基于ANSYS的植树挖坑机主轴的优化设计.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 22 卷 第 6 期 森 林 工 程 Vol122 No162006 年 11 月 FOREST ENGINEERING Nov. , 2006基 于 ANSYS 的 植 树 挖 坑 机 主 轴 的 优 化 设 计屈 锦 卫 , 于 建 国(东 北 林 业 大 学 , 哈 尔 滨 150040)摘 要 : 用 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS对 挖 坑 机 主 轴 进 行 优 化 设 计 , 从 理 论 上 说 明 优 化 设 计 的 数 学 模 型 , 并 给出 具 体 的 设 计 步 骤 。 通 过 得 出 的 优 化 结 果 , 说 明 ANSYS优 化 设 计 模 块 在 机 械 结 构 优 化 设 计 上 的 优 越 性 和 可 行 性 ,为 其 他 较 为 复 杂 的 结 构 优 化 提 供 新 的 思 路 和 方 法 。关 键 词 : ANSYS; 挖 坑 机 ; 主 轴 ; 优 化 设 计中 图 分 类 号 : S7761262 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1001 - 005X (2006) 06 - 0012 - 02The Optimization Design of Principal Axis of Earth Auger Based on ANSYSPQu Jinwei , Yu Jianguo (Northeast ForestryUniversity , Harbin 150040)Abstract : This paper optimized the principal axis of the earth auger by ANSYS , introduced the mathematic model and thesteps of the optimization design. The optimization results showed the superiority and feasibility of the ANSYS model used in me2chanical structure optimization design. A new method to optimize other complex structures was provided in this paper.Key words : ANSYS; earth auger ; principal axis ; optimization design收 稿 日 期 : 2006 - 03 - 30基 金 项 目 : 教 育 部 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金(20040225005)第 一 作 者 简 介 : 屈 锦 卫 (1981 - ) , 男 , 河 南 省 周 口 人 , 硕 士 研究 生 , 研 究 方 向 : 现 代 设 计 方 法 。植 树 挖 坑 机 是 机 械 化 造 林 设 备 中 的 主 要 设 备 ,其 性 能 直 接 影 响 植 树 造 林 的 速 度 和 质 量 。 对 于 手 提式 挖 坑 机 , 其 重 量 是 影 响 其 广 泛 应 用 的 重 要 原 因 ,本 文 利 用 大 型 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS 对 挖 坑 机 的主 轴 进 行 了 优 化 设 计 , 不 仅 大 大 减 轻 了 主 轴 的 重量 , 也 为 设 计 出 性 能 优 、 重 量 轻 、 便 于 携 带 的 手 提式 挖 坑 机 提 供 了 理 论 依 据 1 ,2 。1 ANSYS 软 件 简 介ANSYS 软 件 是 由 美 国 ANSYS 公 司 开 发 的 一 个功 能 强 大 的 通 用 有 限 元 分 析 软 件 , 融 结 构 、 热 、 流体 、 电 磁 、 声 学 分 析 于 一 体 , 具 有 友 好 的 前 处 理 界面 、 高 效 精 确 的 求 解 器 和 完 善 的 后 处 理 功 能 , 广 泛应 用 于 机 械 制 造 、 航 空 航 天 、 汽 车 交 通 、 土 木 工程 、 电 子 工 程 等 一 般 的 工 业 和 科 学 研 究 领 域 。 