渐进结构优化

渐进结构优化（精选七篇）

渐进结构优化 篇1

双向渐进结构拓扑优化法是在传统渐进结构拓扑优化方法的基础上提出的,结构能同时删除和增补单元,即:在高应力单元周围增加单元和删除低应力单元。该方法采用类似于单元拒绝率和单元进化率的单元增加率(较大的值)和相应的单元进化率(负值),以及振荡数,以进化方式增加单元[6]。该方法中,主要用来解决一定材料要求的拓扑优化问题,但是存在多次振荡和过多迭代步的问题。为了解决这一问题,文章提出了一种新的双向进化算法。

1 机构优化的数学模型

依据结构最大应力约束要求,建立优化模型如下:

式中xi为设计变量,取0和1(0表示删除单元,1表示保留单元)。W为结构总重量,we是第e个单元的重量,σmax是最大应力,σ*是σmax预设的上限值。

本文在每一步迭代之前,将当前拓扑结构作为一个新的拓扑结构,新的拓扑结构是由保留的单元构成的当前拓扑结构。

2 性能指标公式

在拓扑优化设计过程中,设计效率是一个很重要的指标。基于无量纲概念,用von Miss应力表示的性能指标(PI)公式如下。

设计完成时,设计域的体积可相对于应力进行约束无量纲处理,则初始设计域的相关体积Vd,0′可表示为:

式中,Vd,0表示原始设计域的体积;(σvmmax)d,0表示最大von Mises应力,σ*表示应力上限。

第i次迭代得到的体积:

式中Vd,i为第i次迭代得到的体积,(σvmmax)d,i为第i次迭代得到的体积von Mises的应力。

第i次迭代的性能指标:

作为标定拓扑效率的性能指标PI随优化进程而增加,并给出删除低效材料的建议,得到更好的拓扑结构[7]。

3 双向结构拓扑优化算法

基于ESO方法,本文的双向结构拓扑优化的原理是在高应力单元周围增加单元,同时删除低应力单元。算法步骤表示如下:

(1)定义结构最大设计区域,以此作为结构设计的初始设计区域。给定初始删除率和进化率;

(2)对设计区域进行有限元分析,结构离散;

(3)指定连接支撑、载荷以及单元特性、单元特殊特性值(存在的材料单元编号为非零,不存在的材料单元编号为零);

(4)对离散的结构进行静力分析;

(5)实现增加单元和删除单元的操作:对于平面应力状态下的各向同性材料,可采用Von Mises应力准则,求出每点的应力值,单元应力σvme和最大单元应力σvmmax,如果满足:

则表示该单元处于低应力状态,每一次有限元分析后,要从结构中删除单元。式中σvme为单元的von Mises应力,RRi为当前的删除率。

如果满足下列要求的,则增加单元:

式中,IR为增加单元比例数(一般在0.3-0.5之间),JR为边界或洞穴周围最大应力单元密集程度的一个临界比例数(一般在0.8-0.9之间)。

(6)采用相同的RRi值,反复迭代,直至稳态。然后引进进化率ER,用这个增加的删除率,再一次进行有限元分析和单元删除循环,直到达到一个新的稳态。因此如果当前结构不满足式(5),则达到一个稳态。稳态数增加1,按照式(9)增加拒绝率,反复迭代;

(7)重复(5)、(6)两步,直至达到性能指标最大或带到指定的应力极限或准则极限;

应该注意,如果式(8)不成立时,表明当前结构的边界或洞穴周围许多单元具有非常接近的最大应力,即应力分布比较均匀。此时不增添单元能避免优化迭代中解的振荡出现。

4 算例分析

4.1 Michell型结构拓扑优化设计

问题描述:结构尺寸为2H×H(H=5m),弹性模量E=100GPa,泊松比v=0.3,板的厚度t=0.1m,荷载F=1000N,结构处于平面应力状态。有限元分析采用正方形单元,初始删除率和进化率分别为RR0=1%和ER=5%,结构进化过程如图3所示。

每一幅图显示某一删除率RRi下的稳态结构。当删除率增加时,则从结构中删去更多的相对低效的材料。采用本文提出的双方向渐进结构优化方法,初始删除率RR0=1%和进化率ER=0.6%。图3是删除率分别为4%、10%、15%的稳态结果,图3(a)为初始结构。由图3可以看出,拓扑优化的结构与图1中的原始的Michell桁架有很大的相似性,说明了本文所提出的方法具有可行性。图3(c)是一个局部优化解,可以通过传统的渐进结构拓扑优化方法获得。但是由于传统的渐进结构拓扑优化方法,只能删除单元,不能增加单元,所以无法获得更好的拓扑结构图3(d)。这就证明了本文提出方法与传统方法相比具有优越性。

4.2 U型板优化工程中的模型变化

问题描述:U型板上端固定,下端开口处受到水平方向1000N的张力,弹性模量E=100GPa,泊松比v=0.3,板的厚度t=0.1m,结构处于平面应力状态。有限元分析采用正方形单元,初始删除率和进化率分别为RR0=1%和ER=5%。

4.3 对拓扑结构平滑处理

问题描述:矩形平板,左侧固定,有上角受到方向向下的压力,大小为40N弹性模量E=100GPa,泊松比v=0.3,板的厚度t=0.1m,结构处于平面应力状态。有限元分析采用正方形单元,初始删除率和进化率分别为RR0=1%和ER=5%。

当然目前的双向进化结构优化方法还存在着一些问题,比如边界光滑问题。该方法得到的结构平滑性不好,边界粗糙不均匀,有明显的边缘颗粒或锯齿纹,需要适当地进行平滑处理。通过平滑处理的图5(b)结构可以为后续设计提供更为清晰的指导。

5 结论

双向渐进结构拓扑优化法克服了传统渐进结构优化方法中被删除单元在后继的迭代中不能恢复的缺点,从而使渐进结构拓扑优化方法更加完善。双向渐进结构拓扑优化法在程序上实现简单,有限元分析和结构修改(删除或增补单元)功能相互独立,且优化中避免了网格重新生成的问题,即在整个优化过程中,只采用一种有限元网格(初始设计网格),而且中间迭代过程的解都是可行解,为实际工程提供了一系列的可行解,可以根据工程需要,选择最符合要求的可行解,尤其在处理大型结构拓扑优化时,大大缩短了概念设计周期,因此用该方法的工程适用性更强。

摘要：双向渐进结构优化法(BESO)是近年来兴起的一种解决各类结构优化问题的数值方法。其原理是通过同时删除和增补单元,使剩下的结构逐渐趋于优化。文章提出了基于应力约束的渐进结构优化方法,与其它优化方法相比,该方法原理简单,计算效率高,工程应用方便,并通过算例证明该方法的有效性和可行性。

关键词：结构优化,拓扑优化,双向渐进结构优化

参考文献

[1]XieYM,StevenGP.Asimpleevolutionaryprocedureforstructural optimization[J].Computers and Structures,1993,49(5):885-896.

[2]Xie Y M,Steven G P.Optimal design of multiple load casestructure s using an evolutionary procedure[J].Engineering Computations,1994(11):295-302.

[3]Xie Y M,Steven G P.Evolutionary structural optimization for dynamic problems.Computers and Structures[J].1996,58(6):1067-1073.

[4]荣见华,姜节胜.一种基于应力的双方向结构拓扑优化算法[J].计算力学学报,2004,21(3)::322-328.

[5]Young V,Querin O M,Steven G P,et al.3D bi-directional evolutionary structural optimization(BESO)[C]//Proceedings of the Australian Conference on Structural Optimization,Sydney,1998:275-282.

[6]荣见华,等,基于人工材料的结构拓扑渐进优化设计[J].工程力学,2004,21(5):65.

