机械结构动态设计及应用分析

吕钟朋

摘要：近年来，随着我国新旧动能转换，我国机械化水平得到显著提高，机械设备的应用领域不断扩大。把机械设备应用于生产环节，降低了工人的劳动强度，提高了生产效率和降低了生产难度，进而节约了人工成本。随着机械工业的不断发展，企业对机械设备的自动化、精准化方面有了更高的要求。本文立足当下机械机构的动态设计，分析了机械结构动态设计常用技术、机械结构动态设计应用分析并对这些应用提出了优化建议。

关键词：动态设计；机械结构；应用分析

近年来，机械工业得到快速发展，企业对机械设备的要求也不断提高，企业不再需要传统的机械设备，而是需要那些精准化、现代化、自动化、智能化的机械设备[1]。这些机械设备结构越来越复杂，相应的设计难度也在不断加大，传统的设计模式已经无法满足新的机械设计要求，因此我们必须采用更加高效更加科学的设计方法。机械产品的动态设计突破了传统的机械审计模式，提高了机械结构设计水平，更好地为机械结构的修改提供数据支持，大大提高了机械设计的能力和效率，让机械设计更加具有科学性和针对性。

一、机械结构动态设计

传统的机械设计一般是基于理论或者经验进行设计，很难具有针对性和适应性，这种设计属于静态设计，往往不能充分考虑各种参数指标，这样设计出的产品很难形成市场竞争力。而机械结构的动态设计是针对机械结构的各种指标进行分析，基于产品的动态载荷作用，构建动力模型，并将产品的各项参数加入到模型之中。这种设计方法相比传统设计方法安全又经济，实际应用性较强[2]。因为这种设计是一种动态设计，在设计过程中能充分了解设计方案的动态特性，能够迅速找到设计过程中的薄弱环节，找到动态运行过程中存在的问题，从而对设计进行完善，应用设计过程中的有效变量信息完善了设备初始设计的不足，进而确保了设计出的產品性能。机械结构的动态设计提高了设计的可靠性、稳定性、安全性，对机械设备的设计进行了强化，是一种比较科学有效的设计方案。

二、机械结构动态设计常用技术

2.1 ANSYS技术

在机械结构动态化设计中采用了美国ANSYS公司研制的FEA软件ANSYS。ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高解决动态设计能力是有跟大帮助，但ANSYS是一门相当难学的软件，一方面，ANSYS软件需要学习者有比较扎实的力学理论基础，对ANSYS分析结果能有个比较准确的预测和判断，可以说，理论水平的高低在很大程度上决定了ANSYS使用水平；另一方面，需要学习者不断摸索出软件的使用经验不断总结以提高解决问题的效率。ANSYS使用过程中还需要有着一定的编程能力，还需要设计者能够及时查看机械设计的反馈结果，并能根据非线性变化不断的修正自己的设计误差，进而提升自己设计的准确性和实用性。

2.2 有限元建模技术

机械动态设计另一个主要设计技术是有限元法（Finite Element Method）。由于机械设计是一个及其复杂繁琐的过程，为了优化设计方案，必须对一些数值进行近似，有限元法就是用来解决机械设计中那些带有特点边界的PDE（偏微分方程）问题。通过有限元法的运用优化了设计方案，使机械设计方案更加完善，这种方法让机械设计模型变得更加真实，运用有限元法把机械设计划分成不同的单元踢，进而分析出了不同结构数值的优缺点。

