試析機械結構優化設計的應用及趨勢

張鐘文

（中國船舶重工集團公司第七一五研究所，浙江 杭州310023）

試析機械結構優化設計的應用及趨勢

張鐘文

（中國船舶重工集團公司第七一五研究所，浙江 杭州310023）

現代設計中優化設計是最重要的，主要就是依據計算機為基本工具，理論基礎為數學規劃，在分析多種約束條件下來設計符合情況的最佳方案，以便于提高設計質量和效率。機械設計過程中優化設計能夠合理解決很多復雜問題，是科學設計機械結構的方式。本文主要分析了機械結構優化設計的發展趨勢，應用情況，為以后進一步研究機械結構提供參考和依據。

機械結構；優化設計；應用；趨勢

隨著不斷發展科學技術，逐漸提高市場競爭力，加快產品更新換代、增加產品復雜性。傳統單一生產方式逐漸被多品種、小批量方式取代，在這種生產模式下，需要盡可能降低成本，縮短周期，以便于提高企業占有率和競爭力。所以依據現代科學技術和設計方式來不斷滿足市場實際需求，縮短設計周期以及提高設計質量。

1　機械優化設計發展現狀

隨著不斷發展科學技術和社會經濟，越來越迅速的更新換代產品，多品種、小批量生產方式逐漸取代傳統大批量單一生產模式。為了能夠有效增加市場占有率和競爭率，依據降低成本和縮短周期來體現小批量生產［1］。所以，從機械設計方面來說，優化設計屬于科學的一種設計形式，依據優化設計方式能夠迅速搶占市場，滿足市場實際發展需求，從而縮短設計周期和提高機械設計質量，保證能夠整體提高生產率。上世紀六十年代的時候，優化設計屬于新興學科，是有機結合工程設計和優化理論的一種設計方式，在眾多方案中發現最適合的機械設計方案，保證有效提高設計質量和效率。現階段，已經在冶金、建筑、紡織、機械、交通、航空航天等方面大量應用優化設計，并且具備一定社會效益和經濟效益。二十一世紀以后開始更加重視優化設計技術，需要相關人員充分了解和掌握這種技術。

2　結構優化設計的類型

2.1優化機械結構拓撲

一般情況下傳統的機械優化設計基本上都是設計以及優化結構參數，但是不注重機械零件拓撲結構。隨著不斷提高設計和優化機械產品的意識，逐漸應用機械產品設計理念，人們更加嚴格規范優化結構的需求，也越來越多的優化設計結構拓撲［2］。

2.2優化機械結構形狀

為了能夠合理增加機械的性能，一般都需要優化設計機械零件結構，但是經常會形成很多設計難題，如，連續體形狀復雜、結構多、分析結構困難等，因此，優化結構是可行的。上世紀八十年代，機械行業開始研究優化結構形狀，并且國外也綜述分析優化結構形狀。國內優化設計機器人結構形狀、優化設計軸對稱機械零件形狀、優化設計機械人重要結構形狀。在分析提高機械零件性能的過程中，優化機械結構形狀就變得十分重要。圖1所示。

圖1　優化設軸對稱結構形狀

2.3優化設計機械系統結構動態

機械產品動態性能會嚴重影響設計的壽命和強度，實現優化設計結構的基礎就是優化設計機械結構動態性能。分析結構動態性能屬于復雜過程，特別是對于一些大型結構來說，但是分析動態結構的時候會具備一定價值，以便于全面收集相關材料，影響產品后期應用效果。

2.4優化設計多科學結構

優化設計機械結構的時候如果僅僅只是分析一方面影響往往會導致出現不符合預期的優化結果，因此為了具備更好的優化設計目標，需要總體性、系統性發展優化設計結構。MDO理論是新興的優化結構理論，不少專家都開始研究上述理論，為以后進一步研究機械結構提供基礎和保障，以便于全面提高優化產品的程度。

3　機械結構優化設計發展趨勢

機械結構優化設計能夠為機械設計提供更高的經濟效益。近年來隨著不斷發展和應用有限元分析法，逐漸普及和改變計算機應用條件和結構，相關學者和專家更加重視機械結構的優化設計。不管是國外還是國內，都是在不斷嘗試優化設計這種現代技術。隨著不斷加劇市場競爭和更新產品，優化設計機械結構具備很大優勢。可以從以下方面分析優化設計。第一，優化設計機械結構的過程中需要分析以下問題，不能用數學方式描述的、能用數學方式描述的、介于知識描述和經驗描述之間的方式。求解能力實際上就是具備對設計模型求解的能力。如優化設計隨機變量，在充分分析實際情況以后難免會出現隨機因素，以至于需要優化設計隨機變量。優化設計隨機變量的根本實際上就是對隨機變量進行確定，然后建立隨機目標函數，最后合理求解隨機模型。優化設計模糊變量，優化設計過程中合理分析模糊現象。優化設計非光滑問題，工程項目設計中會出現很多非光滑現象，如不可微的目標函數和一些約束函數相比較經典優化方式來說，不可微優化求解是比較困難的，可以把優化設計非光滑問題分為一般非光滑設計優化和特殊優化設計兩方面。設計后處理能力實際上就會能夠評估設計決策和結果處理能力，能夠全部完成設計方案、輸出圖形等相關任務。第二，多學科共同進行結構優化設計，實際上就是集成尋優搜索、算法、管理數據、數據分析等的一種耦合子系統、相互左右的優化系統結構的技術。

4　結束語

綜上，隨著不斷發展科學技術和社會經濟，優化設計已經逐漸成為現代設計的重要構成部分，機械結構優化設計作為新興第一種設計形式，能夠為機械結構設計提供良好空間和競爭力，以便于能夠全面保障優化設計的質量和優勢，為進一步研究提供參考。

［1］劉憲訪，林密葉.機械結構優化設計與應用趨勢研究［J］.卷宗，2013，（6）：185，183.

［2］孫曉玲.機械結構優化設計應用與趨勢研究［J］.環球人文地理，2015，（2）：186-186.

Wkche Machinery Application and Trend of Structure Optimization Design

ZHANG Zhong-wen
（China Shipbuilding Industry Corp No.Seven one five Research Institute，Hangzhou Zhenjiang 310023，China）

Modern design optimization design is the most important and works mainly on the basis of the computer，the theoretical basis for planning，in the analysis of multiple constraints down design with the best solution，in order to improve the design quality and efficiency.In the process of mechanical design，the optimal design can solve many complex problems，and it is a scientific design of mechanical structure.This paper mainly analyzes the development trend of the optimization design of the mechanical structure，the application of the situation，to provide reference and basis for further study of the mechanical structure.

mechanical；structure；optimization；design application trend

TH122

A

1672-545X（2016）07-0270-02

2016-04-25

張鐘文（1990-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：結構優化設計。