循序渐进 结构致胜 篇2

【关键词】交替传译笔记 结构 技巧 评介

欧盟译员安德鲁·吉利斯（Andrew Gillies）撰写的《交替传译笔记：速成课程》（Note-taking for Consecutive Interpreting：A Short Course）是关于交替传译笔记的实践性用书，于 2005年由英国圣 · 杰罗姆公司首次出版，2009年 10月上海外语教育出版社引进出版，作为外教社翻译硕士专业 （MTI）系列教材口译实践指南从书中的一本，填补了国内口译笔记实践研究原版参考书的空白。

本书基于吉利斯做为欧盟译员的实战经验，以“结构是交传笔记的灵魂”为理念，系统地介绍了交传口译笔记的方法，旨在帮助口译学员、口译初学者循序渐进地掌握一套稳定、易学、开放、有效的交替传译笔记系统。

一、主要内容

1.基本技巧，步步为赢。第一部分由引言和技巧两个模块构成。引言部分奠定了本书的编排设计理念，即 “笔记是对演讲者话语进行的全面而准确的分析，结构乃是交传笔记的灵魂”。交传笔记是展现译员对源语话语分析的视觉表现，译员应培养宏观思维、学会辨识话语的骨架结构。但交替传译涉及复杂的认知机制，口译学员在接收阶段往往有处理超负荷的情况，常陷入“暂时失聪”的困境。而“自动化”是解决这一问题根本途径，因为笔记是一项“机械活儿”，通过大量的演练，可以实现自动化和内化。

技巧模块按交替笔记的工作机制分阶段介绍口译笔记系统。每一章节涵盖一个基本步骤或技巧，共8个单元（技巧）。第一、二、三章不涉及口译的产出环节。第一章从宏观角度阐述了话语分析对译员的重要意义，提出了“思维导图”这一概念，以帮助译员立体地组织和记忆信息。第二章是意义的辨识和划分，主要关注“记什么”这一问题。交替传译中的意义（idea）有两种用法。第一种用法指“who did what to who”，由Subject-Verb-Object 构成。因此，最重要的是要学会把握由SVO承载的的核心信息；第二种用法指概念（concepts），即词语或表达法的内在意义，而非该词或表达法本身。第三单元介绍了笔记的宏观布局：水平线用于分割不同的SVO意群单位，防止逻辑混乱；对角线布局按左上右下的布局依次记录SVO结构中的各个成份，体现句子内部的层次关系。 第四、五、六、七、八单元分别介绍了交传笔记的五大技巧。第四章关注话语中的连结（links）。对译员有用的是意义间的连结关系（包括显性连结和隐形连结），它们不同于“连结语”，也不同于用来标识这些关系的“关联词”，学会把握意义间的连接，就能获得更多的的信息，因此连结与意义同等重要。第五章介绍了体现意义的不同层级（hierarchies of values）的笔记技巧，迅速直观地辅助口译产出环节。“纵向法”（verticality）用于体现各意群中具有并列关系或具有同等价值的信息或内容，也用于对齐记录跨意群中相同的成份，避免重复记录。“移值法”（shifting values）按照笔记“左重右轻”的横向布局原则，通过左移信息突显其在话语中的特殊重要意义。“括号法”（brackets）用于记录从属信息或二级信息，以区别SVO体现的核心信息。第六章“符号”。符号应用来记录反复或频繁出现的概念，一个符号应代表一组同义词或表达方式，符号也应是有机的，即一个符号可以衍变出一系列符号。符号有助于摆脱听到的话语的外在形式，也有助于在产出环节避免原语干扰。第七章“记忆提示”主要讲解如何精减笔记内容，但少记或不记应根据个人的能力和知识背景，量力而行。第八章“记什么”是对第一部分所有章节内容的总结和概括，强调交传笔记中应记录基本信息。

2.技巧拓展，微调提高。第二部分是第一部分的拓展，尽管这一章节所介绍的方法并不是建立交传笔记系统必不可少的组成部分，但介绍了12个微调提高笔记能力的具体方法和建议，如缩略单词的原则、如何处理从句、如何辨识隐形连结等等，值得参考和借鉴。

3.范例评注，资源推介。第三部分收集整理了书中使用过的发言稿原文和配有评注的笔记范例、第一部分的练习参考、书中所用实例的相关信息以及资源推介。

二、评价与反思

1.定位明确，实用性强。做为一本实践性用书，本书一开始就区分了理论与实践，面向口译学员、口译初学者。本书新颖之处就是集各家之长，综合了交替传译笔记研究领域的观点和方法，又不乏创新。另外，本书避开了笔记认知学层面的学术争论，技巧的讲解和练习设计均基于职业译员的实践经验，关注口译学员在笔记过程中普遍遇到的问题。这种“技能的分解训练”方法能培养学员在实践中不断增强口译技能意识，掌握口译基本技能，从而更好地提高单项任务的处理能力（徐翰，2011：71）。

2.循序渐进，系统科学。循序渐进是本书编排设计的另一特色，贯穿笔记技巧训练的每一个环节，非常适合课堂教学和自学。首先，在具体引入和操练各技巧之前，作者侧重口译听辨理解过程的“辨”，强调宏观思维的重要性。其次，为解决口译初学者不能很好解决听与记的矛盾，书中的训练从文本稿件笔记训练（第一章至第四章）逐步过渡到话语笔记训练，强化过滤信息的能力。这种方法有助于口译学员在一开始就养成良好的习惯，学会边记边分析。另外，每个章节讲解一个关键技巧，按交替传译程序和过程模式逐步引入。各技巧编排的先后实际上完整地体现了交传笔记的习得机制，符合笔记训练应该分阶段、有重点地进行的特点（刘和平，2001：49）。

3.自下而上，重点突出。“结构”是本书进行编排设计的核心理念，也是这本书的一大亮点。作者首先采取自下而上的方式，从话语分析入手，指出话语结构和笔记记录的双向关系：笔记应直观复现原语信息的横向与纵向的逻辑层次和各信息点的逻辑关系，输出的译语结构应比原发言者更加清晰严谨。因此，笔记技巧的引入和介绍从宏观逐步过渡到微观，均围绕“结构是交传笔记的灵魂”这一基本理念。

三、评价与反思

笔记是交替传译过程中重要的辅助工具，能缓解口译员短时记忆的负担、激发口译员对源语信息主动分析。因此，20世纪早期交替传译发展形成一项职业的几十年里，译员的笔记技能一直是大量实证研究和口译教学研究的主题。口译笔记技能的发展与提高离不开既能激发兴趣、又利于自主训练的高质量实践教材。Machová（2012）对20名斯洛伐克口译员的笔记进行的实证研究表明，若译员关于口译笔记的文献读得越多，那么他们的笔记就会更纵向垂直、也越能在笔记实践中应用相关理论推荐的基本技巧、使用更多的笔记符号。但是，在国内口译笔记的重要性没有得到应有的重视，众多口译教材笔记内容严重缺失、口译课程中职业笔记训练严重缺席（温年芳，2008：43）。国内以交传笔记技能为主线的口译教材较少（如刘敏华，2008，吴钟明，2008；朱巧连，2009）；有些教材穿插介绍了一些笔记技能，但在内容的编排上未能遵照口译的认知规律，设计不够系统科学，因此教学重心不够突出。国外关于交传笔记比较有响力的教材和著作相对较多（如Rozan，1956； Ilg，1996；琼斯，2008），但以英语写成、系统科学、通俗易懂、适合中国读者（尤其是口译学员、口译初学者）的实践性用书较少。

本书推荐的笔记系统开放灵活，其核心理念和技巧（如自上而下、从左往右的线性布局，效率和经济原则等）不受语言差异的影响，学习者可对其进行加工和改良，逐步建立一套自成体系的笔记系统。

参考文献：

[1]Machová，L?dia.The Link Between the Amount of Known Literature on Note-Taking and the Form of Ones Own Notes in Consecutive Interpreting.[DB/OL].（2012）[2015-02-3].http：//www.academia.edu/Documents/in/Interpreter_Training.

[2]Rozan，Jean-Fran?ois.（1956）.La prise de notes en interprétation consécutive.Geneva：Georg；ed.by Andrew Gillies and Bartosz Waliczek as Note-taking in Consecutive Interpreting.Cracow：Tertium，2002.

[3]波赫哈克.口译研究概论[M].仲伟合，译.北京：外语教学与研究出版社，2010.

[4]吉利斯.交替传译笔记：速成课程[M].上海：上海外语教育出版社，2009.

