選題的依據(jù)及意義

1、一、 選題的依據(jù)及意義：隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化步伐的加快和知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，如何快速響應(yīng)市場(chǎng)，在較短時(shí)間內(nèi)以較高速性能價(jià)格比的產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)，是企業(yè)得以生存和發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此企業(yè)必須依靠創(chuàng)新性思維、先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、完善的管理和利用社會(huì)豐富的信息資源等有利因素，增強(qiáng)企業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的能力、縮短設(shè)計(jì)周期、提高個(gè)性化程度、同時(shí)又要降低成本、保證質(zhì)量及良好的售后服務(wù)。傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法難以滿足這些要求，而必須采用有限元

2、分析、模態(tài)分析、拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造等現(xiàn)代先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和手段，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)市場(chǎng)、產(chǎn)品批量化生產(chǎn)及大規(guī)模生產(chǎn)條件下的個(gè)性化需求。而通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)有限元仿真、動(dòng)態(tài)測(cè)試、加工過(guò)程仿真、拓?fù)鋬?yōu)化、基于元結(jié)構(gòu)的可適應(yīng)性動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和基于響應(yīng)面法的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)手段，能夠保證產(chǎn)品的優(yōu)良性能。目前，國(guó)內(nèi)大部分制造企業(yè)的設(shè)計(jì)和制造手段比較落后，與世界上發(fā)達(dá)國(guó)家的差距較大，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不僅性能差、結(jié)構(gòu)笨重、而且設(shè)

3、計(jì)周期長(zhǎng)、制造成本高和更新?lián)Q代慢。這些問(wèn)題使得中國(guó)的機(jī)床制造形勢(shì)非常嚴(yán)峻。在這個(gè)背景下，根據(jù)現(xiàn)代社會(huì)的需要，我們著眼于機(jī)床立柱機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，其目的和意義在于探索采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和手段實(shí)現(xiàn)加工中心的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)加工中心各大件的外形結(jié)構(gòu)；采用基于元結(jié)構(gòu)的可適應(yīng)性動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)各大件的筋板結(jié)構(gòu)；進(jìn)行基于響應(yīng)面法的尺寸優(yōu)化確定各大件的主要尺寸。使加工中心制造企業(yè)在較短的時(shí)間內(nèi)，以較低的成本，設(shè)計(jì)出高性能的機(jī)械產(chǎn)

4、品，以增強(qiáng)制造企業(yè)在國(guó)內(nèi)外的競(jìng)爭(zhēng)能力。二、 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）：結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是近 20 年來(lái)從結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中派生出來(lái)的新分支，它在計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)中已經(jīng)被認(rèn)為是最富挑戰(zhàn)性的一類研究工作。目前有關(guān)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的工程應(yīng)用研究還很不成熟，在國(guó)外處在發(fā)展的初期，尤其在國(guó)內(nèi)尚屬于起步階段。1904 年 Michell 在桁架理論中首次提出了拓?fù)鋬?yōu)化的概念。自 1964 年 Dorn 等人提出基結(jié)構(gòu)法，將數(shù)值方法引入拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域，拓

5、撲優(yōu)化研究開(kāi)始活躍。20 世紀(jì) 80 年代初，程耿東和 N.Olhoff 在彈性板的最優(yōu)厚度分布研究中首次將最優(yōu)拓?fù)鋯?wèn)題轉(zhuǎn)化為尺寸優(yōu)化問(wèn)題，他們開(kāi)創(chuàng)性的工作引起了眾多學(xué)者的研究興趣。1988 年Bendsoe 和 Kikuchi 發(fā)表的基于均勻化理論的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)創(chuàng)了連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究的新局面。1993 年 XieYM 和 StevenGP 提出了漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法。1999 年 Bendsoe 和 Sigmund 證實(shí)了變

6、密度法物理意義的存在性。通常把結(jié)構(gòu)優(yōu)化按設(shè)計(jì)變量的類型劃分成三個(gè)層次：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化已得到充分的發(fā)展，但它們存在著不能變更結(jié)構(gòu)拓?fù)涞娜毕輀2].在國(guó)內(nèi)，湯文成和易紅對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出改變結(jié)構(gòu)的筋板類型和布局能夠提高結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)特性的結(jié)論，并提出了以導(dǎo)軌變形量作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，各設(shè)計(jì)變量對(duì)機(jī)床動(dòng)靜態(tài)性能貢獻(xiàn)加權(quán)作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)

7、行了有益的嘗試[3] [4] [5] 。吳長(zhǎng)智提出了一種離散誤差線性優(yōu)化的方法，在 MG1432B 磨床動(dòng)態(tài)測(cè)試的基礎(chǔ)上，建立整機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，較全面地分析和指出了整機(jī)結(jié)構(gòu)存在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了修改方案，該方法為整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的修改提出了準(zhǔn)確和可靠的依據(jù)。伍建國(guó)、毛海軍和孫慶紅通過(guò)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本的選擇問(wèn)題的研究，提出了采用多水平正交表選取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本的方法，建立了內(nèi)圓磨床主軸系統(tǒng)的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上借助

8、于優(yōu)化方法進(jìn)行了模型修正和優(yōu)化計(jì)算，該方法不僅計(jì)算方便、快捷，而且具有較高的計(jì)算精度張建潤(rùn)等對(duì)五坐標(biāo)數(shù)控龍門(mén)加工中心進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)劉偉等采用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行了 XH600 高速加工中心立柱拓?fù)鋬?yōu)化[6]。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)按照其發(fā)展的順序和難易程度分為五個(gè)層次[23]:截面(或尺寸)優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、布局優(yōu)化和類型優(yōu)化。目前結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面優(yōu)化已比較成熟,但對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀、拓?fù)浜筒季值雀邔哟蔚慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外發(fā)表的研究論文比較

9、少,進(jìn)展相對(duì)緩慢[1]。和截面優(yōu)化相比,其設(shè)計(jì)空間維數(shù)升高了,因而會(huì)得到更優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)值,獲得更大的收益。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化能在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)概念性設(shè)計(jì),使結(jié)構(gòu)在布局上采用最優(yōu)方案,所以,與截面優(yōu)化和形狀優(yōu)化相比能取得更大的經(jīng)濟(jì)效益,也更易被工程設(shè)計(jì)人員所接受,已經(jīng)成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。三、 本課題研究?jī)?nèi)容床，2005,2:47-49.[5] 湯文成，易紅，幸研.加工中心床身結(jié)構(gòu)分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，19

10、98,20（1）：11-18[6] 劉偉，朱壯端，張建潤(rùn)，等.XH6650 高速加工中心立柱拓?fù)鋬?yōu)化[J].機(jī)床與液壓，2008,34（4）：236-237.[7] 諸乃雄.機(jī)床動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[D].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1987.[8] 王美娥.有限元在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].航天控制，2004,22（1）：85-89.[9] 謝濤.結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化綜述[J].機(jī)械工程師，2006,8：22-25.[10] O.Sigmund. A