论文部分内容阅读
摘要：现代机械产品的设计，不再仅仅局限于对于产品结构性能的满足上，还要满足节约材料的要求，从而控制零件制造成本。对于现代设计，形状优化时在设计过程中必须考虑的问题，各种方法的使用，使形状优化下的机械设计更加具有合理性和结构稳定性，特别是利用计算机的形状优化，更是在机械设计方面提高了设计的科学性。
关键词：形状优化 有限元 边界条件
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-392-01
目前机械产品的设计，不仅仅局限于产品功能的实现上，还要求产品具有一定的使用寿命。然而在机械设计过程中，不仅机械材料和处理工艺影响到零件的强度和使用寿命，零件的形状和各零件间的装配关系也在很大程度上会导致零件合机器过早发生故障。这就要求机械设计人员在设计过程中综合考虑各方面影响因素，争取在设计阶段对零件的形状进行优化，以提高其性能。
1 形状优化概述
机器性能的评判，不仅仅局限于对机械性能的要求上，还有对其疲劳强度、平均故障周期、平均故障修复周期、使用寿命、零件可换性、回收可利用性等各种方面的综合性指标，才能达到机械的的最优化设计。对于机械零件设计，其形状决定了零件受力时各部位的应力状况，从而导致受力不均或局部受力过大而造成零件断裂或过早疲劳失效。
在传统机械设计方法中，对于一个零件来说，设计人员首先考虑满足其功能上的要求，按功能要求设计出大致零件的形状。然后按照其所配合的零件来设计连接部位的连接方式及结构形状。在这两项满足的情况下，零件已经大致定型，在细节方面就需要考虑对其工艺性方面进行初步形状优化，例如倒角的设计。然而对于现代机械设计方法，这些步骤实施以后，零件不见得能满足目前机械产品的需要，各种因素的导入使机械设计人员在零件形状设计上需要做进一步的优化。现代机械设计方法中，形状优化的核心，在于对机械零件的校核上。传统校核是利用经验公式对零件受力分析，估测大致危险点，然后进行简单的强度和疲劳强度校核。而现代机械设计在这点上就做到了详细的分析，它利用有限元软件对零件受力输入到计算机或用传感器将信号转换为数据，对零件的具体受力状况进行详细的分析。
2 现代机械设计下的形状优化技术
随着各科技术的发展，纯机械的理论已经不再满足机械设计人员的需求。在形状优化方面，就引入了积分学、有限元、仿生学等各种学科来帮助设计人员对机械产品进行优化仿真，这不仅增加了现代机械设计的可靠性，在工作量方面也减轻了机械设计人员的压力。在目前的机械设计里，常用到的优化设计是以下三种。
（1）基于边缘优化的形状优化
在传统的零件校核方法中，对零件受力分析仅限于假定的危险截面，利用很局限的边界分析法，用材料力学知识对材料的危险截面进行强度校核。这种做法只能使问题得到十分有限的解决，正是基于这种传统方法的局限性，新的数学积分理论被引进用于对机械设计时的零件形状边缘优化。这种方法是利用大量数据，包括两件材料等考虑在内的对零件内某个点进行受力分析，然后延伸到周边假定点，从而推及整个零件。
边缘优化法的好处是综合考虑各部分需要，并在此基础上对零件的危险点做出有效的分析。统计学和概率论的发展，为边缘优化理论提供了一个科学有序的算法，使机械设计校核时更加科学合理化，而且防止由于传统叫校核估计误差导致危险点遗漏或误判。边缘优化主要考虑的是约束条件与边界条件的问题，是将零件的薄弱部分进行形状上改进。如在悬臂梁的设计中，初始设计一般都为等截面梁的形式，但是在实际应用中会发现，等截面梁的坏处是各处应力不均，造成材料的浪费，且很容易出现高应力处提前损坏现象的发生。于是人们引入边缘分析法，对悬臂梁應力分析，最后发现尾端的受力截面浪费现象十分严重，而根部却强度不足，就出现了变截面悬臂梁，在很大程度上解决了这个问题。