渐进结构优化 篇3

关键词：机床床身,结构分析,优化设计,有限元分析

0 引言

近年来, 随着科技快速发展, 机床设计领域逐步由传统设计向现代设计过渡。目前, 国内机床结构的一般设计过程为:根据设计要求进行半经验半理论的传统设计, 完成三维CAD绘图, 然后对初步设计进行CAE分析, 进而根据分析结果进行再设计再优化;如此反复, 直至性能达到要求, 最后才进行加工制造。在进行CAE分析时, 如何根据结构的不同特点选取与之匹配的现代设计方法对其进行优化, 从而有效提升机床的性能指标, 成为近年来研究的热点[1]。

机床床身结构是机床关键的基础部件, 起着支撑工作台、立柱等关键零部件的作用。其静动态特性对机床的加工精度和效率起着至关重要的影响。床身的静动态性能集中体现在静力学性能和低阶模态特性上。因此, 以大型CAE分析软件ANSYS Workbench 13.0为平台, 用有限元的方法, 在床身结构动态特性灵敏度分析的基础上, 对用传统设计法设计的金属板料渐进成形机床进行了静力学性能分析和模态分析, 实现机床结构与动态性能优化。该方法可以推广到机床其他部位的结构优化中, 从而为机床结构的改进、机床的优化设计提供了重要的方法。

1 结构特点与受力分析

在分析及优化之前, 要搞清楚该机床床身本身的结构特点及其与外界是如何连接的, 从而得出正确的约束和受力, 进而为有限元分析前处理提供正确的前提条件。图1、图2为床身的结构示意图。

1—导轨安装面;2—左右立柱安装面;3—y向伺服进给系统安装面

1.1 结构特点

该机床装配完成后, 床身底部四个角会有4个顶尖支撑。上部有导轨安装面、左右立柱安装面、y向伺服进给系统安装面。床身内部为纵横交错的筋板结构, 筋板数量为3行×1列, 每块筋板及前后壁上都开有4个减重孔。

1.2受力分析

床身在静力状态下工作时, 除自身重力外, 导轨安装面上受到其上两根滑轨、4个滑块、工作台、升降台部件、加工工件的重力 (F1) 作用;传动丝杠安装面受到其上y向伺服进给系统重力 (F2) 作用;左右立柱安装面受到其上立柱、横梁、z向伺服进给系统、z向托板、电主轴、钻夹头、成形工具头等重力 (F3) 作用。

2 有限元模型的建立

利用ANSYS Workbench 13.0和三维软件Solid Works良好接口关系, 首先在Solid Works中, 要将模型进行一定的简化, 即忽略小的倒角、圆角和对结构性能影响不大的小尺寸[2], 然后直接导入ANSYS Workbench 13.0中, 从而完成几何模型的转换。选用Workbench中Static Structure (ANSYS) 模块进行有限元模型的进一步建立。首先定义材料属性, 在Engineering Date中定义材料属性, 该机床床身材料为灰铸铁, 密度为7 200 kg/m3, 弹性模量为1.1×105MPa, 泊松比0.28。定义完材料属性后, 在model子模块中进行网格划分。划分时, 充分利用ANSYS Workbench对大部件的自动划分功能。划分完成后, 就建立起了该床身有限元模型。机床床身模型划分单元数36 254个, 节点数59 615个, 有限元模型图如图3所示。

3 床身分析

3.1 静力分析

床身静力学性能主要是考虑在最大外载荷的情况下, 床身的变形能力, 即静刚度。

1) 施加载荷和约束

对已经建立起来的有限元模型进行前处理即施加载荷和约束。首先施加边界条件和约束, 对于床身底部4个角与顶尖结合处为圆心、半径为5的4个圆形面施加全约束。其次, 加载床身自身的重力作用。最后, 施加F1, F2, F3。床身受力和约束示意如图4所示。

2) 求解

经过正确的前处理, 加载合适有效的约束和作用力, 既可以进行求解。求解出的总变形量最大值为3.67×10-2mm、平均 (von-Mises) 应变最大值1.245 1×10-4、平均 (von-Mises) 应力最大值为13.696 MPa。

3.2 模态分析

模态是动力学性能的重要参数之一。就床身而言, 其低阶频率的高低更能反应该部件的性能。为了保证模态数据和实际工况的一致性, 进行模态计算时, 要将实际状态下约束要素施加在床身上。在ANSYS Workbench13.0平台中, 利用Modal (ANSYS) 模块及Static Structure (AN-SYS) 模块中建立起来的前处理模型, 将两者直接连接进行计算, 求解得到该机床床身的模态。前4阶模态频率见表1, 前4阶模态振型为图5, 图6, 图7, 图8所示。

3.3 分析结果

分析结果表明床身所受的最大应力13.696 MPa, 远低于床身材料灰铸铁的最大需用应力值。床身结构的一阶固有频率为151.52 Hz, 与电主轴引起的震源频率比较接近, 容易与外界发生耦合。需要提高床身结构的一阶固有频率。

一阶振型为床身的中心部位上下振动。床身中心部位的振动最大。二阶振型为中间两侧部位左右摆动。并且立柱安装面部位的前段扭动最大。三阶阵型为床身两侧立柱安装部位左右在y-z平面内摆动。4阶振型为床身两侧在x-y平面内上下摆动。由此可见床身中间部分与两侧部分的连接刚度不够。

4 床身结构的改进与分析

4.1 床身结构动态灵敏度分析[3]

床身的动态特性灵敏度指模态参数对设计变量的灵敏度, 可以用Δf/Δx来表示, 其中f为结构的固有频率, x为设计变量。以动态特性灵敏度分析为依据, 对床身进行进一步的优化设计。

4.2 床身结构筋板数目的改进设计

床身结构的改进是针对原始结构在经验类比的基础上设计的。内部筋板影响结构动刚度的重要因素[4]。为考察床身不同筋板结构对其动态性能的影响, 对其筋板结构进行改进设计。筋板结构的改变包括筋板布局形式的改变及筋板数目的改变。

床身内部筋板结构如图2所示。采取只改变床身内部筋板数目的改进方案。根据模态分析的结果, 拟定3种改进方案:1) 改变床身横向筋板的数目, 其他筋板不变;2) 改变床身横向筋板的数目, 纵向筋板数目改为2条;3) 改变床身横向筋板的数目, 去掉减重孔1 (图1中) , 其他筋板数目不变。图9, 图10, 图11为三种方案床身固有频率随着横向筋板数目增加的变化曲线。

通过图9、图10、图11可以看出随着筋板数目的增加, 床身各阶频率均有增加。这说明增加筋板的数目, 可以提高床身的动刚度。3根筋板数目到4根筋板各阶频率升高的速度最快, 超过4根筋板后频率升高的速度变慢。因此, 在保证床身有较好刚度的同时保证材料消耗最少。选取方案1、2、3中的4根筋板数目为各个方案的最优方案。

由于固有频率与质量的量纲不同, 采用相对灵敏度, 及对3种方案进行比较。通过表2, 可以看出, 结构改进方案3中质量对各阶频率的影响率最大, 同时方案3中的质量增加较少, 因此可选取方案3为最终结构改进方案继续优化。

5 床身结构的进一步改进与优化

选取方案3为结构改进方案继续进行优化, 在保证提高原有结构动态刚度的同时考虑床身质量。设床身质量与模态前4固有频率分别为m, F1, F2, F3, F4, 选取床身的前侧壁厚、后侧壁厚、左侧壁厚、右侧壁厚、顶面壁厚、底面壁厚、横向筋板厚、纵向筋板厚、左右突出部分内横向筋板厚、孔1直径、孔3直径分别为设计变量x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8, x9, x10, x11。并对变量间做关联处理a1=x1=x2=x3=x4=x5=x6, a2=x7, a3=x8, a4=x9, a5=x10, a6=x11。目标函数为F1>f1, f1为原有结构的1阶固有频率。根据实际情况, 限定各个变量的范围为:16!a1, a2, a3, a4!26, 30!a5!45, 40!a6!65。运用ANSYS Workbench优化设计功能模块, 将设计变量a1, a2, a3, a4, a5, a6通过solidworks传递给ANSYS Workbench。经优化后得床身的优化集, 选出1阶频率最高的5组作为方案3的最终设计集 (见表3) 。计算出各组的1阶频率相当于质量的相对灵敏度。可以看出第三组数据质量对1阶固有频率的影响率最高。所以选择第三组为最终优化设计方案。兼顾床身的动态性能及质量。

从表4中可以看出, 优化后的床身结构动态刚度有所增加, 并且静力分析最大变形也有所减小。

6 结论

以Solidworks为设计平台, 以ANSYS Workbench为分析优化平台, 对该机床床身进行了结构分析及优化设计。最终得出以下结论:

1) 通过对原始床身的初步分析, 发现1阶固有频率较低, 以及结构上的不足, 拟定了三种不同的改进方案, 基于床身结构动态特性灵敏度分析, 确定了最优的结构改进方案。避免了设计的盲目性。

2) 通过对床身结构参数 (包括壁厚、筋板厚、减重孔大小) 的优化设计, 进一步对床身结构进行优化, 列出1阶频率最高的优化集, 最后根据床身质量对1阶频率影响的灵敏度分析比较, 确定了最终的优化结构, 兼顾了动态特性与质量。

3) 文中的优化设计方法与步骤可以推广到机床其他部件的结构优化设计中。本文没有对床身内部筋板的布局形式进行改进设计, 直接进行筋板数目的改进设计。如有必要, 设计方法中可以加入床身布局形式的改进设计, 然后再对筋板数目进行改进设计。

参考文献

[1]张强, 尹志宏, 张明旭, 等.基于ANSYS Workbench的大型数控龙门铣镗床床身静动态特性分析 (J) .科学技术与工程.2012, 12 (1) :182-183.

