Введение к работе
Актуальность проблемы. Начавшаяся структурная перестройка промышленности в целом, машиностроения и приборостроения в частности, конверсия военных производств и развитие конкуренции, ставят проблемы автоматизации проектирования образцов новой техники в один ряд с важнейшими народнохозяйственными задачами. В этой связи создание систем автоматизированного оптимального проектирования (САОПР) играет особую рогь, способствуя не только сокращению сроков, но и повышению качества проектирования. Разработка САОПР связана с применением теории и методов оптимизации, математического аппарата анализа чувствительности. Последний представляет собой вывод соотно'шений для производных от основных характеристик проектируемой системы (мощность, к.п.д., статические и динамические напряжения, вибрационные характеристики и др.) по всем варьируемым параметрам, оп' сывающим пространственную геометрию конструкции, форму ее элементов. Этот математический аппарат начал применяться в развитых странах при проектировании некоторых аэрокосмических, транспортных, строительных и машиностроительных конструкций, позволяя наряду с проведением оптимизации оценивать также критичность конструкций к малым (технологическим) отклонениям параметров. Неразвитость теории и численных методов оптимизации, анализа чувствительности для реальных задач проектирования, отличающихся необходимостью использования комлл» .ссных моделей функционирования изделия, сложной пространственной геометрией конструкции, большим количеством критериев и функциональных ограничений, сдерживает создание и применение соответствующих программных средств САОПР.
Явление резонанса занимает уникальное место в теории колебаний механических систем, в исследованиях, посвященных расчету и проектированию машин и приборов, подверженных динамическим и комбинированным воздействиям. С одной стороны, эт- наиболее опасный, с точки зрения динамической прочности, и потому нежелательный для большинства машиностроительн' х конструкций режим. С другой стороны, это осгівной функциональный режим для огромного множества вибрационных машин, приборов, установок самого различного назначения.
В научной литературе резонансу уделялось особое внимание. Разработаны надежные методы расчета резонансных колебаний для широкого к/.асеа конструкций, методики экспериментальных исследований резонансных эффектов. Однако при проектировании конструкций, подвергающихся резонансным воздействиям, необходимо решать обратные задачи динамического синтеза -отыскания формы отдельных элементов и системы в целом, обеспечивающих "оптимальную отстройку" от резонанса или "оптимальное функционирование" в резонансном состоянии. Типичным и чрезвычайно распространенным классом машиностроительных конструкций, для которых необходимо предогвра-т"ть или свести к минимуму резонансные явлени». нач адии проект1 оования,-
являются* лопаточные машины. При проектировании ультразвуковых систем и других приборов и установок, реализующих вибрационные технологии, наоборот, необходимо, как правило, обеспечить предельно дбпустимое развитие резонансных колебаний.
Цель исследования - разработка .теории и численных методов оптимизации и анализа чувствительности для задач оптимального проектирования конструкций, подвергающихся резонансным воздействиям, а также использование этих результатов в практике проектирования приборов и установок вибрационной техники, лопаточных машин и роторов.
Объекты исследования - стержни, пластинки, оболочки, трехмерные объекты (при решении модельных задач); ультразвуковые медицинские приборы и инструменты; технологические резонансные установки; олементы вибротехники; турбокомпрессоры систем наддува ДВС; еонтиляторы, компрессоры, водокольцевые и другие лопаточные машины.
'Научная новизна - автором впервые изучен комплекс теоретических, вычислительных и прикладных вопросов оптимального проектирования элементов и конструкций машин и приборов, подвергающихся резонансным воздействиям, на основе математического аппарата анализа чувствительности и оптимального управления функционалами собственных форм колебаний.
Сформулирована и доказана /г, теорема и ое следствие, раскрывающие ,
смысл и структуру необходимых условий оптимальности в задачах оптимизации с функционалами, зависящими от резонирующих форм колебаний.
Исследованы особенности соотношений анализа чувствительности в ре
зонансных задачах оптимизации для континуальных и конечноалемектных мо
делей систем с разреженным и "плотным" спектром, включая случай кратного
резонанса. - *
Рассмотрены вопросы вывода соотношений анализа чувствительности
для библиотеки наиболее распространенных конечных элементов (КЭ) при ва
рьировании параметрами элемента » его положением в пространстве. Иссле
дованы проблемы - оптимизации конструкций с использованием иэопара-
метрических и специализированных КЭ в двумерной, квазитрехмерной и трех
мерной постановках. "
Разработан математический аппарат для анализа чувствительности и оптимизации1 конструкций, обладающих поворотной симметрией. ,
Предложены новые численные методы оптимизации, базирующиеся на идеях оптимизационных итераций ,тА-подпространства, а также выпуклых аппроксимаций гамильтониана (дискретный аналог принципа максимума).
