蔣焱

摘要：傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在某種意義上說是一門藝術(shù)。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元理論和方法日益完善，把有限元方法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法結(jié)合起來，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但由于數(shù)學(xué)規(guī)劃方法對(duì)于變量多約束多的設(shè)計(jì)問題，計(jì)算量很大，一般計(jì)算機(jī)勝任不了。因此，本文旨在推廣和應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，逐步改進(jìn)我國傳統(tǒng)的礦山機(jī)械設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；礦山機(jī)械設(shè)計(jì)；初步

礦山機(jī)械中的一些大型設(shè)備大部分是結(jié)構(gòu)件。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，裝載機(jī)、牙輪鉆機(jī)、挖掘機(jī)等設(shè)備，其結(jié)構(gòu)件占60%以上。對(duì)這些以結(jié)構(gòu)件為主的設(shè)備，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其結(jié)果是很不理想的。慶幸的是，我們這行業(yè)的研究設(shè)計(jì)人員開始關(guān)注這個(gè)問題，做了一些有益的工作。如對(duì)一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，用有限原方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)強(qiáng)度分析等等。但到目前為止，仍沒見到有關(guān)礦山機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的文獻(xiàn)。

一、礦山機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性和必要性

1.盡管有這樣那樣的困難，對(duì)礦山機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)還是有可能的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用有三個(gè)前提條件：一是電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及，二是有限元理論和方法的發(fā)展；三是高效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。從目前情況著，電子計(jì)算機(jī)特別是微型電子計(jì)算機(jī)在科研、設(shè)計(jì)部門已日益普及，作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，經(jīng)過二十多年的發(fā)展也日臻成熟，無論是優(yōu)化準(zhǔn)則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法還是兩者的統(tǒng)一方法，其解題效率都比較高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)目前已廣泛地應(yīng)用于航空部門、土建部門等。在礦山機(jī)械領(lǐng)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(jìn)展。對(duì)牙輪鉆機(jī)、裝載機(jī)、挖掘機(jī)等主要礦山機(jī)械的有限元分析已全面展開。這就為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了直接的便利條件。給礦山機(jī)械的優(yōu)化提供了可靠的保證。

2.礦機(jī)中的一些主要設(shè)備如牙輪鉆機(jī)、裝載機(jī)、挖掘機(jī)等都具有一個(gè)比較明顯的特點(diǎn)，那就是：十分笨重，運(yùn)輸不便。對(duì)這些設(shè)備采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，則往往難以找到一個(gè)理想的方案。其應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)往往是不太合理。而采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以在對(duì)原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上，采用自動(dòng)尋優(yōu)方法，就可以找到一個(gè)較理想的方案。使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更加均勻，結(jié)構(gòu)更加合理。而且，從現(xiàn)在的文獻(xiàn)來看，設(shè)備的自重可以減輕25%左右，其經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。因此，有必要對(duì)礦機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

二、 礦山機(jī)械設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

1. 最大可靠性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。"可靠性"的概念對(duì)我們并不陌生，但將可靠性概率引入超靜定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，卻鮮為人知。而在工程設(shè)計(jì)中卻經(jīng)常希望在給定材料體積下盡可能合理地分布結(jié)構(gòu)材料，使結(jié)構(gòu)的可靠性盡可能地大，或是研究一個(gè)用料省、可靠性大的折衷方案。因此在礦山機(jī)械結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，引入可靠性概率（結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成預(yù)定功能的概率）這一衡量結(jié)構(gòu)可靠性的指標(biāo)，采用一次二階矩概率設(shè)計(jì)理論，以傳統(tǒng)的安全系數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，就可以提高結(jié)構(gòu)的安全度，而且使結(jié)構(gòu)更為合理。文獻(xiàn)"1"以結(jié)構(gòu)桿件截面積為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了可靠性最大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)表明這個(gè)方法是可行的。

2. 結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)。從目前的有限元程序，對(duì)于所給定的計(jì)算模型，其結(jié)果是比較精確的。但是對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)而言，這個(gè)結(jié)果是不大可信的。這是與模型、載荷，約束的簡(jiǎn)化等多方面因素有關(guān)。本來，這些因素在實(shí)際工作或結(jié)構(gòu)中是不大容易確定的，也就是說具有一定的"模糊性"。另外，對(duì)于有限元分析的計(jì)算工況的確定也是比較困難的。目前，我們?cè)谟邢拊治鲋校话闶沁x擇典型工況進(jìn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，還有許多東西是模糊的，目標(biāo)函數(shù)、約束條件、約束條件的右端項(xiàng)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(jié)構(gòu)最佳組成，我們要對(duì)最后的尺寸和形狀作出決策。因?yàn)?，?duì)每種不同的工況，計(jì)算得到的"最優(yōu)值"是各不相同的，那么，在綜合所有計(jì)算工況時(shí)，究竟如何確定其最終尺寸呢？顯然，按滿應(yīng)力法則不大可行，因?yàn)闈M應(yīng)力法是要求每一單元至少在一種工況下達(dá)到滿應(yīng)力狀態(tài)，這樣綜合的結(jié)構(gòu)就不可能是最輕結(jié)構(gòu)。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(fā)展規(guī)律。

