基于hyperworks柴油机结构优化的-研究

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1、第一章绪论(10)可变相位系统(如丰田汽车公司的VCS)和可变气门机构(本田汽车公司的VTEC)。前面的这些措施都是为了满足发动机高性能、低排放的需要，而这些措施的采用直接使得发动机的爆发压力急剧升高，这极大地提高了发动机所承受的机械负荷；另一方面，随着现代发动机朝着小型化、轻量化、高速化的方向发展，相对降低了发动机的强度和刚度。这些新技术的应用，使得内燃机的强度、刚度和可靠性问题日益突出。1．2国内外结构优化设计的发展及现状结构设计通常需要经过调查分析、拟定方案、技术设计等环节，而解决同一设计问题时，可能存在不同的设计方案。若某一方案与其

2、它方案相比满足设计要求的使用性能最佳，或使用寿命最长，或重量(体积)最小，或成本最低等，这样的设计方案就称为最佳设计方案。从这一系列设计方案中挑选出最优结构设计方案的过程，就是原始结构优化设计过程。原始的结构选优设计方法主要是凭经验，通过对若干种设计方案进行比较，然后选出最好的设计方案，选出的这种设计方案只是若干种设计方案中的最优者或较优者，因此原始的结构选优设计方法实际是经验优化设计方法。经验优化设计方法缺乏对设计对象的全面理论分析和严谨的优化理论，具有很大的局限性，于是人们开始探讨研究新的优化方法。最早从理论上提出优化设计的是著名学者M

3、axwelll2J，他在1854年提出了解决桁架的最合理结构问题和解决的方法。契比雪夫在1850—1870年期间在蒸汽机运动学方面研究开创了进行最优机构的研究。1900年F．H．Cilley以及1904年Mitchell13J从理论上和算法上解决了静不定桁架结构的满应力设计问题。1940—1950年流行的是“同时破坏方式理论”，该理论的想法是当整个结构破坏时每个元件都达到强度极限，这样的结构就是最优结构。1948年德国学者VandenBrok以极限设计理论为基础、以线性规划为方法首先解决了结构不发生塑性破坏为条件的最优化结构问题．现代优化设

4、计是六十年代初期在计算机广泛应用的基础上发展起来的新技术，是根据最优化原理和方法综合各方面的因素，以人机结合方式或“自动探索”方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法，其设计原则是最优设计，设计手段是电子计算机及计算程序，设计方法是最优化数学方法。从六十年代初期开始，这样一种迭代的数值优化方法大体上沿着两条道路发展：数学规划法和准则法。五十年代以前，用于解决最优化问题的数学方法仅限于古典的微分2第一章绪论法和变分法。五十年代末，数学规划法被首次用于结构最优化，并成为优化设计中求优方法的理论

5、基础14J。数学规划法是第二次世界大战期间发展起来的一个新的数学分支，线性规划和非线性规划足其主要内容。此外，还有动态规划、几何规划和随机规划等。在数学规划方法的基础上发展起来的最优化设计是六十年代初期电子计算机引入结构设计领域后逐步形成的一种有效的设计方法。利用这种方法，不仅使设计周期大大缩短，计算精度显著提高，而且可以解决传统设计方法所不能解决的最优化设计问题。大型电子计算机的出现，使最优化方法及其理论蓬勃发展，成为应用数学的一个重要分支，并在许多科学技术领域中得到了应用。长期以来，数学规划由于己经具备很严格的数学理论和详细研究过的计算

6、方法作背景，显得很严格。但是，随着设计变量的增加，要求迭代的次数急剧增加，这就使得在相当长的时间内，数学规划的使用只限于较简单的问题。另一方面，传统的设计准则虽然缺乏严格的数学理论，但实际使用经验表明，迭代次数与设计变量个数基本无关，而是稳定在一个比较合理的数字上。最近若干年来，数学规划法和准则法出现了逐步统一的趋势。作为准则法I引，人们发现可以用拉格朗日乘子法严格地推导出使用的准则来，再进一步，多数人认为，为了解决准则法区分有效约束和无效约束与主、被动变量的困难，应该采用数学规划法中许多已经成熟的方法。另一方面，作为数学规划法，为了提高它

7、的求解效率，人们发现需要充分利用传统准则法中应用的各种近似。这样，近年来出现了将这两种方法结合的混合法，如Smitte和Fleury等人研究的混合法。经过40多年的发展，我国科学工作者在机械优化设计领域里不断地开拓创新，取得了丰硕的成果。以钱令希教授为首倡导了序N-次规划法，该方法吸收了准则法和规划法两者的优点，解决了最佳准则法中一直存在的判定有效、无效约束和区分主动、被动约束的困难，是很有前途的优化设计方法。1．3虚拟技术在内燃机结构设计及优化中的应用近年来以有限元方法为代表的CAE技术的发展令人瞩目，它在结构研究中已经变得不可或缺了。虽

8、然如此，但目前实际使用的多数技术除了要求能够进行结构设计外，还要对设计好的结构在压力负荷下的反应做出分析，并非仅止于模拟试验。1．3．1有限元方法的应用从本质上讲，有限元是用来解