(7章)机械动态优化设计PPT课件.ppt

1 第7章机械产品动态优化设计理论与方法 机械产品全功能与全性能综合设计理论与方法 机械产品动态优化设计理论与方法 2 机械产品动态优化设计理论与方法 1现代机械动态设计的必要性2产品的7D总体规划模型3机械产品设计思想 设计环境与设计过程4机械产品设计目标 设计内容与设计方法5动态设计理论与方法新体系的特点6动态设计举例 产品机械动态优化设计理论与方法 3 1 现代机械进行动态设计的必要性 1 在最近二十多年来 大型机械设备屡屡发生重大事故 根据我国11化肥厂提供的不完全统计 在1976年至1985年 由于大机组事故而引起停机的损失 折合人民币的损失达数亿元 1985年10月山西大同第二电厂 1988年2月陕西秦岭电厂和1999年阜新电厂各有一台20万千瓦机组发生断轴毁机事故 损失超过数亿元 在国外 此类事故也屡见不鲜 1971年美国三里岛30万千瓦机组毁损 1972年日本关西电力公司海南电厂3号机组断轴 1973年西德60万千瓦机组联轴器变形等重大事故 1986年英国斯威士兰公司直升机由于传动齿轮断裂造成机毁人亡事故 美国航天飞机两次发生重大机毁人亡事故 除此以外 离心压缩机 大型风机 航空发动机 大型轧机等 常常由于振动而引发严重的破坏事故 在较轻的情况下 也会降低其工作效率 使机器不能在全负荷状态下运行 因此 近十多年来 世界各国都十分重视机械设备运转过程中出现的振动问题 在设计机器的过程中 需要考虑的基本问题之一是如何设法消除可能出现的那些有害的振动 因此 机械动态设计已逐步成为机器设计过程中不可缺少的一个重要环节 机械产品动态优化设计理论与方法 4 1 现代机械进行动态设计的必要性 2 机械动态设计通常包括以下广义的和狭义的两类目的 广义的 在初步设计过程中根据经验及理论和试验结果对机器的动力学问题进行全面的考虑 确定机器及其零部件的型式 形状和尺寸 以便获得良好的工作指标 保证机器安全可靠运行 在初步设计完成后 通过模型试验或实际机器试验 检验机器的动态特性 对设计结果进行校核和修改 狭义的 在完成初步设计后 对所设计的机械结构进行建模 研究与分析其动态特性 并在可能情况下进行试验分析 检验其动态特性 进而对机械设备的图样进行审核 修改或重新设计 机械产品动态优化设计理论与方法 5 1 现代机械进行动态设计的必要性 3 两种不同类型的机械 1 利用振动原理进行工作的机械 要利用振动 振动会给工作带来有益的结果 要有效利用振动 2 一般的机械设备 要消除工作时的有害振动 振动会引发机械设备出现严重事故 要消除有害振动 机械产品动态优化设计理论与方法 6 1 现代机械进行动态设计的必要性 4 振动机械与其他机械设备相比 有根本的区别 这类机械在连续大振幅的振动情况下工作 既要考虑振动的利用 又要考虑消除其中的有害振动 在振动机械的设计中 同时要考虑两方面的问题 第一 要在设计中采取有效措施去充分利用振动可能带来的效益 第二 要设法减轻或消除机器在振动工况下带来的有害振动 而一般机械常常只有第二个目的 机械产品动态优化设计理论与方法 7 全局性态规划 第一阶段 规划阶段 第二阶段 实施阶段 第三阶段 检验阶段 2 产品的7D总体设计规划 图1产品设计的7D总体规划模型 8 3 产品的设计思想 设计环境和设计过程 1 1 明确设计思想 在科学发展观和自主创新思想指导下完成产品设计工作 2 考虑设计环境 如政治 经济 人文环境 法律环境 社会环境 指国际与人际环境 生态环境 技术环境的要求等 3 拟订设计步骤 设计过程和步骤是用户需求获取 制订设计任务书 产品概念设计 详细设计 工艺设计 9 3 产品的设计思想 设计环境和设计过程 2 图2产品设计的三种性态 内部性态 外部性态 全局性态 如采用创新设计法 如采用和谐设计法 如采用和谐设计法 发挥主观能动作用 考虑客观环境要求 基于系统工程思想 10 产品设计综合设计法 1 1 3 X法 3 X 动态优化设计 智能优化设计 可视优化设计 面向产品的广义质量 功能 性能 1 3 X综合设计法 工作性能优化 智能优化设计 图 产品设计内容方法的5M设计内容方法模型 功能优化设计 1 特殊要求优化设计 