3.研制、推廣、應(yīng)用CAD軟件。根據(jù)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，不但能對(duì)結(jié)構(gòu)的初始方案和改進(jìn)方案快速地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和強(qiáng)度校核。而且還能開展以最輕重量的單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和以機(jī)器工作性能、節(jié)省鋼材和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度三大要素為出發(fā)點(diǎn)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此加速研制一些多功能的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，對(duì)于提高礦山機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量，是很有必要的。目前，在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)有了用于微型機(jī)的大型多功能的MAS程序系統(tǒng)，不過，在優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，還有待進(jìn)一步完善。應(yīng)用CAD軟件，可以在以下幾個(gè)方面起到明顯作用：一是提供合理的設(shè)計(jì)方案、節(jié)省鋼材和成本。二是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平。三是可找出結(jié)構(gòu)損壞的原因和有害振動(dòng)的根源。四是可以對(duì)機(jī)器系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在研制CAD系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該注意的是：一是發(fā)掘較為普及的微型機(jī)的潛力。二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的完備性（結(jié)構(gòu)靜動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)優(yōu)化計(jì)算機(jī)繪圖等）。三是適用于多種結(jié)構(gòu)型式，即適用于多單元的結(jié)構(gòu)（如桿、梁、板、殼等）。

三、發(fā)展方向

1.大力推廣應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。航空、國防、造船等行業(yè)分別召開了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)交流會(huì)。土建部門還舉辦了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的專門講習(xí)班。機(jī)械工程學(xué)會(huì)召開的強(qiáng)度學(xué)術(shù)會(huì)議上也交流了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的論文。這說明在這些行業(yè)和部門，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)受到重視。因此，礦山機(jī)械設(shè)計(jì)部門的工作者（包括設(shè)計(jì)師、研究生和教師）應(yīng)該注意推廣和應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)?？梢耘e辦結(jié)構(gòu)優(yōu)化枝術(shù)講習(xí)班，召開礦山機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)交流會(huì)。學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)該掌握結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，學(xué)會(huì)使用一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。對(duì)具體的結(jié)構(gòu)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高整個(gè)礦山機(jī)械的設(shè)計(jì)水平。

2.礦機(jī)結(jié)構(gòu)從靜力優(yōu)化向動(dòng)力優(yōu)化過渡。首先，我們要大力開展礦機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力優(yōu)化設(shè)計(jì)，推廣應(yīng)用和完善現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序，研制和發(fā)展一些通用性較強(qiáng)而且又適合礦機(jī)特點(diǎn)的軟件包。其次，我們應(yīng)該在結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)礦機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力優(yōu)化設(shè)入計(jì)。因?yàn)樵陟o力優(yōu)化時(shí)沒有考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。如固有頻率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。而這些動(dòng)力特性對(duì)于大部分礦山機(jī)械來說是比較重要的。如固有頻率對(duì)司機(jī)乘坐的舒適性以及共振破壞等都是很重要的。而結(jié)構(gòu)的動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在靜力優(yōu)化的基礎(chǔ)上引進(jìn)頻率約束，動(dòng)強(qiáng)度約束，動(dòng)剛度約束等。在理論上，進(jìn)行動(dòng)力優(yōu)化是沒有困難的，靜力優(yōu)化的結(jié)果可以作為動(dòng)力優(yōu)化的初始值。

我們建議，在近幾年內(nèi)，應(yīng)該集中精力著手研究一些具有專業(yè)特色的典型的程序包。如底盤、車架、機(jī)架等結(jié)構(gòu)件的優(yōu)一化程序。按照結(jié)構(gòu)的通用性、統(tǒng)一性和組合性原則建立程序包，對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行選型優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)然，如果在程序包中加上對(duì)整機(jī)參數(shù)的優(yōu)化、液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等等，可以使礦山機(jī)械的設(shè)計(jì)更趨自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]程耿東?？煽啃宰畲蟮慕Y(jié)溝優(yōu)化設(shè)計(jì).計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)及其應(yīng)用.2010，No4

[2]錢令希。我國結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀.大連工學(xué)院院刊2011，No3

[3]樊炳輝.讓機(jī)器人推動(dòng)我國礦山工程機(jī)械行業(yè)向前邁進(jìn)[J].礦山機(jī)械，2011，（3）.