结构优化设计技术在矿山机械设计中的初步应用

蒋焱

摘要：传统的结构设计，在某种意义上说是一门艺术。随着电子计算机技术的发展，有限元理论和方法日益完善，把有限元方法和数学规划法结合起来，对结构进行优化设计。但由于数学规划方法对于变量多约束多的设计问题，计算量很大，一般计算机胜任不了。因此，本文旨在推广和应用结构优化设计技术，逐步改进我国传统的矿山机械设计方法。

关键词：结构优化设计技术；矿山机械设计；初步

矿山机械中的一些大型设备大部分是结构件。据不完全统计，装载机、牙轮钻机、挖掘机等设备，其结构件占60%以上。对这些以结构件为主的设备，采用传统的设计方法，其结果是很不理想的。庆幸的是，我们这行业的研究设计人员开始关注这个问题，做了一些有益的工作。如对一些机构进行了优化设计，用有限原方法进行结构的静动强度分析等等。但到目前为止，仍没见到有关矿山机械结构优化的文献。

一、矿山机械结构优化的可行性和必要性

1.尽管有这样那样的困难，对矿山机械进行结构优化设计还是有可能的。结构优化设计应用有三个前提条件：一是电子计算机的发展和普及，二是有限元理论和方法的发展；三是高效的结构优化方法。从目前情况着，电子计算机特别是微型电子计算机在科研、设计部门已日益普及，作为结构优化基础之一的有限元理论和方法是比较成熟的，而且有了不少通用的有限元分析程序；结构优化设计理论，经过二十多年的发展也日臻成熟，无论是优化准则法、数学规划法还是两者的统一方法，其解题效率都比较高。结构优化技术目前已广泛地应用于航空部门、土建部门等。在矿山机械领域由于广大科技工作者的努力，在有限元分析方面已取得了较大的进展。对牙轮钻机、装载机、挖掘机等主要矿山机械的有限元分析已全面展开。这就为结构优化提供了直接的便利条件。给矿山机械的优化提供了可靠的保证。

2.矿机中的一些主要设备如牙轮钻机、装载机、挖掘机等都具有一个比较明显的特点，那就是：十分笨重，运输不便。对这些设备采用传统方法进行设计时，则往往难以找到一个理想的方案。其应力分布和结构往往是不太合理。而采用结构优化设计方法，可以在对原始设计方案进行有限元分析的基础上，采用自动寻优方法，就可以找到一个较理想的方案。使结构的应力分布更加均匀，结构更加合理。而且，从现在的文献来看，设备的自重可以减轻25%左右，其经济效益是十分显著的。因此，有必要对矿机结构进行优化设计。

二、 矿山机械设计中结构优化设计技术

1. 最大可靠性结构优化设计。"可靠性"的概念对我们并不陌生，但将可靠性概率引入超静定结构的设计中，却鲜为人知。而在工程设计中却经常希望在给定材料体积下尽可能合理地分布结构材料，使结构的可靠性尽可能地大，或是研究一个用料省、可靠性大的折衷方案。因此在矿山机械结构件设计中，引入可靠性概率（结构在规定的条件下，在规定的时间内完成预定功能的概率）这一衡量结构可靠性的指标，采用一次二阶矩概率设计理论，以传统的安全系数为目标进行优化，就可以提高结构的安全度，而且使结构更为合理。文献"1"以结构杆件截面积为设计变量进行了可靠性最大的结构优化设计表明这个方法是可行的。

