（机械设计及理论专业论文）基于现代设计方法的液压支架研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 篓手现代设计方法的液压支架研究 摘要 煤矿井下支护润题始终是困扰煤炭高产赢效、安全生产的重要问 题。以液压支架为主要设备的综合机械化开采的诞生和发展，不仅从根 本上改善了劳动和安全条件，也为采煤产量和效率的迅速提高奠定了基 础，使煤炭生产蘧貌彻底改观。但是，在液压支架的诗算极辅助设诗秘 研究方面，我国现在还普遍沿用传统设计方法，也还处在二维绘图水平。 而随着现代科技的进步，现代设计理论和方法作为研究机械产品在设计 过程中所必须遵循缒基本规律的一门学辩，已得到了很大的发展，它在 各行各业的广泛应用已大势所趋。 鉴于液压支架对于煤矿安全生产的特别重要性和我国液压支架技 术水平的实际情况，本论文进行了基于现代设计方法鲍液压支架研究。 在这里特别指出的是，本文所述及的液篷支架并不单指传统意义上的采 煤工作面液压支架，而是主要用于巷道支护的以液压为动力的支架。 本论文在以下几个方面进行了研究并取得了一定的成果。文章首先 分析我国现行液压支架的设计和碍究方法的欠缺和不足，提出了要进行 基于现代设计方法的液压支架研究的思想；然后综述了现代设计理论和 方法的发展和研究现状，总结了现代设计的特点；针对目前煤矿掘迸工 i 太原理工大学硕士研究擞学位论文 作面l 临时支护的现状，提出了神频型掘进工作面临时支护液压支架的 方案，在阐述冀基本原理的基础上，建立了支架的三维实体模型，进行 了运动仿真，并运臻a n s y sw o r k b e n c h 对英关键受力郝髂进行了有限元 分撬；结合煤矿综采王终蘑滚压支架懿现状，蒜懑了基予六鑫蠢度：菸联 机构的波压支架的方案，对其运动过程进行了硪究，建立了基于b p 神 经网络的并联液箍支架盼立键控制系统；滚螽在研究煤矿工作西回风巷 超前支护现状的基础上，提粥了一稀网风戆超前支护系统，详细介缁了 冀梳搦和工作嚣i 理，建立了支絮酶三维实锩模登，并重点慰英滚歪系统 进行了摩擦学设计。 关建词：现代设计理论袒方法，液蕊支架，有限元法，六鲁瞻度并联杌 梅，鼯神经赠络，摩擦学设诗 l i 太骚理工大学硕士辨究生学谯逢文 t h es 鳓y0 f 联y d r a u 搬cs u p p o 搿r b a s e do nt k em o d e r nd e s i g nm 删o d a 露s 期艮c r t h ep r o b l e mo fc o a lm i n i n gs u p p o r th a sa l w a y sb e e ns e v e r e l yp l a g u e d h i # * y i e l d ，h i g h - e f f i c i e n ta n ds a f e t yi np r o d u c t i o no fc o a lm i n i n g 。t h eb i r t h a n dd e v d o p m e n to fi n t e g r a t e dm e c h a n i z e dm i n i n gw h o s em a j o r e q u i p m e n t i s h y d r a u l i cs u p p o r tn o to n l yr a d i c a l l yi m p r o v e dc o n d i t i o no fw o r ka n d s e c u r i t y , b u ta l s op r o v i d e dt h eb a s i sf o rt h er a p i di n c r e a s i n go fc o a lm i n i n g p r o d u c t i v i t ya n de f f i c i e n c y ，c h a n g e dp r o d u c t i o nf e a t u r e s 。h o w e v e r , t ot h e c o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n dr e s e a r c h o fh y d r a u l i cs u p p o r t c h i n ai sn o wy e t w i d e l y u s e dt r a d i t i o n a l d e s i g nm e t h o d sa n ds t a y e d i nt h el e v e lo f t w o - d i m e n s i o n a ld r a w i n g s w i t ht h ep r o g r e s so ft h em o d e ms c i e n t i f i ca n d t e c h n i c a l ，t h em o d e md e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d ，a sac o u r s ef o rs t u d yt h e b a s i cl a ww h i c hm u s tb ef o l l o w e di nt h ed e s i g no ft h em e c h a n i c a lp r o d u c t s ， h a sb