基于参数优化与动力改进的组合优化方法

第14卷第5期莆田学院学报Vol.14 No.52007年10月Journal of Put ian UniversityOct. 2007文章编号:1672- 4143(2007)05-007404中图分类号:TH122文献标识码:A基于参数优化与动力改进的组合优化方法陈庆堂(湄洲湾职业技术学院，福建莆田351254)摘要:利用ANSYS软件分析了结构静态分析环境下参数优化设计和模态分析环境下动力改进优化设计两种方法的优缺点,综合了两种优化设计方法的优点,提出了基于静态参数优化与模态动力改进的组合优化设计方法,在实际结构优化设计中取得了良好的设计效果。关键词:静态参數优化;模态动力改进;组合优化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应用现代设计理论和方法来改进和提高机电(Calculation Aied Desig)模型;生成优化循环所产品的设计质量,缩短开发周期,降低成本,增强用的分析文件;建立优化过程的参数;进入优化处产品的竞争能力，巳为各国实践证明是非常有效理器,指定分析文件;声明优化变量;选择优化方法的途径和发展方向,而且在不断扩展和深化。本文或优化工具;指定优化循环控制方式;进行优化分提出了一种先利用参数化优化方法对结构各参数析;查看设计序列结果;多层优化。0] 其优化过程的最优组合进行规划，并在此基础上根据结构的如下图1所示。特点和实际情况对其进行动力特性分析以提高动1.2 参数化优化设计的特点态特性为目标从形状上进行优化，做到了静态參结构参数进行优化设计方法是利用较高精确数优化设计质量优化与模态动力改进形状优化相度的数值分析方法，从大量可行方案中寻找最优结合的混合优化设计方法。设计方案,这样不仅可使产品设计过程自动化,还必将提高产品的工艺性能。它将有限元与优化搜1结构的参数化优化设计索技术充分结合起来，使结构优化设计突破了传1.1 参数化优化设计过程统的中国煤化τ比或采用许多ANSYS环境下结构参数优化设计步骤有;选假设MHCNMHG在校核方面的择组成结构的几何参数建立参数化CAD .者多局限。心竹力依兀万创用」日箅机技术、有限收稿8期: 2007-06-12作者简介:陈庆堂(1973- ),男,福建莆田人,讲师,工学硕士,主要从事站构分析与优化设计研究。第5期陈庆堂:基于参数优化与动力改进的组合优化方法75开始分析掌握结构的薄弱环节的基础上进行改进设计,其优化目的性强，优化效率高。闪.然而基于动力特性分析的优化方法其优化的结果一般是提高了局部乃至整体结构的重量,该方法由于其计算量大而无法通过参数优化来提高动态性能，给自动探索最优设计域带来了很大的在看设计序列困难，故单纯采用动力修改无法对结构整体尺寸数允点和应力进行最合理分布，无法在材料的分布上进行合理有效地优化。渊足否Tes↓3基于ANSYS的参数优化与动力特性分|输出最佳毕果析的结构混合优化方法综合分析基于参数化优化设计方法与基于动结阑力特性分析的优化设计方法的优缺点，本文提出圈1参数化优化设计过程了基于ANSYS的参数优化和动力特性分析的结元技术和优化技术，自动地设计出满足各种给定构混合优化方法,它是在ANSYS中基于静态分析要求的最佳结构尺寸、形状等,使得结构设计快速进行结构参数化优化设计，参数优化设计初步做而精确,从而大大地缩短了设计周期,提高了产品到了结构各参数的最优组合，对结构进行整体规的精度与性能，该方法能有效地对结构进行整体划;进而对参数化优化结构进行模态分析,分析出结构的合理规划和应力的合理分布。结构动态性能的薄弱环节，以提高动态性能为目但参数优化设计方法仅适用于简单结构模型标，从结构形状上进行改进以提高动态性能的需在静态分析的基础上对其进行参数优化设计,只能要。