（2）基于有限元分析的形状优化
在软件行业迅速发展的时代，我们机械设计行业也迎来了一个结合现代化和虚拟化为一体的设计时代——CAD、CAM。有限元软件目前用的最多的是ansys，其他有限元分析法也跟它类似。它是将零件划分为无数个小的模块，在界定边界条件和外界施加力的情况下对各模块的受力综合起来。它将各模块之间的应力应变进行关联，运用积分法对模块边界受力情况进行定性分析，在此基础上分析整个零件的受力。
在有限元方法里，我们假定零件是由很多个形状不一，大小不一的模块靠分子间吸引力、零件应力等进行联系到一块。由于模块间的间隙可以忽略，所以当某个部分受力导致变形时，它与其他模块间的关联导致相邻模块也产生一定的变形量。但应力是不可能完全传播的，因此有了边界条件和约束条件需要计算机对数据进行分析，每个模块间相互传播，直至应力很小，计算机按照设定对其忽略。对于得到的结果，有限元软件可以生成详细的分析报告，包括文字报告和图片报告等，在图片里，利用等高线和色度法对所得结果进行详细的描述，而且文字报告里也会产生计算过程报告，方便设计人员对优化部分改进时有一个量上的把握，更加方便。从其工作原理我们可以看出，有限元分析法需要进行大量的计算工作，这种基于计算机科技发展而出现的方法，目前以其可靠性、科学性、合理性、准确性而得到了广大设计人员的青睐，并在设计过程中被广泛应用。
（3）基于仿生学的形状优化
机械零件的形状优化是在用材最少的情况下达到性能最优，并且满足人们各方面需要和零件配合后整体功能和寿命要求。机械设计仿生学是一种新兴学科，它是根据生物在生长过程中对各部分的充分利用，对于不足的地方进行快速优化，对于多余的地方进行消除，从而对零件内部应力分为高应力区和低应力区，并对各部位的情况看做一个等同条件。这样就可以对缺陷进行同时补足，做到零件形状优化时的同步性和应力最大程度均匀化。
仿生学设计是将零件看做一个生物来进行边缘优化，它是模仿生物在生长时，某个部位的生长只依靠周边情况而发生变化，对于整体结构不进行考虑。而在各个部位调节完成后，整体的受力情况也就趋于均匀，这就是仿生学的优点。在机械设计里，设计人员对零件进行分析，然后通过补充和消除等手段对各部位应力曲线图进行修整，所得到的优化图形可以为等应力曲线。这样便达到了形状优化的效果。仿生学在产品设计中早就得到了应用，但前期主要是模仿生物的外观，而不在内部进行深层次探讨。基于仿生学的形状优化法，对这一理论上得到了更加深刻的补充，它是在生物生长过程的方向上对零件形状优化提出理论，这就使形状优化在计算方面得到了一个具体方向，在改进上有了更加科学性的依据。
3 结论
零件形状优化是一种多学科、多领域共同完成的工作，这种优化方式是对机械设计人员能力的进一步要求，是在新的工业革命下企业生存力的一种挑战。传统的优化方式只能在较浅层次上进行有限的优化，而新的优化理论是基于科学算法和大型计算机软件的一种新的革命性算法，他不仅是对传统算法的升级，还是对其他学科的一种融合。在仿生学也在迅速发展的时代，他的引入，无疑又给设计人员一种新的思路和方法，能打破传统方法对于结构改造上的局限性。
现代设计对于零件形状的优化，不仅是对工件性能上达到预期要求，并且进行改进，也是在现有资源紧张的情况下，对零件材料的一种节约。这不仅节约了公司的制造成本，还能降低产品价格，使设计的产品在市场上具有更强的竞争力。对于现代设计方法，这三种优化方式只是其中使用较多的，其他方法也在被引用进形状优化学的理论里，并且表现出不错的效果。
参考文献：
[1]龚曙光，谢桂兰. 基于形状优化的机械零件设计. 机械设计与研究，2002，18（5）：41-43.
[2]吴志学. 机械零件形状优化设计的仿生学方法. 中国机械工程，2005，16（10）：869-872.