e e nag r e a td e a lo f d e v e l o p m e n t ，i t w i l lb ew i d e l yu s e di nl o t so ff i e l d s f o rc h i n e s eh y d r a u l i cs u p p o r tt e c h n i c a lr e a l i t ya n dh y d r a u l i cs u p p o r ti s i l l 太原理工大学硕士研究擞学位论文 v e r yi m p o r t a n tt o o u rc o u n t r y , t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dh y d r a u l i cs u p p o r t b a s e do i lt h em o d e md e s i g nm e t h o d i nf a c t ，h y d r a u l i cs u p p o r ti nt h et h e s i s i sn o to n l yp o i l l t oh y d r a u l i c s u p p o r ti nc o a lf a c e ，b u tm a i n l yi st h es u p p o r t w h i c hu s e dt os u p p o r tt h et u n n e la n dt h ep o w e ri sh y d r a u l i c t h ep a p e rh a ss t u d i e da n dg o t t e ns o m er e s u l t si ns o m ea s p e c t s a t f i r s t ，t h eb a c k g r o u n d ，s o u r c e ，p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c ta r e i n t r o d u c e d a f t e ra n a l y z e dt h ew e a k n e s so ft h ee x i s t i n gd e s i g na n dr e s e a r c h m e t h o do fh y d r a u l i cs u p p o r t , t h et h e s i sp r o p o s e dt h es t u d yt h eh y d r a u l i c s u p p o r tb a s e do nm o d e md e s i g nm e t h o d ；a no u t l i n eo nm o d e md e s i g ni s p r e s e n t e d + b a s e do ns u m m a r i z a t i o n ，s o m ep r o p e r t i e s o fm o d e md e s i g n t h e o r ya r eo b t a i n e d t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e ds o m es p e c i f i cm o d e md e s i g n m e t h o dw h i c hw i l lb eu s e di nt h et h e s i s ： an e w t y p et e m p o r a r ys u p p o r to f h e a d w o r kf a c ei sp r e s e n t e d 。a f t e ri n t r o d u c e di t sb a s i cp r i n c i p l e ，t h et h e s i s s e to u tt h et h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e lo ft h es u p p o r t , e m u l a t e dt h e m o t i o na n dh a daf i n i t ee l e m e n ta n a l y s 臻w i t ha n s y sw o r k b e n c h ；as i x d e g r e e f r e e d o m p a r a l l e lh y d r a u l i cs u p p o r t h a sb e e np r e s e n t e d t h e d i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h em o v e m e n tp r o c e s s ，e s t a b l i s h e db pn e u r a ln e t w o r k c o n t r o ls y s t e mo ft h ep a r a l l e lh y d r a u l i cs u p p o r t ：a f t e rs t u d i e dt h el e a d i n g s u p p o r ti nr e t u r na i r w a y , p r o