選題的依據及意義

1、一、 選題的依據及意義：隨著全球經濟一體化步伐的加快和知識經濟時代的到來，市場競爭日益激烈，如何快速響應市場，在較短時間內以較高速性能價格比的產品占領市場，是企業(yè)得以生存和發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。為此企業(yè)必須依靠創(chuàng)新性思維、先進的設計制造技術、完善的管理和利用社會豐富的信息資源等有利因素，增強企業(yè)開發(fā)新產品的能力、縮短設計周期、提高個性化程度、同時又要降低成本、保證質量及良好的售后服務。傳統(tǒng)的基于經驗的設計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、拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和數字化設計及制造等現代先進的設計方法和手段，使企業(yè)實現快速響應市場、產品批量化生產及大規(guī)模生產條件下的個性化需求。而通過機械系統(tǒng)有限元仿真、動態(tài)測試、加工過程仿真、拓撲優(yōu)化、基于元結構的可適應性動態(tài)優(yōu)化設計方法和基于響應面法的尺寸優(yōu)化設計等設計評價手段，能夠保證產品的優(yōu)良性能。目前，國內大部分制造企業(yè)的設計和制造手段比較落后，與世界上發(fā)達國家的差距較大，設計的產品不僅性能差、結構笨重、而且設

3、計周期長、制造成本高和更新換代慢。這些問題使得中國的機床制造形勢非常嚴峻。在這個背景下，根據現代社會的需要，我們著眼于機床立柱機構的動力學拓撲優(yōu)化設計，其目的和意義在于探索采用先進的設計技術和手段實現加工中心的優(yōu)化設計，采用拓撲優(yōu)化方法設計加工中心各大件的外形結構；采用基于元結構的可適應性動態(tài)優(yōu)化方法設計各大件的筋板結構；進行基于響應面法的尺寸優(yōu)化確定各大件的主要尺寸。使加工中心制造企業(yè)在較短的時間內，以較低的成本，設計出高性能的機械產

4、品，以增強制造企業(yè)在國內外的競爭能力。二、 國內外研究現狀及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：結構拓撲優(yōu)化是近 20 年來從結構優(yōu)化研究中派生出來的新分支，它在計算結構力學中已經被認為是最富挑戰(zhàn)性的一類研究工作。目前有關結構拓撲優(yōu)化的工程應用研究還很不成熟，在國外處在發(fā)展的初期，尤其在國內尚屬于起步階段。1904 年 Michell 在桁架理論中首次提出了拓撲優(yōu)化的概念。自 1964 年 Dorn 等人提出基結構法，將數值方法引入拓撲優(yōu)化領域，拓

5、撲優(yōu)化研究開始活躍。20 世紀 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)拓撲問題轉化為尺寸優(yōu)化問題，他們開創(chuàng)性的工作引起了眾多學者的研究興趣。1988 年Bendsoe 和 Kikuchi 發(fā)表的基于均勻化理論的結構拓撲優(yōu)化設計，開創(chuàng)了連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化設計研究的新局面。1993 年 XieYM 和 StevenGP 提出了漸進結構優(yōu)化法。1999 年 Bendsoe 和 Sigmund 證實了變

6、密度法物理意義的存在性。通常把結構優(yōu)化按設計變量的類型劃分成三個層次：結構尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(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構拓撲的缺陷[2].在國內，湯文成和易紅對機床結構的動靜態(tài)特性進行了分析和優(yōu)化設計，得出改變結構的筋板類型和布局能夠提高結構動靜態(tài)特性的結論，并提出了以導軌變形量作為結構設計的主要依據，各設計變量對機床動靜態(tài)性能貢獻加權作為結構優(yōu)化設計的目標函數，同時在結構的參數化設計等方面進

7、行了有益的嘗試[3] [4] [5] 。吳長智提出了一種離散誤差線性優(yōu)化的方法，在 MG1432B 磨床動態(tài)測試的基礎上，建立整機的動力學模型，較全面地分析和指出了整機結構存在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了修改方案，該方法為整機結構動態(tài)性能的修改提出了準確和可靠的依據。伍建國、毛海軍和孫慶紅通過對神經網絡學習樣本的選擇問題的研究，提出了采用多水平正交表選取神經網絡的訓練樣本的方法，建立了內圓磨床主軸系統(tǒng)的 BP 神經網絡模型，并在試驗的基礎上借助

8、于優(yōu)化方法進行了模型修正和優(yōu)化計算，該方法不僅計算方便、快捷，而且具有較高的計算精度張建潤等對五坐標數控龍門加工中心進行了動態(tài)優(yōu)化設計劉偉等采用拓撲優(yōu)化方法進行了 XH600 高速加工中心立柱拓撲優(yōu)化[6]。結構優(yōu)化設計按照其發(fā)展的順序和難易程度分為五個層次[23]:截面(或尺寸)優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、布局優(yōu)化和類型優(yōu)化。目前結構構件截面優(yōu)化已比較成熟,但對于結構形狀、拓撲和布局等更高層次的結構優(yōu)化設計問題,國內外發(fā)表的研究論文比較

9、少,進展相對緩慢[1]。和截面優(yōu)化相比,其設計空間維數升高了,因而會得到更優(yōu)的目標函數值,獲得更大的收益。結構拓撲優(yōu)化能在工程結構設計的初始階段為設計者提供一個概念性設計,使結構在布局上采用最優(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濟效益,也更易被工程設計人員所接受,已經成為當今結構優(yōu)化設計研究的一個熱點。三、 本課題研究內容床，2005,2:47-49.[5] 湯文成，易紅，幸研.加工中心床身結構分析[J].機械強度，19

10、98,20（1）：11-18[6] 劉偉，朱壯端，張建潤，等.XH6650 高速加工中心立柱拓撲優(yōu)化[J].機床與液壓，2008,34（4）：236-237.[7] 諸乃雄.機床動態(tài)設計原理與應用[D].上海：同濟大學出版社，1987.[8] 王美娥.有限元在結構設計中的應用[J].航天控制，2004,22（1）：85-89.[9] 謝濤.結構拓撲優(yōu)化綜述[J].機械工程師，2006,8：22-25.[10] O.Sigmund. A