对动态优化设计的认识及其应用-

东北大学

研究生考试试卷

考试科目：对动态优化设计的认识及其应用

课程编号：

阅卷人：

考试日期：2012.06

姓名：黄孙进

学号：1100487

注意事项

1．考前研究生将上述项目填写清楚

2．字迹要清楚，保持卷面清洁

3．交卷时请将本试卷和题签一起上交

东北大学研究生

对动态优化设计的认识及其应用

摘要

本文主要阐述了动态优化设计的概念、内容方法；介绍了动态优化设计相关理论；以及以系统体积、重量最小和传动构件的扭转振动加速度最大值最小为目标函数，以传动构件的扭转振动加速度均方根值为动态性能约束，建立时变外载荷下系统的动态优化设计模型，采用混合离散变量优化方法进行优化，即风力发电机齿轮传动系统动态优化设计方法。

关键词：动态优化设计；风力发电机；齿轮传动；

摘要 (i)

第一章动态优化设计的认识 (1)

1.1引言 (1)

1.2动态优化设计的目标、内容及方法 (1)

1.3动态优化设计的相关理论 (4)

1.3.1有关动态优化设计内容方面的理论基础 (5)

1.3.2有关动态设计手段方面的理论基础 (7)

第二章风力发电机齿轮传动系统动态优化设计方法 (10)

2.1风力发电机齿轮传动系统结构 (10)

2.2齿轮传动系统动态优化设计模型目标函数 (10)

2.3齿轮传动系统动态优化设计模型设计变 (11)

2.4风电齿轮传动系统优化结果比较 (11)

2.5风力发电机齿轮动态优化设计结论 (14)

参考文献 (15)

第一章动态优化设计的认识

1.1引言

现代机械产品正在向高速、高精度、轻量化的方向发展，产品结构日趋复杂,产品更新换代的速度日益加快,对产品或设备的结构系统的静态和动态特性要求越来越高。如何提高系统的性能越来越受到人们的重视。对产品进行动态优化设计是提高产品性能的主要手段，在产品设计中起着非常重要的作用。现代机械动态优化设计是在产品的研究和开发过程中，对机械产品的运动学与动力学及与此相关的动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题，进行分析和计算，以保证所研究和开发的设备具有优良的结构性能及其它相关性能。动态优化设计在现代机械产品设计中占有十分重要的地位，这是因为绝大多数现代机械设备都处在连续运转过程中，而且由于这些机械的工作速度越来越高，结构越来越复杂，尺寸越来越大（对微型机械来说，尺寸越来越小），精度越来越高，功能越来越齐全，对其工作的可靠性、安全性和工作连续

性的要求也越来越高。在这种情况下，产品动

态设计已成为现代机械研究开发不可缺少的和

至关重要的环节，对保证产品的工作可靠性、

安全性、工作耐久性。本文将概要论述通过学

习机械设备的动力学与动态分析这门课程对动

态优化设计的认识，并运用ANSYS对简单结构

进行了模态分析和静力学分析。

1.2动态优化设计的目标、内容及方法

现代机械产品动态优化设计是一项涉及现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、设计方法学等众多学科领域的新的学科分支，其基本思想是对按功能要求设计的结构或要改进的机械结构进行动力学建模，并做动特性分析。根

据对其动特性的要求或预定的动态设计目标，进行结构修改、再设计和结构重分析，直到满足结构动特性的设计要求。机械结构动态优化设计就是在充分考虑动载荷及满足约束条件的情况下，确定出机械结构的质量、刚度和阻尼的最优分布参数，使机械结构具有优良的动态性能。在动态优化设计中设计目标包括广义目标和具体目标。对于机械动态设计来说，其广义目标应包括思想目标（I）、产品质量目标（Q）、成本目标（C）、生产周期目标（T）、环境目标（E）、产品售后目标（S）其它目标（O），即IQCTESO 等7 方面的目标。为了做好产品的动态设计工作，必须具体贯彻前面提出的这些目标，如果在设计中忽视其中的某一目标，就有可能在某一方面出现问题。产品动态设计的具体技术目标应是产品的全部结构性能及部分使用性能和制造性能，结构性能包括人机安全性、系统可靠性、材质适用性、工作耐久性、结构紧凑性、环境无害性、造型艺术性、设计经济性等；部分使用性能包括工效实用性、指标优越性、运行稳定性等；部分制造性能包括结构工艺性能包括设备维修性等。

图2 动态优化设计的具体目标

Fig.2The specific objectives of dynamic optimized design 动态优化设计组要目标是产品的结构性能，但是对其它性能及主辅功能也会产生不同程度的影响。

从物理概念出发，动态优化的主要目标、内容和手段彼此间有着不可分割的联系，若它们各自组成元素的方程式，即

式中， Cs(n),Ds(m),As(k)分别表示由n,m,k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；ci,di,ai 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。

动态优化设计的内容主要包括：对机器的整体结构和结构型零部件进行动态优化设计的结构动力学设计；对机器的各种机构运动学和动力学进行动态优化设计的机构动力学设计；对机器的运动学参数和动力学参数进行计算的运动学与动力学参数设计；对机器零部件及机械系统可靠度进行计算的强度与可靠性设计；对机器相对运动部件进行动态摩擦设计与计算的动态摩擦设计；对机器外形与动力学有关的机械进行造型设计；以及其它相关的设计。

图3动态优化设计的具体内容

Fig.3The specific content of dynamic optimized design 机械设备动态设计的方法和手段一般可分为工程化和数字化方法两大类，更具体地说。有振动分析方法、有限元方法、多体系统动力学方法、广义优化方法、