p o s e dan e w r e t u r na i r w a yl e a d i n gs y s t e m i t s o r g a n i z a t i o n a n dt h e p r i n c i p l e o f o p e r a t e i si n t r o d u c e di n d e t a i l ， t h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e li se s t a b l i s h e d + t h ed i s s e r t a t i o na l s oh a d l v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t r i b o l o g yd e s i g ni nt h eh y d r a u l i cs y s t e mo f t h er e t u r na i r w a yl e a d i n gs y s t e m + k e yw o r d s ：m o d e md e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d ，h y d r a u l i cs u p p o r t , f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，b pn e u r a ln e t w o r k , s i x - d e g r e eo ff r e e d o mp a r a l l e l s t r u c t u r e ，t r i b o l o g yd e s i g n v 声明 y 9 7 9 6 1 ；7 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了麓太原理王大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在鳃密后遵守此规定) o 签名： 导师签名：窭圣! 显 日期： 日期：至堂生鐾 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 煤炭是我国的主要能源，在国民经济建设中，具有重要的战略地位。在未来新 能源大规模利用之前，煤炭是支持我国能源供应的国内重要品种。据国际能源署预 测，从2 0 0 0 到2 0 2 0 年，一次商品能源需求年增长2 9 7 ，2 0 2 0 年我国煤炭需求量 将超过2 5 亿吨，煤炭工业将有一个很大的发展。 根据我国社会发展的需求，要把我国建设为“资源节约型，环境友好型”的社 会，煤炭工业正面临着历史性的挑战与机遇，经历着关键性的转变。实现以信息技 术和机电一体化技术为核心的综合自动化，以清洁生产和洁净煤技术为基础的洁净 化，以大企业集团和多元化经营为特征的集约化，即实现高效、安全、洁净、结构 优化，已成为新时期我国煤炭工业发展的方向。 1 1 液压支架的研究现状 煤矿井下支护问题始终是困扰煤炭高产高效、安全生产的重要问题。因此，以 液压支架为主要设备的综合机械化开采的诞生和发展是煤矿生产发展史的一次重 大革命，不仅从根本上改善了劳动和安全条件，也为采煤产量和效率的迅速提高奠 定了基础，使煤炭生产面貌彻底改观。 1 1 1 国内外液压支架的发展历程 作为煤矿井下支护关键设备的液压支架，经历了几个阶段的发展过程。2 0 世纪 5 0 年代英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架代替了木支架、金属摩擦支架， 开辟了采煤工作面支护设备的技术革命；6 0 年代前苏联研制并改进的o m k t 型掩护式 支架( 具有四连杆机构) ，解决了支架梁端距变化大的问题，开辟了液压支架设计的 新时代；7 0 年代主要是“立即支护”方式：8 0 年代以来，为提高生产率和降低生产 太原理工大学硕士研究生学位论文 成本，液压支架在液压性能和自动化程度方面有了大幅度提高，如美国、澳大利亚 的大部分长壁工作面都采用了电液控制技术，可对液压支架的各种动作功能进行多 种方式的程序控制和性能监测。9 0 以上的美国长壁综采工作面使用了电液控制两柱 掩护支架，其额定工作阻力最高可达9 8 0 0 k n ，初撑比为0 7 o 8 5 ，移架循环时间 大多小于1 0 5 。 我国液压支架的发展历程经历了下列几个阶段。从2 0 世纪7 0 年代初开始液压 支架的研制工作，先后研制出垛式、节式及掩护式支架。2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代 初我国分三次大规模引进国外支架，尤其是第三批引进了当时西方国家较为先进的 综采设备共1 0 0 套，其中液压支架主要以二柱掩护式和四柱掩护式为主，支架的参 数和性能比以往支架有了明显的提高。通过消化吸收国外先进技术，我国科研人员 自主研发了多种用途的液压支架，最具有代表性的有q y 系列和z y 系列支架。从上 世纪9 0 年代中期开始，我国液压支架进入了快速发展阶段，全国综掘综采工作面 数量大幅度提高，液压支架的性能、参数、可靠性有了明显的提高，支架的架型不 断丰富，如大采高支架、薄煤层支架、大倾角液压支架、铺网液压支架和端头支架 等。 