機械結構優化設計應用與趨勢研究

摘 要：機械結構的優化設計，就是在計算機技術等高科技手段的支持下，為了提升機械產品的性能、工作效率，延長機械產品的工作壽命，對機械產品的尺寸、形狀、拓撲結構和動態性能進行優化的過程。這是機械行業發展的必然要求，也是信息時代的必然要求。機械結構的優化設計，必須在保證機械產品滿足工作需要的前提下，通過科學的計算來實行。文章將簡單對機械結構優化的發展狀況進行介紹，列舉幾種機械結構的優化設計類型，并預計一下未來機械結構的優化設計的發展趨勢。

關鍵詞：機械結構；優化設計；發展趨勢

前言

機械產品的應用范圍是極其廣泛的，深刻影響著我國各行各業的發展。為了機械產品能夠在人們的生產和生活中正常發揮作用，機械結構的優化設計是十分必要的。我國在機械結構的優化設計方面，已經展開了諸多的研究，并取得了一定的研究成果。主要表現在汽車工業、焊工航天、船舶行業等幾個領域。機械結構的優化設計，不僅在提升機械產品的性能方面具有重大作用，對于機械制造業增強自身的競爭力，在未來的市場中立足也有深遠的影響。

1 機械結構優化的發展概況

科學技術的進步，加快了機械產品更新換代的步伐。以往的機械產品的制造，大多采用的是一種批量生產的方式，產品的種類極其單一。而現在，機械產品的制造更多采用的是一種小批量、多種類的生產方式。為了增強企業的競爭力，在市場上占據更大的份額，機械產品的生產要盡可能地縮短生產的周期，降低生產的成本。機械結構的優化設計就是為了這一目標而服務的。通過優化設計，機械產品的生產時間縮短了，生產成本降低了，生產效率提高了，企業可以以更快的速度搶占市場，適應激烈的市場競爭。

機械結構的優化設計出現于20世紀60年代初期。它是數學中的最優理論與工程設計學相結合的產物。這一學科根據工程設計的理論，通過數學方法在大量的設計方案中選取最好的，大大提高了機械產品的性能，降低了機械產品的生生產成本，縮短了生產周期。目前，機械結構的優化設計，已經應用于航空航天、交通工具、船舶制造、建筑、紡織、冶金等各個領域[1]。

目前，機械結構的優化設計主要按照以下的流程來進行：首先，確定優化設計的目標函數，這是為了讓機械產品的一些技術指標達到要求；然后要設計函數變量，這些變量大多是機械產品的結構參數，比如長度、厚度、弧度等；再接下來要進行約束條件的設定，限定計算過程中變量的浮動范圍；最后，會得出多種的設計方案，需要對這些設計方案進行評價，根據機械產品的生產需要確定最佳方案。

2 機械結構優化的設計類型

2.1 機械結構的尺寸優化

在機械結構的設計中，對于尺寸的要求是非常精準的。機械結構的設計，必須能夠保證零件的尺寸大小符合實際工作的要求。對于多個零件組成的機械構件，如果有一個零件的尺寸不符合要求，就會影響各個零件的連接效果，造成機械的磨損程度加劇，甚至導致機械設備報廢。某個構件的關聯零件數越多，機械結構越復雜，尺寸的精細度要求越高。機械結構的尺寸優化，前提是保持機械產品的形狀和拓撲關系不變，然后再通過計算機技術的手段調整具體尺寸的變化，使機械產品的性能得到進一步增強。

2.2 機械結構的形狀優化

想要提高機械設備的性能，也可以從機械結構的形狀入手。但是，很多大型的機械設備結構復雜，各個構件的形狀復雜，難以進行分析，給優化設計工作帶來了很大的困難。從20世紀60年代起，關于這一難題的研究開始在國內外的機械行業盛行起來，大量研究成果也紛紛涌現。在我國的結構優化方面，也有王世軍對機器人結構的優化設計、田方對軸對稱機械零件的結構優化等研究成果。

