機械工程師論文動態(tài)優(yōu)化方法在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的應(yīng)用

　　這篇機械工程師論文發(fā)表了動態(tài)優(yōu)化方法在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中的應(yīng)用的，盡力年農(nóng)業(yè)機械直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水平，受到了廣泛的重視，在機械農(nóng)業(yè)設(shè)計中采取動態(tài)優(yōu)化的方法可以提高農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)量，論文對動態(tài)優(yōu)化方法進(jìn)行了概述，并建立了農(nóng)業(yè)機械數(shù)學(xué)模型。

　　摘要：目前，農(nóng)業(yè)發(fā)展對機械化的要求越來越高，而動態(tài)優(yōu)化方法對農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的幫助必不可少。它大大幫助農(nóng)業(yè)機械減振、降噪以及提升農(nóng)業(yè)機械的壽命?；诖?，本文論述動態(tài)優(yōu)化方法的定義及作用，并對動態(tài)優(yōu)化方法在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中的應(yīng)用做出詳細(xì)介紹，希望給相關(guān)人士了解動態(tài)優(yōu)化及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計帶來一定幫助。

　　關(guān)鍵詞：機械工程師論文,動態(tài)優(yōu)化方法,農(nóng)業(yè)機械,機械設(shè)計

　　引言

　　近年來，各國對機械設(shè)備振動過程中造成的損害以及事故越來越重視。農(nóng)業(yè)機械作為農(nóng)業(yè)技術(shù)路線選擇的重點，體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的基礎(chǔ)，也受到了廣泛重視。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中，科研人員和生產(chǎn)制造商通常對農(nóng)業(yè)機械采用數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行設(shè)計，并且利用模擬優(yōu)化的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。這通常造成的誤差較大，不能很好地適應(yīng)市場，且生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)機械質(zhì)量較差。動態(tài)優(yōu)化方法是近幾十年來新興的一種消除以及減少機械有害振動和噪聲的方法。它基于農(nóng)業(yè)機械的動力學(xué)性能對農(nóng)業(yè)機械進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，以達(dá)到最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種方法。一般來說，它是基于數(shù)學(xué)建模的方法，對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析得出其動態(tài)特性。即在合理條件下對機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改或者重新設(shè)計，得出農(nóng)業(yè)機械最合理的機構(gòu)。在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中采用動態(tài)優(yōu)化方法，可以有效提高農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)量，并提升和培養(yǎng)其市場競爭力，因此得到了廣大專業(yè)人士的響應(yīng)。

　　1動態(tài)優(yōu)化方法的概述

　　目前，機械產(chǎn)品越來越高速，其精度也越來越高，質(zhì)量越來越輕。對機械機構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行分析，可以對機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性指的是基于機構(gòu)的彈性變形、運動副的變形、原動機的輸入速度波動等因素，對機械機構(gòu)本身的頻率、阻尼以及機械在動載荷作用下產(chǎn)生的響應(yīng)進(jìn)行分析，得出響應(yīng)結(jié)果。隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，動態(tài)優(yōu)化設(shè)計在機械設(shè)計方面的運用越來越廣泛。現(xiàn)代動態(tài)優(yōu)化設(shè)計指的是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，對機械產(chǎn)品的運動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行求解，并且分析和計算與之相關(guān)的動態(tài)可靠性、安全性、疲勞強度和工作壽命等問題，從而確保所研發(fā)的產(chǎn)品滿足實際生產(chǎn)、生活所需要的結(jié)構(gòu)性能。而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械在現(xiàn)今科技化的社會中，其所要求的速度越來越高、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、精度越來越高、功能也越來越齊全。在這樣的要求下，對產(chǎn)品的動態(tài)可靠性、安全性、疲勞強度和工作壽命等問題的研究成了必不可少的一環(huán)。因此，產(chǎn)品的動態(tài)優(yōu)化方法也越來越重要，它可將問題解決在設(shè)計階段，從而大大減少生產(chǎn)成本，在激烈的市場競爭中相對傳統(tǒng)機械設(shè)計有更強的適應(yīng)能力，對實際生產(chǎn)有十分重要的意義。農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中，動態(tài)優(yōu)化方法的研究與應(yīng)用可分為狹義動態(tài)優(yōu)化方法和廣義動態(tài)優(yōu)化方法。狹義的動態(tài)優(yōu)化方法主要通過對農(nóng)業(yè)機械零部件進(jìn)行研究，采用理論研究結(jié)合模型試驗的方法，從而找出產(chǎn)品設(shè)計中的缺陷，進(jìn)而對零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械中，越來越向廣義動態(tài)優(yōu)化方法過渡，其大大擴展了狹義動態(tài)優(yōu)化方法的內(nèi)容。它研究的是有關(guān)機械運動過程中的動力學(xué)、運動學(xué)以及動態(tài)特性等問題。簡單來說，農(nóng)業(yè)機械中的動態(tài)優(yōu)化方法是對系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃理論、機械振動理論以及數(shù)值計算，以計算機為工具，建立一套對產(chǎn)品的動態(tài)可靠性、安全性、疲勞強度問題的優(yōu)化方法。它主要分為兩步，第一是建立符合實際情況的數(shù)學(xué)模型，第二是選擇合適的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法。它與傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法不同的是，它將產(chǎn)品的動態(tài)特性首先考慮到產(chǎn)品的設(shè)計中，解決了傳統(tǒng)機械設(shè)計需要制作出樣品且不斷對樣品進(jìn)行修改的問題，在一定程度上節(jié)省了生產(chǎn)制造成本。但在我國的農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中，仍然是一門發(fā)展中的技術(shù)。它涉及到計算機技術(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動力學(xué)運動學(xué)理論以及現(xiàn)代動態(tài)優(yōu)化分析方法等多個學(xué)科的內(nèi)容，具有一定的復(fù)雜性。

