液压机的经验设计、数值计算和优化设计3个阶段工作的重要性

液压机的经验设计、数值计算和优化设计3个阶段工作的重要性

      社会不断进步，工业不断发展，在液压这个小领域中各个方面都有着显著的成就，液压机的结构优化发展史。液压机结构优化是通过调整液压机构件（框架、横梁、液压缸等）中板、梁的特征参数、构件的形状参数、构件的材料分布参数等使液压机构件达到质量最轻或强度和刚度等性能指标最优。

      从液压机本体设计来说，重点是框架结构设计。它的设计理论与方法的发展主要体现在框架结构设计方法的进步。从材料力学方法到目前的优化设计，液压机本体的设计理论经历了经验设计、数值计算和优化设计等3个阶段。

      在经验设计阶段，设计者通常根据设计的原始条件及数据，参考同类型结构的技术资料，适当改变某些参数或从几种现有本体设计方案中挑选一种作为初始设计方案。然后将框架简化成平面刚架，或将横梁简化为等截面或变截面的简支梁，利用材料力学方法进行结构的强度、刚度等方面的分析与计算，必要时再配合以模型或样机试验。设计人员在分析计算结果或有关试验数据资料后，认可或修改原始设计方案，如需修改，则在做分析计算、试验，直到获得满意的设计为止。由于力学模型粗糙，采用这种方法设计的结果并不令人满意。

      20世纪70年代末，有限元法等数值计算方法空前发展，使得液压机本体设计进入了数值计算阶段。当本体结构的计算问题得到解决之后，设计的合理性问题变得越来越突出。人们发现传统的设计过程不过是根据设计者的直觉经验对给定的几种方案进行分析和校核，而不是真正的设计和创造。传统设计的结果只是若干“可行”结构之一，而非“最优”结构。为此，自20世纪60年代中叶开始，从计算数学发展出的结构优化理论引起了广泛的关注。

      在液压机本体结构优化的早期，以结构元件特征参数为设计变量的优化是主要目标，这些工作大多以框架或横梁的质量最轻为目标，以结构的强度和刚度为约束条件，以板厚或梁高为设计变量，采用数学规划法求解。尽管采用数学规划法能解决液压机本体的结构优化问题，然而这种基于梯度的算法却常导致问题收敛于局部最优解。20世纪90年代，遗传算法因其不需计算梯度并可获得全局最优解的优点，而受到普遍的关注，在液压机本体结构优化中也得到了应用。

      虽然应用遗传算法可以得到液压机本体结构优化问题的全局最优解，并通过二进制编码解决了其离散优化问题，但是求解过程中却需进行大量的结构有限元分析，因而效率不高。为提高液压机结构优化效率，尝试采用一些简单、有效的算法很有意义。2001年，以复合形法为优化算法，采用3次样条函数描述形线，对液压缸进行尺寸参数和法兰过渡形线优化。2002年，采用拟离散优化方法将本体三维复杂结构离散优化问题转化为线性优化问题，利用单纯形法求解，并在混合空间内对解进行可行性调整，然后利用方向差商法在连续最优解的基础上形成离散最优解。实践证明，这是解决三维板系结构优化问题的较为简单、有效的方法。

      液压机结构优化设计是个漫长的过程，发展到今天依然还处在尺寸和形状优化阶段，其优化方法的研究始终围绕着如何减少结构重分析的次数以及如何获得全局最优解这两个主要问题进行，虽然取得了一些发展，但仍存在许多问题。

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