[3]吴志学.基于应力的生物生长规律与零件形状仿生优化.机械设计，2004，1：203-205.
[4]钟丽萍.基于有限元分析的装载机铲斗结构优化.中国工程机械学报，2011，1：1326-1329.
关键词：形状优化 有限元 边界条件
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-392-01
目前机械产品的设计，不仅仅局限于产品功能的实现上，还要求产品具有一定的使用寿命。然而在机械设计过程中，不仅机械材料和处理工艺影响到零件的强度和使用寿命，零件的形状和各零件间的装配关系也在很大程度上会导致零件合机器过早发生故障。这就要求机械设计人员在设计过程中综合考虑各方面影响因素，争取在设计阶段对零件的形状进行优化，以提高其性能。
1 形状优化概述
机器性能的评判，不仅仅局限于对机械性能的要求上，还有对其疲劳强度、平均故障周期、平均故障修复周期、使用寿命、零件可换性、回收可利用性等各种方面的综合性指标，才能达到机械的的最优化设计。对于机械零件设计，其形状决定了零件受力时各部位的应力状况，从而导致受力不均或局部受力过大而造成零件断裂或过早疲劳失效。
在传统机械设计方法中，对于一个零件来说，设计人员首先考虑满足其功能上的要求，按功能要求设计出大致零件的形状。然后按照其所配合的零件来设计连接部位的连接方式及结构形状。在这两项满足的情况下，零件已经大致定型，在细节方面就需要考虑对其工艺性方面进行初步形状优化，例如倒角的设计。然而对于现代机械设计方法，这些步骤实施以后，零件不见得能满足目前机械产品的需要，各种因素的导入使机械设计人员在零件形状设计上需要做进一步的优化。现代机械设计方法中，形状优化的核心，在于对机械零件的校核上。传统校核是利用经验公式对零件受力分析，估测大致危险点，然后进行简单的强度和疲劳强度校核。而现代机械设计在这点上就做到了详细的分析，它利用有限元软件对零件受力输入到计算机或用传感器将信号转换为数据，对零件的具体受力状况进行详细的分析。
2 现代机械设计下的形状优化技术
随着各科技术的发展，纯机械的理论已经不再满足机械设计人员的需求。在形状优化方面，就引入了积分学、有限元、仿生学等各种学科来帮助设计人员对机械产品进行优化仿真，这不仅增加了现代机械设计的可靠性，在工作量方面也减轻了机械设计人员的压力。在目前的机械设计里，常用到的优化设计是以下三种。
（1）基于边缘优化的形状优化
在传统的零件校核方法中，对零件受力分析仅限于假定的危险截面，利用很局限的边界分析法，用材料力学知识对材料的危险截面进行强度校核。这种做法只能使问题得到十分有限的解决，正是基于这种传统方法的局限性，新的数学积分理论被引进用于对机械设计时的零件形状边缘优化。这种方法是利用大量数据，包括两件材料等考虑在内的对零件内某个点进行受力分析，然后延伸到周边假定点，从而推及整个零件。
边缘优化法的好处是综合考虑各部分需要，并在此基础上对零件的危险点做出有效的分析。统计学和概率论的发展，为边缘优化理论提供了一个科学有序的算法，使机械设计校核时更加科学合理化，而且防止由于传统叫校核估计误差导致危险点遗漏或误判。边缘优化主要考虑的是约束条件与边界条件的问题，是将零件的薄弱部分进行形状上改进。如在悬臂梁的设计中，初始设计一般都为等截面梁的形式，但是在实际应用中会发现，等截面梁的坏处是各处应力不均，造成材料的浪费，且很容易出现高应力处提前损坏现象的发生。于是人们引入边缘分析法，对悬臂梁應力分析，最后发现尾端的受力截面浪费现象十分严重，而根部却强度不足，就出现了变截面悬臂梁，在很大程度上解决了这个问题。
（2）基于有限元分析的形状优化
