基于FEA的格构式结构智能设计模板研究
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摘要
我国经济建设速度随着加入WTO进一步加快。工程机械作为支柱产业之一在交通运输、水利水电等各行各业、大小工程中日益发挥着不可替代的作用。其中起重机械不仅是生产过程中的辅助机械，更为重要的是已成为生产流水作业线上不可缺少的机械设备。结构为机械设备的主体和关键，起着支撑的骨架作用。桁架结构较之箱梁结构由于它的自重轻、用料省、同等重量下刚度大、减振性能好等诸多特点被广泛应用于各种起重设备中。同时，这种结构存在大量的相同和相似的形式。这就为实现这些结构的模块化设计提供了现实意义。
随着市场竞争的日益激烈，如何以最短的时间、最高的质量、最低的成本将产品投放市场成为了竞争的焦点。任何科技成果要转化为有竞争的商品，设计起着极其关键的作用，由于控制技术、计算机技术和应用数学的发展和应用。设计手段发生了根本性的变化。如何将这些集中在研究院所和高等院校的新理论、新方法、新技术直接应用于我国的企业，以便使之快速转化为现实生产力成为一个迫切的问题。因此模块化设计工作不应仅仅是对前人工作的简单归总，更重要的是使我国大部分企业以经验设计为主的状况尽快向以有限元分析、计算机辅助设计、可靠性设计、优化设计、动态设计等方向转变。
本文通过设计基于有限元分析(FEA—Finite Element Analysis)的结构设计模板系统在模块化设计方面作了初步的尝试。文章首先阐述该模板系统所用的理论基础：有限元理论及其二次开发原理方法、优化设计理论及本系统所涉及到的优化方法及种类、人工神经网络的基本原理及本系统采用的BP神经网络算法，然后是这些理论的具体综合应用即模板的实现。它以中远铁路起重机门架结构和龙滩电站龙门吊结构为例详尽说明了如何把这些现代设计方法和人工智能思想应用到具体的工程设计中。
在程序设计方面，运用Windows编程技术，初步建立起了Windows风格的应用程序框架，编制了友好的界面，使得不具有复杂力学和有限元理论背景的一般工程技术人员也能轻松完成设计任务，达到了模块化设计的目的。同时也初步实现了对于几种结构的设计由经验设计向现代设计的转变。
本文重点在于通过实际工程例子说明模板设计的思路和方法。起重设备虽然多种多样，但其结构形式由于其应用场合的各自特点而确有规律可寻，因此也期待他人对模板的丰富。
With our country becoming a formal member of WTO, the pace of our economic construct has been accelerated. Engineering-machine plays an important part in many projects. The cranes not only are auxiliary machine but also become indispensable mechanism in flow process. Structure served as principal and key part play a role of framework. Compared to box structure truss structure has much peculiarity such as weight, material and deform. So many kinds of crane use truss structure as their structure form. Meanwhile, the fact these truss structure has the same or similar shape bring the necessity that should be design in template mode.
Because of the intensity of market-compete if a winner must put products in market on the condition of the lest time, the best quality and the lest cost. Design plays a very important role during science and technology transforming the competitive product. The design method has a fundamental change because of the improvement of control-technology, computer and applied-math. How to apply these new theory, new method and new technology that are centralized in the university to reality becomes a urgent task. So the template is not only the summery but also a job how to turn the design mode based on experience to based on finite element analysis, computer-aid-design, reliable design and so on.
This essay does some attemptable work in the above aspect by means of the template research of truss structure intellectual design based on FEA. First the fundamental theory used as in this template has been put forward such as finite element analysis, optimal design, artificial neural network etc. after that, how to use these theory complete the task of the template has been illustrated in detail through the example of Zhongyuan Rail crane structure.
In programmer design aspect, a kindly platform help general engineering personnel easily complete design task even if they have not complex mechanics and finite element knowledge, which complete template task and transform of design based on experience to modern design.
The thinking and method of template design is focal point in this essay.
There are many kinds of crane, but the laws exist because they are themselves used in different aspect. So the supplement to this template is expected.
