機械優化設計綜述與展望

李朋陽 張曠齊 王子樂

摘 要：機械優化設計是一種非常重要的現代設計方法，能從眾多的設計方案中找出最佳方案，從而大大提高設計的效率和質量。現代工程裝備的復雜性使得機械優化設計變得越來越困難，利用新的科學理論探索新的優化設計方法是該研究領域的一個重要方面。綜述了優化設計這一現代設計方法在我國機械工業中的研究和應用進展。本文從機械結構優化設計的發展出發，簡述了機械結構優化設計的發展歷史，以及應用和主要關鍵技術，同時對機械結構優化設計的發展進行了展望。

機械設計是機械工程的重要組成部分，是決定機械性能最主要的因素。從工程設計基礎和目標上可將設計分為：新型設計（開發性設計）、繼承設計、變型設計（基于標準型的修改）。所謂新型設計，即應用成熟的科學技術或經過實驗證明可行的新技術，設計未曾有過的新型機械，主要包括功能設計和結構設計，是機械設計發展的方向所在，然而貫穿其中的關鍵環節即是設計的方法和實現的手段。這也大大推動了現代工程領域的技術進步和創新。優化設計就是其中發展最快的設計方法之一。最優化技術進人了蓬勃發展的時期，主要是近代科學技術和生產的迅速發展，提出了許多用經典最優化技術無法解決的最優化問題。為了取得重大的解決與軍事效果，又必將解決這些問題，這種客觀需要極大地推動了最優化的研究與應用。

1 機械優化設計的內涵

機械優化設計是一門綜合性的學科，既涉及到數學、物理學知識，又涉及到應用化學、應用力學和材料學知識，具有理論價值和應用價值，是非常有發展潛力的學科。是一種現代、科學的設計方法，集思考、繪圖、計算、實驗于一體，其結果不僅“可行”，而且“最優”。該“最優”是相對的，隨著科技的發展以及設計條件的改變，最優標準也將發生變化。優化設計反映了人們對客觀世界認識的深化，要求人們根據事物的客觀規律，在一定的物質基礎和技術條件下充分發揮人的主觀能動性，得出最優的設計方案。

傳統設計總追求最優結果，通常在調查分析基礎上，根據設計要求和實踐經驗，參考類似工程設計，通過估算、經驗類比、試驗，以及構思、評價、再構思、再評價的尋優過程來確定設計方案，再進行強度、剛度、穩定性等方面的計算。現代設計中，不但要求提高機械產品的性能和質量，而且要求縮短設計周期和降低原材料消耗和制造成本，還要求盡量少或無環境污染，提高可回收利用，具有綠色設計的理念。近年來，隨著數學規劃理論的不斷發展和工作站計算能力的不斷挖掘，機械優化設計方法和手段都有非常大的突破。且優化設計思路不斷的開闊，仿生學理論、基因遺傳學理論和人工智能優化等現代設計理論的引入，都大大促進優化設計方法的更新和完善。

2 機械優化設計應用

現代設計都是面向市場、實現功能及產品優勢的設計。創新設計、綠色設計、優化設計、可靠性設計等現代設計方法備受國內外機械設計領域的關注。而機械的優化設計與機構設計、機械傳動設計和機械強度評價共同組成了機械設計的內涵。機械優化設計是建立在近代應用數學、物理學、應用化學、應用力學和材料學和計算機程序設計之上的，是解決復雜設計問題的一種有效工具。機械優化設計是把機械設計與優化理論及方法密切結合起來去處理機械設計問題，工程實用價值大。但應該看到，現代的設計不僅僅是單一的完成給定產品的設計，而應該要將產品使用及設備維修等因素統一進行考慮。所以，機械優化設計在強調環保設計和可靠性設計等考慮綜合性因素的機械優化設計應用工作更為活躍，機械優化設計的應用領域更加廣泛。

目前，機械結構優化設計已經廣泛應用在航空航天、造船、工程機械、通用機械與機床、化工機械、汽車工業、建筑機械等行業，取得了大量的研究成果。同時機械優化設計正以微電子、信息、新材料為代表的新一代工程科學與技術的發展為基礎。所以，機械優化設計一方面極大地拓展了制造領域的深度和廣度，另一方面改變了現代制造過程的設計方法、產品結構。

3 機械優化設計展望

經過數十年的發展和應用，機械結構優化設計已經成為一種比較成熟、可靠、高效的現代設計方法之一，應用范圍和領域日益廣闊。它對提高設計質量，縮短研發周期起到非常關鍵的作用，有著廣闊的應用前景，必將成為產品設計的必要步驟和標準環節。但我們仍需關注的是，在優化技術水平得到了提高的同時，國內機械加工或工藝水平、加工手段和制造技術也應配套提升才行，否則整體機械水平將仍然停滯不前。這不僅要加工技術的引進，更重要的是加工設備的性能提升，尤其是數控機床的加工水平。加強與國際技術發達國家的合作和交流，軟硬件技術共同提升，以期達到機械設計——加工一體化的目標。

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作者簡介

李朋陽（1995-），鄭州大學 機械工程學院機械工程專業。