《機(jī)械設(shè)計》2000年8月No8實例分析與經(jīng)驗交流優(yōu)化設(shè)計47文章編號1001 -2354( 2000 )08-0047-03CAD建模與優(yōu)化設(shè)計°曾振祥(湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖南湘潭411105 )摘要:從CAD建模出發(fā)提出優(yōu)化設(shè)計問題從工程應(yīng)用角度解決用數(shù)模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時的困難。通過實例解決了JKY2.5/2B型提升機(jī)卷筒的優(yōu)化設(shè)計問題。關(guān)鍵詞CAD建模數(shù)學(xué)模型;優(yōu)化設(shè)計中圖分類號:TH122文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A設(shè)計的工程問題進(jìn)行實體建模然后利用CAE技1前言術(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析與計算。而分析的結(jié)果,仍可用圖形表示。根據(jù)分析結(jié)果好壞返回到CAD ,長期來人們一直沿用 經(jīng)驗類比方法進(jìn)行工程設(shè)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改,直到設(shè)計最佳。其過程如圖1所計:首先根據(jù)設(shè)計任務(wù)及要求收集資料憑借經(jīng)驗示。輔之以必要的計算確定出一個較合適的方案。通過設(shè)計一分析一再設(shè)計”的過程,直到獲得較為滿開量意的設(shè)計方案為止。傳統(tǒng)方法確有它光輝燦爛的過C設(shè)計貴料查閱及整理城結(jié)構(gòu)的建模去,但也存在著致命的缺點。首先它不能保證這種[ .設(shè)計的條件及學(xué)做設(shè)計是最好的其次設(shè)計過程需要相當(dāng)長的周期。顯然難以適應(yīng)于今天高技術(shù)社會發(fā)展的需要。非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃的數(shù)模分析技術(shù),以計算機(jī)為判新分析工具應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計使之發(fā)生了較大的變化。它<滿足要No使機(jī)械設(shè)計過程大為縮短,精度大為提高。給機(jī)械優(yōu)化結(jié)果輸 出設(shè)計帶來了新的希望。但也給設(shè)計者提出了更高的圖1優(yōu)化設(shè)計順序要求,首先要求他是工程方面的專家第二要求他是( 1 )原始資料收集方案的確定。這點與傳統(tǒng)設(shè)數(shù)學(xué)方面的專家其次還要求他是計算機(jī)編程方面計沒有任何區(qū)別。的高手。三者缺一不可。如此苛刻的條件使大多(2 )機(jī)械結(jié)構(gòu)建模。利用CAD繪圖技術(shù)將構(gòu)數(shù)的工程技術(shù)人員望而生畏。由于上述的難點這思的方案以圖形表示。利用計算機(jī)以1 :的形式繪種數(shù)學(xué)建模的優(yōu)化設(shè)計很難普遍得到推廣應(yīng)用。制3D圖形。-般地，這對于工程技術(shù)人員來說是作者通過CAD建模,CAE分析的實踐活動對很內(nèi)行的。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了探討。(3)按照設(shè)計的規(guī)定和要求添加邊界和條件。2機(jī)械結(jié)構(gòu)新的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計目的添加各種條件。如力學(xué)中的支承、外載荷、對稱等條件。傳熱中的熱負(fù)荷溫度場,有許多的設(shè)計過程無法抽象為數(shù)學(xué)模型的形絕熱條件等。動力分析時振動參數(shù)以及模態(tài)分析中式更無法編制成計算程序。至今為止還沒有出現(xiàn).的頻率響應(yīng)等等。此外還有變形流場、電場等等。能實用的包含較廣的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的通用軟件。然中國煤化工CAD確定的坐標(biāo)數(shù)而其它方面的軟件卻發(fā)展迅速。