在软件行业迅速发展的时代，我们机械设计行业也迎来了一个结合现代化和虚拟化为一体的设计时代——CAD、CAM。有限元软件目前用的最多的是ansys，其他有限元分析法也跟它类似。它是将零件划分为无数个小的模块，在界定边界条件和外界施加力的情况下对各模块的受力综合起来。它将各模块之间的应力应变进行关联，运用积分法对模块边界受力情况进行定性分析，在此基础上分析整个零件的受力。
在有限元方法里，我们假定零件是由很多个形状不一，大小不一的模块靠分子间吸引力、零件应力等进行联系到一块。由于模块间的间隙可以忽略，所以当某个部分受力导致变形时，它与其他模块间的关联导致相邻模块也产生一定的变形量。但应力是不可能完全传播的，因此有了边界条件和约束条件需要计算机对数据进行分析，每个模块间相互传播，直至应力很小，计算机按照设定对其忽略。对于得到的结果，有限元软件可以生成详细的分析报告，包括文字报告和图片报告等，在图片里，利用等高线和色度法对所得结果进行详细的描述，而且文字报告里也会产生计算过程报告，方便设计人员对优化部分改进时有一个量上的把握，更加方便。从其工作原理我们可以看出，有限元分析法需要进行大量的计算工作，这种基于计算机科技发展而出现的方法，目前以其可靠性、科学性、合理性、准确性而得到了广大设计人员的青睐，并在设计过程中被广泛应用。
（3）基于仿生学的形状优化
机械零件的形状优化是在用材最少的情况下达到性能最优，并且满足人们各方面需要和零件配合后整体功能和寿命要求。机械设计仿生学是一种新兴学科，它是根据生物在生长过程中对各部分的充分利用，对于不足的地方进行快速优化，对于多余的地方进行消除，从而对零件内部应力分为高应力区和低应力区，并对各部位的情况看做一个等同条件。这样就可以对缺陷进行同时补足，做到零件形状优化时的同步性和应力最大程度均匀化。
仿生学设计是将零件看做一个生物来进行边缘优化，它是模仿生物在生长时，某个部位的生长只依靠周边情况而发生变化，对于整体结构不进行考虑。而在各个部位调节完成后，整体的受力情况也就趋于均匀，这就是仿生学的优点。在机械设计里，设计人员对零件进行分析，然后通过补充和消除等手段对各部位应力曲线图进行修整，所得到的优化图形可以为等应力曲线。这样便达到了形状优化的效果。仿生学在产品设计中早就得到了应用，但前期主要是模仿生物的外观，而不在内部进行深层次探讨。基于仿生学的形状优化法，对这一理论上得到了更加深刻的补充，它是在生物生长过程的方向上对零件形状优化提出理论，这就使形状优化在计算方面得到了一个具体方向，在改进上有了更加科学性的依据。
3 结论
零件形状优化是一种多学科、多领域共同完成的工作，这种优化方式是对机械设计人员能力的进一步要求，是在新的工业革命下企业生存力的一种挑战。传统的优化方式只能在较浅层次上进行有限的优化，而新的优化理论是基于科学算法和大型计算机软件的一种新的革命性算法，他不仅是对传统算法的升级，还是对其他学科的一种融合。在仿生学也在迅速发展的时代，他的引入，无疑又给设计人员一种新的思路和方法，能打破传统方法对于结构改造上的局限性。
现代设计对于零件形状的优化，不仅是对工件性能上达到预期要求，并且进行改进，也是在现有资源紧张的情况下，对零件材料的一种节约。这不仅节约了公司的制造成本，还能降低产品价格，使设计的产品在市场上具有更强的竞争力。对于现代设计方法，这三种优化方式只是其中使用较多的，其他方法也在被引用进形状优化学的理论里，并且表现出不错的效果。
参考文献：
[1]龚曙光，谢桂兰. 基于形状优化的机械零件设计. 机械设计与研究，2002，18（5）：41-43.
[2]吴志学. 机械零件形状优化设计的仿生学方法. 中国机械工程，2005，16（10）：869-872.
[3]吴志学.基于应力的生物生长规律与零件形状仿生优化.机械设计，2004，1：203-205.
[4]钟丽萍.基于有限元分析的装载机铲斗结构优化.中国工程机械学报，2011，1：1326-1329.