機(jī)械工程師論文動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用

　　這篇機(jī)械工程師論文發(fā)表了動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用的，盡力年農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)中采取動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)量，論文對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法進(jìn)行了概述，并建立了農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型。

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

　　關(guān)鍵詞：機(jī)械工程師論文,動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法,農(nóng)業(yè)機(jī)械,機(jī)械設(shè)計(jì)

　　引言

　　近年來，各國(guó)對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)過程中造成的損害以及事故越來越重視。農(nóng)業(yè)機(jī)械作為農(nóng)業(yè)技術(shù)路線選擇的重點(diǎn)，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(jī)械設(shè)計(jì)中，科研人員和生產(chǎn)制造商通常對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械采用數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且利用模擬優(yōu)化的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這通常造成的誤差較大，不能很好地適應(yīng)市場(chǎng)，且生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)量較差。動(dòng)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(jī)械有害振動(dòng)和噪聲的方法。它基于農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力學(xué)性能對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，以達(dá)到最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種方法。一般來說，它是基于數(shù)學(xué)建模的方法，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析得出其動(dòng)態(tài)特性。即在合理?xiàng)l件下對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改或者重新設(shè)計(jì)，得出農(nóng)業(yè)機(jī)械最合理的機(jī)構(gòu)。在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，可以有效提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)量，并提升和培養(yǎng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此得到了廣大專業(yè)人士的響應(yīng)。

　　1動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法的概述

　　目前，機(jī)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(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，可以對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性指的是基于機(jī)構(gòu)的彈性變形、運(yùn)動(dòng)副的變形、原動(dòng)機(jī)的輸入速度波動(dòng)等因素，對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)本身的頻率、阻尼以及機(jī)械在動(dòng)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(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的運(yùn)用越來越廣泛。現(xiàn)代動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)指的是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行求解，并且分析和計(jì)算與之相關(guān)的動(dòng)態(tài)可靠性、安全性、疲勞強(qiáng)度和工作壽命等問題，從而確保所研發(fā)的產(chǎn)品滿足實(shí)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(jī)械在現(xiàn)今科技化的社會(huì)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(duì)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)可靠性、安全性、疲勞強(qiáng)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(dòng)態(tài)優(yōu)化方法也越來越重要，它可將問題解決在設(shè)計(jì)階段，從而大大減少生產(chǎn)成本，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有十分重要的意義。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法的研究與應(yīng)用可分為狹義動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法和廣義動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法。狹義的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法主要通過對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件進(jìn)行研究，采用理論研究結(jié)合模型試驗(yàn)的方法，從而找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的缺陷，進(jìn)而對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械中，越來越向廣義動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法過渡，其大大擴(kuò)展了狹義動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法的內(nèi)容。它研究的是有關(guān)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)態(tài)特性等問題。簡(jiǎn)單來說，農(nóng)業(yè)機(jī)械中的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法是對(duì)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(jī)械振動(dòng)理論以及數(shù)值計(jì)算，以計(jì)算機(jī)為工具，建立一套對(duì)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)可靠性、安全性、疲勞強(qiáng)度問題的優(yōu)化方法。它主要分為兩步，第一是建立符合實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型，第二是選擇合適的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。它與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法不同的是，它將產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性首先考慮到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，解決了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)需要制作出樣品且不斷對(duì)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(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，仍然是一門發(fā)展中的技術(shù)。它涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論以及現(xiàn)代動(dòng)態(tài)優(yōu)化分析方法等多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，具有一定的復(fù)雜性。

　　2建立農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型

　　2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械作用特征

　　與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，機(jī)械化發(fā)展越來越強(qiáng)。其中，高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用更加廣泛，因此對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械使用過程中的方便性、自動(dòng)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(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，可以更好地在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問題并且解決問題。另外，也可以相對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能和壽命。因而，動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法的應(yīng)用必不可少。農(nóng)業(yè)機(jī)械相對(duì)其他機(jī)械設(shè)計(jì)有著復(fù)雜性和隨機(jī)性兩個(gè)特點(diǎn)。復(fù)雜性指的是農(nóng)業(yè)機(jī)械有著若干變量的多維系統(tǒng)，其一個(gè)輸入可影響到幾個(gè)輸出變量。另外，農(nóng)業(yè)機(jī)械狀態(tài)也容易因零件的磨損和變形導(dǎo)致機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力，較大的慣性力會(huì)降低機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，而高速運(yùn)轉(zhuǎn)也同時(shí)會(huì)增加激振頻率，隨著激振頻率和固有頻率的接近，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲。隨機(jī)性是模型的本質(zhì)特征。在對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析中，它可分為兩種類型：一種是隨機(jī)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(cè)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(jì)分析和隨機(jī)過程理論建立數(shù)學(xué)模型。