随着市场竞争的日益激烈，如何以最短的时间、最高的质量、最低的成本将产品投放市场成为了竞争的焦点。任何科技成果要转化为有竞争的商品，设计起着极其关键的作用，由于控制技术、计算机技术和应用数学的发展和应用。设计手段发生了根本性的变化。如何将这些集中在研究院所和高等院校的新理论、新方法、新技术直接应用于我国的企业，以便使之快速转化为现实生产力成为一个迫切的问题。因此模块化设计工作不应仅仅是对前人工作的简单归总，更重要的是使我国大部分企业以经验设计为主的状况尽快向以有限元分析、计算机辅助设计、可靠性设计、优化设计、动态设计等方向转变。
本文通过设计基于有限元分析(FEA—Finite Element Analysis)的结构设计模板系统在模块化设计方面作了初步的尝试。文章首先阐述该模板系统所用的理论基础：有限元理论及其二次开发原理方法、优化设计理论及本系统所涉及到的优化方法及种类、人工神经网络的基本原理及本系统采用的BP神经网络算法，然后是这些理论的具体综合应用即模板的实现。它以中远铁路起重机门架结构和龙滩电站龙门吊结构为例详尽说明了如何把这些现代设计方法和人工智能思想应用到具体的工程设计中。
在程序设计方面，运用Windows编程技术，初步建立起了Windows风格的应用程序框架，编制了友好的界面，使得不具有复杂力学和有限元理论背景的一般工程技术人员也能轻松完成设计任务，达到了模块化设计的目的。同时也初步实现了对于几种结构的设计由经验设计向现代设计的转变。
本文重点在于通过实际工程例子说明模板设计的思路和方法。起重设备虽然多种多样，但其结构形式由于其应用场合的各自特点而确有规律可寻，因此也期待他人对模板的丰富。
With our country becoming a formal member of WTO, the pace of our economic construct has been accelerated. Engineering-machine plays an important part in many projects. The cranes not only are auxiliary machine but also become indispensable mechanism in flow process. Structure served as principal and key part play a role of framework. Compared to box structure truss structure has much peculiarity such as weight, material and deform. So many kinds of crane use truss structure as their structure form. Meanwhile, the fact these truss structure has the same or similar shape bring the necessity that should be design in template mode.
Because of the intensity of market-compete if a winner must put products in market on the condition of the lest time, the best quality and the lest cost. Design plays a very important role during science and technology transforming the competitive product. The design method has a fundamental change because of the improvement of control-technology, computer and applied-math. How to apply these new theory, new method and new technology that are centralized in the university to reality becomes a urgent task. So the template is not only the summery but also a job how to turn the design mode based on experience to based on finite element analysis, computer-aid-design, reliable design and so on.
This essay does some attemptable work in the above aspect by means of the template research of truss structure intellectual design based on FEA. First the fundamental theory used as in this template has been put forward such as finite element analysis, optimal design, artificial neural network etc. after that, how to use these theory complete the task of the template has been illustrated in detail through the example of Zhongyuan Rail crane structure.
In programmer design aspect, a kindly platform help general engineering personnel easily complete design task even if they have not complex mechanics and finite element knowledge, which complete template task and transform of design based on experience to modern design.
The thinking and method of template design is focal point in this essay.
There are many kinds of crane, but the laws exist because they are themselves used in different aspect. So the supplement to this template is expected.
