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? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 22 卷 第 6 期 森 林 工 程 Vol122 No16 2006 年 11 月 FOREST ENGINEERING Nov. , 2006 基 于 ANSYS 的 植 樹 挖 坑 機 主 軸 的 優(yōu) 化 設 計 屈 錦 衛(wèi) , 于 建 國 (東 北 林 業(yè) 大 學 , 哈 爾 濱 150040) 摘 要 : 用 有 限 元 分 析 軟 件 ANSYS對 挖 坑 機 主 軸 進 行 優(yōu) 化 設 計 , 從 理 論 上 說 明 優(yōu) 化 設 計 的 數(shù) 學 模 型 , 并 給 出 具 體 的 設 計 步 驟 。 通 過 得 出 的 優(yōu) 化 結(jié) 果 , 說 明 ANSYS優(yōu) 化 設 計 模 塊 在 機 械 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設 計 上 的 優(yōu) 越 性 和 可 行 性 , 為 其 他 較 為 復 雜 的 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 提 供 新 的 思 路 和 方 法 。 關(guān) 鍵 詞 : ANSYS; 挖 坑 機 ; 主 軸 ; 優(yōu) 化 設 計 中 圖 分 類 號 : S7761262 文 獻 標 識 碼 : A 文 章 編 號 : 1001 - 005X (2006) 06 - 0012 - 02 The Optimization Design of Principal Axis of Earth Auger Based on ANSYSPQu Jinwei , Yu Jianguo (Northeast Forestry University , Harbin 150040) Abstract : This paper optimized the principal axis of the earth auger by ANSYS , introduced the mathematic model and the steps of the optimization design. The optimization results showed the superiority and feasibility of the ANSYS model used in me2 chanical structure optimization design. A new method to optimize other complex structures was provided in this paper. Key words : ANSYS; earth auger ; principal axis ; optimization design 收 稿 日 期 : 2006 - 03 - 30 基 金 項 目 : 教 育 部 高 等 學 校 博 士 學 科 點 專 項 科 研 基 金 (20040225005) 第 一 作 者 簡 介 : 屈 錦 衛(wèi) (1981 - ) , 男 , 河 南 省 周 口 人 , 碩 士 研 究 生 , 研 究 方 向 : 現(xiàn) 代 設 計 方 法 。 植 樹 挖 坑 機 是 機 械 化 造 林 設 備 中 的 主 要 設 備 , 其 性 能 直 接 影 響 植 樹 造 林 的 速 度 和 質(zhì) 量 。 對 于 手 提 式 挖 坑 機 , 其 重 量 是 影 響 其 廣 泛 應 用 的 重 要 原 因 , 本 文 利 用 大 型 有 限 元 分 析 軟 件 ANSYS 對 挖 坑 機 的 主 軸 進 行 了 優(yōu) 化 設 計 , 不 僅 大 大 減 輕 了 主 軸 的 重 量 , 也 為 設 計 出 性 能 優(yōu) 、 重 量 輕 、 便 于 攜 帶 的 手 提 式 挖 坑 機 提 供 了 理 論 依 據(jù) [1 ,2 ] 。 1 ANSYS 軟 件 簡 介 ANSYS 軟 件 是 由 美 國 ANSYS 公 司 開 發(fā) 的 一 個 功 能 強 大 的 通 用 有 限 元 分 析 軟 件 , 融 結(jié) 構(gòu) 、 熱 、 流 體 、 電 磁 、 聲 學 分 析 于 一 體 , 具 有 友 好 的 前 處 理 界 面 、 高 效 精 確 的 求 解 器 和 完 善 的 后 處 理 功 能 , 廣 泛 應 用 于 機 械 制 造 、 航 空 航 天 、 汽 車 交 通 、 土 木 工 程 、 電 子 工 程 等 一 般 的 工 業(yè) 和 科 學 研 究 領 域 。 AN2 SYS軟 件 有 效 地 把 有 限 元 數(shù) 值 分 析 技 術(shù) 和 CAD、 CAE有 機 地 結(jié) 合 在 一 起 , 使 用 戶 可 以 直 觀 精 確 地 分 析 可 能 出 現(xiàn) 的 問 題 , 有 效 地 節(jié) 省 生 產(chǎn) 和 開 發(fā) 費 用 。 ANSYS 優(yōu) 化 設 計 能 力 非 常 強 大 , 廣 泛 應 用 于 外 形 、 應 力 、 頻 率 和 溫 度 等 方 面 [3 ] 。 