满足某种特殊要求 某种特殊设计法 工艺性能优化 可视优化设计 结构性能优化 动态优化设计 产品功能优化 功能优化设计 11 2 产品设计的目标 内容与方法 产品的设计质量应是功能与性能的综合 功能与性能既有其独立性 又有其内在联系 功能不等于性能 从以上观点出发 产品设计的理想目标应是全部功能和全部性能 产品设计目标类的设计方法应是全功能全性能设计 功能包括主功能和辅助功能 而性能包括结构性能 使用性能和制造性能 综合设计理论与方法的基本目标就是要产品具有良好的功能与性能 为此 在这一目标下 再通过产品的设计内容与设计方法来实现这个理想的目标 图 设计目标类设计法 全性能设计 面向产品广义质量的设计 设计目标 面向价值工程的设计 功能设计 12 1 机械产品设计的目标 内容与方法 第一阶段 1 要有明确设计思想和设计理念2 要考虑设计环境3 要拟订好具体的设计过程第二阶段 4 要确定好设计目标5 要规划好设计内容6 要选择好设计方法第三阶段 7 要检验设计质量 13 3 机械动态设计的目标 内容与方法 4 设计目标 结构性能安全性 可靠性 耐用性 紧凑性 材料适用性 工艺性 无害性 经济性等5 设计内容 动态设计结构 机构 系统 参数 运动学 动力学 强度 可靠性 摩擦学等6 设计方法 优化方法 数字化方法工程优化 数学规划优化 专家系统优化 各种数学化设计方法 14 3 机械动态设计的目标 结构性能 图 现代机械产品的三大性能 系统可靠性工作可靠性人机安全性材质造应性工作耐久性结构紧凑性环境无害性造型艺术性设计经济性 结构性能 Q狭义质量C价格T生产周期E环境S售后服务 机械产品设计质量 工效实用性工作稳定性指标优越性设备动力性状态测控性故障可诊性操作宜人性使用经济性 制造工艺性零件规范性容差合理性生产时间性设备维修性装运可行性废品回收性制造经济性 工作性能 工艺性能 15 3 机械动态设计的内容 产品设计内容是产品设计的核心 第一部分 针对功能的内容如总体结构方案 两种功能的结构 三种机构设计 四类参数设计 五大系统设计等的初步设计计算 第二部分 针对结构性能的内容如参数的详细计算 机器及其零部件详细的静动态设计第三部分 针对使用性能的内容如状态监测系统 控制系统 诊断系统等的详细设计 第四部分 针对制造性能的内容如施工图的详细设计 包括公差和精度等 16 3 机械动态设计的方法 17 产品机械动态优化设计理论与方法 首先要写出设计目标 设计内容和设计方法的组成元素公式 从而可以了解它们分别是由那些元素所组成 即 5 1 式中 分别表示由个元素或子系统组成的设计目标函数 设计内容函数和设计方法函数 分别表示设计目标 设计内容与设计方法的组成元素或组成子系统 4 设计的目标 内容与方法的关联性 18 产品机械动态优化设计理论与方法 4 设计的目标 内容与方法的关联性 它们的关联方程式可表示为 5 2 式中B D A分别为目标列阵 内容列阵和方法矩阵 它们可分别表示为 5 3 19 产品机械动态优化设计理论与方法 式中 分别为目标列阵 内容列阵和方法矩阵的各个单元或元素 将式 5 3 代入式 5 2 可得前面假定产品的设计目标和设计内容分别是由n个和m个元素组成的列阵 而产品的方法矩阵A为行和列的矩阵 当n和m相等时 则A为正方矩阵 4 设计目标 内容与方法的关联性 5 4 20 4 设计目标 内容与方法的关联性 F为设计目标矩阵 D为设计内容元素矩阵 A为方法矩阵 如果产品设计含有3个设计目标的话 则设计方法矩阵为 由前式可以求得设计元素 对于线性系统A 为常数 对于非线性系统 不为常数 目标同设计内容元素之间的关系 21 5 机械动态设计的分类 狭义动态设计 只对结构件进行有限元分析 广义动态设计 考虑所有运动学和动力学问题 机械产品动态优化设计理论与方法 22 机械产品动态优化设计理论与方法 5 机械动态设计的分类 一般机械的动态设计 只考虑消除有害振动 振动机械的动态设计 既考虑利用有用振动 又要考虑消除有害振动 23 机械产品动态优化设计理论与方法 5 机械动态设计的分类 传统的动态设计 以线性动力学理论为基础 深层次的动态设计 以非线性动力学理论为基础 24 机械产品动态优化设计理论与方法 