引文
[1] 陈玮璋等．起重机械金属结构．人民交通出版社，1985
[2] 将国仁．港口起重机械．大连海事大学出版社 1995
[3] 西南交通大学起重机械教研室．龙门起重机．人民铁道出版社，1978
[4] 孙靖民．现代机械设计方法选讲．哈尔滨工业大学出版社，1992
[5] 万耀青．机电工程现代设计方法．北京理工大学出版社，1994
[6] 福尔G，拜茨W．工程设计学．北京：机械工业出版社，1992
[7] 孙国止．工程机械广义优化方法研究与应用．科学出版社，1992
[8] 孙国正．优化设计与应用．人民交通出版社，1990
[9] R．L．福克斯．工程设计的优化方法．科学出版社，1981
[10] R.C.Johnson , Optimum Design of Mechanical Elements , Second Edition , Wiley_Interschence, New York, 1979
[11] Wilde.D.T., Globally Optimal Design, Wiley Interscience, New York, 1978
[12] 席少霖，赵风治．最优化计算方法．上海科学技术出版社，1980
[13] 陈立周．机械优化设计方法．冶金工业出版社，1991
[14] 涂序彦．生物控制论．北京：科学出版社，1980
[15] T.Kohonen. Self-Organization and Associative Memory. New York: Springer-Verlag, 1989
[16] 扬行竣，郑君里．人工神经网络．北京：高等教育出版社，1992
[17] 黄德双．神经网络模式识别系统理论．北京：电子工业出版社，1996
[18] 袁曾任．人工神经网络及其应用．北京：清华大学出版社，1999
[19] 周继成．人工神经网络—第六代计算机的实现．北京：科学普及出版社，1993
[20] 张立明．人工神经网络的模型及其应用．上海：复旦大学出版社，1993
[21] 戴葵．神经网络实现技术．长沙：国防科技大学出版社，1995
[22] 赵林明等．多层前向人工神经网络．郑州：黄河水利出版社，1999
[23] 阎平凡，张长水．人工神经网络与模拟进化计算．北京：清华大学出版杜，2000
[24] 任露泉．试验优化技术．北京：机械工业出版社，1987．1～19
[25] 中国科学院数学研究所统计组．方差分析．科学出版社，1977
[26] D．C．Montgomery，Design and Analysis of Experiments，John Miley and Sons， New York，1976
[27] 北京大学数学力学系概率统计组，关于正交设计的优良性，应用数学学报，1977年第1、2期
[28] Box，Evolutionary Operation，New York，1969
[29] 刘恩福．工程CAD基础与制造．机械工业出版社 1999．5 1～8
[30] 陈精一，蔡国忠．电脑辅助工程分析ANSYS使用指南．中国铁道出版社，2001
[31] 李景涌．有限元法．北京：北京邮电大学出版社，1999，3～6
[32] 杨伯荣 《机械结构分析的有限元方法》 华中理工大学出版社1986
[33] 谭建国．使用ANSYS6.0进行有限元分析．北京：北京大学出版社，2002．1～13
[34] R.H.Gallagher, Finite Element Analysis Fundamentals, 1975
[35] 周中坚，卢耀祖编著．机械与汽车结构的有限元分析．上海：同济大学出版社， 1997．7
[36] H.C.Martin,G.F.Carey, Introduction to Finite Element Analysis, 1973
[37] D.H.Norrie.G.de Vries, The Finite Element Method , Fundamentals and Application, 1973
[38] K.Masubuchi. Prediction and control of residual stresses and distortion in welded structures. Proc. Theoretical Prediction in Joining and Welding, 1996:71-88
[39] K.S. Alfredsson and B. L. Josefson. Harmonic Response of a Spot Welded Box Beam-Influence of Welding Residual Stresses and Deformations. Proc. IUTAM Symposium on the Mechanical Effects of Welding. Lulea, Sweden, June, 1991 : 1-8
[40] 王国强．实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践．西安：西北工业大学出版社，2000．1～187
[41] 艾之久 许云 ANSYS软件接口开发实践2000ANSYS中国用户年会论文集 2000．11
[42] 冯华．《Visual C++数据库开发技巧与实例》 机械工业出版社 2000．7 45～70
[43] 木林森．Visual C++6.0使用与开发．北京：清华大学出版社，1998
[44] 潘爱民等译．Visual C++技术内幕(第四版)．北京：清华大学出版社，1998
[45] 郑兆昌．机械振动(上册)．北京：机械工业出版社，1982
[46] [日]川井忠彦著．振动矩阵分析法．北京：中国建筑工业出版社，1982
[47] D．J．哈特．振动矩阵分析法．北京：中国铁道出版社，1982
[48] 陈新等．机械结构动态设计理论方法及应用 机械工业出版社，1997
[49] 刘更．结构动力学有限元程序设计．北京：国防工业出版社，1993
[50] 赵汝嘉．机械结构有限元分析．西安：西安交通大学出版社，1990
[51] D.L.Hunt.The practical use of the polyreference modal parameter estimation method. Proc.of the 2nd International Modal Analysis Conference(IMAC), 1984
[52] D．J．尤因斯著．模态测试理论与实践．天津：动态分析与测试技术编辑部出版，1986
[53] 张世基．振动学基础．北京：北京航空航天大学出版社，1990．1～29
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