結構優化設計技術在礦山機械設計中的初步應用

蔣焱

摘要：傳統的結構設計，在某種意義上說是一門藝術。隨著電子計算機技術的發展，有限元理論和方法日益完善，把有限元方法和數學規劃法結合起來，對結構進行優化設計。但由于數學規劃方法對于變量多約束多的設計問題，計算量很大，一般計算機勝任不了。因此，本文旨在推廣和應用結構優化設計技術，逐步改進我國傳統的礦山機械設計方法。

關鍵詞：結構優化設計技術；礦山機械設計；初步

礦山機械中的一些大型設備大部分是結構件。據不完全統計，裝載機、牙輪鉆機、挖掘機等設備，其結構件占60%以上。對這些以結構件為主的設備，采用傳統的設計方法，其結果是很不理想的。慶幸的是，我們這行業的研究設計人員開始關注這個問題，做了一些有益的工作。如對一些機構進行了優化設計，用有限原方法進行結構的靜動強度分析等等。但到目前為止，仍沒見到有關礦山機械結構優化的文獻。

一、礦山機械結構優化的可行性和必要性

1.盡管有這樣那樣的困難，對礦山機械進行結構優化設計還是有可能的。結構優化設計應用有三個前提條件：一是電子計算機的發展和普及，二是有限元理論和方法的發展；三是高效的結構優化方法。從目前情況著，電子計算機特別是微型電子計算機在科研、設計部門已日益普及，作為結構優化基礎之一的有限元理論和方法是比較成熟的，而且有了不少通用的有限元分析程序；結構優化設計理論，經過二十多年的發展也日臻成熟，無論是優化準則法、數學規劃法還是兩者的統一方法，其解題效率都比較高。結構優化技術目前已廣泛地應用于航空部門、土建部門等。在礦山機械領域由于廣大科技工作者的努力，在有限元分析方面已取得了較大的進展。對牙輪鉆機、裝載機、挖掘機等主要礦山機械的有限元分析已全面展開。這就為結構優化提供了直接的便利條件。給礦山機械的優化提供了可靠的保證。

2.礦機中的一些主要設備如牙輪鉆機、裝載機、挖掘機等都具有一個比較明顯的特點，那就是：十分笨重，運輸不便。對這些設備采用傳統方法進行設計時，則往往難以找到一個理想的方案。其應力分布和結構往往是不太合理。而采用結構優化設計方法，可以在對原始設計方案進行有限元分析的基礎上，采用自動尋優方法，就可以找到一個較理想的方案。使結構的應力分布更加均勻，結構更加合理。而且，從現在的文獻來看，設備的自重可以減輕25%左右，其經濟效益是十分顯著的。因此，有必要對礦機結構進行優化設計。

二、 礦山機械設計中結構優化設計技術

1. 最大可靠性結構優化設計。"可靠性"的概念對我們并不陌生，但將可靠性概率引入超靜定結構的設計中，卻鮮為人知。而在工程設計中卻經常希望在給定材料體積下盡可能合理地分布結構材料，使結構的可靠性盡可能地大，或是研究一個用料省、可靠性大的折衷方案。因此在礦山機械結構件設計中，引入可靠性概率（結構在規定的條件下，在規定的時間內完成預定功能的概率）這一衡量結構可靠性的指標，采用一次二階矩概率設計理論，以傳統的安全系數為目標進行優化，就可以提高結構的安全度，而且使結構更為合理。文獻"1"以結構桿件截面積為設計變量進行了可靠性最大的結構優化設計表明這個方法是可行的。

