前兩階的固有頻率。問第- -階的振型為繞中國煤有頻率,低階固z軸擺動，故提高底面的剛度有利于提高第一階固有頻與頻率高;主軸有頻率,選擇采用“X”型,厚度為17mm的筋板加固箱各YHCNMHGo 27.021z.因底面;第二階為上表面及側(cè)面的凹振,且考慮到鑄輪的嚙合振動頻率的范圍在70.00- 1107.80Hz,新第5期陳慶堂:基于參數(shù)優(yōu)化與動力改進的組合優(yōu)化方法77主軸箱的前十階固有頻率均與不在其振動頻率附構(gòu)改進帶來計算的盲目性，以參數(shù)化優(yōu)化設計與近,故不至于因齒輪的回轉(zhuǎn)振動及嚙合振動產(chǎn)生共結(jié)構(gòu)動力改進相結(jié)合的優(yōu)化方法充分發(fā)揮了兩者振?！边@表明對主軸箱各部分加固措施有效,新主軸的優(yōu)點，做到了減輕結(jié)構(gòu)重量與保持動態(tài)性能相箱的動態(tài)性能有了明顯提高,該結(jié)構(gòu)改進合理。結(jié)合。取得了較好的優(yōu)化結(jié)果。從主軸箱由參數(shù)優(yōu)化設計到結(jié)構(gòu)進一步改進這一過程,主軸箱的結(jié)構(gòu)在減輕重量,節(jié)省材料的參考文獻:同時,材料也得到了合理的分布,而且結(jié)構(gòu)又能保[]阮競蘭.運動機械參數(shù)優(yōu)化設計的研究[.輕工機械,持原來的強度與剛度，主軸箱結(jié)構(gòu)獲得了較好的2002(1):19- -21.優(yōu)化結(jié)果。[2] LeeJaehyung, Thompson D J ,YooHogHee, et al.Vibration analysis of avehicle body uand uspension5結(jié)束語system using as ub stuchure syouthesis method 0 Int以參數(shù)化優(yōu)化設計與結(jié)構(gòu)動力改進相結(jié)合的VehicleDesign, 200, 24(4) :360- -371.優(yōu)化方法經(jīng)過了從利用ANSYS參數(shù)化模塊對組[3]許素強,夏人偉,結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究綜述[乃航空學報,1995,16(4) :386- -396.成其結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設計,初步實[4]陳慶堂.基于ANSYS的數(shù)控銑床主軸葫結(jié)構(gòu)有限元分現(xiàn)了組成總體結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的合理組合,此過程析刃機械,2004(3) :69-72. .實現(xiàn)了以減輕重量為目標的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計;在此[5]陳慶堂.基于ANSYS的數(shù)拉銑床主軸箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計基礎上分析參數(shù)化設計結(jié)構(gòu)的靜力和模態(tài)分析,辦莆田學院學報,2005,12(5):72-74.對其薄弱環(huán)節(jié)進行有針對性的結(jié)構(gòu)改進，選擇了[6]楊瑞峰,崔志琴.柴油機曲軸的動態(tài)特性研究]內(nèi)燃局部形狀或尺寸的優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)在減輕重的基礎機,2002(S):3-5.上提高了低階模態(tài),保持了結(jié)構(gòu)原來的動態(tài)性能。[刀湯文成,易紅.工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計的策略[刀計算機輔以參數(shù)化優(yōu)化設計與結(jié)構(gòu)動力改進相結(jié)合的優(yōu)化助設計與制造，1997(5):10-12.方法可以克服單純參數(shù)化優(yōu)化設計結(jié)果因質(zhì)量降低而導致固有頻率下降的弱點，又防止了單純結(jié)[責任編輯林振梅](上接第20頁)(3)若k=0,m=0,則A的特征多項式為[1]張福閣,磨曉酮. -一個行列式的計算與應用[].齊齊哈爾J(\)=|NE-A 1=, λ≠0大學學報,2006,22(5):106-110.0, λ=0[2]北京大學敏學系幾何與代數(shù)教研室代數(shù)小組.高等代敏由于矩陣A的所有特征值的積等于矩陣A[M. 3版北京:高等教育出版社,2003.的行列式,因此還可求出特征值。[3]楊子胥.高箏代敷習題解:上冊[M.修訂本濟南:山東在求具體的實對稱矩陣的特征多項式時,如科學技術出版社,2001. .能把矩陣化為推論2的第(1)種或第(3)種情形,則計算較方便。由于篇幅限制不具體舉例說明?！肛熑尉庉嬃咒h]中國煤化工MHCNMHG