特別是基于CAD據(jù),HCNMHG居等,分別進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)，技術(shù)和CAE技術(shù)的軟件發(fā)展給機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)力分析、動態(tài)應(yīng)力分析、傳熱分析、振動分析、動力分計提供了另一個新的途徑。利用CAD圖形技術(shù)對析、流體分析、管道系統(tǒng)分析、桁架以及梁桿等方面D ,收稿月期頻推9-1026; 修訂日期200317作者簡介:曾振祥勇副教授CAD研究所副所長從事化工機(jī)械及CAD/CAE等方面的教學(xué)和科研工作。48優(yōu)化設(shè)計實例分析與經(jīng)驗交流《機(jī)械設(shè)計》>2000年8月No8的數(shù)值分析與計算。由于.上述的軟件通用性極強(qiáng),a一線線加速度 a=1 m/sI3]。因此,便于掌握。此外分析的結(jié)果,以十分直觀的考慮超載15%的情況則此時的Fa為:形式分布在結(jié)構(gòu)的模型上，使人一目了然。Fx=(1+0.15)x117=135x 102N( 5 )分析結(jié)果的判定及修改。根據(jù)第( 4 )項的分Ma2=號xFx=172X10N m析計算再根據(jù)工程問題設(shè)計的判定標(biāo)準(zhǔn)可以判定半圓卷筒的機(jī)械建模如圖3所示。計算結(jié)果是否為最佳設(shè)計。如果不是最佳”設(shè)計,|F則返回建模項目修改模型的尺寸和設(shè)計參數(shù)及條件,重新分析計算,直到最佳”設(shè)計出現(xiàn)為止。如果達(dá)到最佳”設(shè)計則進(jìn)入繪圖或制造過程。這樣可步.以促使產(chǎn)品在短時間內(nèi)就可設(shè)計和制造出來。( 6采用CAD建模的優(yōu)化設(shè)計與數(shù)學(xué)建模相比hTTt HTT TTTTT有幾大優(yōu)點:①直觀明確數(shù)值仿真能直接摸擬工圖2卷筒受力圖作狀態(tài)②便于修改③-般的工程技術(shù)人員完全可以勝任;④有通用成熟的軟件不必自己編制計算程序⑤計算的精度和可靠性大為增加;⑥要求設(shè)計者有較寬厚的專業(yè)基礎(chǔ)和CAD技術(shù)。數(shù)模優(yōu)化設(shè)計則有以下缺點:①不太直觀②編好的程序不便修改③其優(yōu)化設(shè)計的精度和可靠性取決于設(shè)計者的數(shù)學(xué)水平和計算機(jī)編程能力;④要求設(shè)計者不僅是熟練的工程技術(shù)人員而且應(yīng)是數(shù)學(xué)家和編程的高手⑤無通用的軟件可用需自己調(diào)試或編制專用的程序⑥不易于交流。圖3半圓卷 筒的機(jī)械模型采用不同厚度的三維板殼單元建模,可以方便3機(jī)械建模優(yōu)化設(shè)計實例地進(jìn)行計算和分柝4.5。模型中的所有尺寸均按圖紙實際尺寸(1:1模型)選擇半圓卷筒的最不利工下面以JKY2. 5/2B型提升機(jī)卷筒的設(shè)計作為況進(jìn)行分析。機(jī)械建模優(yōu)化設(shè)計的實際例題。表1半圓卷 筒上面載荷及節(jié)點載荷3.1卷筒的外 載荷計算正常載荷超載情況卷筒所受的外力如圖2所示繩索的最大靜張F(tuán)-50*(N)| Mj+5(N m) |q( MPa)Fx +50[Nm) Ma +5M(Nm) | q(Mr)力F;=90X103 N則,由此而產(chǎn)生的面壓力為1]:2 3402 9803. 169.2 70034403. 6442Fa_ 2x90000x1.4*如圖3所示荷載作用在模型的50個節(jié)點上。9j= Dt= 2. 339xX0.034= 3. 169 MPa(1)3.2支承及邊界條件式中ian=1.4;半圓卷筒兩端的支撐板端部厚度較大,在強(qiáng)度D一外徑 按有關(guān)圖紙;分析時可視為固定支承(如圖3中三角形所示),半t一螺距 按有關(guān)圖紙。若考慮超載15%的情況則此時的面壓力應(yīng)為:圓卷筒相聯(lián)處的邊界條件Z方向的位移受到約束q.=(1+0. I5)Xq;=3.644 MPa(2)(如圖3中圓圈所示)拉桿等邊界條件由計算機(jī)自阻力矩的計算2]:動處理。3.3. 計算結(jié)果的優(yōu)化分析Fg=F;xk+Smt a=90103<1.2+8926. 9x1中國煤化工看文獻(xiàn)6]=117x 103 N .(3)HC N M H G件在滿足設(shè)計條件下DXFa得到最好的經(jīng)濟(jì)性。減輕零部件的質(zhì)量可以降低其Ma=2"= 149X10'N m轉(zhuǎn)動慣量減少啟動和制動的功率。