[01375365]结构优化导重法的理论、方法与工程应用

本成果的理论与方法研究是具有广泛工程应用背景的自选项目,本项目成果属于机械工程领域,技术内容涉及航空航天、电子机械、土木建筑、车辆工程和力学等工程技术领域。散装水泥车结构件经常破裂、贴贴补补,越来越重,成本上升,销量下降,怎么办？重型矿山车结构强度差,破裂的大梁、悬架堆满车间、产品难以打开市场,怎么办?胎硫化机横梁结构变形挠度太大,造成轮胎产品飞边、主轴破裂,怎么办？机载雷达天线太重超过飞机载重要求,天线反射面精度不够影响电性能,怎么办？卫星结构质量超过发射火箭运载能力,结构基频太低在太空自振难以衰减,怎么办？等等不胜枚举的实际问题都应通过工程结构优化设计解决,此即本项目成果的工程背景。结构优化设计是利用计算机对产品、设备、建筑的承载结构设计方案进行自动优化的技术,本项目针对一般结构优化方法对大型复杂工程结构优化效果差,计算效率低、应用范围有限的问题,尤其是针对国内外广泛流行的虚功法准则法无法考虑载荷敏度而导致对以自重与惯性载荷为主的航空航天器、精密天线、高速运行的车辆、高速运转的机械产品等结构优化得到的设计方案离最优设计方案相差甚远的问题,经过系统深入的科技创新、严谨的数学推导与和多领域的技术攻关与工程应用,取得了多项原创性科研成果,形成了工程结构优化设计的新技术—导重法：首创的导重法突破了虚功法不能考虑载荷敏度的准则不准缺陷,拓宽了理性准则法的适用范围,提高了优化效果;首创了结构优化导重准则和最优性指标,给出了判定工程结构设计是否最优的标准和衡量设计优化程度的指标;首次论证了使寻优迭代收敛的步长因子的存在性,给出了步长因子取值方法,显著提高了工程结构优化的计算效率;首创K方根包络函数,成功地将数量庞大的应力约束与位移约束转化为强度约束与刚度约束、增强了工程实用性。目前的导重法理论严密、方法完整,在对各类大型复杂工程结构静、动力性能优化和轻量化设计,构件尺寸、结构形状与拓扑优化中,与国内外其它同类技术相比,具有优化效果好、计算效率高和实用性强的明显优势。 本项目成果已发表学术专著两本,论文50多篇,获软件著作权1项,获有关国家级项目2项,省部级项目3项,为我区企业机械产品结构设计技术服务的项目16项。本项目成果应用于各类天线、卫星、高层建筑和我区生产的轮胎硫化机、散装水泥车、大型装载机、重型矿用自卸车,压缩垃圾车、拉臂车、压缩机、实验机、插秧机等工程机械、专用汽车和机器设备等机械产品等大型复杂工程结构的优化设计,获得了许多成功应用案例。采用导重法只需要4至7次迭代即可在满足刚度、强度要求前提下使结构重量减少23%～40%或在重量不变的前提下,使结构刚度、强度提高30%～70%。本项目成果对于推动行业科技进步,实现行业技术跨越式发展具有主要社会意义,对企业设计技术从CAD上升到CAE,缩短产品设计周期、提高设计质量和设计效率、提高产品性价比和市场竞争力具有重要意义。本项目成果是还具有重大市场实用价值的技术,本项目成果显著的经济效益体现在两个方面：一是降低产品材料成本产生的经济效益,二是通过减少故障率、提高产品质量和市场竞争力产生的经济效益,目前有企业证明的经济效益已达数十亿元人民币。