[2]张明旭, 尹志宏, 刘晓东, 等.结构简化对模态结果的影响 (J) .现代制造工程, 2008, 3 (11) :118-120.

[3]杨勇, 张为民, 李鹏忠.基于动态灵敏度分析的数控机床床身结构优化设计 (J) .机械设计.2011, 28 (9) :49-52.

渐进结构优化 篇4

数控渐进成形是一项新型的快速的柔性化金属板料成形技术[1]。目前数控渐进成形技术通常采用商品化的CAM软件(如UG)中的等高铣生成压头轨迹。等高层轨迹将零件按照一定的距离等分成若干层,对不同曲率的曲面进行等高层划分时,会导致曲率较小区域加工层数较少,压头压痕明显,表面残余波峰高度较大。

为解决以上问题,需要对轨迹进行优化。本文采用UG二次开发,将等高层变为不等高层,得到优化后的轨迹。采用该轨迹加工后零件的残余波峰高度能够达到某一设定值,成形后的零件表面质量明显改善。

1 轨迹优化原理

渐进成形是由压头挤压工件,造成局部塑性变形,所以会在零件表面留下加工痕迹。相邻两条压头轨迹之间必然会有残余波峰出现,压痕处为波谷,压痕之间即为波峰。波谷、波峰之间的高度就是残余波峰高度,残余波峰的形成与压头轨迹相关。

渐进成形通常是采用UG型腔铣下ZLevel-profile生成相应的压头轨迹,ZLevel-profile操作中提供了对加工层进行编辑的功能,可以设定每一层的加工高度,所以优化轨迹的关键就是确定每一层的高度。渐进成形的两种刀轨类型如图1所示[2,3]。

残余波峰高度具体算法如图2所示,两个圆代表两相邻压头轨迹之间的压头球头,半径为R,成形角为β,Δz为两层的高度差。由几何学知识计算得:

undefined。 (1)

其中:undefined,undefined;h为残余波峰高度。根据式(1),可由某层处成形角β、最大波峰残留高度h和压头半径R求出每一层Δz,以此确定各层的高度,从而确定UG等高铣操作中层参数的设置。

2 UG CAM二次开发过程

2.1 UG CAM二次开发的流程[4,5]

首先根据所需的节点组子类型建立4种节点组:程序、刀具、几何体和加工方法。然后分别为节点组设置相关参数,主要为加工几何体和刀具设置参数。最后设置工艺参数,其主要参数与加工过程中的参数一致,包括切削速度、边界移除方法、层与层之间转移方法、边界跟踪方法等。

2.2 算法编程

对于一个零件模型,如何提取某一层上的角度信息将是实现开发的关键。根据式(1),这里采用三角网格来逼近零件模型,将某一网格的法向角度作为计算公式中的角度值,这样就将近似得到层与层之间的高度。其过程如下:

(1)首先对模型划分2D三角网格,UG中划分网格必须在structure模块中进行,需要先使用函数UF-SF-create-scenario-nx()建立scenario。该函数按照主模型的思想建立scenario场景,一些参数设置之后就可以用函数UF-SF-create-2d-mesh()划分网格。

划分网格的控制参数存储在结构体UF-SF-sfqm-mesh-data-s中。其中的主要成员属性分别设置为UF-SF-sfqm-elem-type-t elem-type=UF-SF-SFQM-TRIA3,三角形网格;double elem-size=1,网格大小为1;UF-SF-sfqm-param-data-p-t mesh-param-data-p,网格控制参数结构体指针。

具体参数属性设置如下:double edge-match-tol=0.02,当两边小于指定公差距离时为匹配边;double node-uniq-tol=0.001,当两节点小于指定距离时合并为一个;double smooth-tol=0.01,越大光顺效果越差;double on-surf-tol=0.001,节点到表面的最大距离;int trans-rows=3,过渡网格行数。

(2)得到整张曲面的网格之后,找出每个网格的3个节点坐标并用来计算网格法向。UF-SF-locate-element()函数,得到每一个网格的指针;UF-SF-locate-nodes-on- element()函数,由网格得到其上的顶点指针;UF-SF-ask-node()函数,由顶点指针得到顶点的坐标。

(3)找到模型的最高点坐标作为z0,然后根据初始的Δz1=0.1值得到下一层的初始高度值z1′=z0-Δz1,找到与z=z1′平面相交的所有网格,得到这些网格中法向z分量的β1的最小值β1min,以此β1min作为当前高度的β1,根据公式Δz1=undefined计算得到优化后的本层高度Δz1,那么z1=z0-Δz1,第一层确定。

(4)依次找到与z=zn-1-Δzn平面相交的所有网格中的最小值βnmin,按照zn=zn-1-undefined依次往下迭代得到各层的高度,其中Δzn为第n-1层和n层的高度差。

(5)判断zn与模型最低点的z坐标zlow的大小,如果zn

按照前述的加工开发流程,建立操作,建立节点组,设置工艺参数,只需要对已建立的Zlevel-profile类型的操作进行编辑,根据选择的零件计算各个层的高度,添加各个层即可。

添加高度之前需要定义层的编辑方式为用户自定义,即在给定的高度区间中以全局切削深度平均计算各个层。用户自定义的方式是由用户按照计算后的高度添加,将各层的高度值添加到切削层中去,需要用到函数UF-CUT-LEVELS-add-levels-using-z(operTag[numop-1],num-level,level-data,0,null)。其中:operTag [numop-1]表示操作指针,num-level表示加工层数,level-data是加工层的数据数组,数值是以刀轴的方向计算的(默认为加工坐标系的z轴负向)。而网格的坐标值是以绝对坐标系为基准计算的。因此需要得到加工坐标系z轴和绝对坐标系z轴的夹角,然后将绝对坐标系上的高度值映射到刀轴方向上,得到该函数中的高度值level-data。

另外,还要注意的一点是加工坐标系的具体设定方法。渐进成形时,加工坐标系原点应置于零件在加工坐标系z向上的最高点,但是在UG中一般很难选定最高点,所以编程开发此项功能很有帮助。得到部件的最高或者最低点的坐标的方法是:在极高或者极低处建立法向为z向的平面,然后使用函数UF-MODL-ask-minimum-dist()求部件与该平面最近的点,得到的点即为所求的点。

3 实验

3.1 实验方案

采用UG NX3.0生成以下两种压头轨迹:编程优化后的轨迹和等高线轨迹。

零件如图3所示,为碗形,半径50 mm,深30 mm,开口宽42.25 mm。板料为LY12M,厚度2 mm,刀具直径7 mm,优化方案设定控制参数为表面残余波峰0.012 6 mm,等高层Δz=0.441,因而两者轨迹层数都为68,优化加工时间为264 s,等高线加工时间为336 s。利用本文算法优化后的轨迹见图4(a),UG等高线轨迹见图4(b)。

对比图4(a)和图4(b)可以看出,优化后的轨迹分布均匀且底部有较紧致的轨迹。

3.2 实验结果分析

图5为等高线轨迹加工和优化轨迹加工零件表面图。

由图5可以看出:未经优化的等高线加工零件残余波峰明显不均匀,底部表面基本没加工到,压痕也显得更明显,因此质量较差,并且整个过程加工时间较长。优化后零件表面残余波峰比较均匀,从层距来看,上部层距大,底部层距小且底部加工质量较好,由于成形角度大的地方层距大导致加工时间较其他方法较少。程序中设定了残余波峰高度为12.6 μm,根据Ra和Ry的定义,这里近似undefined,则Ra=3.2 μm。将零件与Ra为3.2 μm的平铣的表面粗糙度标准样块来比照,两者也很接近,可以说优化达到了效果。