Решен широкий круг новых задач оптимизации стержней, пластин и оболочек в одно-, дву- и трехмерной постановках с резонансными критериями камоствз и функциональными ограничениями. <,
Разработана схима автоматизированного оптимального проектирования резонансных приборов и установок, а таюко элементов анеріетичоских машин, подвергающихся резонансным воздействиям с использованием методов оп-
типизации и анализа чувствительности при проектировании и доводке конструкций.
Впервые решен широкий круг задач оптимального многокритериального проектирования ультразвуковых медицинских приборов, резонансных технологических установок и элементов высокочастотной вибротехники, ч.
Исследованы проблемы оптимального проектирования лопаток и рабочих копес малоразмерных турбокомпрессоров систем наддува- ДВС, вентиляторов и других лопаточных машин на базе методов оптимизации и анализа чувствительности термогазодинамических, прочностных и динамических критериев и ограничений.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Подход к динамическому синтезу, в рамках которого оптимизация конструкций при резонансных воздействиях сводится к оптимальному управлению функционалами, зависящими от собственных частот и форм колебаний.
-
Анализ особенностей условий оптимальности и соотношений анализа чувствительности для случаев простого изолированного резонанса, плотного спектра частот и форм и для случая кратного резонанса (дифференциальные и конечиоэлементныо модели).
-
Способы введения проектных переменных и соотношения анализа чувствительности для библиотеки наиболее распространенных и специализированных КЭ, включая дву- и трехмерные изопараметрические КЗ.
-
Численные методы решения нелинейной проблемы, состоящей из исходной и сопряженной систем, замкнутых условиями оптимальности для резонансных функционалов.
-
Результаты широкого круга модельных задач оптимизации и анализа чувствительности стержней, пластин, оболочек а одно-, дву- и трехмерной постановках по частотным, энергетическим, прочностным, вибрационным и другим критериям функционирования элементов при резонансных нагрузках.
-
Практические задачи оптимального проектирования гаммы ультразвуковых медицинских приборов (нейрохирургия, костная и полостная хирургия, отоларингология, офтальмология), технологических установок (для прошивки сверхтвердых и хрупких материалов, сварки), других элементов и устройств вибротехники (кварцевые резонаторы, излучатели, измерители) с учетом эксплуатационных и технологических факторов.
-
Практические задачи оптимального проектирования лопаток и рабочих колес типоразмерного ряда турбокомпрессоров систем наддува ДВС по термогазодинамическим, прочностным и динамическим критериям в рамках реальной технологии их изготовления.
-
Результаты динамических расчетов, анализа чувствительности и оптимизации рабочих колес электровентир^торов, водокольцевых машин, компрессоров ГПА, тягодуйных машин и лопастей гидротурбин.
An.j3o6autl4_EafiQIbL Содержание работы и ее основные результш ы докладывались на Международном симпозиуме "Прочность материалов и эломен-
топ конструкций при ультразвуковых частотах нагружепия" (Киев,1984); Международной конференции "Дизельные двигатели" (Варна, Болгария,19S9); Мождунаоодпой конференции по оптимизации конструкций ОРІГ93 (Испания, Сирагоса, 1993); Сессии отделения механики АН Украины (Киев,1993); Всесоюзном совещании по вибрационной технике (Тбилиси, 1978, Кутаиси,1981, Тбилиси, 1984); Всесоюзной конференции "Проблемы нелинейных колебаний механических систем"(Киев, 1978); Всесоюзных семинарах "Прочность маїари-алов и элементов конструкций при высокочастотном нагружении" (Киев, 1973, 1981, 1983 ); Всесоюзной конференции "Проблемы оптимизации и надежности в строительной механике" (Вильнюс 1979, 1983, 1988); Всесоюзных конференциях '-'Оптимальнее управление в механических системах" (Киев, 1979, Москоа, 1982, Львов, 1988); Всесоюзных конференциях по вопросам рассеянии энергии при колебаниях механических систем (Киев 1980, 1983, 1989); Всесоюзном семинаре по оптимизации динамических систем (Минск, 1980); Всесоюзном семинаре по проблемам оптимизации в машиностроении (Харьков, 1982, 1983, 1986); Всесоюзных конференциях "Конструктивная прочность двигателей." (Куйбышев, 1983, Москва, 1984, 1986, 1990); Всесоюзных конференциях "Численная оптимизация физико-механичееккх задач прочности" (Горький, 1983, 1987); Всесоюзной конференции по проблемам снижения материалоемкости силовых конструкций (Горький, 1984); Всесоюзных конференциях "Смешанные 'задачи механики деформированного тела" (Харьков, 1985, Днепропетровск, 1989); Научно-технической конференции "Вибродиагностика машин и механизмов" (Запорожье,1965); Всесоюзной конференции по статике и динамике пространственных конструкций (Киен,1Ц85); Республиканской конференции "Математические модели турбомашин в сие гемах их автоматизированного проектирования" (Харьков, 