AN2SYS软 件 有 效 地 把 有 限 元 数 值 分 析 技 术 和 CAD、CAE有 机 地 结 合 在 一 起 , 使 用 户 可 以 直 观 精 确 地分 析 可 能 出 现 的 问 题 , 有 效 地 节 省 生 产 和 开 发 费用 。 ANSYS 优 化 设 计 能 力 非 常 强 大 , 广 泛 应 用 于外 形 、 应 力 、 频 率 和 温 度 等 方 面 3 。2 基 于 ANSYS 的 结 构 优 化 设 计211 优 化 设 计 原 理优 化 设 计 是 一 种 寻 求 最 优 设 计 方 案 的 技 术 , 所谓 “ 最 优 设 计 ” , 指 的 是 一 种 方 案 不 仅 可 以 满 足 设计 要 求 , 而 且 所 需 的 支 出 (如 重 量 、 体 积 、 费 用等 ) 最 小 , 也 就 是 说 最 优 设 计 方 案 就 是 一 种 最 有 效率 的 方 案 。 ANSYS 程 序 提 供 了 2 种 优 化 方 法 , 即 零阶 法 和 一 阶 法 , 零 阶 法 是 一 个 很 完 善 的 处 理 方 法 ,可 以 有 效 地 处 理 大 多 数 的 工 程 问 题 ; 一 阶 法 基 于 目标 函 数 对 设 计 变 量 的 敏 感 程 度 , 因 此 更 适 用 于 精 确的 优 化 分 析 3 ,4 。优 化 设 计 是 通 过 构 建 优 化 模 型 5 , 在 满 足 设 计要 求 的 条 件 下 进 行 的 迭 代 运 算 , 求 得 目 标 函 数 的 极值 , 得 到 最 优 设 计 方 案 。优 化 问 题 的 数 学 模 型 可 以 表 示 为 :Min F( x) = F( x1 , x2 , , xn )满 足 :gi ( x) = g ( x1 , x2 , , xn ) 0 ( i = 1 ,2 , , m)hj ( x) = hj ( x1 , x2 , , xn ) = 0 ( j = 1 ,2 , , p)x = ( x1 , x2 , , xn ) T式 中 : F ( x) 为 目 标 函 数 , 是 需 要 获 得 最 优 值 的变 量 , 是 设 计 变 量 的 函 数 , 在 ANSYS 中 只 能 有 一个 目 标 函 数 ; gi ( x) 、 hj ( x) 为 状 态 变 量 , 用 于约 束 设 计 , 作 为 “ 因 变 量 ” , 状 态 变 量 都 是 设 计 变量 的 函 数 , 状 态 变 量 可 能 有 上 下 限 , 也 可 能 只 有 上 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 限 或 下 限 ; x 为 设 计 变 量 , 作 为 “ 自 变 量 ” , 优 化是 通 过 改 变 设 计 变 量 的 数 值 来 实 现 的 。 每 个 设 计 变量 都 有 上 下 限 , 它 定 义 了 设 计 变 量 的 变 化 范 围 。212 ANSYS 优 化 的 基 本 过 程ANSYS 优 化 的 基 本 过 程 如 图 1 所 示 。图 1 优 化 过 程213 ANSYS 对 挖 坑 机 主 轴 的 优 化ANSYS 对 挖 坑 机 主 轴 的 优 化 如 图 2 所 示 , 初 始计 算 时 , 挖 坑 机 主 轴 半 径 为 0102 m , 长 度 为 1 m。对 结 构 进 行 优 化 , 目 标 为 结 构 的 体 积 最 小 (质 量 最小 ) , 设 计 变 量 rid 取 值 范 围 为 01011 01025 m , 长度 h 取 值 范 围 为 018 112 m , 设 计 变 量 。优 化 结 果 见 表 1。图 2 挖 坑 机 主 轴 简 图根 据 ANSYS 提 供 的 最 佳 序 列 为 第 五 次 迭 代 结果 (第 八 次 迭 代 目 标 函 数 虽 然 最 小 , 但 等 效 应 力 过大 ) 。状 态 变 量 、 设 计 变 量 以 及 目 标 函 数 的 优 化 曲 线分 别 见 图 3 图 6。