　　2建立農(nóng)業(yè)機械數(shù)學(xué)模型

　　2.1農(nóng)業(yè)機械作用特征

　　與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對農(nóng)機的應(yīng)用越來越廣泛，機械化發(fā)展越來越強。其中，高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用更加廣泛，因此對農(nóng)業(yè)機械使用過程中的方便性、自動化、舒適性以及智能化要求越來越高。為使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的新技術(shù)與新裝備有新的突破，結(jié)合動態(tài)優(yōu)化方法，可以更好地在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)問題并且解決問題。另外，也可以相對準(zhǔn)確地預(yù)測產(chǎn)品的性能和壽命。因而，動態(tài)優(yōu)化方法的應(yīng)用必不可少。農(nóng)業(yè)機械相對其他機械設(shè)計有著復(fù)雜性和隨機性兩個特點。復(fù)雜性指的是農(nóng)業(yè)機械有著若干變量的多維系統(tǒng)，其一個輸入可影響到幾個輸出變量。另外，農(nóng)業(yè)機械狀態(tài)也容易因零件的磨損和變形導(dǎo)致機構(gòu)尺寸的變化，而這也在一定程度上影響數(shù)學(xué)模型的精準(zhǔn)。比如，高速的農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的慣性力，較大的慣性力會降低機械系統(tǒng)的固有頻率，而高速運轉(zhuǎn)也同時會增加激振頻率，隨著激振頻率和固有頻率的接近，機械運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生較大的振動和噪聲。隨機性是模型的本質(zhì)特征。在對模型進(jìn)行動態(tài)分析中，它可分為兩種類型：一種是隨機但并非本質(zhì)的，這種可以通過設(shè)定一定的范圍進(jìn)行精確預(yù)測從而忽略;另一種在模型建立分析中起到很重要的作用，只能采用概率統(tǒng)計分析和隨機過程理論建立數(shù)學(xué)模型。

　　2.2農(nóng)業(yè)機械數(shù)學(xué)模型

　　目前，農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的動態(tài)優(yōu)化方法主要對機械的各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，對農(nóng)業(yè)機械的功能、結(jié)構(gòu)、操作以及系統(tǒng)各個部分進(jìn)行分析，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。這對農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的質(zhì)量提高有很大幫助?？傮w來說，農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的動態(tài)優(yōu)化方法主要通過以下三個方法進(jìn)行建模。2.2.1有限元法有限元法在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的動態(tài)優(yōu)化方法中廣泛應(yīng)用，基本原理是將農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，然后采用彈性力學(xué)中的變分原理，將機械結(jié)構(gòu)的幾何、材料、載荷、約束等各個特性條件進(jìn)行約束，把機械結(jié)構(gòu)分為多個小單元，從而建立機械結(jié)構(gòu)的動力學(xué)運動學(xué)方程，對機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，輸出需要的計算結(jié)果。最后，對輸入結(jié)果進(jìn)行評估和分析，以幫助農(nóng)業(yè)機械設(shè)計進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化以及改進(jìn)設(shè)計。但是，有限元法產(chǎn)生的結(jié)果容易產(chǎn)生誤差，如邊界條件、幾何模型和機構(gòu)模型的關(guān)系不準(zhǔn)確，都會對模型的動態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。因此，在進(jìn)行有限元數(shù)學(xué)模型建立的過程中，要對有限元數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。2.2.2傳遞矩陣法傳遞矩陣法相對于有限元法簡單，其主要針對具有集中質(zhì)量的離散系統(tǒng)模型和具有分布質(zhì)量的連續(xù)系統(tǒng)模型，且具有易于編寫計算機程序的特點，計算規(guī)模也不會隨著模型自由度數(shù)的增加而劇增。它主要應(yīng)用在軸類組件中，對結(jié)構(gòu)的彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動進(jìn)行研究。它的基本原理是將軸以及軸上的各個結(jié)構(gòu)按照相應(yīng)的理論分別寫出各自的傳遞矩陣，并將各元件的傳遞矩陣按一定順序進(jìn)行相乘，最后得到軸類組件的傳遞矩陣，從而建立整個機械結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。2.2.3實驗?zāi)B(tài)法實驗?zāi)B(tài)法是將復(fù)雜的實際結(jié)構(gòu)簡化成模態(tài)模型進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)識別，其簡化了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)運算。實驗?zāi)B(tài)分析法主要應(yīng)用于測量振動和對農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，可得到比較精準(zhǔn)的機械結(jié)構(gòu)的固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)質(zhì)量以及模態(tài)剛度。同時，實驗?zāi)B(tài)法可以與有限元法相結(jié)合，用其結(jié)果對有限元理論模型進(jìn)行修正，使機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計更趨完善和合理。另外，它也可以對農(nóng)業(yè)機械設(shè)計進(jìn)行動力學(xué)修改、靈敏度分析以及載荷識別?？偟膩碚f，這種方法對農(nóng)業(yè)機械的系統(tǒng)特性分析有很大幫助，現(xiàn)今已在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。