2 基 于 ANSYS 的 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設 計 211 優(yōu) 化 設 計 原 理 優(yōu) 化 設 計 是 一 種 尋 求 最 優(yōu) 設 計 方 案 的 技 術(shù) , 所 謂 “ 最 優(yōu) 設 計 ” , 指 的 是 一 種 方 案 不 僅 可 以 滿 足 設 計 要 求 , 而 且 所 需 的 支 出 (如 重 量 、 體 積 、 費 用 等 ) 最 小 , 也 就 是 說 最 優(yōu) 設 計 方 案 就 是 一 種 最 有 效 率 的 方 案 。 ANSYS 程 序 提 供 了 2 種 優(yōu) 化 方 法 , 即 零 階 法 和 一 階 法 , 零 階 法 是 一 個 很 完 善 的 處 理 方 法 , 可 以 有 效 地 處 理 大 多 數(shù) 的 工 程 問 題 ; 一 階 法 基 于 目 標 函 數(shù) 對 設 計 變 量 的 敏 感 程 度 , 因 此 更 適 用 于 精 確 的 優(yōu) 化 分 析 [3 ,4 ] 。 優(yōu) 化 設 計 是 通 過 構(gòu) 建 優(yōu) 化 模 型 [5 ] , 在 滿 足 設 計 要 求 的 條 件 下 進 行 的 迭 代 運 算 , 求 得 目 標 函 數(shù) 的 極 值 , 得 到 最 優(yōu) 設 計 方 案 。 優(yōu) 化 問 題 的 數(shù) 學 模 型 可 以 表 示 為 : Min F( x) = F( x1 , x2 , … , xn ) 滿 足 : gi ( x) = g ( x1 , x2 , … , xn ) ≤ 0 ( i = 1 ,2 , … , m) hj ( x) = hj ( x1 , x2 , … , xn ) = 0 ( j = 1 ,2 , … , p) x = ( x1 , x2 , … , xn ) T 式 中 : F ( x) 為 目 標 函 數(shù) , 是 需 要 獲 得 最 優(yōu) 值 的 變 量 , 是 設 計 變 量 的 函 數(shù) , 在 ANSYS 中 只 能 有 一 個 目 標 函 數(shù) ; gi ( x) 、 hj ( x) 為 狀 態(tài) 變 量 , 用 于 約 束 設 計 , 作 為 “ 因 變 量 ” , 狀 態(tài) 變 量 都 是 設 計 變 量 的 函 數(shù) , 狀 態(tài) 變 量 可 能 有 上 下 限 , 也 可 能 只 有 上 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 限 或 下 限 ; x 為 設 計 變 量 , 作 為 “ 自 變 量 ” , 優(yōu) 化 是 通 過 改 變 設 計 變 量 的 數(shù) 值 來 實 現(xiàn) 的 。 每 個 設 計 變 量 都 有 上 下 限 , 它 定 義 了 設 計 變 量 的 變 化 范 圍 。 212 ANSYS 優(yōu) 化 的 基 本 過 程 ANSYS 優(yōu) 化 的 基 本 過 程 如 圖 1 所 示 。 圖 1 優(yōu) 化 過 程 213 ANSYS 對 挖 坑 機 主 軸 的 優(yōu) 化 ANSYS 對 挖 坑 機 主 軸 的 優(yōu) 化 如 圖 2 所 示 , 初 始 計 算 時 , 挖 坑 機 主 軸 半 徑 為 0102 m , 長 度 為 1 m。 對 結(jié) 構(gòu) 進 行 優(yōu) 化 , 目 標 為 結(jié) 構(gòu) 的 體 積 最 小 (質(zhì) 量 最 小 ) , 設 計 變 量 rid 取 值 范 圍 為 01011～ 01025 m , 長 度 h 取 值 范 圍 為 018～ 112 m , 設 計 變 量 σ ≤ [σ ]。 優(yōu) 化 結(jié) 果 見 表 1。 圖 2 挖 坑 機 主 軸 簡 圖 根 據(jù) ANSYS 提 供 的 最 佳 序 列 為 第 五 次 迭 代 結(jié) 果 (第 八 次 迭 代 目 標 函 數(shù) 雖 然 最 小 , 但 等 效 應 力 過 大 ) 。 狀 態(tài) 變 量 、 設 計 變 量 以 及 目 標 函 數(shù) 的 優(yōu) 化 曲 線 分 別 見 圖 3～ 圖 6。 表 1 優(yōu) 化 結(jié) 果 迭 代 次 數(shù) 最 大 等 效 應 力 PPa 半 徑 Pm 長 度 Pm 體 積 Pm3 1 01245 22E + 07 01200 00E - 01 11000 0 01122 94E - 02 2 01180 94E + 07 01227 08E - 01 11037 2 01158 78E - 02 3 01381 41E + 07 01158 20E - 01 11107 7 01769 47E - 03 4 01303 74E + 07 01180 63E - 01 11085 4 01100 39E - 02 5 01622 49E + 07 01129 74E - 01 11180 6 01517 87E - 03 6 01444 73E + 07 01152 69E - 01 11128 7 01715 97E - 03 7 01468 70E + 07 01133 97E - 01 11184 8 01552 54E - 03 8 01706 97E + 07 01125 38E - 01 11196 3 01483 44E - 03 圖 3 狀 態(tài) 變 量 變 化 曲 線 圖 4 設 計 變 量 (半 徑 ) 變 化 曲 線 圖 5 設 計 變 量 (長 度 ) 變 化 曲 線 圖 6 目 標 函 數(shù) 變 化 曲 線 (下 轉(zhuǎn) 第 16 頁 ) 31第 6 期 屈 錦 衛(wèi) 等 : 基 于 ANSYS的 植 樹 挖 坑 機 主 軸 的 優(yōu) 化 設 計 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 分 類 驗 證 試 驗 樣 本 如 圖 1 所 示 , 共 分 10 大 類 , 每 類 60 個 樣 本 (30 個 標 準 樣 本 , 30 個 作 測 試 樣 本 ) 。 