1 1 2 我国液压支架技术的现状 虽然我国在液压支架技术方面取得了可喜的成绩，但与世界发达国家相比，还 存在一些不足，主要表现在： 首先，我国综采比例低，大量落后的生产技术与世界产煤大国的地位极不相称。 世界主要产煤国家的综采比例都是全国煤炭井工生产的比例。波兰是9 2 5 ， 俄罗斯是8 5 7 ，而美国、英国、德国、日本都是9 9 以上。据1 9 9 8 年统计，我国 国有重点煤矿综采比例是4 9 3 2 ：地方煤矿和乡镇煤矿比例远低于此数，初步统计， 按全国并工生产韵煤炭来算，综采比例只有2 3 左右。还有连年发生在地方煤矿由 于生产落后而造成的一些惨烈的安全事故在不断警醒我们，这与我国世界煤炭生产 大国的地位极不相称。 第二，我国液压支架制造技术水平相对落后。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 我国在支架材料、加工工艺、性能和使用寿命等方面与世界先进国家相比还有 很大差距。例如，1 9 7 9 年引进1 0 0 套综采支架期间，德国支架结构材料是s t 5 2 ， 屈服极限5 0 0 0k g c m2 左右，前苏联支架结构材料性能更高。而我国基本上长期 使用1 6 m n ，屈服极限3 0 0 0k g c m2 左右，近年来高强度钢板在支架结构件中的使 用才有所增加。这样技术质量水平的支架在国内一般矿井勉强可以使用，在国内高 产工作面及在国际上却是没有竞争力的。 第三，液压支架控制系统的研究处于落后状态，严重制约支架移架速度的提高 和综采经济效益的发挥。 西方主要采煤大国在2 0 世纪7 0 年代中后期广泛采用液压多芯管先导控制系 统。从2 0 世纪8 0 年代开始，大力着手电液先导程序控制的研究和使用，因此，现 在美、德、英、日等基本全是可编程电液控制。我国液压支架还普遍采用手动操纵， 2 l 世纪是以煤矿高效集约化生产为特征的新时期，为了满足高产综采工作面生产发 毫 展的需要，我们必须抓紧研制和推广电液控制系统。 篡 1 1 3 液压支架设计方法改进的必要性 。从2 0 世纪8 0 年代开始，我国c a d ( 计算机辅助设计) 技术应用经历了“六五” 探索、“七五”技术攻关、“八五”普及推广、“九五”深化应用4 个阶段。目前我 国液压支架设计从方案论证和结构设计到部件和零件的设计，基本实现了微机化， 可以说煤机行业的c a d 应用已走过了初创阶段和大面积普及阶段的历程。但是，从 煤机企业计算机辅助设计的总体水平来看，大多还停留在二维绘图水平上。 二维设计方法简洁，与传统设计方法衔接过渡快，但也存在自身难以克服的问 题。如复杂投影线的生成问题、漏标尺寸、漏画图线问题、设计的更新与修改问题 以及设计产品工程管理问题等。采用二维设计在设计过程中不能有效地检查干涉、 确定重心位置以及对支架进行总体受力分析，更不能定量化分析机构间隙对支架动 力学特性所产生的影响；由于二维支架力学模型是一个简化模型，在很多地方进行 了简化处理，同现实有一定的出入，其设计精度有待提高；目前支架设计仅是分析 静力学特性，很少涉及动力学特性；支架设计只是进行瞬时力学分析，难以对其运 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 动动力学进行分析，因而不了解支架在每一个瞬时的力学特性。 鉴于上述二维c a d 设计的种种问题，可知二维设计仅适用于绘制工程图纸，并 不支持真正的产品设计。随着我国加入w t o ，我国煤机企业要在激烈的市场竞争中 生存下来，必须彻底改进现有液压支架的设计方法。 1 2 选题的目的和意义 在产品的开发过程中，设计对产品的质量和成本起着决定性的影响。传统的液 压支架开发的方法是首先根据给定的功能绘图、试制样机，然后对样机进行实验和 评价。如果对样机的实验结果不满意，再变更设计，重新试制样机，直到对实验和 评价的结果满意为止。针对目前二维设计的缺陷和不足，本课题提出了基于现代设 计方法的液压支架研究。 现代设计理论和方法是研究机械产品在设计过程中所必须遵循的基本规律的 一门学科，是指导产品设计和产品制造等活动的理论基础。现代设计理论和方法涉 及范畴广泛，目前理论较为成熟并应用广泛的现代设计方法包括计算机辅助设计、 机电产品造型设计、计算机辅助工程设计c a e 、优化设计、可靠性设计和磨擦学设 计等。现代设计的发展前沿涉及创新设计、快速响应设计、智能设计、全寿命周期 设计、并行设计、面向制造的设计和绿色设计等设计思想和方法。 应用现代设计理论和方法来进行液压支架的研究，可以有效的解决以下一些问 题，从而使我国液压支架的研究与设计的效益得到提升，这也正是本课题的目的和 意义所在。 ( 1 ) 可以节省设计时间和研制费用； 应用现代c a d 和c a m 技术，可以创建液压支架虚拟工作环境，在虚拟的工作环 境下直接进行支架的概念设计，设计和修改液压支架的基本形状，尺寸，大量减少 产品开发费用和成本。由于虚拟样机可以进行产品三维实体运动仿真和动力学计 算，可以用数学化形式代替传统样机实验，并用三维设计软件生成的数控代码直接 生产难加工部件，使得产品研制的时间费用大为降低。 ( 2 ) 可以提高液压支架的性能： 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 应用c a d 、c a e 技术，可以对液压支架虚拟样机进行机构运动模拟，检验机器 自身的运动性能，模拟产品的装配过程；应用c a d 、c a e 技术，还可以检查机械结 构中各部分之间的干涉与协调情况，检查液压支架与外部环境的配合情况，保证设 计正确性，提高支架设计的可靠性。