　　3農(nóng)業(yè)機械設(shè)計動態(tài)優(yōu)化方法

　　農(nóng)業(yè)機械設(shè)計動態(tài)優(yōu)化方法指的是對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，其涉及到多個學(xué)科，特別是機械設(shè)計、現(xiàn)代動態(tài)分析、計算機技術(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論。對農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的優(yōu)化，簡單來說，指的就是在指定的運動參數(shù)的條件下，求得相對理想的工藝指標(biāo)，從而確定機械設(shè)計中最佳或次佳的運動學(xué)參數(shù)。它一般可有兩種方法對農(nóng)業(yè)機械設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

　　3.1通過農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的約束條件進(jìn)行優(yōu)化

　　該方法可根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的核心工作和主導(dǎo)思想，確定機械結(jié)構(gòu)各個特性參數(shù)的變化范圍。例如：可在農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)充分考慮動載荷和滿足約束條件的情況下，確定結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼的最優(yōu)分布參數(shù)，從而使結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)良的動態(tài)性。目前，業(yè)界主要通過三種方法對農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的約束進(jìn)行優(yōu)化：第一，基于變分原理，即將泛函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，求滿足在約束條件下的泛函數(shù)的極值;第二，基于極小值原理，即確定一個影響機械結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的形狀函數(shù)，求解在約束條件下機械的最優(yōu)形狀;第三，基于模態(tài)柔度以及能量平衡，這種方法將機械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度等作為約束條件，以動柔度最為優(yōu)化目標(biāo)，求出抗振性能最好的機械結(jié)構(gòu)。例如，要提高農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)抗振性能，就要讓機械結(jié)構(gòu)中的各個零部件避免共振，并減小各階模態(tài)柔度，增大模態(tài)阻尼。這種情況下，可首先在無阻尼情況下，優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度，并在此基礎(chǔ)上再優(yōu)化阻尼配置，從而使整個機械結(jié)構(gòu)滿足特性要求。

　　3.2在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的數(shù)字變量上進(jìn)行優(yōu)化

　　根據(jù)數(shù)字變量的設(shè)置對農(nóng)業(yè)機械設(shè)計進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，可以提高農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)量。一般，對農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的數(shù)字變量進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)該根據(jù)行業(yè)規(guī)范、傳統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來確定農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)中的強度、規(guī)格。這對農(nóng)業(yè)機械在實際工作中的規(guī)范、效率、安全等有重要的影響。提高數(shù)字變量的準(zhǔn)確性，對整個農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計有很重要的意義。就目前來說，很多農(nóng)業(yè)機械都在連續(xù)大振動情況下進(jìn)行工作。因此，與其他機械設(shè)計相比，對農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計既要考慮到對有利振動的利用，又要考慮對有害振動的消除。總體過程來說，可由如圖1所示的流程圖簡單表示。

　　4結(jié)語

　　動態(tài)優(yōu)化方法的可調(diào)節(jié)性已大大促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的發(fā)展。本文首先介紹動態(tài)優(yōu)化方法的定義和作用，繼而敘述動態(tài)優(yōu)化方法在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中的作用。采用動態(tài)優(yōu)化方法，就是在建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采取各類數(shù)學(xué)優(yōu)化算法，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械更加科學(xué)、合理的設(shè)計。當(dāng)代農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展，不僅要提高設(shè)計的可行性，而且要提高設(shè)計的效率。合理運用動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，將大大提升農(nóng)業(yè)機械制造設(shè)計的水平，具有很好的發(fā)展前景。

　　作者：歐陽陵江 單位：湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

　　推薦期刊：《機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量》(月刊)創(chuàng)刊于1976年，由機械科學(xué)研究總院、中國機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會主辦。本刊是機械行業(yè)唯一的在全國公開發(fā)行的標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量方面的宣傳媒體。