　　2.2農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型

　　目前，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法主要對(duì)機(jī)械的各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能、結(jié)構(gòu)、操作以及系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行分析，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。這對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量提高有很大幫助。總體來說，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法主要通過以下三個(gè)方法進(jìn)行建模。2.2.1有限元法有限元法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法中廣泛應(yīng)用，基本原理是將農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何、材料、載荷、約束等各個(gè)特性條件進(jìn)行約束，把機(jī)械結(jié)構(gòu)分為多個(gè)小單元，從而建立機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，輸出需要的計(jì)算結(jié)果。最后，對(duì)輸入結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和分析，以幫助農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化以及改進(jìn)設(shè)計(jì)。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(jī)構(gòu)模型的關(guān)系不準(zhǔn)確，都會(huì)對(duì)模型的動(dòng)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(duì)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(duì)于有限元法簡(jiǎn)單，其主要針對(duì)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(jì)算機(jī)程序的特點(diǎn)，計(jì)算規(guī)模也不會(huì)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(duì)結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行研究。它的基本原理是將軸以及軸上的各個(gè)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(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。2.2.3實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)法實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)法是將復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成模態(tài)模型進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別，其簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法主要應(yīng)用于測(cè)量振動(dòng)和對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可得到比較精準(zhǔn)的機(jī)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(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)法可以與有限元法相結(jié)合，用其結(jié)果對(duì)有限元理論模型進(jìn)行修正，使機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更趨完善和合理。另外，它也可以對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)修改、靈敏度分析以及載荷識(shí)別。總的來說，這種方法對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的系統(tǒng)特性分析有很大幫助，現(xiàn)今已在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

　　3農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法

　　農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法指的是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，其涉及到多個(gè)學(xué)科，特別是機(jī)械設(shè)計(jì)、現(xiàn)代動(dòng)態(tài)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論。對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化，簡(jiǎn)單來說，指的就是在指定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的條件下，求得相對(duì)理想的工藝指標(biāo)，從而確定機(jī)械設(shè)計(jì)中最佳或次佳的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。它一般可有兩種方法對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

　　3.1通過農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的約束條件進(jìn)行優(yōu)化

　　該方法可根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的核心工作和主導(dǎo)思想，確定機(jī)械結(jié)構(gòu)各個(gè)特性參數(shù)的變化范圍。例如：可在農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)充分考慮動(dòng)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(dòng)態(tài)性。目前，業(yè)界主要通過三種方法對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)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(gè)影響機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的形狀函數(shù)，求解在約束條件下機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度等作為約束條件，以動(dòng)柔度最為優(yōu)化目標(biāo)，求出抗振性能最好的機(jī)械結(jié)構(gòu)。例如，要提高農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)抗振性能，就要讓機(jī)械結(jié)構(gòu)中的各個(gè)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(jī)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(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足特性要求。

　　3.2在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)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(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)量。一般，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來確定農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)度、規(guī)格。這對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械在實(shí)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(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)有很重要的意義。就目前來說，很多農(nóng)業(yè)機(jī)械都在連續(xù)大振動(dòng)情況下進(jìn)行工作。因此，與其他機(jī)械設(shè)計(jì)相比，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)既要考慮到對(duì)有利振動(dòng)的利用，又要考慮對(duì)有害振動(dòng)的消除。總體過程來說，可由如圖1所示的流程圖簡(jiǎn)單表示。

　　4結(jié)語

　　動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展。本文首先介紹動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法的定義和作用，繼而敘述動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的作用。采用動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械更加科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)。當(dāng)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展，不僅要提高設(shè)計(jì)的可行性，而且要提高設(shè)計(jì)的效率。合理運(yùn)用動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將大大提升農(nóng)業(yè)機(jī)械制造設(shè)計(jì)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(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量》(月刊)創(chuàng)刊于1976年，由機(jī)械科學(xué)研究總院、中國(guó)機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)主辦。本刊是機(jī)械行業(yè)唯一的在全國(guó)公開發(fā)行的標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量方面的宣傳媒體。