高速輕載機(jī)構(gòu)非線性動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種高速輕載機(jī)構(gòu)非線 性動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速機(jī)構(gòu)的精密運(yùn)動主要設(shè)及運(yùn)動速度與運(yùn)動精度兩個指標(biāo)。其中，對于高速機(jī) 構(gòu)而言，當(dāng)運(yùn)動加速度達(dá)到一定程度時，機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性將會發(fā)生較大的變化，即機(jī)構(gòu)呈 現(xiàn)"柔性化"特性，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)些工況下機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)高度的非線性，給機(jī)構(gòu)的后續(xù)動力學(xué)分析 及優(yōu)化帶來極大困難。
[0003] 機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動時，剛體運(yùn)動與彈性振動互相禪合，可W考慮為柔性多體動力學(xué)模 型：
[0004]
")
[000引式中，M，K，C，q分別表示質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣和載荷向量。下標(biāo)r和f分 別表示剛體（rigidbody)和彈性（flexiblebody)。
[0006] 展開為剛體動力學(xué)：
[0007] M"2,+M,A, =q,似（2)
[0008] 展開為柔體動力學(xué)：
[0009] =q,的〇)
[0010] 要提高系統(tǒng)的性能，需要對彈性體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
[0011] 現(xiàn)有高速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法有：
[0012] 1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，主要是根據(jù)最大載荷設(shè)計(jì)各構(gòu)件，不能考慮機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的相 互影響，按照最大載荷優(yōu)化的結(jié)構(gòu)往往是保守的。
[0013] 2)柔性多體動力學(xué)優(yōu)化方法，能夠考慮構(gòu)件互相影響，采用的方法主要有逐點(diǎn)法 和最危險工況法。其中，逐點(diǎn)法計(jì)算量非常龐大。最危險工況法試圖用單點(diǎn)工況替代整體， 降低計(jì)算量，但研究表明，危險工況并不總是發(fā)生在同一個地方。
[0014] 3)等效靜態(tài)載荷方法，是國外教授提出的比較簡潔而行之有效的方法，將非線性 分析在時間點(diǎn)上離散，獲得各離散點(diǎn)的等效靜態(tài)載荷，然后調(diào)用多工況線性靜態(tài)優(yōu)化，優(yōu)化 迭代收斂后再通過非線性分析更新等效載荷，直至慣性載荷不再發(fā)生變化。
[0015] 現(xiàn)有最廣泛使用的方法是等效靜態(tài)載荷方法（注：原方法忽略了結(jié)構(gòu)阻尼，與實(shí) 際情況有偏差），原理如下：
[0016] 構(gòu)造位移等效平衡方程：
[0017] K"z, (4)
[0018] 記為等效靜態(tài)平衡方程：
[001引KffZf=feq (5)
[0020] 其中，等效靜態(tài)載荷：
[00引]f巧=q, (t)-M片,-M"gf-C,成 巧)
[0022] 在各個時間點(diǎn)上離散，消除了時間參數(shù)t，變成了一系列靜態(tài)響應(yīng)方程。
[0023] 于是，優(yōu)化流程如下：
[0024] (1)非線性動力學(xué)仿真；
[00巧](2)等效載荷計(jì)算；
[0026] (3)線性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)優(yōu)化；
[0027]
[0028] 該方法很簡潔，實(shí)際是建立了非線性優(yōu)化與線性靜態(tài)優(yōu)化的橋梁，已經(jīng)在 Hyperworks，LS-DYNA軟件中實(shí)現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于汽車碰撞、機(jī)翼等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中取得非常 好的效果。
[0029] 上述方法主要缺點(diǎn)是：初始階段，線性結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行幾十次的迭代，結(jié)構(gòu)修改量非 常大，優(yōu)化結(jié)果已經(jīng)偏離了實(shí)際工況，即便通過非線性分析進(jìn)行等效靜態(tài)載荷的更新，獲取 最優(yōu)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化路徑發(fā)生了變化。對于一般工程應(yīng)用，外載荷遠(yuǎn)大于慣性載荷的情形，結(jié)果 相差不大。但是對于外載荷幾乎為零的高速輕載機(jī)構(gòu)，主要載荷是慣性載荷，與設(shè)計(jì)變量密 切相關(guān)，載荷假設(shè)對高速輕載結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的誤差，無法滿足對性能要求極高的微電子 制造裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)需求。
[0030] 上述論述內(nèi)容目的在于向讀者介紹可能與下面將被描述和/或主張的本發(fā)明的 各個方面相關(guān)的技術(shù)的各個方面，相信該論述內(nèi)容有助于為讀者提供背景信息，W有利于 更好地理解本發(fā)明的各個方面，因此，應(yīng)了解是W運(yùn)個角度來閱讀運(yùn)些論述，而不是承認(rèn)現(xiàn) 有技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0031] 本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足而提供一種高速輕載機(jī)構(gòu)非線性動態(tài) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，解決現(xiàn)有方法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中忽略了慣性載荷的影響而不能適 應(yīng)于高速輕載機(jī)構(gòu)的問題。
