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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(shè) 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(shè) 計 從 理 論 上 說 明 優(yōu) 化 設(shè) 計 的 數(shù) 學 模 型 并 給 出 具 體 的 設(shè) 計 步 驟 通 過 得 出 的 優(yōu) 化 結(jié) 果 說 明 ANSYS優(yōu) 化 設(shè) 計 模 塊 在 機 械 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設(shè) 計 上 的 優(yōu) 越 性 和 可 行 性 為 其 他 較 為 復(fù) 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(shè) 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(shè) 計 方 法 植 樹 挖 坑 機 是 機 械 化 造 林 設(shè) 備 中 的 主 要 設(shè) 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(yīng) 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(shè) 計 不 僅 大 大 減 輕 了 主 軸 的 重 量 也 為 設(shè) 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(yīng) 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(lǐng) 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(shè) 計 能 力 非 常 強 大 廣 泛 應(yīng) 用 于 外 形 應(yīng) 力 頻 率 和 溫 度 等 方 面 3 2 基 于 ANSYS 的 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設(shè) 計 211 優(yōu) 化 設(shè) 計 原 理 優(yōu) 化 設(shè) 計 是 一 種 尋 求 最 優(yōu) 設(shè) 計 方 案 的 技 術(shù) 所 謂 最 優(yōu) 設(shè) 計 指 的 是 一 種 方 案 不 僅 可 以 滿 足 設(shè) 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(shè) 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(shè) 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(shè) 計 是 通 過 構(gòu) 建 優(yōu) 化 模 型 5 在 滿 足 設(shè) 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(shè) 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(shè) 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(shè) 計 作 為 因 變 量 狀 態(tài) 變 量 都 是 設(shè) 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(shè) 計 變 量 作 為 自 變 量 優(yōu) 化 是 通 過 改 變 設(shè) 計 變 量 的 數(shù) 值 來 實 現(xiàn) 的 每 個 設(shè) 計 變 量 都 有 上 下 限 它 定 義 了 設(shè) 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(shè) 計 變 量 rid 取 值 范 圍 為 01011 01025 m 長 度 h 取 值 范 圍 為 018 112 m 設(shè) 計 變 量 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(yīng) 力 過 大 狀 態(tài) 變 量 設(shè) 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(yīng) 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(shè) 計 變 量 半 徑 變 化 曲 線 圖 5 設(shè) 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(shè) 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(luò) 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(luò) 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(yīng) 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(shè) 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(shè) 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(shè) 計 的 重 要 方 法 尤 其 對 于 結(jié) 構(gòu) 較 為 復(fù) 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(shè) 計 優(yōu) 化 理 論 及 應(yīng) 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