浅谈动态分析设计方法

【摘 要】随着生产技术的快速发展，人们对机械系统的速度、精度、自动化等多方面都提出了更高的要求，因此，产品的动态设计也就成为了现代机械研究开发不可或缺的重要环节。本文对动态设计作出了相应的阐述和分析，提出了动态设计的基本原则和步骤，并以带式输送机为应用实例。实践证明，机械动态设计方法已成为机械设计人员的一种强有力的设计手段。

【关键词】动态设计；机械系统；特性分析；带式输送机

0 引言

随着生产科学技术的高速发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化的方向发展，产品结构日趋复杂，人们对产品结构系统的静态和动态特性要求越来越高[1]。如何提高系统的性能越来越受到人们的重视。传统的机械设计，包括理论设计、经验设计、模型实验设计等方法往往都是静态的，半经验半理论的，难以适应市场竞争和社会发展的需要。在这种情况下，产品动态设计成为现代机械研究开发不可缺少的重要环节。

1 动态分析设计方法的内容及目的

现代机械动态设计是在产品的研究和开发过程中，对机械产品的运动学与动力学及与此相关的动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题，进行分析和计算，以保证所研究和开发的设备具有优良的结构性能及其它相关性能。它是一项涉及现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、设计方法学等众多学科领域的新的学科分支，其基本思想是对按功能要求设计的结构或要改进的机械结构进行动力学建模，并做动特性分析。根据对其动特性的要求或预定的动态设计目标，进行结构修改、再设计和结构重分析，直到满足结构动特性的设计要求。机械结构动态设计就是在充分考虑动载荷及满足约束条件的情况下，确定出机械结构的质量、刚度和阻尼的最优分布参数，使机械结构具有优良的动态性能。

对于机械动态设计来说，其广义目标包括思想目标（I）、产品质量目标（Q）、成本目标（C）、生产周期目标（T）、环境目标（E）、产品售后目标（S）其它目标（O），即IQCTESO等7方面的目标。为了做好产品的动态设计工作，必须具体贯彻前面提出的这些目标，如果在设计中忽视其中的某一目标，就有可能在某一方面出现问题。产品动态设计的具体技术目标是产品的全部结构性能及部分使用性能和制造性能，结构性能包括人机安全性、系统可靠性、材质适用性、工作耐久性、结构紧凑性、环境无害性、造型艺术性、设计经济性等；部分使用性能包括工效实用性、指标优越性、运行稳定性等；部分制造性能包括结构工艺性能包括设备维修性等[2]。

2 机械系统动态设计的基本原则和步骤

动态设计的目标是在保证机械系统满足其功能要求的条件下具有良好的动态性能，使其经济合理、运转平稳、可靠。因此，必须把握机械结构的固有频率、振型和阻尼比，通过动态分析找出系统的薄弱环节来改进设计。

动态设计的原则是：

（1）防止共振；

（2）尽量减小机器振动幅度；

（3）尽量增加结构各阶模态刚度，并且最好接近相等；

（4）尽量提高结构各阶模态阻尼比；

（5）避免零件疲劳破坏；

（6）提高系统振动稳定性，避免失稳。

具体设计时，以上述为基本原则，应根据具体设备的要求，给出动态设计指标。

机械系统动态设计基本工作步骤如下：

（1）建立动力学模型

根据机械结构或机械系统的设计图纸，建立系统动力学模型或应用试验模态分析技术（如有限元分析）建立结构的试验模型。

（2）动态持性分析

建立出结构的动力学模型后，求解自由振动方程得到结构的振动固有特性；引入外部激励进行动力响应分析；进行振动稳定性分析。

（3）动态设计指标的评定

根据机械系统或结构在设计时提出的动态设计原则，对机械系统或结构的动态性能进行评定。

（4）结构修改和优化设计

如果结构的某些指标没有满足动态设计原则的要求，要进一步改善其动态性能，则根据要求改进原来的设计，转到步骤（1）重新开始动态设计，直至达到要求为止[3]。

3 应用实例――带式输送机

带式输送机是一个复杂的机电系统。其启制动动力学根系涉及到输送带的力学性质、输送机的运行阻力、驱动装置的机械特性、拉紧装置的作用等诸多因素。其中最主要的是输送机的运行阻力和输送带的力学性质。根据输送带运动的平衡方程、几何方程和物理方程，建立输送机的连续模型的动力学方程。对粘弹性输送带进行动力学分析的主要方法有解析法和数值解法。带式输送机连续模型的动力学方程是一个十分复杂的偏微分方程组，且包括复杂的边界条件，对其完整的动力学方程进行解析求解几乎是不可能的。目前对带式输送机动力学模型的解析主要是通过简化模型来分析模型的固有特性和理想的特殊问题进行解析求解。在实际中大都采用数值求解，通常将输送机连续模型的动力学方程采用差分方法得到输送机的离散动力学模型[4]。

4 结论

机械系统动态设计涉及现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、设计方法学、稳定性分析、可靠性分析等众多学科范围。机械动态设计方法已成为机械设计人员的一种强有力的设计手段。

【参考文献】

[1]杜留法.机械结构动态设计方法及应用研究[D].西北工业大学，2006.

[2]曾宪棣，杨明，周传荣.机械结构的动态性能设计[J].南京航空学院学报，1988，20（3）.

[3]杨永延.浅谈动态设计[J].青海交通科技，2008.

[4]孙红海，孙秀英，王长智.带式输送机的动态分析设计方法[J].煤矿现代化，2002（6）.