4 结论

目前商用CAM软件生成的加工轨迹不能满足加工要求,为此,本文开发了相应的模块,提出了一种通过控制压头轨迹来控制渐进成形零件表面质量的方法,利用UG二次开发编程,实现对压头轨迹的优化,该方法得到的轨迹能够保持零件表面的残余波峰不大于设定的值。在此基础上开发了适用于数控渐进成形的压头轨迹的生成模块,并进行了验证,得到了较好的效果。另外,此模块在复杂曲面成形方面还存在一定的缺陷,如加工效率过低等,这正是下一步要改进的地方。

摘要：渐进成形零件的表面质量与压头轨迹紧密相关,目前的轨迹生成软件不能有效地控制表面质量,零件无法定量满足表面质量要求。提出了一种新的通过控制压头轨迹来控制渐进成形零件表面质量的方法。利用UG二次开发编程,实现对压头轨迹的优化,该方法得到的轨迹能够保持零件残余波峰不大于设定值。

关键词：数控渐进成形,压头轨迹,UG二次开发

参考文献

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[4]黄翔,李迎光.UG应用开发教程与实例精解[M].北京:清华大学出版社,2005.

渐进结构优化 篇5

上世纪90年代,日本学者率先提出了数控渐进成形技术。该技术将数控技术的柔性优势加入到板料成形工艺中,可以实现低成本定制加工复杂形状的钣金零件[1,2,3]。

数控渐进成形技术借助“分层制造”的思想,将数控铣床上的铣刀换成成形工具头,使其在数控系统的控制下按照预定轨迹运动,将零件逐层成形。

近年来,随着对渐进成形技术研究的不断深入,人们开始探索一些辅助成形手段来提高成形质量[1-6],例如通过加热的方法来提高一些难成形材料的成形性能。Douflou等[4]提出激光加热渐进成形技术,利用激光照射产生的热量来提高TC4钛合金板料局部的成形性能。Fan等[5,6]对上述加热装置进行了改进,采用自阻电加热的方法,对TC4板料施加400A左右的电流,也达到了提高成形性能的目的。Douflou等、Fan等在研究加热对成形性能的提高时,均发现成形精度也得到了提高,材料内部的残余应力得到了明显的减小。

成形精度差是制约渐进成形技术发展的重要因素。人们一直在寻求各种提高成形精度的方法,如补偿、多道次加工等[7,8],但这些方法增加了成形的步骤,无法体现渐进成形快速性的优势。大量试验数据表明,自阻加热的方法对钢板制件精度的提高亦非常有效。但当成形速度较快时,成形工具头在向下一层移动的过程中会剧烈撞击板料,二者间产生放电现象,造成制件被电火花击穿的现象(此现象在成形钛合金板料时不会出现)。因此,在不降低成形速度的情况下避免放电现象的发生,对该技术的实施有着非常重要的意义。

1 试验设备与方案

1.1 试验设备

试验用成形设备包括数控渐进成形机和自阻加热装置(图1)。数控渐进成形机为南京航空航天大学自主研制的渐进成形专用设备。为保证加热情况下成形工具头的刚度,成形工具头材料选用YG8硬质合金,其顶端球头直径为8mm,其余部分直径为12mm。加热装置为一低压大电流输出装置,最大输出电压为15V,最大输出电流为1500A。成形时,电源正极与成形工具头连接,负极与板料夹具连接,夹具与机床间使用聚四氟乙烯板绝缘,以保证电流从成形工具头流向板料。

试验用板料为1mm厚的DC04低碳钢板,板料上均匀涂抹一层二硫化钼糊状调和物,用电吹风吹干,作为成形时的润滑物。

1.2 试验方案

1.2.1 试验模型

试验模型为一方锥台(图2),顶部截面为113mm×113mm的正方形,成形角度为60°,成形深度为50mm。

1.2.2 制件加工

对上述模型的形状和尺寸生成相应的数控代码,以控制成形工具头的运动。在加工过程中使用400A左右的电流来进行加热。试验发现,当工具头运行速度较大时(如2000mm/min),工具头在进刀位置会和制件间发生比较剧烈的放电现象,造成制件被电火花击穿的现象(图3)。

在成形过程中,当成形工具头做等高线运动时,运动较为平缓,不会与板料之间产生剧烈的撞击。但是,当工具头结束一层的加工向下一层进给时,会与板料发生较为剧烈的撞击。由于两者均为带电体,剧烈的撞击会导致放电火花的产生。因此,被击穿的部分都在制件的进刀痕附近。对此,分别使用降低成形速度和改变电流强度的方法进行试验,力求找出避免放电现象的工艺方法。具体试验参数见表1。

2 试验结果与讨论

方锥台形的渐进成形制件最突出的精度问题为侧壁的向内鼓凸。在成形过程中,成形工具头在板料局部施加了较大的压应力,造成其附近的材料向四周延展,在板料内部形成残余应力。通过加热的方法降低局部板料的强度,可以弱化残余应力对精度带来的影响[4,5]。

试验得到的5个制件中,试验3和试验4所得制件(成形速度2000mm/min)发生了破裂,且破裂位置均在进刀位置(图4)。经过对制件的测量发现,对于同一制件的不同侧壁,其鼓凸高度相差很小(小于0.1mm)。分别在5个制件上选取一个未破裂的侧壁进行精度测量,测量结果见图5。

从图中可以看出,利用自阻加热的方法可以显著提高制件的精度。但是,制件侧壁的破裂意味着成形的失败。虽然试验1和试验2选用较低的成形速度,所得制件未发生破裂,但低速成形在严重影响效率的同时,精度上并没有带来明显的提高(图5)。从图4中不难发现,破裂仅仅发生在进刀位置,其余区域均成形完好,如果能创建一种可以避免局部进刀的成形工具头运行轨迹,就可以避免猛烈撞击带来的放电现象。

3 螺旋线运动轨迹的生成

成形工具头运动轨迹优化是渐进成形的一个重要研究分支。传统的等高线轨迹无法回避的一个问题就是当工具头向下一层进给时会在制件表面形成进刀痕。而使用螺旋线轨迹可以很好地避免这一问题。但是,当前通用的CAM软件中,螺旋线运动轨迹的生成仅仅能针对一阶连续的平滑曲面,对于本试验中涉及的方锥形制件(带有尖边)则无能为力。以往针对该问题的研究选用的也都是一阶连续的曲面,如Duflou等[8]尝试用螺旋线轨迹来成形人体颅骨的修补模型,Attanasio等[9]利用螺旋线轨迹来提高平滑曲面模型的成形精度和表面质量。Skjoedt等[10]提出针对非平滑曲面的螺旋线轨迹生成方法,该方法通过对等高线轨迹上相邻两层中距离最近的节点做插值得到螺旋线轨迹的节点,避免了进刀痕的产生。但是,该方法在处理存在台阶结构的模型时会产生过切,影响成形精度。

螺旋线轨迹和等高线轨迹的区别在于成形工具头时刻在刀轴(z轴)方向向下进给。因此可以通过修改等高线轨迹的方法来得到螺旋线轨迹。主要步骤分为3步:生成等高线轨迹、计算螺旋线轨迹和设置刀具补偿。

3.1 等高线轨迹的生成

几乎所有支持数控铣削的CAM软件中都存在等高线轨迹生成功能。为了方便查询CAD模型的几何信息,可以将刀具的直径设置为0,此时生成的轨迹可以完全不考虑刀具补偿的影响,得到的NC代码中,所有的节点全部在CAD模型的表面上。

3.2 计算螺旋线轨迹

如图6所示,在等高线轨迹上存在若干节点,图中用Pji来表示等高线轨迹中第j层的第i个节点,nj表示第j层节点的个数。在每层的所有节点中,首尾两节点是重合的。

在成形过程中,当成形工具头运动到等高线轨迹的第j层时,首先经过点Pj0,然后依次通过本层各点,重新回到点Pj0后,从点Pj+10进入第j+1层。

螺旋线轨迹生成的基本思想为:成形工具头在水平方向运动的同时,在刀轴方向做适当的进给。这样,当成形工具头完成一层的运动后,在刀轴方向也下降了一个层间距的距离,如图6中的虚线轨迹所示。