由于对液压支架动力学进行了研究，并对关键 部件进行强度和刚度地分析，改变了以前仅从静力学分析液压支架受力特性，使得 设计更加安全可靠。 ( 3 ) 可以改善产品与客户之间的亲和力，快速将产品提供给客户和市场。 由于应用现代设计方法设计液压支架时，提供给客户的三维实体模型，其外观 和运动都可以真实地表现出来，更有利于向客户宣传产品，客户也易于接受。 鉴于现代设计理论和方法具有诸多优点，所以应用在液压支架的研究中，既是 必要的，也是可行的。 1 b3 本课题的研究内容 譬 。 ( 1 ) 本论文首先将综述现代设计理论和方法的发展和研究现状，总结现代设计 的特点，并对在本课题中具体应用的某些现代设计方法作详细的介绍； 韵( 2 ) 针对目前煤矿掘进工作面临时支护的现状，提出一种新型掘进工作面临时 支护液压支架，建立支架的三维实体模型，进行运动仿真，并运用a n s y sw o r k b e n c h 软件对其关键受力部件进行有限元分析； ( 3 ) 结合煤矿综采工作面液压支架的现状，提出基于六自由度并联机构的综采 工作面液压支架的方案，对其运动过程进行研究，建立基于b p 神经网络的并联液 压支架的控制系统； ( 4 ) 在研究煤矿工作面回风巷超前支护现状的基础上，提出一种回风巷超前支 护系统，分析其机构和工作原理，建立支架的三维实体模型，并对其液压系统进行 摩擦学设计。 1 4 本课题要解决的关键问题 ( 1 ) 掘进工作面临时支护液压支架的运动方案和模型建立过程中部件的简化， 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 模型与有限元软件的接口转化，有限元分析时参数的设定： ( 2 ) 基于六自由度并联机构的液压支架的数学模型的建立和运动分析，并联支 架b p 神经网络拓扑网络结构的建立，b p 网络中样本数据的采集与训练 ( 3 ) 回风巷超前支护系统方案的确定，液压支架结构的优化，支架液压系统的 摩擦磨损分析。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章现代设计理论和方法 设计是人类的一种重要的创造活动，任何人类的创造活动必然包含设计。机械 设计、建筑设计、服装设计等都有十分悠久的历史，也创造出了人类引以自豪的丰 富而又伟大的物质文明。不同性质的设计活动有其独特的设计思想和方法，但也有 很多共同点。本章主要讨论现代设计理论和方法，其内容属于机械设计的范畴，但 也不都为机械设计所独有。 2 1 现代设计理论和方法的发展历程 现代设计理论和方法的研究与人类创造文明的历史同步，它是研究机械产品在 设计过程中所必须遵循的基本规律的一门学科，是指导产品设计和产品制造等活动 的理论基础。在长期的工程实践中，通过对生产实践的逐步总结并理性升华，在二 十世纪五十年代中期，特别是六十年代初期，设计理论和设计方法这门学科脱离制 造而演进为一门独立的学科。针对现代设计理论和方法进行广泛深入的、系统的研 究，也是世界工业发达国家在第二次世界大战以后开展的，特别是数学、计算机科 学、人工生命科学、人工智能科学以及其他相关学科的高速发展，各个学科之间的 融合、交叉促使了现代设计理论的发展，也给现代设计理论和方法的研究提供了深 入研究的工具和理论基础。在长期的研究过程中，形成了若干地域性的设计流派， 这些设计思想相互渗透、相互融合，指导产品的开发和研究。目前国外在现代设计 理论和方法方面主要有以下三大代表性的流派，即系统设计方法学、一般设计学和 设计原理。 系统设计方法学属于欧洲流派，是以德国为代表的欧洲先进工业国家在第二次 世界大战后，提出并大力推广的融合设计经验和系统工程为一体的系统设计方法 学； 7 太原理： 大学硕士研究生学位论文 一般设计学属于日本流派，是以日本东京大学吉川弘之教授为代表的日本学者 在2 0 世纪7 0 年代末期提出的。一般设计学的理论基础是公理论和集合论，试图将 一般的设计本质在严密的数学原理上予以阐述，得出独立于各具体设计领域的一般 设计理论； 设计原理属于美国流派，其代表人物是麻省理工学院的n p s u h 等教授，几乎 和日本学者同时提出了设计原理，其理论基础是独立公理和信息公理以及由这两个 公理导出的一系列设计定理和推论。 图2 - i 表明了当前国外在设计领域的主要三个流派。 就现代设计理论和方法的范畴而言，现代设计理论和方法还在不断地发展和完 善过程中。目前理论较为成熟和应用广泛的现代设计方法包括计算机辅助设计、机 电产品造型设计、计算机辅助工程设计c a e 、优化设计、可靠性设计和摩擦学设计 等。 现代设计的发展前沿涉及创新设计、快速响应设计、智能设计、全寿命周期设 计、并行设计、面向制造的设计和绿色设计等设计思想和方法。 2 2 现代设计的特点 我国的研究人员在现代设计理论和方法领域也做了大量的工作，并且取得了相 当的成就，如针对现代设计的特点进行了深入的研究，认为现代设计是基于知识的 设计，与以往认为的设计是基于经验的设计不同，判定一个设计是否成功取决于其 中现代知识的含量。在此，本文将现代设计的特点归纳为以下几点： ( 1 ) 现代设计是面向市场、面向用户的设计 产品的全球化程度越来越高，一个产品能否在激烈的全球市场竞争中取得成 功，关键是用户对产品的认可程度，而此又受诸多因素的影响，如产品的动力性能、 运动性能、工作性能、外部性能、工艺性能、使用性能以及经济性能等，这些因素 绝大多数是在产品的设计阶段就确定了，所以说现代设计是面向市场、面向用户的 设计。 ( 2 ) 现代设计要求对产品进行全寿命周期的设计 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 欧 h 设计经验的积累怍葬裂套 一问题定义i 洲 现 概念定义 流 l 规范化的产品设计l 陆将设计过程分l 派 一和产品开发流程广醅为多个阶段 i怯本定义i 代 的 系 详细定义i 统 l 适合不同设计阶段的任务和 _ j 特点的设计方法的研究和应用 设设 计 i 早期设计阶段的产品 一生产定义i 方_ 1 方案的生成和评价 计 法 以广义机械系统为对泉和 日 以演绎为研究方法的功利论广 理 的设计对象论i i 设计经验和设计 本 知识的形武化 流 论 派 以设奠过程为对泉童以演绎i - 的 为研究方法的设计过程论i 1 人类设计者思维 i 活动机制的研究 的 般 l 以广义机械系统为对象和以归纳 设 一为研究方法的机械系统功能解释 理论本身对计算 计 机辅助设计的 =学 指导作用 - i 以研究方法的设计实验学 l 大 美 国 一独立公理i - - 好的设计方案应使 流 要求功能相互独立 试图建立主导所有 流 浪 设计的一般规律， 的 提供设计评价的 设 好的设计方案所臂 最本质的规则 派 计 l 一信息公理i - - 的信息量应最少 原 理 图2 - i 当前国外现代设计理论和方法的三个主要流派 f i g 2 - 1t h ec u r r e n tt h r e em a i nb r a n c h e so f f o r e i g nm o d e m d e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于机械产品日益复杂，且市场竞争日趋激烈，客户的要求和环保的要求、节能的要 求等也愈来愈苛刻，已需要把产品的全生命周期作为一个整体来对待，在设计时就要 充分考虑其从概念设计到维修甚至到回收各阶段的技术条件、经济效益和社会效益等 要求。产品全生命周期的内容如图2 2 所示。 图2 - 2 产品的全生命周期 f i g 2 - 2w h o l el i f ec y c l i co f p r o d u c t s ( 3 ) 现代设计不仅要面对一个时变的设计对象，还要面对越来越复杂的系统 这种特点决定了设计对象是一个时变系统，要求设计者深入地了解设计对象的时 变规律，而且能够让用户了解产品当前的运行、工作状况，这就要求在设计重大产品 时，设计者必须要考虑产品的状态检测和故障诊断功能。这是现代设计不同于成品设 计和面向制造设计的重要特征之一。成品设计认为产品是一个时不变系统，而面向制 造的设计只是保证加工质量，不考虑产品性能随时间的变化。 ( 4 ) 现代设计是传统的设计理论和方法的继承、延伸与扩展 随着产品的日益复杂，产品属性的日益丰富，现代设计的范畴也日益扩大，由传 统的方案设计、总体设计、工艺设计、检测设计等阶段性的设计向产品规划、制造过 】o 太原理工大学硕士研究生学位论文 程设计( 面向x 的设计，d e s i g nf o rx ，d f x ) 、考虑产品运行过程、维护过程、报废 回收的设计等延伸，由传统的将设计对象孤立起来进行研究转换为将设计对象作为一 个整体系统进行全面的研究。图2 - 3 、图2 4 表示了这种延伸与扩展。 厂、厂、 传统设计理论与方法现代设计理论与方法 设计方法设计方法 经验、类比设计精确、优化设计 卜 设计原理y 设计原理 静态动态 设计模型设计模型 确定性设计模型随机模糊设计模型 、 图2 - 3 设计理论和方法的延伸与扩展 f i g 2 3e x 怔羽略i o na n de x p a n s i o no f d e s i g nt h e o r ya n d m e t h o d 厂、 ， 、 传统设计理论与方法 现代设计理论与方法 i 面向制造的设计( d f m ) l j 方案设计i i 面向装配的设计( d f a )i i 模糊设计 i i 可靠性设计 l f 总体设计 i 八 i 维修性设计 i 、 i 健壮设计 i 绿色设计 l j 虚拟设计 i i 优化设计 ； 工艺设计 、i并行设计l 图2 - 4 设计理论和方法中设计范畴的扩展 f i g 2 - 4e x p a n s i o no f d e s i g nc a t e g o r yo f d e s i g nt l l e o r ya n dm e t h o d 太原理工大学硕士研究生学位论文 同时人类正在借助于现代设计的设计对象进入太空、微观世界( 如纳米尺度、分 子模拟) 、深水、生命科学( 如基因观察或移植等) 等过去未曾涉足的领域，这也要求 设计理论和方法适应这种对设计对象的延伸和扩展。 ( 5 ) 现代设计是多学科的交叉与融合 近年来科技的高速发展促使了各学科之间的相互交叉和融合，如现代数学、计算 机与信息科学、生命及人工生命科学、物理学、磁学等学科的高速发展，以及这些学 科的成果向机械设计领域的渗透，不仅给现代设计提供了理论基础，同时也提供了先 进的手段，使得现代设计的手段朝着自动化、可视化、网络化和虚拟化发展，大力地 推进了现代设计理论的研究和发展，使得产品结构、功能、性能等属性都发生了很大 的变化，学科之间的交叉和融合促使了现代设计理论和方法的高速发展。 ( 6 ) 现代设计是全过程的广义优化设计 面向机械产品全生命周期的广义优化设计己不是传统优化设计的单向延伸，也不 可能是任何一种算法，它与常规的多目标优化设计有本质的区别，在理论上应是常规 优化理论、数学、计算机科学、控制理论、人工智能和信息科学等多种学科综合的产 物，在方法上应该是多种算法互补的结晶，如以人工神经网络和以进化遗传算法为理 论基础的新型算法，在实现上应是多种计算机软件系统的集成，是一开放型的人机一 体化系统，是一个全过程的广义优化设计。 ( 7 ) 现代设计是基于知识的设计，是人机结合的智能化设计 判断一个设计是否成功的标准之一就是衡量该设计中现代知识的含量，因为设计 过程实际上是一个十分复杂的现代知识信息流动和处理的过程，是基于知识的设计， 是人、机高度一体的智能化设计。图2 5 示意了设计过程中设计知识的流动。 ( 8 ) 现代设计强调多种试验技术的综合应用 除了常规的物理模型试验、动态试验、可靠性试验、产品环保试验以及样机试验 等试验手段外，还充分利用现代计算机软件和硬件条件进行计算机仿真试验，开发虚 拟仪器进行相应的试验、运用快速成型理论和技术进行设计验证试验以及虚拟现实试 验等手段针对设计对象进行设计过程和制造过程的检验，现代试验技术在现代设计中 占有很重要的地位。 ( 9 ) 现代设计更适于创新性设计 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 设计新一代产品指令 市场信息网 仿真及数值 分析站 试验室 样机试验场 运行信息网 市场信息 仿真虚拟现实及数 值分析计算 物理模型试验信息 样机试验信息 已有产品运行表现 及用户反映信息 已 有 设 计 知 识 设 计 兀 知 识 设 计 领 域 知 识 处理已有知识的元知识 组织信息源及知识 获取的元知识 指挥设计操作的元知识 已有产品档案 市场知识 真、虚拟现实及数 分析得到的知识 物理模型试验得到的 知识 机试验、已有产品 行表现和由用户 反映得到的知识 关于已有产品的经过 融合综合的知识 信信 息息 融处 合理 知包 识含 获各 取种 的教 全据 部处 操理 作 设 计 新 知 识 设 计 新 图2 5 设计过程中设计知识流动的示意图 f i g 2 5s c h e m eo f d e s i g nk n o w l e d g ef l o wi nd e s i g np r o c e d u r e 新一代产口叩的设计完成一 一设计操作中提取知识的指令一 一设计中用到的知识总和 代 产 品 的 操 作 过 程 太原理工大学硕士研究生学位论文 产品在激烈的竞争市场上能否得到承认，能否满足客户要求，很关键的一点是产 品的设计水平如何，是否设计、生产出了具有某些新的功能、新的性能或新的外观属 性的产品，这是在市场竞争中取得主导地位的关键一步。社会在发展，科技在进步， 市场在变化，市场对新产品的渴求表明创新性产品的重要性，现代设计要求能够运用 创新的观点去发现现有产品的落后性和不完备性，并且运用新的设计理论和方法，新 的手段，新的工具去改变它使之得到提高，以提升产品的多样性、独特性和先进性， 因此，相对于传统设计而言，现代设计更适于创新性设计。 0 国现代设计技术可实现网络化设计 现代设计通过i n t e r n e t i n t r a n e t 环境，使得全球范围内的迅速远程技术合作如 远程设计、远程制造等成为可能，最大限度地共享各种资源包括知识资源、设备资源、 人力资源等等，快速设计出高质量、低成本、适应激烈市场竞争的产品：在信息结构 基础之上，现代设计可实现网络化设计。 2 3 本课题涉及的主要几种现代设计方法 2 3 1 计算机辅助设计( c a d ) 计算机辅助设计是指在设计活动中，利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进 行设计的一切适用技术的总和。 计算机辅助设计是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。在设计过程中， 人可以进行创造性的思维活动，完成设计方案构思、工作原理拟定等，并将设计思想、 设计方法经过综合、分析，转换成计算机可以处理的数学模型和解析这些模型的程序。 在程序运行过程中，人可以评价设计结果，控制设计过程；计算机则可以发挥其分析 计算和存储信息的能力，完成信息管理、绘图、模拟、优化和其他数值分析任务。一 个好的计算机辅助设计系统既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高 速分析计算能力，找到人和计算机最佳结合点。 计算机辅助设计包括的内容很多，如概念设计、优化设计、有限元分析、计算机 仿真、计算机绘图等。在计算机辅助设计工作中，计算机的任务实质上是进行大量的 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 信息加工、管理和交换。也就是在设计人员的初步构思、判断、决策的基础上，由计 算机对数据库中大量设计资料进行检索，根据设计要求进行计算、分析及优化，将初 步设计结果显示在图形显示器上，以人机交互方式反复加以修改，经设计人员确认之 后，在自动绘图机及打印机上输出设计结果。在c a d 作业过程中，逻辑判断、科学计 算和创造性思维是反复交叉进行的。一个完整的c a d 系统，应在设计过程中的各个阶 段都能发挥作用。而要实现这一点，就必须具备以下三个条件： 首先、建立完备的产品设计数据库。