表 1 优 化 结 果迭 代 次 数 最 大 等 效 应 力 PPa 半 径 Pm 长 度 Pm 体 积 Pm31 01245 22E + 07 01200 00E - 01 11000 0 01122 94E - 022 01180 94E + 07 01227 08E - 01 11037 2 01158 78E - 023 01381 41E + 07 01158 20E - 01 11107 7 01769 47E - 034 01303 74E + 07 01180 63E - 01 11085 4 01100 39E - 025 01622 49E + 07 01129 74E - 01 11180 6 01517 87E - 036 01444 73E + 07 01152 69E - 01 11128 7 01715 97E - 037 01468 70E + 07 01133 97E - 01 11184 8 01552 54E - 038 01706 97E + 07 01125 38E - 01 11196 3 01483 44E - 03图 3 状 态 变 量 变 化 曲 线 图 4 设 计 变 量 (半 径 ) 变 化 曲 线 图 5 设 计 变 量 (长 度 ) 变 化 曲 线 图 6 目 标 函 数 变 化 曲 线(下 转 第 16 页 )31第 6 期 屈 锦 卫 等 : 基 于 ANSYS的 植 树 挖 坑 机 主 轴 的 优 化 设 计 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 分 类 验 证试 验 样 本 如 图 1 所 示 , 共 分 10 大 类 , 每 类 60个 样 本 (30 个 标 准 样 本 , 30 个 作 测 试 样 本 ) 。 用 主分 量 分 析 的 方 法 将 原 来 14 维 的 特 征 参 量 降 为 4 维 ,那 么 参 数 的 描 述 纹 理 的 性 能 会 有 怎 样 的 变 化 呢 ? 本文 采 用 最 近 邻 分 类 器 , K近 邻 分 类 器 和 神 经 网 络 分类 器 对 木 材 样 本 的 分 类 正 确 率 来 说 明 这 个 问 题 , 分类 正 确 率 如 表 2 所 示 。由 表 2 可 见 , 用 主 分 量 分 析 后 样 本 分 类 正 确 率与 原 始 参 数 的 分 类 正 确 率 比 较 接 近 , 并 且 有 较 高 分类 精 度 , 但 数 据 量 却 大 大 减 小 了 。 因 此 , 用 主 分 量分 析 提 取 木 材 样 本 灰 度 共 生 矩 阵 参 数 的 4 个 综 合 参数 能 有 效 描 述 木 材 纹 理 。表 2 分 类 正 确 率 比 较 %最 近 邻 分 类 器 K近 邻 分 类 器 BP神 经 网 络 分 类 器原 始 参 数 (1 14) 851667 89100 881667主 分 量 分 析 后 的 综合 参 数 (1 4) 841667 861333 88100图 1 图 像 样 本 (受 篇 幅 限 制 每 类 只 列 出 1 个 )【 参 考 文 献 】1 Haralick R M. Statistical and structural approaches to texture A . InProceeding of IEEE C , 1975 , 67 (5) : 786 804.2 Robert M H , Shanmugam K. Textural features for image classificationJ . IEEE. Transaction on Systems Man and Cybernetics , 1973 ,SMC - 3 (6) : 610 621. 3 Wang L , He D C. Texture Classification Using Texture Spectrum J .Pattern Recognition , 1990 (23) : 905 - 910.4 王 克 奇 , 陈 立 君 , 王 辉 . 基 于 空 间 灰 度 共 生 矩 阵 的 木 材 纹 理特 征 提 取 J . 森 林 工 程 , 2006 , 22 (1) : 24 - 26.5 吴 翊 , 李 永 乐 , 胡 庆 军 . 应 用 数 理 统 计 M . 长 沙 : 国 防科 技 大 学 出 版 社 , 1995.6 孙 即 祥 . 现 代 模 式 识 别 M . 长 沙 : 国 防 科 技 大 学 出 版 社 ,2002.责 任 编 辑 : 董 希 斌 (上 接 第 13 页 )3 结 论通 过 对 挖 坑 机 主 轴 的 优 化 , 使 其 在 保 证 设 计 要求 的 同 时 , 体 积 减 小 约 50 %