機械結構優化設計應用與趨勢研究

張榮寶

（廈門海葒興儀器股份有限公司，福建廈門 361021）

0 引言

隨著科學技術的快速發展，機械產品更新換代的節奏在不斷加快，產品的復雜性逐漸上升，生產模式已經從單一品種的大批量生產轉化為多品種的小批量生產。在這樣的市場環境下，機械制造企業想要生存和發展，必須縮短產品的生產周期，并且降低其生產成本，只有這樣才能在日益激烈的市場競爭中搶占市場份額。因此，企業需要應用優化設計方法，提高產品的設計質量，縮短其設計周期。

優化設計是現代設計方法中的重要一種，是一種基于數學規劃理論，通過計算機輔助，在對多種設計約束條件進行充分考慮的基礎上，對設計進行優化、確定最佳的設計方案，從而獲取最優的技術手段效果的方法。在機械產品的設計中應用優化設計，能夠為復雜的設計提供解決方案，在眾多設計方案中確定最佳設計方案，從而有效提高設計的質量和效果，在提高機械產品質量的同時縮短機械產品的設計周期，提高機械制造企業的競爭力。

1 機械結構優化的發展概況

隨著科學的快速發展，機械產品更新換代的速度越來越快，傳統的、大批量單品種的生產模式已經不能夠滿足市場的需求，當前機械產品的制造以小批量、多種類的方式為主。因此企業為了提高競爭力，搶占市場，需要盡可能地縮短機械產品的生產周期，降低生產成本。而通過應用機械優化設計，就能夠有效地縮短機械產品設計時間，從而縮短機械產品的生產周期，降低企業的成產成本，從而使企業可以更快速地搶占市場，在激烈的市場競爭中占據有利地位。

機械結構優化設計最早是在20 世紀60 年代初出現的，它結合數學最優理論以及工程設計學，根據工程設計學的理論，使用數學方法在眾多設計方案中挑選出最佳的一個，從而在提高機械產品性能的同時，降低生產成本，并且有效縮短生產周期。當前，機械結構設計優化已經得到了非常廣泛的應用，在航空航天、船舶制造、冶金、交通工具制造等眾多領域，都起著重要作用。

當前，國內企業在應用機械結構優化設計時，主要按照以下步驟進行。

（1）確定優化設計的目標函數。在開始進行機械結構的優化設計之前，要先進行優化設計的目標函數的確定工作，這一過程的目的是最大限度地滿足機械產品的技術指標要求。

（2）設計函數變量。在目標函數確定之后，需要設計函數變量，通過其來確定機械產品的參數變量值，這一變量主要包括產品的弧度、長度、厚度等。

（3）機械優化設計的優化條件設定。對計算過程中變量的浮動范圍進行限定。

（4）方案評價。在機械產品的優化設計中，會設計出多種設計方案，通過對這些方案進行評價，從中確定出最佳的方案應用于實際的生產活動。

2 機械結構優化設計應用

2.1 結構設計拓撲優化

在傳統的機械產品設計制造活動中，設計人員在進行機械結構的優化設計工作時，往往會重點進行機械結構的優化，而很少對機械零部件上的拓撲結構進行優化。隨著我國機械制造業的快速發展、技術水平不斷提高，機械設計人員越來越重視機械零部件的拓撲結構優化設計。在進行機械零件的拓撲結構優化設計時，需要重點關注兩方面問題，分別是連續結構優化設計和離散優化設計：前者主要是對機械零件的孔洞數量、形狀、分布范圍以及結構邊界的有效優化；而后者則主要關注不同關鍵連接點的優化設計，在這項工作中需要提前確定不同設計位置的關鍵點。

2.2 結構設計形狀優化

機械產品的性能和其形狀有著密切的關系，因此通過優化機械結構的形狀，能夠有效提高機械設備的性能。機械結構的形狀優化具有一定的難度，尤其是大型的機械設備，這些設備在制造業和工業中都有重要的應用，這類設備的內部結構非常的復雜，不同構架的形狀也有很大的差異性，很難對其進行統一性地劃分，這就導致了給針對其的優化設計工作造成了很大的難度。機械結構形狀優化在國內機械制造業的興起要追溯到20 世紀80 年代，經過幾十年的發展，國內針對機械結構形狀優化的研究工作取得了很多成果。王世軍對機器人結構進行了形狀優化設計，孫玉燕對裝校機器人關鍵件的結構進行了形狀優化設計，通過結構形狀優化設計，有效地提高了機械零部件的性能，最終提高了產品的質量。

2.3 多科學結構的優化設計

設計人員在進行機械結構的優化設計時，為了達到優化的目的，提高機械產品的生產效率，就不能僅僅考慮一個性能或者學科，而是要針對多學科結構進行綜合性的分析，從而從總體上、系統性地進行機械結構設計優化工作，提高機械結構優化的質量和水平。如果僅從一個性能或學科方面開展優化設計，優化結果很難和預期設計思想達到一致，導致預期的優化目標難以實現。