因此,以此作為式中k一礦 井阻力系數(shù)取k=1.2;Em-當(dāng)量變位質(zhì)量2m=8 926. 9 kg(按相關(guān)圖紙估優(yōu)化目標(biāo)。算);計算模型分別考慮不同的加強(qiáng)肋個數(shù)不同的《機(jī)械設(shè)計》2000年8月No8實例分析與經(jīng)驗交流優(yōu)化設(shè)計49卷筒壁厚以及不同的工況下造成的影響。由計算分Von Mises應(yīng)力iJmx= 10 8868 s- 1.25744 MPa)半圓卷簡質(zhì)量:M=61.9824S +914.954 kg(6)析可得出圖4~圖7的曲線結(jié)果。它們分別表示了最大變形28mo = 30448. 65S - 1.053 pm在不同的壁厚下、不同的加肋個數(shù)下其最大應(yīng)力、Von Mises應(yīng)力iJmx= 100 084 s-1.23411 MPa變形以及其質(zhì)量等相互之間的關(guān)系。半圓卷筒質(zhì)量:M=67.329 1 S+914.901 kg(7)80τ最大變形:8mx=29322. 95 s- 1.047Von Mises應(yīng)力inmx= 10 925.8 s- 1.289 I MPa、半圓卷筒質(zhì)量:M=72. 689 s +914. 558 kg(8)最大變形:8mx=52 120 s - 1.2796 pum式中:s一壁厚 mm)b200各關(guān)系式的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。顯然不加160↑ 0--Vn Mises(MPa)肋情況可以得到最小質(zhì)量(最佳目標(biāo)值):M=2 402--10M(kg)kg;s=26. 3 mm ;δ= 1019. 3 pm;a= 180 MPa;不失穩(wěn)安全系°1298202226280 2統(tǒng)no=2.639 ,即比原設(shè)計可以減輕質(zhì)量209 kg。優(yōu)圖4不加肋情況 下的相互關(guān)系.化率為i= 2613.55一? 404 x 100= 8%。設(shè)計要求的不失2613. 5528穩(wěn)安全系數(shù)3]為2~2.5。因此,最佳設(shè)計完全滿足要求。表2關(guān)系 式的優(yōu)化結(jié)果目標(biāo)值卷筒厚變形值σ&[σ] T失穩(wěn)安全I(xiàn)加肋個數(shù)M( kg)S mmδ( 1rm)( MPa)系數(shù)no原設(shè)計2613.5530873.1513. 668 416040-_Von Mises (MPa)2 40426.31019.31802.6392018 2022533.5 26.11981/2 662.125.95968.55圖5加1個肋情況下的相互關(guān)系2671.45 24. 17885.04 .4小結(jié)采用CAD建模的優(yōu)化設(shè)計使十分艱巨的設(shè)計工作變得比較簡單和直觀。修改也十分方便。設(shè)計0--5 "Damp (um)的精確度大為提高。無需在圖形工作站上進(jìn)行利用普通的486以上微機(jī)即可。同時為設(shè)計經(jīng)驗豐富2 2850 2而又編程比較困難的工程技術(shù)人員提供了-種優(yōu)化圖6加2 個肋情況下的相互關(guān)系設(shè)計的新途徑。s50r3|參考文獻(xiàn)[1]徐灝.機(jī)械設(shè)計冊(第4冊IS]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991 31 ~31.[2]李儀鈺. 礦山提升運輸機(jī)槭M]北京治金工業(yè)出版社,1989 :244.YO Mises(MPa)[3] 中華人民共和國能源部.煤礦安全規(guī)程S ]北京: 1992 373.[4]中國煤化工M1長沙國防科技大學(xué)出22去茲8302圖7加3個肋情況下的相互關(guān)系CN M HG.DYH71 AP5原理及應(yīng)用[M]重慶:它們之間的關(guān)系可用曲線擬合式表示:重慶大學(xué)出版社1992 272.Von Mises應(yīng)力iomx= 10284 S ~ 1.23794 MPa(5)[6]曾振祥.JKY- 2.5/1.2防爆液壓提升機(jī)半圓制動板計算分析半圓卷筒質(zhì)量:M =56.6106 S +915.228 kg[R ]湘大化機(jī),1996.最大變形:芳芳數(shù)據(jù)99.85-1.15838 ;8 pu