既能克服单纯参数化优化设计在减轻重量的在所选择的参数范围内进行结构整体参数的变化,同时降低结构动态性能的缺点，又能弥补单纯考进而通过尺寸或质量的改变对结构进行优化,无法虑提高动态性能而提高结构重量而无法做到最充满足结构在形状方面的优化;由于在模态分析的情分利用材料的缺点，混合优化设计方法做到了静况下循环计算需要耗费大量的机时,无法使结构在态分析与模态分析的有机结合，做到了结构整体参数化下以横态分析为目标进行参数循环优化设优化设计与局部结构改进相结合, 也做到了材料计,无法在参数化下达到优化结构的动态性能。合理分配与动态性能保持兼顾的统-。其优化流程图如图2所示。2基于动力特性分析的结构优化分析方法及特点4应用实例一主轴箱的混合 优化设计过程基于动力特性分析的结构优化设计方法是以4.1 主轴箱结构静态参数优化设计及结果分析结构模态分析为基础，通过对结构的模态分析掌一主轴箱 结构的整体规划握结构模态的薄弱环节,进而对薄弱环节改进,提在文[4]中对XK713数控铣床主轴箱进行有高其动态性能，最终达到综合提高结构的动静刚限元建模基础.上,对主轴箱进行了静力分析、模态度的目的。内分析。分析结果表明,XK713数控铣床的主轴箱原基于动力特性分析的结构优化设计方法可以设计安全 系数较大,设计趋于保守,其结构还具较有效地改善局部结构的动态性能，它可以通过改大的计主轴箱的结构中国煤化工变局部的尺寸或改变局部结构形状两种形式来达材料分王变形分布不均到优化结构的动态性能的目的，同时也可以通过匀,有YH.CNMH.设计。文[5]中运形状优化来改善结构静刚度。它是建立在动静态用工程软件ANSYS的OPT优化设计模块,在参76莆田学院学报2007年10月开姻造结构的特点，故对上表面及左右侧面采用宽18mm,厚12mm的加强筋,改进后结构如图3所示。馬爵并体要用经强排异势万法查看设计序列调足苦ES上[输出象佳好厕↓圈3动力改进 后主轴箱结构圈对改进后结构在进行有限元分析,共划分了39085个单元。结构重量为59.85 kg,比原设计降[覆控育门低了20.6%。模态计算结果列于表1。表1 优化前后主轴箱 结构的贸有频辜变化阶数原设计固有参数优化设计后结构改进后根据薄弱环频率/Hz_固有频率/Hz 固有频率/Hz节确定结构改进方案第一阶568.62512.64570.71600.68566.74609.38999.43596.08826.27第四阶1051.00733.95981.93第五阶1220.30852.021146.20第六阶1326.30962.451186.20第七阶1377.601089.261268.00图2参数化优化设计与动力改进相结合的混合优化法第八阶1531.101175.741371.00数化建模基础上，根据主轴箱的实际工况及零件第九阶1856.001221.441445.50第十阶1901.701351.901662.60加工精度要求对主轴箱结构以组成主轴箱的六个4.3基于静态参数优化与模态动力改进的主轴箱侧面厚度为设计变量,以减轻重量为目标的优化混合优化设计结果分析设计,并把设计结果与原设计进行比较分析,根据主轴箱结构经过了静态参数优化设计的整体对优化分析后主轴箱的结构分析，主轴箱结构减规划和动力特性局部形状改进，得到了混合优化轻了23.2%,材料得到了较为合理的分布,但结构设计后的新结构。从优化后结构静力计算结果可的动态性能有了较为明显的下降,前两阶的固有以看出，主轴箱结构混合优化后比静态参数优化频率比原设计分别降低了56Hz,34Hz,主轴箱的设计结构的应力与位移均有一定程度的降低,静力薄弱环节出现在底面、上表面、右侧面。计算结果仍然满足结构静刚度和强度的要求,新4.2 主轴箱结构模态动力改进主轴箱局部结主轴箱在三个方向上的变形分别为9.446 μum,构的形状优化设计6.069 um,7317μm。