[0032] 本發(fā)明的目的通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0033] 提供一種高速輕載機(jī)構(gòu)非線性動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，包括W下步驟：
[0034] a.建立含有運(yùn)動學(xué)自由度的非線性有限元模型；
[0035] b.任選機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的某一位形作為靜態(tài)機(jī)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)；
[0036] C.分析b步驟所得拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，確定獲得合適拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果所需的最 小迭代次數(shù)iters_min;
[0037] d.對a步驟中建立的非線性有限元模型進(jìn)行非線性動力學(xué)分析，獲得模型在各時 間步上的剛度與位移信息；
[003引e.根據(jù)d步驟獲取的各時間步上的剛度與位移信息，計(jì)算獲得多時間步上的等效 靜態(tài)載荷；
[0039]f.根據(jù)期望的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，We步驟獲取的等效靜態(tài)載荷集合作為優(yōu)化模型參 數(shù)進(jìn)行步長捜索，將步長捜索次數(shù)iters傳遞至后續(xù)步驟進(jìn)行優(yōu)化循環(huán)控制；
[0040]g.比較f步驟中的步長捜索次數(shù)iters和C步驟中獲得的最小迭代次數(shù)iters_ min;若iters>iters_min，則直接將f步驟中經(jīng)iters步捜索后的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量傳遞 至后續(xù)步驟進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更新；若iters《iters_min，則對f步驟優(yōu)化過程進(jìn)行收斂條件 判定：滿足收斂條件時則將f步驟中經(jīng)iters次捜索獲得的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量傳遞至后續(xù)步 驟進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更新，不滿足收斂條件時則繼續(xù)執(zhí)行f步驟中的迭代循環(huán)和本步驟中的兩 次條件判定，直至所獲得的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量可W被傳遞至后續(xù)步驟進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更新；
[0041] h.利用通過g步驟判定條件的新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量對非線性有限元模型進(jìn)行更新設(shè) 計(jì)，獲得更新設(shè)計(jì)后的有限元模型；
[0042]i.對h步驟中獲得有限元模型依次進(jìn)行d-e步驟的操作，獲得更新后的有限元模 型多時間步上的等效靜態(tài)載荷；
[0043] j.將步驟i中所述的新一輪計(jì)算與上一輪計(jì)算所獲得的多時間步上的等效靜態(tài) 載荷的絕對差值之和與預(yù)設(shè)的收斂闊值進(jìn)行比較；若小于預(yù)設(shè)闊值，則收斂條件滿足，終止 結(jié)構(gòu)優(yōu)化；否則，重復(fù)f-g-h-i步驟，直至滿足本步驟中設(shè)定的收斂條件；
[0044] k.滿足j步驟收斂條件判定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量為最終機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 結(jié)束。
[0045] 其中，步驟a中所述有限元模型為：
[0046] Find b G R。
[0047] to minimize f (b, z)
[0048] subject to K化）z(s)-f巧化，s) = 0 ;s = 1,…，1
[004引 g.j (b, z)《0 ; j = 1,…，m
[0050] 0. 0 < bmin《b 1. 0 ;i = 1,…，n
[005。其中，b為設(shè)計(jì)變量向量，記號s表示在非線性分析時間步的序號，K(b)表示設(shè)計(jì) 變量向量對應(yīng)的剛度矩陣，Z(s)為第S時間步處的節(jié)點(diǎn)位移向量，fpq(b,S)表示第S時間 步處的設(shè)計(jì)變量向量對應(yīng)的等效靜態(tài)載荷，g，(b，z)表示約束條件，1表示動態(tài)分析過程的 離散時間步總數(shù)，m表示優(yōu)化模型中的約束數(shù)量，n表示設(shè)計(jì)變量向量中的元素數(shù)量。
[0052]本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明將等效載荷考慮為設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，重新構(gòu)造優(yōu)化模 型，并提出了相應(yīng)的求解方法，可W在滿足優(yōu)化條件下盡可能降低殘余振幅，與標(biāo)準(zhǔn)等效靜 態(tài)載荷相比，相同運(yùn)動條件下的振幅可W降低一半，大幅提升高速輕載機(jī)構(gòu)的性能，滿足高 速輕載機(jī)構(gòu)不同的設(shè)計(jì)需求。
【附圖說明】
[0053] 利用附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限 審IJ，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可W根據(jù)W下附圖獲得 其它的附圖。
[0054] 圖1是高速輕載機(jī)構(gòu)非線性動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí) 施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實(shí)施例及 實(shí)施例中的特征可W相互組合。
[0056] 本發(fā)明的核屯、在于提供一種高速輕載機(jī)構(gòu)非