机械系统方案设计的能量特征状态模型

【摘要】：本文提出了机械系统方案设计的能量与结构特征状态的系统化建模方法,建立了运动方案设计的能量特征状态模型、结构布局方案设计的结构特征状态模型和复杂零件结构方案设计模型；解决了系统运动方案和结构布局方案设计过程难于数学描述的难题。论文工作在国家自然科学基金(No.50075012和No.51075051)和国家科技重大专项(No.2009ZX04014-034)课题资助下完成。主要研究工作如下。 本文首先提出机械系统运动方案设计的单元能量特征状态建模方法。系统传递的能量状态表现为运动和动力特征状态。基此定义实现运动和动力特征状态变换的功能载体为基本能量单元；提取能有效描述运动和动力特征状态的一组最少特征变量,构建基本能量单元的能量特征状态向量。其次,提出基本能量单元机架的能量特征状态为单元的初始特征状态,有效地解决了具有相对机架的基本能量单元的能量特征状态建模问题。第三,利用状态空间理论模型,建立了包含机架能量特征状态的基本能量单元非零初态的能量特征状态方程,从而实现了基本单元输入输出能量特征状态的模型描述。 本文采用单元组合方法研究机械系统运动方案设计的能量特征状态建模。论文首先研究单元组合方式及约束,明确单元组合过程即是引入约束的过程,并建立单元组合连接约束方程描述其组合过程。其次,综合基本能量单元的能量特征状态模型和单元组合连接约束模型,构建了机械系统运动方案设计的能量特征状态模型。非零初态的基本能量单元能量特征状态模型和连接约束方程构建的系统模型,不仅实现了串并联等组合方式的运动方案设计能量特征状态建模,而且便捷地实现了单元叠加式组合方式的运动方案设计建模。 本文提出了机械系统结构布局方案设计的结构特征状态建模方法。机械系统中的固定运动轴线的构件及固定支承的位置具有不变性,且在一定程度上反映了系统结构构成的空问布局。基此,论文首先提出系统结构特征状态是结构方案设计域中的一一种特殊的稳态。进而有效应用状态空间理论模型构建机械系统结构布局方案设计的结构特征方程。该方程架构了运动特征状态空问与结构特征状态空问映射的桥梁。其次,本文提出基本能量单元、构件方位特征方程、构件运动副连接约束方程的构建方法,并推导出运动副的方位特征模型。最后,基于基本能量单元组合的方法,研究系统结构布局方案设计的结构特征状态的系统化建模方法。 机械系统支承零件的静动态性能直接影响系统的总体性能。本文提出了基于功能约束和性能的复杂机械零件的结构方案构型设计方法,建立了基于能量特征状态和结构方位特征映射的零件结构构型设计模型。本方法将复杂机械零件的结构方案设计分为物理模型设计和结构模型设计。引入载荷及其位置约束、形状和尺寸等功能约束,建立零件物理模型；利用结构拓扑优化技术实现零件满足零件性能需求的概念模型设计,最终获得零件结构方案构型。 最后,通过实例验证了本文所提出的机械系统运动方案设计的能量特征状态建模方法、结构布局方案设计的结构特征状态建模方法和功能和性能的复杂零件结构方案设计建模方法的有效性和系统性。