機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用與趨勢分析

易小剛 呂文中

摘 要：機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計指的是基于計算機(jī)技術(shù)等科技水平高的支持、以強(qiáng)化機(jī)械產(chǎn)品的工作效率與性能、增加產(chǎn)品使用壽命為目的、從形狀、動態(tài)性能、尺寸以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這四方面入手優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品的過程。隨著信息時代以及機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是大勢所趨。但是必須確保的是，在優(yōu)化設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)之前，一定要確保機(jī)械產(chǎn)品迎合工作需求，采取科學(xué)、合理的計算方式實施優(yōu)化。本文首先簡要的闡述了當(dāng)前機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體發(fā)展情況，并介紹了幾類機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計類別，由此得出機(jī)械結(jié)構(gòu)后續(xù)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展態(tài)勢。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計;應(yīng)用;機(jī)械結(jié)構(gòu);發(fā)展趨勢

0 前言

目前，機(jī)械產(chǎn)品得到了大范圍的運用，對我國各個行業(yè)的發(fā)展形成了巨大的影響。為有效確保機(jī)械產(chǎn)品的作用能夠在人類生活、工作中得以正常發(fā)揮，有必要對機(jī)械結(jié)構(gòu)實施優(yōu)化設(shè)計。截至目前，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方面我國進(jìn)行了大量研究，且小有成就，其中，在焊工航天、汽車工業(yè)以及船舶行業(yè)等領(lǐng)域的表現(xiàn)最為突出。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的影響顯著，既體現(xiàn)在機(jī)械產(chǎn)品性能的改善上，又體現(xiàn)在機(jī)械制造業(yè)的競爭力的強(qiáng)化上，同時也有助于機(jī)械制造業(yè)的后續(xù)發(fā)展。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展概況

隨著科技的高速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度在不斷加快。在過去，機(jī)械產(chǎn)品的制造基本上采取批量生產(chǎn)的手段，產(chǎn)品類型相對單一化。現(xiàn)如今，其主要采取多品類、小批量生產(chǎn)的形式。為了使企業(yè)在市場上占據(jù)的份額擴(kuò)大，提升企業(yè)競爭力，機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)盡可能的減少生產(chǎn)成本與生產(chǎn)周期，而機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計恰巧能達(dá)到這個目的。依靠優(yōu)化設(shè)計的方式，既能有效減少生產(chǎn)成本與生產(chǎn)時間，又能大幅提升生產(chǎn)效率，同時企業(yè)也可加快步伐占據(jù)市場，使自身更好的應(yīng)對日趨激烈化的競爭環(huán)境。

隨著工程設(shè)計學(xué)和數(shù)學(xué)中的最優(yōu)理論的不斷延伸，上世紀(jì)六十年代初機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計誕生。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的原理是采取數(shù)學(xué)手段在諸多設(shè)計方案內(nèi)選擇最佳的，一次有效減少相關(guān)生產(chǎn)成本、提升性能、減少生產(chǎn)時間。截至目前，在船舶制造、冶金、交通工具、紡織以及航空航天等諸多領(lǐng)域，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計得到了較好的運用[1]。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計類型

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化

在設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)時，對尺寸提出了較高的要求，務(wù)必要確保零件的尺寸合乎相關(guān)規(guī)定。針對多種零件構(gòu)成的機(jī)械構(gòu)件而言，倘若其中有一個零件的尺寸不達(dá)標(biāo)，勢必會對零件的連接效果產(chǎn)生影響，使機(jī)械受損問題更加突出，更有甚者會致使機(jī)械設(shè)備喪失使用價值。某一構(gòu)件的關(guān)聯(lián)零件的數(shù)量愈多，機(jī)械結(jié)構(gòu)的繁雜程度愈高，尺寸的精細(xì)度的要求就會愈高。在優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸之前，務(wù)必要確保機(jī)械產(chǎn)品的拓?fù)潢P(guān)系與形狀不發(fā)生改變，采取計算機(jī)技術(shù)的方式對詳細(xì)的尺寸加以調(diào)節(jié)，從而改善機(jī)械產(chǎn)品的性能。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化