用 主 分 量 分 析 的 方 法 將 原 來 14 維 的 特 征 參 量 降 為 4 維 , 那 么 參 數(shù) 的 描 述 紋 理 的 性 能 會 有 怎 樣 的 變 化 呢 ? 本 文 采 用 最 近 鄰 分 類 器 , K近 鄰 分 類 器 和 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡 分 類 器 對 木 材 樣 本 的 分 類 正 確 率 來 說 明 這 個 問 題 , 分 類 正 確 率 如 表 2 所 示 。 由 表 2 可 見 , 用 主 分 量 分 析 后 樣 本 分 類 正 確 率 與 原 始 參 數(shù) 的 分 類 正 確 率 比 較 接 近 , 并 且 有 較 高 分 類 精 度 , 但 數(shù) 據(jù) 量 卻 大 大 減 小 了 。 因 此 , 用 主 分 量 分 析 提 取 木 材 樣 本 灰 度 共 生 矩 陣 參 數(shù) 的 4 個 綜 合 參 數(shù) 能 有 效 描 述 木 材 紋 理 。 表 2 分 類 正 確 率 比 較 % 最 近 鄰 分 類 器 K近 鄰 分 類 器 BP神 經(jīng) 網(wǎng) 絡 分 類 器 原 始 參 數(shù) (1～ 14) 851667 89100 881667 主 分 量 分 析 后 的 綜 合 參 數(shù) (1～ 4) 841667 861333 88100 圖 1 圖 像 樣 本 (受 篇 幅 限 制 每 類 只 列 出 1 個 ) 【 參 考 文 獻 】 [1 ] Haralick R M. Statistical and structural approaches to texture [A] . In Proceeding of IEEE [ C] , 1975 , 67 (5) : 786～ 804. [2 ] Robert M H , Shanmugam K. Textural features for image classification [J ] . IEEE. Transaction on Systems Man and Cybernetics , 1973 , SMC - 3 (6) : 610～ 621. [ 3 ] Wang L , He D C. Texture Classification Using Texture Spectrum [J ] . Pattern Recognition , 1990 (23) : 905 - 910. [4 ] 王 克 奇 , 陳 立 君 , 王 輝 . 基 于 空 間 灰 度 共 生 矩 陣 的 木 材 紋 理 特 征 提 取 [J ] . 森 林 工 程 , 2006 , 22 (1) : 24 - 26. [5 ] 吳 翊 , 李 永 樂 , 胡 慶 軍 . 應 用 數(shù) 理 統(tǒng) 計 [ M] . 長 沙 : 國 防 科 技 大 學 出 版 社 , 1995. [6 ] 孫 即 祥 . 現(xiàn) 代 模 式 識 別 [ M] . 長 沙 : 國 防 科 技 大 學 出 版 社 , 2002. [責 任 編 輯 : 董 希 斌 ] (上 接 第 13 頁 ) 3 結(jié) 論 通 過 對 挖 坑 機 主 軸 的 優(yōu) 化 , 使 其 在 保 證 設 計 要 求 的 同 時 , 體 積 減 小 約 50 % , 極 大 的 減 輕 了 重 量 , 如 果 采 用 空 心 軸 , 重 量 還 能 再 降 低 一 些 。 由 此 可 見 , 基 于 ANSYS 的 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設 計 在 解 決 優(yōu) 化 問 題 時 是 有 效 的 、 實 用 的 , 是 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設 計 的 重 要 方 法 , 尤 其 對 于 結(jié) 構(gòu) 較 為 復 雜 的 情 況 。 【 參 考 文 獻 】 [1 ] 姚 昌 恬 . “ 九 五 ” 期 間 我 國 林 業(yè) 發(fā) 展 狀 況 分 析 [J ] . 林 業(yè) 經(jīng) 濟 , 2001 (1) : 5 - 10. [2 ] 朱 永 法 , 湯 肇 元 . 我 國 林 業(yè) 發(fā) 展 的 現(xiàn) 狀 與 可 持 續(xù) 林 業(yè) 的 必 然 性 [J ] . 浙 江 林 學 院 學 報 , 1997 , 14 (1) : 73 - 77. [3 ] 孟 慶 華 , 于 建 國 , 鮑 春 雨 . 一 類 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 問 題 [J ] . 森 林 工 程 , 2005 , 21 (5) : 25 - 26. [4 ] 張 亞 歐 , 谷 志 飛 , 宋 勇 , 等 . ANSYS710 有 限 元 分 析 實 用 教 程 [M] . 清 華 大 學 出 版 社 , 2004. [5 ] 李 宏 雁 . ANSYS的 設 計 優(yōu) 化 理 論 及 應 用 [J ] . 一 重 技 術(shù) , 2003 (2) : 24 - 26. [責 任 編 輯 : 劉 美 爽 ] 61 森 林 工 程 第 22 卷