用Pj＿j+1i来表示第j层与第j+1层间螺旋线轨迹上的第i个节点。其中,第一个节点可表示为

用Ljc来表示等高线轨迹中第j层的周长,用Lji来表示成形工具头从点Pj0到点Pji走过的路程,其具体计算方法如下:

为使成形工具头在刀轴方向均匀下降,可定义螺旋线轨迹上节点的z坐标zj＿j+1i为

式中,zj为等高线轨迹中第j层的z坐标;zj+1为等高线轨迹中第j+1层的z坐标。

确定好螺旋线轨迹节点的z坐标后,可根据CAD模型来进一步求解其x、y坐标。首先,作一与xy平面平行、z坐标等于zj＿j+1i的平面,并通过UG二次开发求该平面与CAD模型的交线。然后,找到交线上距离点Pji最近的点并定义为点pj＿j+1i。可见,当i=0时,Lj0=0,则zj＿j+10=zj,进而得到Pj＿j+10=Pj0,与式(1)完全相符。而当i=nj时,,则,进而得到。这表明,成形轨迹完全符合图6所示的设想。

3.3 刀具补偿

为了计算方便,以上等高线轨迹和螺旋线轨迹中所有的节点都是按照刀具尺寸为0计算的,实际成形中应当对所得代码设置刀具补偿。此步骤可以利用数控系统中自带的刀具补偿命令,也可以通过编程来计算,具体方法如下:

式中,Pt为成形工具头参考点坐标;Pc为CAD模型上点的坐标;r为成形工具头球头部分半径;nc为CAD模型上点Pc处的法矢;nt为刀轴矢量,一般取(0,0,1)。

3.4 螺旋线轨迹对比

Skjoedt等[10]所提出的方法也是根据已有的等高线轨迹生成螺旋线轨迹,具体可表述为

式中,为第j+1层中距离点Pji最近的节点。

从图7中不难发现,当模型表面存在台阶时,使用该方法得到的点Pj＿j+1i并不在模型表面上,而是位于模型表面下方,在成形时两层之间的所有轨迹都会发生过切。而本文提出的方法直接在模型表面上获得节点,仅仅是在点P0和点Pj＿j+11之间发生过切,可以很容易地使用抬刀的方法避免。

4 补充试验

按照上节中提出的方法,依据原试验中使用的等高线轨迹生成螺旋线轨迹,选用400A的电流加热制件,成形速度设为2000mm/min。图8为所得制件的效果图,从图8a中可以看出,制件侧壁没有发生击穿。由于没有进刀,制件表面质量非常均一,没有出现进刀痕,内侧效果见图8b。

对制件的侧壁形状进行测量,结果表明使用螺旋线轨迹成形不会对成形精度造成影响(图9)。可见,补充试验所得制件的精度与试验2和试验4 (电流强度均为400A)相当,相比不加热的试验5,测量精度有了较为明显的提高,从而进一步证明了该方法的可行性。

5 结论

(1)自阻加热的方法可以提高DC04钢板渐进成形制件的成形精度。对于试验用方锥形制件,该方法可以显著减小其侧壁的鼓凸高度。

(2)当成形速度过快时(2000mm/min),成形工具头运动到进刀位置时与制件发生剧烈冲击,引发放电现象的产生,进而导致制件被击穿。

(3)降低成形速度可以避免放电现象的发生,但严重影响成形效率。

(4)采用螺旋线轨迹成形,可以保证在高速成形的状态下,制件侧壁不会被击穿,同时不影响制件的成形精度。

摘要：针对DC04钢板自阻电加热渐进成形中存在的放电击穿现象,提出了一种可适用于复杂模型的螺旋线成形轨迹生成方法,成功避免了制件在成形过程中因放电现象造成的破裂。相关试验表明,使用传统等高线成形轨迹时需要通过降低成形速度的方法避免破裂,导致成形效率较低,而使用螺旋线成形轨迹可以保证在成形速度较高时避免成形工具头与制件的剧烈撞击。此外,该方法生成的轨迹同样适用于其他类型的渐进成形,可以成功消除制件表面的进刀痕。

关键词：渐进成形,自阻电加热,轨迹优化,放电现象

参考文献

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[2]莫健华,叶春生,黄树槐.金属板料数控渐进成形技术[J].航空制造技术,2002(12):21-27. Mo Jianhua,Ye Chunsheng,Huang Shuhuai.Sheet Metal CNC Incremental Forming[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2002(12):21-27.

[3]Jeswiet J,Micari F,Hirt G,et al.Asymmetric Single Point Incremental Forming of Sheet Metal[J].Annals of the CIRP,2005,54(2):623-650.

[4]Duflou J R,Callebaut B,Verbert J,et al.Laser Assisted Incremental Forming:Formability and Accuracy Improvement[J].Annals of the CIRP,2007,56 (1):273-276.

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[6]Fan Guoqiang,Sun Fengtao,Meng Xiangguo,et al. Electric Hot Incremental Forming of Ti-6Al-4V Titanium Sheet[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2010,49(9/12): 941-947.

[7]Bambach M,Araghi B T,Hirt G.Strategies to Improve the Geometric Accuracy in Asymmetric Single Point Incremental Forming[J].Production Engineering: Research and Development,2009,3:145- 156.

[8]Duflou J R,Lauwers B,Verbert J.Study on the Achievable Accuracy in Single Point Incremental Forming[M].Berlin:Springer,2007.

[9]Attanasio A,Ceretti E,Giardini C.Optimization of ??Tool Path in Two Points Incremental Forming[J]. Journal of Materials Processing Technology,2006, 177:409-412.

渐进结构优化 篇6

关键词：分布式数据库 (DDBS) ,Client/Server,并行,查询优化,多线程

数据库存储容量的增加, 应用范围的急剧扩大, 使得数据库查询、计算时间大幅度增加, 用户等待时间加长, 难以满足网站用户者的需求。分布式数据库将数据库系统和计算机网络系统有机地相结合, 有效地避免了集中式数据库的局限性, 充分发挥数据库技术和网络技术的优势。分布式数据库系统的研究开始与20世纪70年代, 80年代进入成长阶段, 随着信息的爆炸式增长, 其研究越来越深入, 国际上每年都召开专门会议对分布式数据库做出分析及预测。其中, DDBS可采用Client/Server模式, 将应用程序服务器和数据库服务器分离, 提高并行执行的效率。

1 分布式数据库概述

分布式数据库系统是在物理上分散而逻辑上集中的数据库系统, 具有物理分布性、逻辑整体性、站点自治性等特点。除此之外, 分布是数据库不同于集中性数据库, 具有数据分布透明性、集中与自治相结合的控制机制。由于具有物理上分散的特点, 适当增加数据冗余性, 以此来提高系统的可靠性是其独有的特点。另外因为计算机网络的飞速发展, 数据传输速率加快, 传输费用降低, 形成了一种新的计算环境——Client/Server体系。Client/Server体系兴起于90年代, 到现在已经成为了信息处理的计算机主流模式。

2 基于分布式数据库的渐进优化

2.1 采取Client/Server模式

分布式数据库Client/Server模式的协作式处理是一种特殊的分布式处理, 它把整个系统分成Client和Server两大主要部分, 通过网络相连接, 协同工作, 共同完成客户请求, 如图1所示。Client主要用于应用程序的处理, 面向最终用户, 从分布式数据库系统中访问数据, 负责完成大部分的应用性功能。Server又称数据库处理器, 主要用于数据管理, 进行数据计算更新等操作, 完成DBMS的核心操作。Server端集中处理数据, 不进行应用程序的操作, 大大加快了数据处理的速度。Client端只是通过简单的命令 (SQL查询、更新语句) 传送, 提高了网络传输速率, 从而提高了整个系统的传输效率。