在三个方向上的变形量较为为了使主轴箱在合理分布应力的情况下能保接近，这表明混合优化后主轴箱结构在三个方向持良好的动态性能,有必要对其结构进-步改进。上的强度和刚度得到了合理的分布;从模态计算基于以上分析,本设计通过改变主轴箱的局部刚的结果看出，新主轴箱的前十阶固有频率均超过度,提高前两阶的固有频率。问第- -阶的振型为绕中国煤有频率,低阶固z轴摆动，故提高底面的刚度有利于提高第一阶固有频与频率高;主轴有频率,选择采用“X”型,厚度为17mm的筋板加固箱各YHCNMHGo 27.021z.因底面;第二阶为上表面及侧面的凹振,且考虑到铸轮的啮合振动频率的范围在70.00- 1107.80Hz,新第5期陈庆堂:基于参数优化与动力改进的组合优化方法77主轴箱的前十阶固有频率均与不在其振动频率附构改进带来计算的盲目性，以参数化优化设计与近,故不至于因齿轮的回转振动及啮合振动产生共结构动力改进相结合的优化方法充分发挥了两者振。”这表明对主轴箱各部分加固措施有效,新主轴的优点，做到了减轻结构重量与保持动态性能相箱的动态性能有了明显提高,该结构改进合理。结合。取得了较好的优化结果。从主轴箱由参数优化设计到结构进一步改进这一过程,主轴箱的结构在减轻重量,节省材料的参考文献:同时,材料也得到了合理的分布,而且结构又能保[]阮竞兰.运动机械参数优化设计的研究[.轻工机械,持原来的强度与刚度，主轴箱结构获得了较好的2002(1):19- -21.优化结果。[2] LeeJaehyung, Thompson D J ,YooHogHee, et al.Vibration analysis of avehicle body uand uspension5结束语system using as ub stuchure syouthesis method 0 Int以参数化优化设计与结构动力改进相结合的VehicleDesign, 200, 24(4) :360- -371.优化方法经过了从利用ANSYS参数化模块对组[3]许素强,夏人伟,结构优化方法研究综述[乃航空学报,1995,16(4) :386- -396.成其结构的主要结构参数进行优化设计,初步实[4]陈庆堂.基于ANSYS的数控铣床主轴葫结构有限元分现了组成总体结构主要参数的合理组合,此过程析刃机械,2004(3) :69-72. .实现了以减轻重量为目标的结构优化设计;在此[5]陈庆堂.基于ANSYS的数拉铣床主轴箱结构优化设计基础上分析参数化设计结构的静力和模态分析,办莆田学院学报,2005,12(5):72-74.对其薄弱环节进行有针对性的结构改进，选择了[6]杨瑞峰,崔志琴.柴油机曲轴的动态特性研究]内燃局部形状或尺寸的优化，使结构在减轻重的基础机,2002(S):3-5.上提高了低阶模态,保持了结构原来的动态性能。[刀汤文成,易红.工程结构的优化设计的策略[刀计算机辅以参数化优化设计与结构动力改进相结合的优化助设计与制造，1997(5):10-12.方法可以克服单纯参数化优化设计结果因质量降低而导致固有频率下降的弱点，又防止了单纯结[责任编辑林振梅](上接第20页)(3)若k=0,m=0,则A的特征多项式为[1]张福阁,磨晓酮. -一个行列式的计算与应用[].齐齐哈尔J(\)=|NE-A 1=, λ≠0大学学报,2006,22(5):106-110.0, λ=0[2]北京大学敏学系几何与代数教研室代数小组.高等代敏由于矩阵A的所有特征值的积等于矩阵A[M. 3版北京:高等教育出版社,2003.的行列式,因此还可求出特征值。[3]杨子胥.高筝代敷习题解:上册[M.修订本济南:山东在求具体的实对称矩阵的特征多项式时,如科学技术出版社,2001. .能把矩阵化为推论2的第(1)种或第(3)种情形,则计算较方便。由于篇幅限制不具体举例说明。「责任编辑林锋]中国煤化工MHCNMHG