文档介绍：太原理工大学
硕士学位论文
阶梯轴轴肩过渡曲线的形状优化及实验研究
姓名:强旭东
申请学位级别:硕士
专业:机械设计及理论
指导教师:任家骏
20030401
太原理工大学硕士学位敝阶梯轴轴肩过渡曲线的形状优化及实验研究摘要用试验应力分析方法一电测应力分析法,对变截面轴过本文在分析了轴对称体形状优化理论的基础上,采渡曲线形状优化结果进行了实验研究。约束变尺度法,优化目标为应力集中系数最小,可变边化设计,获得了应力集中系数最小的形状。通过对受扭和受弯两种受载情况的八个试件进行电测应力分析,得知,用边界元法作为应力分析工具,结合优化技术进行的形状优化设计,其设计结果与实验结果计方法可在机械设计中推广使用。关键词:形状优化;阶梯轴;电测应力分析法;边形状优化的应力分析采用边界元法,优化方法采用界的描述采用三次样条函数。经过对轴肩过渡曲线的优基本符合,说明了形状优化的合理性,这种形状优化设界元法第
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绪第一节概述第一章论机械设计是机械产品生产制造的第一道工序。设计工作的好坏是直接影响产品质量的重要因素之一。任何一个构件的设计都包括结构尺寸设计和几何形状设计两大部分。在过去的设计过程中对几何形状设计研究较少,仅凭经验或类比法来设计。随着计算力学、优化方法和计算机技术的迅猛发展,用有限元法和边界元法进行形状优化越来越得到工程界的重视。我校机械设计教研室从年开始进行形状优化的研究,经过十几年的努力,已成功地研制出一些应用软件系统,于年顺利通过国家级鉴定。由于形状优化课题属优化设计领域较深层次的课题,还需要进一步开展研究工作以扩大其适用范围,以便在工程实践中得到推广和应用。用边界元法进行三维连续体的形状优化系统珺己能对轴类及三维机械构件进行形状优化设计,是比较成功的形状优化软件。但在实验验证方面一直未开展工作,使得优化设计结果只限于理论分析,没有得到实验检验。本文在分析优化设计的基础上,通过实验验证其合理性,以使形状优化的研究更加完善。机械设备轴的结构大多为阶梯轴。从所受的载荷来看,主要是受扭和受弯。这类轴在工作中的应力集中现象直接影响着轴的太原理工大学硕士学位论文第,
太原理工大学硕士学位论文强度和工作寿命。因此,应力集中问题受到工程设计者的高度重视。降低轴的应力集中系数,提高轴的强度和寿命,在轴的设计、制造和使用中具有重要的经济价值。长期以来,人们对降低轴的应力集中系数做了大量研究工作,并采取了各种改善措施,收到了一定效果。但是所使用的方法,多数由经验或试验而来,很难性,对其截面突变处的过渡部分采用圆角,在一定程度上减缓了应力集中,但这种方法盲目性较大,往往达不到满意的结果。随着计算机的普及应用和数控机床的广泛使用,计算机辅助设计和的变截面的过渡部分采用合理曲线以达到减小应力集中的最佳效果成为可能。本文从降低应力集中系数出发,把边界元法与优化方法相结合,对轴应力集中处的过渡曲线进行优化,并通过实验进行检验,得到了比较令人满意的结果。边界元法是一种先进的数值计算方法,这种方法的优点在于它可降低问题的维数,分析问题时只需对边界进行离散,所得的核函数为精确解,因此精度较高。由于应力集中多发生于边界,所以采用边界元法作为分析工具进行旨在减小应力集中形状优化问题的研究。基于轴的几何对称性这一特点,采用边界元法对此进行形状优化,显示出了其独特的优势。它将实际的三维问题转化为一维问题处理,为利用计算机编程计算带来极大方便。多年来,由于实验手段滞后的原因,对优化设计的研究仅局获得最佳效果。例如在轴的传统设计方法中,考虑到加工的可能制造/给轴的设计和制造带来了极大的方便,使轴第
第二节形状优化设计在机械设计中的应用第三节边界元法进行形状优化设计对机械设计产生的影响太原理工大学硕士学位论文限于理论领域,本文正是由此出发,希望能给以前的优化工作做一些有益的补偿,进而给以后的优化工作做一些有益的启迪。结构优化包括结构尺寸优化和形状优化两部分。结构尺寸优化已经是一个比较成熟的领域,在工程中获得了广泛的应用,并取得了很好的效果。但是形状优化在结构优化设计中属于高层次的新问题,起步较晚,取得的成果也比较少。主要有以下两方面要保持足够的分析精度,就必须随时对物理模型进行修正,即单元的重划分和细化分。另一方面是由于形状优化所得到的刚度矩阵和设计变量之间的非线性关系,应力矩阵是设计变量的隐函数,所以计算设计变量的敏度,要比尺寸优化更加困难,计算量也大得多。但是在许多工程设计问题中,形状优化要比尺寸优化更加重要和有效。近年来形状优化的迅速发展,反映了结构分析和优化方法的曰益成熟,同时也指出了改变形状对改进结构性能和功有限元法发展较早,己拥