三、机械结构动态设计应用分析

机械结构的动态设计优势明显，相比传统的静态设计，有着更好的设计效率和设计效果。因为机械结构动态设计的这些先天优势，所以在机械工业领域有着广泛的应用。

在实际机械动态设计中，首先要根据实际需要确定一个比较明确的设计目标，然后根据这个目标指定一个可行性方案，整个设计过程都必须严格按照这个目标来进行设计。如果设计过程中脱离目标来进行设计很可能出现设计出的产品和我们的需求产品性能出现矛盾，进而影响设计的成效。在设计过程中要全面考虑，单一问题可能会引发整体效果。例如一个参数出现问题，就可能引发机械设备的某一方面出现问题，进而影响设备的整体性能，还有可能导致安全问题。所以我们在进行机械设备的动态设计时要全面考虑、综合考虑，保证结构的适用性、安全性、经济性等。在进行机械设备动态设计时要通过动态分析找到系统的薄弱环节，把握好机械结构的频率、振型、阻尼比等参数从而减小结构的振动幅度，进而提高机械结构的各阶模态刚度，防止共振。在建模前要认真比对图纸，理解设计师的设计意图，知道各参数的具体要求，只有这样才能保证动态设计从一开始就不出错。在建立模型之后，接下来要做的就是求解自由振动方程，求解方程至关重要，这是分析结构固有特性的主要依据，我们后期对数据的分析也要依赖于这个结果。然后做动力响应分析，分析出影响运行的不确定因素，评估结构振动的稳定性能，通过与预期的效果比对，对原来设计进行修改，优化结构性能，全面提高结构稳定性。具体的动态修改过程主要通过灵敏度分析来实现对机械结构的物理参数的修改，要保证工作频率与固有频率的距离不能太近。在具体修改中主要采用与结构力学相似的直接求导法或者利用直接对系统进行分析的伴随结构法这两种方法进行分析。通过建模保证了精度，同时要选用好的软件来进行设计，一个好的软件可以降低设计难度，保证能更好的完成设计。

四、机械结构动态设计应用优化

从机械结构动态的应用方面进行分析，提出如下相关优化措施。机械产品具有多样性的结构动态设计，设计涉及的工艺技术复杂，增加了动态设计的实施压力，因此需优化处理动态设计及及结构修改方面，来提供动态设计整体灵敏度。如在实施机械结构动态设计优化的措施过程中，分析设计特征为向量，完善动态设计相关数据计算，确定设计中的潜在影响，夯实设计基础。机械动态设计过程中存在逆向问题主要是指实施设计过程中虽然可以满足机械特征动态需求，但是不能有效融合结构参数及刚度矩阵。因此在优化设计中应考虑转化机械机构动态设计参数为逆特征值，对设计对象信息推理，常见求解有限元逆特征值，借助线性求解得出机械机构尺寸整体数据来对机械产品机构设计参数研究。

引入模糊理论来优化设计，借助时间里分析探讨优化设计可行性，完善有限元模型建构，精确设计中存在的逆向问题，来提高动态设计的精准度。

最后优化机械动态设计中计算机信息技术的应用，加强对仿真技术的应用及信息化模式的两者配合，保证动态设计体现机械产品的特点-——自动化和智能化。如在动态设计分析有限元过程中引入多项研究成果——机械动力技术和虚拟技术等研究成果你，以保证机械动态设计综合性能，根据机械结构动态设计应用计算机信息技术，提供合适的额虚拟环境，加快产品的开发，借助虚拟环境快速更改设计中存在的虚拟误差，在保证设计水平的基础上提升机械产品的进准度。

五、结束语

机械结构动态设计在应用过程中还有很多不完善的地方，我们在进行动态设计的过程中要不断优化设计思路，结合电子、物理等更多学科的知识，用跨学科的思维去思考我们机械设计中的不足，真正改变我们错误的设计思路，养成正确的设计习惯，真正实现设计满足行业需求，真正实现动态设计的价值。

参考文献：

[1]刘晓辉，李严克.刍议如何优化机械结构动态设计[J].大科技， 2017（20）.

[2]尉晓娟.机械结构动态优化设计及其相关技术[J].明日风尚，2017（6）.

[3]邝泳聪，洪海生，梁经伦，等.基于动态特性的横梁结构优化设计[J].机械设计与制造工程，2018（1）.

[4]刘雪军.机械结构动态优化设计及其相关技术浅析[J].工程技术：全文版，2016（5）：00218-00218.