2. 結構模糊優化設計。從目前的有限元程序，對于所給定的計算模型，其結果是比較精確的。但是對實際結構而言，這個結果是不大可信的。這是與模型、載荷，約束的簡化等多方面因素有關。本來，這些因素在實際工作或結構中是不大容易確定的，也就是說具有一定的"模糊性"。另外，對于有限元分析的計算工況的確定也是比較困難的。目前，我們在有限元分析中，一般是選擇典型工況進行，至于這典型工況的"典型性"則是由分析者自己確定。此外，在結構優化設計中，還有許多東西是模糊的，目標函數、約束條件、約束條件的右端項等等均具有一定的模糊性。最后，為了真正地得到滿足所有可能約束的結構最佳組成，我們要對最后的尺寸和形狀作出決策。因為，對每種不同的工況，計算得到的"最優值"是各不相同的，那么，在綜合所有計算工況時，究竟如何確定其最終尺寸呢？顯然，按滿應力法則不大可行，因為滿應力法是要求每一單元至少在一種工況下達到滿應力狀態，這樣綜合的結構就不可能是最輕結構。因此，最后尺寸和形狀的決定也要借助模糊理論來解決。從模糊到精確，再從精確到模糊，這是符合歷史發展規律。

3.研制、推廣、應用CAD軟件。根據現代結構設計的需要，借助計算機輔助設計，不但能對結構的初始方案和改進方案快速地進行結構分析和強度校核。而且還能開展以最輕重量的單目標優化設計和以機器工作性能、節省鋼材和結構強度三大要素為出發點的多目標優化設計。因此加速研制一些多功能的計算機輔助設計軟件，對于提高礦山機械設計的質量，是很有必要的。目前，在農機領域已經有了用于微型機的大型多功能的MAS程序系統，不過，在優化設計等方面，還有待進一步完善。應用CAD軟件，可以在以下幾個方面起到明顯作用：一是提供合理的設計方案、節省鋼材和成本。二是提高產品設計水平。三是可找出結構損壞的原因和有害振動的根源。四是可以對機器系統進行多目標的優化設計。在研制CAD系統時，應該注意的是：一是發掘較為普及的微型機的潛力。二是結構設計和分析的完備性（結構靜動分析、結構靜動優化計算機繪圖等）。三是適用于多種結構型式，即適用于多單元的結構（如桿、梁、板、殼等）。

三、發展方向

1.大力推廣應用結構優化設計的發展方向。航空、國防、造船等行業分別召開了結構優化設計的學術交流會。土建部門還舉辦了結構優化設計的專門講習班。機械工程學會召開的強度學術會議上也交流了結構優化方面的論文。這說明在這些行業和部門，結構優化設計已經受到重視。因此，礦山機械設計部門的工作者（包括設計師、研究生和教師）應該注意推廣和應用結構優化設計技術?？梢耘e辦結構優化枝術講習班，召開礦山機械結構優化設計學術交流會。學習工程設計人員應該掌握結構優化設計的基本知識，學會使用一些結構優化設計軟件。對具體的結構采用優化設計，以提高整個礦山機械的設計水平。

2.礦機結構從靜力優化向動力優化過渡。首先，我們要大力開展礦機結構的靜力優化設計，推廣應用和完善現有的結構優化程序，研制和發展一些通用性較強而且又適合礦機特點的軟件包。其次，我們應該在結構靜力優化的基礎上，對礦機結構進行動力優化設入計。因為在靜力優化時沒有考慮結構的動力特性。如固有頻率、動態響應等。而這些動力特性對于大部分礦山機械來說是比較重要的。如固有頻率對司機乘坐的舒適性以及共振破壞等都是很重要的。而結構的動力優化設計就是在靜力優化的基礎上引進頻率約束，動強度約束，動剛度約束等。在理論上，進行動力優化是沒有困難的，靜力優化的結果可以作為動力優化的初始值。

我們建議，在近幾年內，應該集中精力著手研究一些具有專業特色的典型的程序包。如底盤、車架、機架等結構件的優一化程序。按照結構的通用性、統一性和組合性原則建立程序包，對結構件進行選型優化設計。當然，如果在程序包中加上對整機參數的優化、液壓系統優化設計、傳動系統優化設計等等，可以使礦山機械的設計更趨自動化。

參考文獻：

[1]程耿東?？煽啃宰畲蟮慕Y溝優化設計.計算結構力學及其應用.2010，No4

[2]錢令希。我國結構優化設計現狀.大連工學院院刊2011，No3

[3]樊炳輝.讓機器人推動我國礦山工程機械行業向前邁進[J].礦山機械，2011，（3）.