試析機械結構優化設計的應用及趨勢

雷勃+張偉偉

[摘 ?要]機械結構優化主要是指借助計算機的前提下對機械產品性能、效率、壽命等提高，以此改變機械產品形狀、尺寸、動態性能及拓撲結構優化的過程。是發展機械行業的必然要求，也是順應信息時代發展的需求。

[關鍵詞]機械結構;優化設計;趨勢

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0121-01

機械產品應用范圍相對較廣，為確保機械產品在我國日常生活及企業從生產中得到有效應用，實施優化設計十分必要。目前我國已經針對機械結構優化設計進行了研究，并取得一定成果，主要表現在船舶行業、焊工航天以及汽車行業等[1]。機械結構的優化設計可有效提高其產品性能并增加其自身市場競爭力，對其市場發展起重要作用。

1 機械結構優化設計

隨著科學技術的發展進步，加快了機械產品更新的速度，以往在制造機械產品時主要采用大批量生產的方法進行，產品相對單一，目前在實施機械產品加工時多采用小批量加工模式，可確保產品的多樣性。為確保生產企業的利潤，在生產機械產品時需注意將其生產周期縮短，最大限度在確保至質量的前提下降低生產成本。通過實施優化設計可滿足上述目標，在一定程度上縮短生產時間并降低成本，通過效率搶占市場。機械結構優化設計目前已在船舶制造、交通工具、航空航天、冶金、紡織、建筑等多領域應用。

機械結構優化設計流程主要包括：（1）針對所優化機械產品盡心目標函數優化設計，可確保機械產品相關技術指標符合優化要求。（2）設計機械產品優化函數變量，變量設計包括機械產品長度、厚度以及弧度等相關結構參數。（3）對機械產品優化設計約束條件進行設定，對計算過程中各項變量浮動范圍進行限定。（4）通過以上步驟得出多種優化設計方案，分別對不同方案進行評價，根據機械結構優化設計需求選擇最佳方案實施。

2 機械產品優化設計應用分析

2.1 尺寸優化設計

機械產品實施優化設計過程中對尺寸數據有精準的要求。因此實施優化設計匯總需確保各零件尺寸與實際工作需求相符，若產品為多個零件組成結構，若其中一個零件尺寸存在誤差均會對零件連接效果造成極大影響，甚至加劇機械磨損導致產品報廢。因此機械產品零件越多及機械結構復雜程度越高，對各零件精細度的要求也有所提高。開展機械產品尺寸優化的前提條件機械產品拓撲關系及形狀不發生改變，通過計算機技術的應用對具體尺寸變化進行有效調整，可確保機械產品性能的增強。

2.2 形狀優化

為確保機械產品性能的全面提升，在進行優化設計時也可從機械產品形狀入手開展優化。因多數大型機械設備自身結構相對復雜，各部件形狀也具有多樣化，很難進行分析，為優化設計進展帶來一定困難。我國目前已經針對結構優化方面出現研究成果，如田方針對軸對稱機械零件開展的優化設計以及王世軍針對機器人結構的優化等。

2.3 拓撲優化

以往在實施機械結構優化設計中多側重于進行結構參數優化，未針對機械零件拓撲結構實施優化設計。隨著機械結構設計意識的提高，優化中心開始向拓撲結構優化方向轉換。拓撲設計優化主要在離散結構以及連續結構方面體現，其中離散結構優化設計主要是通過對多個關鍵點連接方式方面入手，改優化前提是確保上述關鍵點位置的確定。連續拓撲優化設計主要針對孔洞形狀、數量、分布情況、部分結構邊界開展的優化。

2.4 動態性能優化

機械產品動態性能主要指的是機械結構受外界作用下顯示出外型變化規律，包括相關運動參數等[2]。機械產品實施動態性能的優化設計可明顯反應出改產品工作強度及壽命情況。因此對機械結構動態性能開展優化設計不僅能減輕機械工作負擔還可在同等工作強度條件下對其使用壽命進行延長。

2.5 多學科結構優化設計

開展機械結構優化設計中需應用多科學角度入手，單獨使用某科學角度無法得出理想優化結果，應從多學科角度進行，確保優化設計的多學科化、總體化及系統化，確保優化設計程度符合實際需求或超出預期目標。

3 機械結構優化設計趨勢

隨著時代發展進步及行業前景變化發展處機械結構的優化設計，通過近年機械結構優化設計的開展已經從簡單化優化設計想結構系統大型化及復雜化機械發展[3]。通過產品設計變量的不斷增加，造成結構分析推到以及計算數值方面難度均有所提高，特別是進行特殊結構優化時無相應數據及公式進行應用。在針對大型機械結構進行優化設計時，需將復雜結構進行分解，逐步對各子結構分別進行優化，在優化過程中若設計多學科優化設計也可分科學進行優化。通過對計算機技術的有效利用，確保機械結構優化設計多方向發展。該技術主要代表包括模仿神經網絡和遺傳算法的人工算法，該算法適合在連續混合機離散變量全局優化中應用，可對產品準確度及應用質量進行提高。針對拓撲結構的優化設計時目前開展機械結構優化設計研究的主要方向，因實施拓撲結構優化可謂機械結構整體優化方案的設計提供科學依據，確保尋找出最佳設計方案，該方法多在大型機械優化上應用，可通過較復雜的計算實施優化，對大型機械尺寸、形狀進行優化，提高其產品性能。

4 小結

機械結構優化設計的開展可幫助提升機械產品性能及質量，為機械產業的發展提供了方向及機遇。優化設計的實施可縮短機械產品生產周期并提高機械制造行業競爭力，推動機械產品優化發展。

參考文獻

[1]張鐘文. 試析機械結構優化設計的應用及趨勢[J]. 裝備制造技術，2016，07：270-271.

[2]曾文忠. 機械產品設計的結構優化技術應用策略探究[J]. 湖南農機，2014，09：44-45.

[3]周繼瑤. 論現代機械中的結構優化設計[J]. 企業科技與發展，2013，09：19-21.

作者簡介：

雷勃，男，1988-4，陜西咸陽人，單位：陜西烽火電子股份有限公司，助理工程師;

張偉偉，男，1987-08，陜西寶雞人，單位：陜西烽火電子股份有限公司，助理工程師。