6 机械动态设计的步骤 一般机械与振动机械动态设计的步骤和方法大致包括以下八个方面 1 运动学参数的计算 2 动力学建模 3 动态特性分析与动力学参数计算 4 其他动力学问题的分析和计算 5 用实验方法测出机器的模态 6 参数识别 7 找出修改准则及需要修改的问题 8 对结构进行动力修改 25 1 运动学参数的计算振动机械的运动学参数 振幅 频率 运动轨迹与振动方向角等 因其用途的不同而有区别 振动机械的类型有a 输送给料类振动机b 筛分选别类振动机c 破碎粉磨类振动机d 成型密实类振动机e 振捣打拔类振动机f 测试诊断类振动仪器与设备等 振动机的运动学参数 要求在指定的运动学参数的条件下 能获得较理想工艺指标 由此确定最佳或次佳的运动学参数 机械产品动态优化设计理论与方法 6 机械动态设计的步骤 26 2 按初步设计图样或实物进行动力学建模在动力学建模过程中 通常要完成下面一些工作 1 根据实际机器及其零部件的结构特点 建立可用于动力学分析的力学模型 2 根据实际机器及其零部件实际工况 确定作用于其上的作用力和载荷谱 3 对于一般机械系统 要根据机器及其零部件的实际工况 确定该系统的有关振动参数 质量 阻尼与刚度 对于结构件 则应将该结构按照有限元方法划分为可供分析的计算单元 4 建立系统的动力学方程式 机械产品动态优化设计理论与方法 6 机械动态设计的步骤 27 3 动态特性分析与动力学参数计算不管是一般振动系统的动力学方程 还是结构有限元动力方程 求它们的动态特性的方法基本相同 求解它们的固有频率和振型 可先略去外作用力和阻尼 这时方程可写成 上述方程有下列形式的解 将式 代入式 得 由以上方程即可求出系统的固有频率和振型 个自由度的系统有个固有频率 每个固有频率都有相应的振型 此外 还可对动力学方程进行坐标变换 将方程变换到主坐标或正规坐标上 然后求出系统的动力响应 机械产品动态优化设计理论与方法 6 机械动态设计的步骤 28 6 机械动态设计的步骤 4 其他动力学特性分析对于振动机械来说 除固有频率 振型和动力响应以外 还有其它一些动力学特性需要计算 例如 a 对于自同步振动机 还应验算其同步性条件和同步状态的稳定性条件 在本章4 6 1节给出了激振器偏转式自同步冷烧结矿振动筛的同步性条件与同步状态的稳定性条件 并进行了验算 指明在给定条件下可以获得所要求的工作状态和运动轨迹 b 非线性特性对振动机工作性能的影响 分段线性非线性振动系统非线性的强弱对振动响应的影响 以及工作点的选择对振幅稳定性的影响等 也是非线性振动机械设计中应该考虑的问题 机械产品动态优化设计理论与方法 29 5 实验模态分析实物试验或模型试验与试验模型的建立通常包括以下内容 a 选择试验样机或制作试验模型 b 选用适当的试验方法 c 测定所设计机器及其零部件的模态参数和动态特性 d 依据实验数据 对系统的物理参数 质量 刚度与阻尼等 进行识别 对机器的初步设计的数据进行审核 机械产品动态优化设计理论与方法 6 机械动态设计的步骤 30 6 机械动态设计的步骤 试验方法a 对某些机器或结构 可采用敲击法 b 通过机器的起动与停机 测定机器在各种转速下各部位的振幅及振型 c 用变频器来改变电动机转速 测知在各转速情况下各部位的振幅振型 振动测量时 应同时测量输入和输出 输入的激励有各种不同的形式 可根据需要进行选择 测得输入和输出 便可算出频率响应函数 由此可按照所测得的激励和响应 推算出系统的动态特性 除上述内容外 机器的动力学问题很多 需要测定的和研究的数据也很多 因此 常根据实际需要进行试验和分析 机械产品动态优化设计理论与方法 31 6 机械动态设计的步骤 6 根据试验结果对系统的未知参数进行辨识机械系统的未知参数根据机器的种类而有区别 可根据各类机器的特点在试验后 进行参数识别 在参数识别中 最简单的是模态参数识别 下而讨论模态参数识别问题 模态参数的识别有多种方法 可在频域中进行识别 可以在时域中进行识别 频域识别方法 对结构上的某一点激励 同时测得激励点及响应点的时域信号 经A D转换与FFT变换 变成频域信号 然后对频域数字信号进行运算 求出频率响应函数 再按参数识别方法识别出模态参数 