2. 結构模糊优化设计。从目前的有限元程序，对于所给定的计算模型，其结果是比较精确的。但是对实际结构而言，这个结果是不大可信的。这是与模型、载荷，约束的简化等多方面因素有关。本来，这些因素在实际工作或结构中是不大容易确定的，也就是说具有一定的"模糊性"。另外，对于有限元分析的计算工况的确定也是比较困难的。目前，我们在有限元分析中，一般是选择典型工况进行，至于这典型工况的"典型性"则是由分析者自己确定。此外，在结构优化设计中，还有许多东西是模糊的，目标函数、约束条件、约束条件的右端项等等均具有一定的模糊性。最后，为了真正地得到满足所有可能约束的结构最佳组成，我们要对最后的尺寸和形状作出决策。因为，对每种不同的工况，计算得到的"最优值"是各不相同的，那么，在综合所有计算工况时，究竟如何确定其最终尺寸呢？显然，按满应力法则不大可行，因为满应力法是要求每一单元至少在一种工况下达到满应力状态，这样综合的结构就不可能是最轻结构。因此，最后尺寸和形状的决定也要借助模糊理论来解决。从模糊到精确，再从精确到模糊，这是符合历史发展规律。

3.研制、推广、应用CAD软件。根据现代结构设计的需要，借助计算机辅助设计，不但能对结构的初始方案和改进方案快速地进行结构分析和强度校核。而且还能开展以最轻重量的单目标优化设计和以机器工作性能、节省钢材和结构强度三大要素为出发点的多目标优化设计。因此加速研制一些多功能的计算机辅助设计软件，对于提高矿山机械设计的质量，是很有必要的。目前，在农机领域已经有了用于微型机的大型多功能的MAS程序系统，不过，在优化设计等方面，还有待进一步完善。应用CAD软件，可以在以下几个方面起到明显作用：一是提供合理的设计方案、节省钢材和成本。二是提高产品设计水平。三是可找出结构损坏的原因和有害振动的根源。四是可以对机器系统进行多目标的优化设计。在研制CAD系统时，应该注意的是：一是发掘较为普及的微型机的潜力。二是结构设计和分析的完备性（结构静动分析、结构静动优化计算机绘图等）。三是适用于多种结构型式，即适用于多单元的结构（如杆、梁、板、壳等）。

三、发展方向

1.大力推广应用结构优化设计的发展方向。航空、国防、造船等行业分别召开了结构优化设计的学术交流会。土建部门还举办了结构优化设计的专门讲习班。机械工程学会召开的强度学术会议上也交流了结构优化方面的论文。这说明在这些行业和部门，结构优化设计已经受到重视。因此，矿山机械设计部门的工作者（包括设计师、研究生和教师）应该注意推广和应用结构优化设计技术。可以举办结构优化枝术讲习班，召开矿山机械结构优化设计学术交流会。学习工程设计人员应该掌握结构优化设计的基本知识，学会使用一些结构优化设计软件。对具体的结构采用优化设计，以提高整个矿山机械的设计水平。

2.矿机结构从静力优化向动力优化过渡。首先，我们要大力开展矿机结构的静力优化设计，推广应用和完善现有的结构优化程序，研制和发展一些通用性较强而且又适合矿机特点的软件包。其次，我们应该在结构静力优化的基础上，对矿机结构进行动力优化设入计。因为在静力优化时没有考虑结构的动力特性。如固有频率、动态响应等。而这些动力特性对于大部分矿山机械来说是比较重要的。如固有频率对司机乘坐的舒适性以及共振破坏等都是很重要的。而结构的动力优化设计就是在静力优化的基础上引进频率约束，动强度约束，动刚度约束等。在理论上，进行动力优化是没有困难的，静力优化的结果可以作为动力优化的初始值。

我们建议，在近几年内，应该集中精力着手研究一些具有专业特色的典型的程序包。如底盘、车架、机架等结构件的优一化程序。按照结构的通用性、统一性和组合性原则建立程序包，对结构件进行选型优化设计。当然，如果在程序包中加上对整机参数的优化、液压系统优化设计、传动系统优化设计等等，可以使矿山机械的设计更趋自动化。

参考文献：

[1]程耿东。可靠性最大的结沟优化设计.计算结构力学及其应用.2010，No4

[2]钱令希。我国结构优化设计现状.大连工学院院刊2011，No3

[3]樊炳辉.让机器人推动我国矿山工程机械行业向前迈进[J].矿山机械，2011，（3）.