机械结构系统动态设计

机械结构系统动态设计
本文讨论了机械结构系统动态设计取代传统的经验设计、类比设计和静力设计的必然趋势;分析了国内外机械动态设计的现状和发展方向;给出了机械动态设计的一般进程。

一、动态设计是机械产品开发的必然趋势
机械产品与其它工业产品一样，都必须通过设计过程，以其创造性劳动实现人们预期的目的。

在设计过程中，逐步转向高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展。

随着产品结构日趋复杂，对其工作性能的要求越来越高，而在这些特点中.有60 ^'7000是取决于设计的方法和质量}1}。

合理的设计应以实际结构在给定环境和载荷条件下的失效机制为依据，但是目前许多设计采用简化的工程分析，以线性、解藕、静力分析的结果作为判别安全和失效的准则，至今仍存在下述问题:
1.关于载荷的输入，是将工作载荷近似为正弦变化的等幅载荷或最大值之和或平方和的方根值，没有考虑到工作载荷的随机性，常常使得设计出来的机械结构偏重偏大;
2.许用应力的选取是基于静力分析的结果。

对于要求重量轻、可靠性高的产品，要求破坏概率限定在一给定的很小的范围内，必须用基于概率论
的理论进行可靠性设计;
3.对于非弹性、动力等因素是通过经验性的安全系数或简单公式引人训一算。

由于系数选取的经验不同，出入较大，往往采用较大的安全系数，以弥补系数所隐含的各种影响零部件强度因素的不确定性，通常使得计算设计过于保守。

随着机械设备向着大型化、精密化和高效率、高可靠性方向的发展，以经验设计、类比设计和静力设计为主的机械产品与国际先进水平相比，无论在质量或寿命方面都出现了很大的差距，为了提高现有设计水平，必须在设计阶段考虑到实际工作环境下的各种动态因素:
1.在实际工作条件下的随机载荷及结构对机械系统的响应;
2.结构振动产生的附加动载荷;
3.循环交变载荷引起机械结构的疲劳破坏。

因此，机械产品的传统的静态设计方法逐渐为动态设计所取代，是现代设计方法发展的必然趋势。

动态设计充分体现了机械的实际动态特性，系统地反映了振动和响应的全过程。

在设计阶段可较精确地进行动态预算，在产品设计之前解决机械的强度、刚度、振动、噪声和可靠性等问题，可以较显著地提高机械设备的设计水平。

二.、国内外机械动态设计现状
对于一般的工程结构，由于其构件及构件间的连接关系在物理性质和几何形状等方面均较为简单，因此，结构系统的建模、实验模态分析、分析模型的修改和精化〔?]、系统的动力分析、动力修改和动态优化设计等方面在进行了大量的系统研究的基础上，已经形成了较为成熟、系统的理论和方法
自70年代以来，国内外已经开始对机械系统动力分析和动态设计中有关理论和方法的研究，但是许多模型过于复杂，分析计算的效率很难满足工程设计的要求，相关的研究成果还无法用于工程设计，研究的问题仅是机械系统的局部问题或其中的某些部件。

因此，至今在工程设计中使用的只是一些过于简化的局部分析模型，这种设计的结果要么过于保守，要么不能保证系统的安全性。

全面考虑大型机械系统的基本特点，从整机动态设计的高度，全面、系统地研究动态设计理论和方法，使得分析计算模型既要正确反映各种实际复杂因素，又要合理地进行简化，有着十分重要的理论和现实意义。

目前，国内主要在于载荷的实验室简化模拟，但欧美、日术等国家通过动态的计算机模拟，在应用上已有相当的成就。

通过动态模型的建立进行模态分析的现代方法，使机械设计更接近工程实际的各种复杂环境，提高产品的可靠性。

我国在大型机械系统方面推行的设计理论和方法，基本上是采用国外的规范。

现在主要利用有限元法进行分析计算，其程序也基本上是从国外引进的，几乎是照搬照套，得到什么用什么，设计理论和方法也同样存在着上述问题。

研究解决大型机械系统动态设计中的关键问题，将一般结构系统动态设计的基本理论、方法和策略开拓应用到机械系统动态设计中，从而建立完整的大型机械系统动态设计理论、方法及体系对提高我国机械装备的设计理论、设计水平和设计质量，推动完成我国机械设计的理论和由经验设计、类比设计和静态设计向动态设计的转变过程，均富有时代性的意义。

三、机械动态设计的一般进程
机械动态设计是现代设计法，用以模拟机械实际工况的动态特性，包括线性、非线性接合部的机械系统的建模，模型的修改和精化，动力分析，动力修改和动态优化设计等进程，如图1所示。

机械动态设计的建模精度取决于技术人员的理论水平和实际经验。

一般来说，建立一个与实际结构动力特性完全相符的数学模型是很困难的，由于实际工程问题极其复杂，结构系统往往由众多零部件装配而成，存在着各种结合面如螺检联结、滑动面联结、传动系统与结构系统的辐合、固态结构与流体间的祸合、机电间藕合等等，其边界条件、刚度和阻尼特性在计算时往往难于预先确定，一般利用基于动态测试的试验模态分析结果识别不确定的特性参数，通过在结构系统上选择有限点进行激励，在所有点测量系统的输出响应，
并对测量数据进行分析、处理，从而建立结构系统离散数学模型，这种模型较准确地描述实际系统，分析结果较为可靠，在工程界得到了广泛的应用。

分析模型确定之后，利用分析模型和实验结果的相关性准则，为了优化结构的性能，需对分析模型进行局部修改和精化的重分析或部件综合分析，对其进行性能预测。

分析模型的修改方法主要有灵敏度修正法〔6]，矩阵摄动修正法等。

在得到了能够反映实际机械结构系统动态特性的数学模型以后，进行结构动力修改或动态优化设计。

常用人机交互方式进行建模、性能分析，根据设计者的要求进行结构修改，然后在计算机上进行再分析，多次反复，直到所设计的机械结构满足动特性要求。

这在很大程度上依赖于设计者的经验和专业知识。

以后的发展方向自然是采用数学规划法或准则法，由计算机自动完成结构系统分析的整个动态设计优化过程，从而得到一个比较满意的动力
设计方案。

四、结束语
机械结构系统动态设计是正在发展中的一项新技术，涉及现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、设计方法学、稳定性分析、可靠性分析等众多学科范围，还没有形成完整的动态设计理论、方法和体系，尤其是大型机械系统的动态设计，虽然它在力学模型上处理成弹性的振动系统，但它与一般工程机械结构具有重大的区别，大型机械系统连接的多样性、复杂性和非线性使得它的设计更具有复杂性。

为了提高我国机械产品在国际市场上的竞争能力，保证产品的高性能、高质量和低成本，要求在设计阶段能预估机械结构的静、动特性。

因此，机械动态设计方法已成为机械设计人员急需掌握的一种强有力的设计手段。