[發明專利]高速輕載機構非線性動態系統結構拓撲參數混合優化方法

有效

• 申請號: 201510738315.0
• 申請日: 2015-11-02
• 公開（公告）號: CN105243231B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 陳新;楊志軍;陳超然;吳柏生
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廣州市南鋒專利事務所有限公司 44228
• 代理人: 劉媖

本發明公開了一種高速輕載機構非線性動態系統結構拓撲參數混合優化方法，將標準ESLM(equivalent static loads method,等效靜態載荷方法)中的線性結構優化迭代限定為單次修改，以便將結構修改引起的慣性載荷的變化立刻反映到優化模型中，獲得等效載荷變化最小的結構，并針對單次修改不能獲得趨于0或1的拓撲結構問題，繼續引入標準ESLM方法，獲得清晰的拓撲優化結構，從而實現基于單次和最大迭代ESLM的高速輕載機構混合優化。本發明將等效載荷考慮為設計變量的函數，重新構造優化模型，并提出了相應的求解方法，可以在滿足優化條件下盡可能降低殘余振幅，與標準等效靜態載荷相比，相同運動條件下的振幅可以降低一半，大幅提升高速輕載機構的性能，滿足高速輕載機構不同的設計需求。

技術領域

本發明屬于機械部件結構優化設計的技術領域，具體涉及一種高速輕載機構非線性動態系統結構拓撲參數混合優化方法。

背景技術

高速機構的精密運動主要涉及運動速度與運動精度兩個指標。其中，對于高速機構而言，當運動加速度達到一定程度時，機構的動力學特性將會發生較大的變化，即機構呈現“柔性化”特性，進而導致這些工況下機構呈現高度的非線性，給機構的后續動力學分析及優化帶來極大困難。

機構高速運動時，剛體運動與彈性振動互相耦合，可以考慮為柔性多體動力學模型：

式中，M,K,q分別表示質量矩陣、剛度矩陣和載荷向量。下標r和f分別表示剛體(rigid body)和彈性(flexible body)。

展開為剛體動力學：

展開為柔體動力學：

要提高系統的性能，需要對彈性體進行結構優化。

現有高速機構的設計結構優化方法有：

1)結構優化方法，主要是根據最大載荷設計各構件，不能考慮機構中各構件的相互影響，按照最大載荷優化的結構往往是保守的。

2)柔性多體動力學優化方法，能夠考慮構件互相影響，采用的方法主要有逐點法和最危險工況法。其中，逐點法計算量非常龐大。最危險工況法試圖用單點工況替代整體，降低計算量，但研究表明，危險工況并不總是發生在同一個地方。

3)等效靜態載荷方法，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上離散，獲得各離散點的等效靜態載荷，然后調用多工況線性靜態優化，優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生變化。

現有最廣泛使用的方法是等效靜態載荷方法(注：原方法忽略了結構阻尼，與實際情況有偏差)，原理如下：

構造位移等效平衡方程：

記為等效靜態平衡方程：

K_ffz_f＝f_eq (5)

其中，等效靜態載荷：

在各個時間點上離散，消除了時間參數t，變成了一系列靜態響應方程。

于是，優化流程如下：

(1)非線性動力學仿真；

(2)等效載荷計算；

(3)線性結構靜力學優化；

Find b∈Rⁿ

to minimizef(b，z)