要想有效提升機(jī)械設(shè)備的性能，可考慮把機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀作為切入點。然而，大量大型的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的形狀均比較繁雜，很難加以深入的分析研究，致使優(yōu)化設(shè)計工作開展得極為不順暢。自上世紀(jì)六十年代開始，此問題的研究日趨增多，在此大背景下出現(xiàn)了許多研究成果。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)上方面，王世軍、田方等人也展開了相關(guān)研究，并得出了一系列成果。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

在過去，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計將大部分精力置于結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化上，很少有人研究機(jī)械零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于人類設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)的意識的逐步增強(qiáng)，人類開始將注視目光置于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計上。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)從離散結(jié)構(gòu)與連續(xù)結(jié)構(gòu)兩處入手。在優(yōu)化設(shè)計連續(xù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，應(yīng)致力于優(yōu)化孔洞形狀、數(shù)量、分布及其一些結(jié)構(gòu)的邊界。而在優(yōu)化設(shè)計離散結(jié)構(gòu)時，應(yīng)著眼于所有關(guān)鍵點的連接方式，以此為切入點[2]。

2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能優(yōu)化

機(jī)械產(chǎn)品的動態(tài)性能指的是在外界的作用下機(jī)械結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出的外型方面的變化規(guī)律及其有關(guān)運動參數(shù)。機(jī)械產(chǎn)品的動態(tài)性能基本上是通過機(jī)械產(chǎn)品的工作壽命及其工作強(qiáng)度反映出來的，因此，通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，既能有效減小機(jī)械的工作壓力，又能在工作強(qiáng)度不變的前提下有效增加機(jī)械產(chǎn)品的使用時間。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展趨勢

機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是行業(yè)與時代發(fā)展的必然結(jié)果，最近幾年以來，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計朝著結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的大型化、結(jié)構(gòu)模型的繁雜化的方向發(fā)展。隨著設(shè)計變量的逐步增多，數(shù)值的計算難度、結(jié)構(gòu)的分析推導(dǎo)難度也在不斷提高，部分特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化缺乏與之對應(yīng)的公式。選取大型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實施優(yōu)化設(shè)計，能有效的分解部分繁雜的結(jié)構(gòu)，使之變成子結(jié)構(gòu)。同時，也可結(jié)合不同的學(xué)科優(yōu)化多學(xué)科的設(shè)計。

目前，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計依舊是進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究的一大核心內(nèi)容。通過優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可為設(shè)計結(jié)構(gòu)方案創(chuàng)造憑證，也可結(jié)合產(chǎn)品的實際需求選出對其適用的設(shè)計方案，通常宜用于大型機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，但必須建立大規(guī)模的結(jié)構(gòu)模型，實施繁冗的結(jié)算。同時，優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能起到優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀與尺寸的作用，改進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品的性能。如今，在這方面還存在一些問題，最突出的有：“多孔狀”材料的布局、應(yīng)力約束的處置、計算模型的病態(tài)等[3]。在后續(xù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化工作過程中，處理上述問題將是一大重點。

我國對機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行的研究范圍較廣，牽扯面大，涉及的范圍包括全性能的優(yōu)化設(shè)計、光機(jī)電的一體化、模糊優(yōu)化設(shè)計、人機(jī)一體化、廣義角度的優(yōu)化設(shè)計、可靠性的優(yōu)化等。從這可看出，當(dāng)前在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計方面我國的研究走入了國際領(lǐng)先的領(lǐng)域。未來，我國研究的目標(biāo)將覆蓋了構(gòu)建結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型、大規(guī)模問題的求解、多學(xué)科優(yōu)化、結(jié)果分析和靈敏度分析等。

4 結(jié)束語

機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計能有效改善機(jī)械產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，為機(jī)械行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造契機(jī)。依靠優(yōu)化設(shè)計，能大幅度縮短機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、提升制造機(jī)械產(chǎn)品的相關(guān)企業(yè)的競爭力。為此，我國機(jī)械行業(yè)務(wù)必要找準(zhǔn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的發(fā)展方向，有效增強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)水準(zhǔn)，使機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展更上一層樓。

參考文獻(xiàn)：

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