2.2 采取多处理器并行处理方式

分布式数据库的数据库处理器 (即Server端) 需要进行大批量数据的更新、计算工作, 通过利用数据库的多处理器并行操作机制, 可以有效提高数据库的效率。针对这一性能, 做了如下实验, 这里使用windows 2003和sql server 2000作为平台, 将全校学生的评课记录作为实验对象, 利用sql server2000内部支持多cpu并行工作的机制, 在win2003的环境下, 处理117152个学生的评课记录, 对每位同学的评课结果计算。可得以下结果:使用单cpu时用时0:28:40, 双cpu时用时0:27:55, 四cpu时用时0:25:48。从上述数据可得, sql server2000内部的对多cpu分配任务的平衡机制可以对大量的数据计算进行少量优化, 但是优化的效果不明显。所以, 当对大量数据进行计算时, 对查询、计算、插入等多种操作进行分片处理, 合理调度多线程, 更能发挥多处理器的优势, 提高处理器的执行效率。针对本次试验得出结论, 在Server端上, 我们可以运用多线程技术, 加快运算效率, 优化网站性能。调度如图2所示。

2.3 选择数据查询优化方式

在分布式数据系统中, 由于Client和Server端不在同一服务器上, 需要通过网络连接, 因此进行查询优化的准则就是尽可能地降低通信费用、减少响应时间, 就是以最小的代价最短的时间获得所需要的数据。因此根据网络模型, 首先提出具体的查询处理模型, 如图3所示。局部查询一般只涉及到本地或者说是单个站点的数据, 所以查询的优化技术与集中式数据库没有太大差别。对于远程查询, 也是只涉及单个站点的数据, 所以与局部优化策略相同。因此, 采取合适的全局优化策略, 可以在最大程度上对数据查询进行优化。文献[2]中提到了多种数据查询优化算法, 基于关系代数等价变换的查询优化处理、基于半连接算法的查询优化处理、基于直接连接算法的查询优化处理、Hash划分算法等。根据网站的特征以及操作的不同种类, 选取合适的查询优化策略。查询命令经过优化处理之后, 在本地的数据库服务器上按类似于集中式数据库的方式进行查询。经过全局查询的优化, 整个系统的响应时间明显缩短, 提高了系统的整体效率。

3 分布式数据库的局限性

分布式数据库采用Client/Server模式, 根据服务的观点对功能进行了明确划分, 但是如果把应用的主要功能转移到Server上, 则又会出现像传统集中式数据库的瓶颈问题, 用户数的不断增长, 会导致速率的降低。同时, 由于Client和Server的物理上的分散性, 导致数据安全性降低, 所以需要采取更加强大加密和解密技术用以保证数据传送的安全。此外, 分布式数据库进行并行计算、采用多线程技术, 的确很大幅度上加快了运算的效率, 在一定程度上满足了客户的需求, 解决了用户量过多的问题。但同时也加大了数据访问的冲突, 如何采用更有效的封锁机制也成为了一个值得研究的课题。

4 结束语

随着网络技术的迅速发展, 用户量不断增加, 如何更高效地利用便捷的网络技术和数据库本身固有的特性, 发挥分布式数据库的最大优势, 已成为当今的一个热点研究, 受到人们越来越多的关注。分布式数据库的高效性能必然会更好地应用于中小型网站, 同时在进一步的研究后, 也会得到更多的利用, 应用于越来越广泛的领域。

参考文献

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[3]李华, 赵建平.分布式数据库数据查询的优化处理方法[J].长春理工大学学报, 2005, 25.

[4]昌月楼, 杨利.分布式数据库技术的现状和发展方向[J].计算机工程与科学, 1995 (3) .

[5]周龙骧.分布式数据库实现技术[M].北京:科学出版社, 1998.

渐进结构优化 篇7

调整成本是动态权衡理论中解释企业资本结构调整行为的核心要素。根据权衡理论, 企业实施调整时必须满足调整收益大于调整成本这一原则, 即必须通过权衡调整收益和调整成本后, 再来决定是否进行调整以及调整的幅度和大小。通常调整成本越小, 调整收益大于调整成本的可能性越大, 企业实施调整趋向目标结构的可能性也就越大 (Fischer, 1989) 。

从制度层面来研究企业调整成本的变动规律可能更符合中国企业的现实。传统上, 企业外部融资决策以价格机制为主, 并遵循效益最大化原则。但在中国这个转型经济国家中, 政府通过颁布一系列规章制度操纵着市场的资源配置。这极大限制着市场中融资渠道和可替代方式, 在此背景下, 企业融资行为会被扭曲, 资本结构决策不再完全遵循成本—效应原则。

中国经济制度的渐进性主要体现在三个方面:地区发展上的差异, 行业间的不同, 以及企业产权性质的差别。只有在研究中考虑了制度的渐进性, 才能较好地刻画出中国上市企业在调整资本结构时所面对的制度影响 (李茜、张建军, 2010) 。基于此, 本文在制度特征视角下的资本结构调整成本实证研究就具有了重要意义。

二、理论分析与研究假设

1.法律环境与资本结构调整成本。法与金融学指出, 不同国家的投资者受法律保护程度上存在着差异, 通常法律环境较好的国家, 投资者受保护程度较高。因此, 完善的法律体系, 不仅能有效限制内部人对投资者的掠夺和利益侵占行为, 而且能控制企业进行盈余管理活动的动机, 减少企业经营风险和财务风险, 投资人风险相应降低。这对于提高股价水平, 提升长期资金的比例, 获取快捷、便利、低成本的发展资金创造了机会。基于此, 提出假设:H1:法律环境较好时, 上市公司的资本结构调整成本较低。

2.资本市场与资本结构调整成本。市场的低效率不仅会提高筹资人的融资约束程度, 增加外部资金获取的难度, 而且会导致投资人控制事前逆向选择成本和事后道德风险成本的增加。这些都将导致整个筹资过程的阻力加大。即推导出假设:H2:资本市场越好, 上市公司所需的调整成本越低。

3.货币政策与资本结构调整成本。在债权市场上, 紧缩性货币政策会提高利率、抑制投资。利率的上升意味着债务压力增加。在股权市场上, 债务压力导致企业破产风险增加, 投资人因此减少股票购买, 企业的股票价格下降、股票交易数量减少。并且伴随利率的升高, 无风险收益增加, 股票市场的期望收益率也随之增加 (Leland, 1998) 。因此, 货币政策通过利率间接冲击了股票市场。但这一现象只在短期内有效, 从长期来看, 长期利率对股市的影响不大。随着货币政策的紧缩, 企业调整成本很可能增加。由此提出假设:

H3:短期利率越高, 上市公司的调整成本也就越高。

H4:长期利率与上市公司中利率敏感行业地区的调整成本无显著相关性。

4.税收政策与资本结构调整成本。传统的资本成本包括筹资和投资两部分。其中, 投资成本是投资人的期望报酬率, 如股本的股息或红利、债券的债息及银行借款的利息等;筹资成本则是公司募集和使用资金的成本, 如发行股票或债券的手续费等。调整成本仅涉及筹资成本。

然而企业借款时的利息与利率相关, 发行债券时的债息要被征收个人所得税, 与投资成本相关;发行股票的股息要被征收公司所得税和个人所得税, 所以企业股利与投资成本紧密相关。当公司决定发行股票或债券, 且又面临税率增加时, 企业的投资成本会增加。基于此, 税率的波动只会影响投资成本, 与筹资成本无关, 即与调整成本无关。由此提出假设:H5:企业的实际税率与上市公司的调整成本之间不存在相关性。

三、研究设计

(一) 样本选择与数据来源

本文的研究样本为2003~2010年深沪两市A股上市公司, 由于樊纲等的市场化指标只更新到2009年, 本文利用平均法推算出2010年的数据。按照一定标准筛选, 最终得到472家公司, 共3 776个观测值。

本文数据来自于CCER数据库, 资本市场指标来自《中国经济社会发展统计数据库》, 法律指标

来自樊纲、王小鲁和朱恒鹏等编制的《中国市场化指数——各地区市场化相对进程》。

(二) 检验模型

根据本文的研究思路, 考察制度特征对调整成本的影响, 建立如下模型:

其中, Yi, t表示资本结构调整成本。LBit表示法律环境;CMit表示资本市场;INTSit表示短期利率;INTLit表示长期利率;ETRit表示税率。

1. 因变量。

本文借鉴Faulkender (2012) 的方法, 以资金缺口衡量企业调整成本的大小。其计算公式如下:

其中:OIBDi, t表示折旧前的营业收入;Ti, t表示企业税金;Inti, t表示支付的利息;Cap Ext表示企业资本性支出;Ai, t表示资产额。

2. 自变量。

(1) 法律环境 (LB) 。本文采用樊纲等编制的《中国市场化指数——各地区市场化相对进程》作为法律环境代理变量。 (2) 资本市场 (CM) 。本文采用证券化率作为资本市场的代理变量。由于各地区股票总市值无法获得, 因此用股票流通股市值代替, 计算公式为:当年该地区股票流通股市值/当年该地区的GDP。部分缺损数据通过算术平均法手工整理。 (3) 货币政策 (INTS/INTL) 。本文选用贷款利率 (中国银行公布的长期、短期利率) 作为货币政策的代理变量, 并用算术平均法加以整理。 (4) 税收政策。本文采用实际税率 (ETR) 代替名义税率。实际税率=所得税费用/息税前利润。

3. 控制变量。

根据Cook&Tang (2010) 、Rubio&Sogorb (2011) 的研究, 本文考虑以下特征变量:公司规模 (SIZE) 、盈利能力 (PROF) 、成长性 (GROW) 和资产结构 (TANG) 作为控制变量。

四、实证研究

(一) 主要变量的描述性统计

表1是研究变量的描述性统计。从全样本公司看, 法律环境 (LB) 的平均水平是8.27。而最大值达到11.8, 最小值为0.38, 这说明企业所面对的外部法律环境差异大。资本市场 (CM) 的均值为0.42, 标准差为0.58。这说明样本公司的资本市场总体水平较低, 且不同市场间的差异较大。短期利率和长期利率分别为5.36和6.38。税率平均水平为19%, 这一数字高于13%, 说明企业实际面对较高的税率。

根据制度特征分类来看:东部地区 (9.55和0.5) 的法律环境和资本市场要优于中、西部地区 (6.29和0.28) , 但东部企业所面对的税收压力 (20%) 要大于中西部企业 (16%) 。国有企业所面对的法律环境 (8.41) 虽低于非国有企业 (8.66) , 但国有企业受到资本市场的发展助力 (0.44) 却高于非国有企业 (0.38) , 这两类企业所面对的税收政策却较为一致。第一产业所获得的相关法律保护 (8.91) 要优于其他产业 (8.47) ;而资本市场对第一产业所给予的支持 (0.24) 要明显低于其他产业 (0.43) 。此外, 与其他产业 (19%) 相比, 第一产业享受明显的税收优惠政策 (9%) 。其余变量的描述性统计结果详见表1, 这里不再赘述。

(二) 调整成本的外部影响因素回归结果

本文利用模型 (1) 对上市公司调整成本与制度因素的关系进行了实证分析。为了具体分析制度因素对调整成本的影响程度, 本文首先将各个变量单独放入模型中, 然后将所有变量放在同一模型中进行回归。

表2中第1列显示, 法律环境与调整成本在1%水平上显著正相关, 这说明外部法律环境越好, 企业的调整成本越高。H1没有得到经验证据的支持。其原因可能是:法律环境越好的地区, 企业进行资本结构调整的可能性越大, 调整频率越高, 调整成本的总额越大。

第2列显示, 资本市场与调整成本基本上负相关 (结合表3、表4和表5来看) , 但不显著。这说明资本市场越完善, 上市公司调整资本结构所需的成本就越小。H2得到验证。

第3列显示, 短期利率与调整成本在1%水平上显著正相关。这说明短期利率越高, 企业的调整成本也越高, H3得到验证。第4列显示, 长期利率与调整成本在1%水平上显著正相关。这说明长期利率的增加会导致调整成本的增加。H4没有得到经验证据的支持。其原因可能是:中国的公司债务以银行贷款为主 (唐国正、刘力, 2005) , 这使得企业在对外融资时过于依赖银行, 因此无论是长期贷款利率还是短期利率都会影响到企业资本结构的调整。

第5列显示, 实际税率与上市公司调整成本在1%水平上显著负相关。这说明实际税率越高, 上市公司的调整成本越低。H5没有得到经验证据的支持。其原因可能是:税率的变动, 使得企业具有调整资本结构的动机。通常税率越高, 企业获得的税盾收益就越大。而一般认为“顺便”进入资本市场调整资本结构所承担的成本要低于“纯粹”调整所需的成本 (Faulkender, 2008) 。因此, 税率的增加会降低企业单次调整成本。

第6列显示, 企业资本结构调整成本与制度因素的回归结果, 调整成本受制度因素影响较为明显。这一结论与Banerjee (2004) 、Oztekin&Flannery (2012) 研究结果相吻合。本文研究的现实意义得以验证。

注:***、**、*分别表示在1%、5%、10%上的显著性水平 (下同) 。

五、进一步分析与稳健性测试

下文将构建模型考察不同产权、不同地区、不同行业上市公司的调整成本在制度因素影响下所发生的变化。

(一) 检验模型

根据样本划分不同, Yi, t分别表示东部和中西部、国有和非国有、第一产业和其他产业的资本结构调整成本。

(二) 回归结果分析

表3是东部地区和中西部地区企业的调整成本回归结果。总体来看, 东部地区企业的调整成本受外部环境因素的影响程度大于中西部地区。其中: (1) 在资本市场方面, 东部地区企业的调整成本与资本市场存在负相关性。这表明东部地区上市公司可以利用资本市场来影响企业的调整成本大小, 而中西部地区则不宜采用这种方法。 (2) 在税收政策方面, 东部地区上市公司的调整成本与税率变动的关系与中西部地区相比, 其关联性更强。这可能是因为, 东部地区比中西部地区的上市公司规模大 (麦勇等, 2011) , 而大型企业对税率变动的敏感性更强。因此, 两者的相关性更明显。

表4是国有企业和非国有企业调整成本的回归结果。

总体来看, 国有企业的调整成本受外部环境因素的影响程度大于非国有企业。 (1) 与非国有企业相比, 国有企业的调整成本与资本市场无关。这与Li、Yue&Zhao (2007) 的结论相一致。进一步证明了国有企业的生存、发展状态受市场导向不强, 而更多受政府影响。 (2) 银行信贷方面, 国有上市企业受贷款利率的影响程度较高, 这与Cull&Xu (2003) 的结论相同。国有企业与政府部门保持着千丝万缕的联系, 货币政策变动会直接影响其的贷款能力。

表5是第一产业和其他产业的企业调整成本回归结果: (1) 在资本市场方面, 第一产业的上市公司调整成本与资本市场无相关性, 而其他产业两者之间负相关。这说明与第一产业相比, 其他产业在调整资本结构时, 更多受外部资本市场环境的影响。 (2) 在税率方面, 其他产业的上市公司调整成本受税率影响的程度大于第一产业。当税率变动时, 由于第一产业的融资格局较为稳定, 资本结构不会轻易改变。但其他产业不仅具有调整资本结构的动机, 同时具有调整资本结构的能力, 因此, 其他产业与税率的相关性更强。

六、结论与启示

本文基于中国制度形成的渐进性特征, 研究上市公司资本结构调整成本的变化规律。这突破了以往有关制度背景研究的视角, 对未来研究具有重要的启示。

本文研究发现:东部地区上市公司的调整成本比中西部地区受制度因素影响的程度更大;国有企业的调整成本受制度因素影响的程度大于非国有企业;第一产业上市公司资本结构调整成本大小受制度因素影响的程度大于其他产业。

由于不同产权性质、不同地区和不同行业的企业调整成本对政策的敏感性存在差异, 如何利用自身特点在外部融资中获得优势就值得思考。如上市企业对厂址的设立、融资决策方案等问题上都需要慎重考虑。同时有利于管理当局采取适当的行政政策来调解外部融资环境。

摘要：本文以深沪两市20032010年的A股上市公司作为研究样本, 实证检验制度渐进性对上市公司资本结构调整成本的影响。结果显示:东部地区上市公司的调整成本比中西部地区受制度因素影响的程度更大;国有企业的调整成本受制度因素影响的程度大于非国有企业;第一产业的企业调整成本大小受制度因素影响的程度大于其他产业。以上结论对上市企业优化融资决策具有重要的启示作用。

关键词：资本结构,调整成本,制度特征

参考文献

[1] .Cook, D.O., T.Tang.Macroeconomic Conditions and Capital Structure Adjustment Speed.Journal of Corporate Finance, 2010;16

[2] .Drobetz, W., Wanzenried, G..What determines the speed of adjustment to the target capital structure.Applied Financial Economics, 2006;16