产品设计数据库是用来存储设计某类产品时 所需的各种信息，如有关标准规范、经验曲线、计算公式等，都按照数据结构关系存 入计算机。数据库可供c a d 作业时检索或调用，也便于数据的管理和数据资源的共享。 其次、建立完备的应用程序库。即将解决某一类工程设计问题的通用及专用设计 程序，如通用数学方法计算程序、常规机械设计程序、优化方法程序、有限元计算程 序等，汇集备用。 最后、建立多功能交互式图形程序库。利用图形程序库可以进行二维及三维图形 的信息处理，能在此基础上绘制工程设计图，建立标准件库、零部件库等图形处理工 作。 与传统的机械设计相比，无论在提高生产率、改善设计质量方面，还是在降低成 本、减轻劳动强度方面，c a d 技术都有着巨大的优越性。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) c a d 可以提高设计质量。在计算机系统内存储了各种有关专业的综合性的技 术知识，为产品设计提供了科学的基础。计算机与人交互作用，有利于发挥人、机各 自的特长，使产品设计更加合理化。c a d 采用的优化设计方法有助于某些工艺参数和 产品结构的优化。另外，由于不同部门可利用同一数据库中的信息，保证了数据的一 致性。 ( 2 ) c a d 可以节省时间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化大大缩短了 设计时间。c a d 和c a m 的一体化可显著缩短从设计到制造的周期，与传统的设计方法 相比，其设计效率可提高3 5 倍以上。 ( 3 ) c a d 可以较大幅度地降低成本。计算机的高速运算和绘图机的自动工作大大 节省了劳动力。同时，优化设计带来了原材料的节省。c a d 的经济效益有些可以估算， 有些则难以估算。由于采用c a d c a m 技术，生产准各时间缩短，产品更新换代加快， 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 大大增强了产品在市场上的竞争能力。 ( 4 ) c a d 技术将设计人员从繁琐的计算和绘图工作中解放出来，使其可以从事更 多的创造性劳动。在产品设计中，绘图工作量约占全部工作量的6 0 ，在c a d 过程中 这一部分的工作由计算机完成，产生的效益十分显著。 2 3 2 计算机辅助工程分析( c a e ) 长期以来，机械设备的分析与计算一直沿用材料力学、理论力学和弹性力学所提 供的公式来进行。由于有许多的简化条件，因而计算精度很低。为了保证设备的安全 可靠运行，常采用加大安全系数的方法，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会 造成结构性能的降低。现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成本、节省资源、高 性能等方面发展，传统的计算分析方法远远无法满足要求。2 0 年来，伴随着计算机 技术的发展，出现了计算机辅助工程分析这一新兴学科( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ) 。采用c a e 技术，即使在进行复杂的工程分析时也无须作很多简化，并 且计算速度快、精度高。常见的工程分析包括：对质量、体积、惯性力矩、强度等 的计算分析；对产品的运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品的应力、变形 等的结构分析。 c a e 技术给工业企业产品研发带来巨大的经济效益，这已成为不争的事实。以 a n s y s 、l s d y n a 等为代表的高端c a e 软件早已活跃在全球各行各业中，将“基于物 理样机试验的传统设计方法”带入基于“虚拟样机仿真的现代设计方法”。大幅缩短 产品开发周期，降低成本，提高企业竞争力。 现代设计方法表明，产品设计虽然只占产品整个成本的5 ，但它却影响产品整 个成本的7 0 。潜在的问题越早地得到解决，设计的成本与周期的降低效果越明显。 因此，c a e 分析应该提前到概念设计阶段，在零部件设计阶段就应该进行c a e 分析。 有限元分析技术是最重要的工程分析技术之一。它广泛应用于弹塑性力学、断裂 力学、流体力学、热传导等领域。有限元方法是6 0 年代以来发展起来的新的数值计 算方法，是计算机时代的产物。虽然有限元的概念早在4 0 年代就有人提出，但由于 当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发展，有限元法在 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 各个工程领域中不断得到深入应用，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。早 在7 0 年代初期就有人给出结论，有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计 产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比设计。目前，有限元法仍在不断发展， 理论上不断完善，各种有限元分析程序包的功能越来越强大，使用越来越方便。 有限元法的基本思想是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组 合体，简称离