固有频率 振型 模态质量 阻尼和模态刚度等 时域识别方法 与频域识别方法不同 它无需将所测得的响应与激励的时间历程信号变换到频域中去 而是直接在时域中进行参数识别 机械产品动态优化设计理论与方法 32 6 机械动态设计的步骤 7 审核与修改准则设计准则是相同的 例如 所选取的线性或非线性运动学参数 应能使机器获得所要求的工艺指标 所选取的动力学参数 应能使所设计的机器获得所需的运动轨迹 频率和振幅 同时应使所设计的机器有良好的隔振性能及其它动力学特性 使所设计的机器及其零部件的动应力在许用范围内等等 对于振动机械的某些结构件 如振动筛筛框 振动输送机的槽体等 它们的固有频率不应与工作频率相近 即应使工作频率与低阶固有频率及高阶固有频率的关系保持在以下范围内 同时 要求结构中的子结构的质量分布与刚度分布较为均匀 惯性能与弹性能分布趋于均衡 即不应使构件有薄弱的部分 各部分的刚度不应有过大的差别 对于非线性振动系统 还要考虑亚谐共振动和超谐共振动 机械产品动态优化设计理论与方法 33 6 机械动态设计的步骤 8 对结构进行修改对机器或结构的线性或非线性问题进行修改设计 结构动力修改技术有正问题和反问题两大类 正问题是根据结构参数 质量 刚度和阻尼 的改变量求结构的动力特性的改变 这类问题在结构改型设计中时常遇到 结构动力修改的反问题是已知动态特性 求结构参数 这类问题在结构动力特性的优化设计中及避免共振时经常遇到 结构动力特性修改的方法有多种 有矩阵摄动法 传递函数法和灵敏度法等 机械产品动态优化设计理论与方法 34 动态设计理论与方法新体系的特点 拟建立以 非线性动力学 为基础的 即以 1 非线性振动 由闻邦椿教授来讲 2 非线性多体系统动力学 由张天侠教授来讲 3 非线性动力有限元 由韩清凯教授来讲 为基础的机械设备动态设计理论与方法的新体系 机械产品动态优化设计理论与方法 35 动态设计举例 1 例1 二次隔振动自同步振动筛见闻邦椿 刘树英 何勍著 振动机械的理论与动态设计方法 2001年 北京 机械工业出版社 机械产品动态优化设计理论与方法 36 机械产品动态优化设计理论与方法 例1 激振器偏转式二次隔振动自同步振动筛 图 激振器偏转式二次隔振动自同步振动筛 动态设计举例 1 37 机械产品动态优化设计理论与方法 动态设计举例 1 同步性判据 同步状态稳定性判据 38 机械产品动态优化设计理论与方法 动态设计举例 1 图7 7激振器回转方向与机体两端椭圆回转方向的关系 图7 激振器回转方向与机体两端椭圆回转方向的关系 39 5 动态设计举例 2 例2 非线性振动离心脱水机参看闻邦椿 刘树英 何勍著 振动机械的理论与动态设计方法 2001年 北京 机械工业出版社 机械产品动态优化设计理论与方法 40 机械产品动态优化设计理论与方法 例2 非线性振动离心脱水机 图 分段线性非线性振动离心脱水机示意图 动态设计举例 2 41 5 动态设计举例 3 例3 振动压路机机架的动态设计见所发的讲义 参看闻邦椿 刘树英 何勍著 振动机械的理论与动态设计方法 2001年 北京 机械工业出版社 机械产品动态优化设计理论与方法 42 机械产品动态优化设计理论与方法 动态设计举例 3 图 振动压路机示意图1 振动轮支架2 振动轮3 操作台和驾驶室4 橡胶轮胎式驱动后轮5 后轮支架 1 22 31 4 5 43 5 动态设计举例 4 例4 振动输送机机体弯曲振动的动态设计参看闻邦椿 刘树英 何勍著 振动机械的理论与动态设计方法 2001年 北京 机械工业出版社 机械产品动态设计理论与方法 44 机械产品动态优化设计理论与方法 5动态设计举例 4 例4 振动输送机机体弯曲振动的动态设计 图10长度为20米的隔振加平衡的长距离振动输送机 45 机械产品动态优化设计理论与方法 5动态设计举例 例 节肢筛的动态设计参看闻邦椿 刘树英 何勍著 振动机械的理论与动态设计方法 2001年 北京 机械工业出版社 46 机械产品动态优化设计理论与方法 图11六个振动电机的自同步节肢筛 47 机械产品动态优化设计理论与方法 1 二次隔振弹簧2 入料筛3 隔振架4 激振器5 出料筛6 一次隔振弹簧7 中间筛图12自同步振动筛节肢结构图 4