隨著科學的發展，現在出現了一個新的結構優化設計理論，即MDO（Multidisciplinary Design Optimization，多學科設計優化）理論，很多專家學者對這一理論進行了大量的研究，通過應用MDO 理論進行機械設計的優化分析，能夠通過完整的理論對所開展的機械結構優化設計提供理論保障，從而能夠使機械結構優化效果更加靠近預期的優化目標，提高產品的優化效果，最終提高產品的質量。

2.4 機械結構尺寸優化

在進行機械產品的結構設計時，尺寸對于產品的質量和性能有著非常大的影響，因此尺寸設計在機械結構設計中是非常重要的，必須確保零部件的大小能夠滿足實際要求。尤其是對于由多個零件組成的機械構件，零件的尺寸設計就更加重要。如果存在一個零部件的尺寸優化效果不佳，導致其尺寸不符合要求，那么會對各個零部件的連接效果造成非常大的影響，輕則造成機械磨損加劇、降低使用壽命，重則會直接導致機械設備的報廢。也就是說，一個零件所關聯到的其他零件數量越多，對其精度的要求也越高，在對其進行尺寸優化時要更加注意。此外，在對機械結構尺寸進行優化時還需要注意，尺寸的優化設計工作必須是在保證機械產品形狀與拓撲之間的關系不變的基礎之上開展的，在這一前提下再應用計算機技術對尺寸進行優化，提高其精確度，從而更好地保證機械產品的性能。

2.5 機械結構設計動態性能優化

所謂的機械產品的動態性能，就是機械結構在受到外力作用時，所產生的一系列外形變化規律，以及相關的運動參數。機械產品的動態性能能夠反映其能夠承受的工作強度以及使用壽命等。因此為了提高產品的質量，使其在同樣的工作強度下能夠有更長的使用壽命，就需要進行機械結構動態性能的優化設計，通過這樣的方式對機械結構進行優化，降低其工作負擔，進而提高其所能承受的最大工作強度，并且有效地提高其使用壽命。

3 機械結構優化設計發展趨勢

機械結構統優化設計的應用，能夠給機械制造業帶來良好的經濟效益，而且技術的進步也在不斷提高機械結構優化設計的水平，有限元研究的進展以及計算機技術的不斷發展，為機械結構優化設計提供了良好的技術支持，在這一背景下人們對機械結構優化設計的研究熱情比較高。總體而言，當前國內外機械制造行業對機械結構優化設計的需求都在快速增長，而且隨著設計技術的更新，以及產品競爭的加劇，機械結構設計優化還會有更大的應用空間。從當前的情況來看，機械結構優化會向以下兩方面發展。

3.1 設計能力的發展方向

（1）建模能力。為了提高機械結構優化設計的水平，提高建模能力，一些是能夠使用數學方法進行描述的，而有一些則只能夠憑借經驗來知識進行描述，不能使用數學方法進行描述，另外就是介于兩者之間的一類。通過提升建模能力，能夠提升機械結構優化設計水平。

（2）求解能力。求解能力，顧名思義是解決各類設計模型的能力。在機械結構優化中，需要進行變量的優化設計。在實際的機械結構設計工作中，對于隨機變量的優化設計時，需要考慮一些隨機性因素對機械結構設計的影響，這樣才能夠做好隨機變量的優化工作。在具體的隨機變量優化工作中，首先需要確定隨機設計變量，然后基于其建立隨機性的目標函數，最終通過求解建立的隨機模型來獲得最優解。除了隨機變量的優化設計之外，機械結構優化設計中還包含模糊變量優化設計，從而有效地對設計領域中存在的模糊現象進行優化。還有非光滑問題的優化設計。在進行機械設計時，需要涉及到很多的非光滑問題，比如所建立的目標函數是不可微的，有時候約束函數也是不可微的。在經典的方法中，要求函數是連續并且可微的，而且還需要滿足較強的正規性條件，而不可微的函數并不是經典方法可以解決的。在對非光滑問題進行優化設計的過程中，非光滑問題的優化算法主要有兩類，分別是特殊問題設計的算法和和一般非光滑優化算法。

（3）設計后處理能力。設計后處理能力是指對優化設計的結果進行評估的能力，涉及到從方案設計到圖形輸出的全部設計活動。

3.2 多學科協同優化設計

多學科系統優化設計是只用過將算法、尋優搜索策略和數據分析及管理等進行集成，通過這一方式來實現構建相互左右或耦合的子系統組成的系統，實現協同優化設計。它又包括以下兩部分內容。

（1）分解與分析。分解和分析是針對系統進行的，分析系統可以分解成一些子系統，并且探討子系統的變量、設計函數的構成，然后是對子系統的求解次序、耦合程度以及相互之間的輸出與輸入的靈敏度等。

（2）綜合與協調。在機械結構優化工作中，需要根據各子系統的之間的各種關系和計算情況等，對整個系統的求解進度進行調控，從而對機械結構進行分優化。

4 結論

隨著社會的發展，人們對機械產品要求越來越高，機械產品更新換代的速度也不斷加快，市場競爭日趨激烈。在這樣的條件下，機械制造企業需要不斷提高機械產品的質量，縮短生產周期，降低生產成本。機械結構優化設計的發展，為企業提供了有效的解決方案，因此機械制造企業應積極開展機械結構優化設計的研究，提高優化設計的技術水平，從而提升自身競爭力，促進我國機械制造業的發展。