1985, Готоальд, !988); Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 198Ь); Всесоюзном научном совещании по проблемам виброизоляции машин (Москва, 1986); Всесоюзной конференции по аэроупругосщ турбомашин (Суздаль,1985, Киев,1987); Всесоюзной конференции "Оптимальное проектирование неупругих элементов конструкций" (Тарту, 1989); научно-технической конференции "Вопросы надежности и оптимизации строительных конструкций и машин" (Севастополь, 1991); Межгосударственной научной конференций "«Экстремальные задачи и их использование" (Нижний Новгород, 1992); Международном симпозиума украинских инженеров-механиков (Львов,1993); Международной научно-технической конференции MicroCAD-System'93 (Хаоъков-Мишхолыд, 1993); научных конференциях "Прочность и колебания конструкций при вибрационных и сейсмических нагрузках" (Севастополь 1991,1992 г,г.); семинаре Института проблем механики АН СССР под руководством чл.-корр. АН СССР Черноусько Ф.Л. и Ваничука Н.В.; семинаре института Машиноведения АН СССР под руководством чл.-корр. АН СССР Бабицкого В.И.; семинаре Ахустичэокого института АН СССР под руководством Макарова Л.О. и Пирогова В.А., выездном семинаре Американского общества
инженеров-мехзникоа ASME под руководством экс-президента ASME проф. Р.Розенберга. Работа докладывалась на научных семинарах кафедр "Динамика и прочность машин", "Прикладная математика", "Сопротивление материалов", "Двигатели внутреннего сгорания" ХПИ.
Связь темы диссертации с Государственными программами:
Диссертация выполнялась в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ ВУЗов СССР в области механики (1985-1990 г.г.}, Республиканской комплексной целевой научно-технической программой "Материалоемкость" {1986-1989 г.г,), является составной частью Государственных научно-технических программ "Разработка высокоэффективных турбокомпрессоров и силовых турбин для сельскохозяйственного и автомобильного машиностроения, повышение их топливной экономичности и экологической чистоты", "Интегрированные компьютерны технологии проектирования", "Эффективные технологии импульсной микросварки в приборостроении и радиоэлектронике" Государственного Комитета по науке и новым технологиям Украины, национальных программ "Ультразвук Украины" и "Украинский автомобиль" Ммнмашпрома Украины, Государственных программ Минздрава и Минмашпрома Украины по созданию образцов новой медицинской техники, программ научно-исследовательских работ Министерства образования Украины, программы обеспечения современным оборудованием нефтехимической промышленности.
Достоверность основных результатов определяется экспериментальными исследованиями и опытной эксплуатацией созданных по оптимальным проектам приборов, установок и конструкций, а также использованием в работе уточненных моделей, соответствующих мировому уровню димамичес.их расчетов конструкций, совпадением результатов, полученных различными численными и аналитическими методами.
Реализация работы заключается в подготовке рабочей документации, в постановко на производство и опытной эксплуатации ультразвуковых медицинских приборов "UM-VESTA", гаммы приборов для нейрохирургии, костной и общей хирургии, стоматологии и отоларингологи, коттгрукции которых были получены в результате решенных в диссертации задач оптимального проектирования. Названные приборы успешно прошли клинические испытания в ведущих лечебных учреждениях Украины и стран СНГ. Другие оптимальные проекты ультразвуковых систем и устройств вибротехники были переданы для конструкторской и технологической подготовки производства в отраслевые институты и конструкторские бюро. Опытную эксплуатацию в Украине, Чехии и ФРГ проходит установка для обработки хрупких и сверхтвердых материалов. Экспериментальные образцы турбокомпрессоров. ТКР 7/8, ТКР 8,5 для двигателей 4ЧН12/14 ( СМД 18...СМД 25 ), СМД ~4Н12/14 ( СМД 31 ), изготовленные по оптимальным проектам рабо tx колес турбин и компрессоров, успешно прошли государственные испытания и переданы для подготовки серийного производства. Выполнено оптимальное проектирование турбокомпрессоров
ТКР-6, ТКР-5 для СМД 210 и силовой турбины ТС-І2.5 для турбокомпаунд-ного двигатоля 6ЧН12/14. Некоторые из результатов работы легли в основу отраслевой мотодики вибрационной доводки рабочих колес.
Созданное в работе программное обеспечение оптимального проектирования, результаты расчетов и рекомендации использовались в конструкторской практике проектирования Институтов и КБ НПО: АКИН, ВНИИМП, ВНИ-ИМТ.АЗЛК,Фонон,Монолит, СМПО им. Фрунзе, ДЗТ, АКАНТИ, ХКБД, Тайфун, Турбоатом и др. Программный комплекс оптимального проектирования УЗ установок сдан в Государственный Фонд алгоритмов и программ Украины.
ОубщщашШл По теме диссертации опубликованы монография и 114
научных работ. #
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов (десяти глав) объемом 389 страниц, заключения и списка литературы, включающего 264 наименовании.