2.3 機械結構的拓撲優化

以前，機械結構的優化設計把主要精力放在優化結構參數上。對于機械零件的拓撲結構，展開的研究很少。隨著人們在機械結構的設計方面意識的提高，人們開始注意在拓撲結構方面的優化設計。拓撲結構的優化，主要體現在連續結構和離散結構兩方面。連續拓撲結構的優化設計，主要是對孔洞的個數、孔洞形狀和分布和部分結構邊界的優化；而離散結構的優化設計，則要從各個關鍵點的連接方式入手，實行的前提是這些關鍵點是位置確定的[2]。

2.4 機械結構的動態性能優化

機械產品的動態性能，就是機械結構在受到外界作用時，表現出來的外型上的變化規律，還有一些相關的運動參數。機械產品的動態性能，可以反映機械產品工作強度的大小和工作壽命的長短。所以，對機械結構的動態性能進行優化，能夠減輕機械的工作負擔，在同樣工作強度的條件下延長了機械產品的使用壽命。

2.5 多學科結構的優化

機械結構的優化設計，要從多個學科的角度入手。如果只從某個學科的角度來考慮，往往會導致優化設計的結果不夠理想。MDO理論就是一種為了更好達到優化設計的目標，提倡結構優化設計應該系統化、總體化、多學科化的新理論。這一理論的提出，必將提高機械產品的設計優化程度，已經引起了諸多專家學者的注意，并對其展開相關研究。

3 機械結構優化的發展趨勢

機械結構的優化設計，是隨著時代和行業的發展而不斷變化的。近年來，機械結構的優化設計開始趨向于結構模型的復雜化和結構系統的大型化。設計變量的增加，導致結構的分析推導和數值的計算難度增加，一些特殊的結構優化沒有相應的公式。采用大型的結構系統進行優化設計，可以將一些復雜的結構分解為各個子結構進行優化，對于一些涉及多個學科的設計優化，也可以按照學科不同來進行優化。

并行計算技術的運用，是機械結構的優化設計的另一個發展方向。這一技術的主要代表有遺傳算法和模仿神經網絡的人工算法。這種算法適用于離散與連續混合變量的全局優化，能夠提高機械產品的質量和精確度。

拓撲結構的優化設計仍然是結構優化設計的主要研究內容。拓撲結構的優化，能夠為結構方案的設計提供科學依據，可以根據產品的需要靈活選擇設計方案，一般運用在大型機械的結構設計上，需要構建大型的結構模型，進行復雜的結算。拓撲結構的優化，同時也能促進機械結構尺寸的優化和形狀的優化，提升機械產品的性能。目前這方面主要存在的問題有對于應力約束的處理、“多孔狀”材料的分布、計算模型的病態等[3]。解決這些難題，是拓撲結構優化在未來的重點工作內容。

我國對機械結構的優化設計展開的研究也涉及到了很多方面，比如廣義角度的優化設計、全性能的優化設計、模糊優化設計、可靠性的優化、光機電的一體化、人機一體化等等。這說明我國在機械優化設計的研究已經邁入了世界先進領域。在未來，我國的主要研究課題有多學科優化、結構優化的模型建立、結果分析與靈敏度分析、大規模問題的求解等。

4 結束語

機械結構的優化設計，給機械產品的質量和性能帶來了提升，給機械行業的發展帶來了機遇。通過優化設計，機械產品的生產周期大大縮短，機械產品的制造企業競爭力大大增強。我國的機械行業應當積極把握結構優化分析的發展方向，提高優化設計的技術水平，讓機械制造業發展到一個新的高度。

參考文獻

[1]楊天平，唐宏.機械結構優化設計應用與趨勢分析[J].電子制作，2013，11：189.

[2]劉世庚，張德珍，徐淑瓊.機械結構優化設計研究應用及前景展望[J].科技視界，2014，16：107.

[3]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，2014，9：44-45.