機械結構優化設計的應用及趨勢探究

范會祥

青島石化檢修安裝工程有限責任公司 山東青島 266000

現階段，科學技術不斷發展，創新設計已經深入到社會中的各個領域，在機械結構設計中也摒棄了傳統的設計方式。在機械結構設計的發展進程中，經歷了從簡到繁、從粗糙到精密的改革，當陳舊的構件在新環境中實驗失敗時，激勵了人們對機械結構創新設計的欲望[1]。

1 機械結構設計的基本要求

1.1 功能性

主體功能需求是機械產品設計的首要要求，產品實現其機械功能的根本條件就是通過結構的拼接與零件的聯結，實現產品原型整體實現機械工作原理，踐行安全可靠的機械工藝標準。在初步的產品結構設計中，應當將機械產品的功能需求作為設計實施的基本框架，在此基礎上對產品的材料、選配與組裝進行進一步的設計。

1.2 質效性

產品質量與效能價格比是機械產品結構設計中要著重考慮的影響因素，也是現代工程設計對于機械結構運行所提出的基本要求。產品結構的設計成本、美觀因素、安全環保等綜合效能考量，為機械產品的質量與效能提升提供了可行性方案[2-3]。

1.3 創新性

在當前的現代工業生產條件下，機械產品結構的一成不變會成為行業發展的嚴重阻礙。新型技術條件的支撐與創新設計理念的推行，為機械產品結構的創新提供了重要契機。在機械結構設計中，如何通過工藝與材料的綜合應用實現結構優化，體現創新性設計思維，是現代機械設計的要點。

2 機械結構優化設計

2.1 結構形狀優化

優化機械結構設計的目的是提升機械性能，提升產品生產效率。在優化設計應用過程中，需對零件結構進行科學優化，但與此同時，會衍生而來很多相關的設計問題，例如：結構形狀較為復雜、結構種類較多、對結構分析較為困難等。由此可見，優化結構十分必要。在上世紀末，我國機械領域緊隨國際步伐，對結構形狀的優化設計進行研究。主要是對軸對稱零件形狀優化設計、機械人結構形狀優化設計等，通過對零件性能的分析研究，可以合理優化結構形狀。

2.2 材料變元

在機械結構設計過程中，不同的材料的性能各不相同。往往要考慮材料的硬度、表面處理方式、加工性能、價格、原材料、耐磨性、熔點、耐腐蝕性及其他眾多物理、化學性能。往往會針對不同的客戶需求，因交期、價格、性能等因素，需要對機械結構改進、創新，而材料變元法往往是優化的主要方法之一。隨著我國工業的發展，常見金屬和非金屬材料的普及化，更多的應用場合可以有多種材料相互替代。通過對各種金屬材料和非金屬材料的特性對比與分析，選取合適的材料達到創新的結構設計[4]。

2.3 位置元素的設計應用

在機械構件的組成當中，往往具有多種多樣的元器件，并且各個元器件之間有不同的聯系與作用，所處的位置與功能也各有差異。位置變元在變元法中的應用也十分普遍，簡單來說，在機械構造中對原件進行空間位置上的移動與調試，來找到構件設計的最佳位置。例如，在元器件焊接的過程中，可將焊接位置設置在機械的對稱軸處，有效防止機械構件產生變形，影響整體部件的協調性美觀性，同時實現了將有限資源合理利用的目標。此外，在變元設計的過程中，還需應用科學的加工工藝。例如，在模具的設計當中，采用特殊工藝來提升斜頂的設計質量，使材料的剛度更強。

2.4 數量元素的設計應用

機械創新設計中的數量變元，需要結合相關行業的具體使用需求來適當改變機械結構內部的數量。基于變元法的設計理念，機械構件原理包括工作面與加工面，在結構原理中包含了個體元素與整體元素。調整相關元素，將會產生新的產品。例如，在直線設計中，注重產品的實用性與簡單性。在進行螺絲設計時，需要考慮穩定性，通過增加彈簧墊的方法可以起到緩沖作用。通過對數量元素的整合，可以有效增加機械安裝的便捷性。在不影響機械構件使用性能的基礎上，降低零件的使用量，積極開發一體化螺絲的應用，可以減少工作內容，提升工作效率。

3 機械結構優化設計趨勢

首先，在對機械結構優化設計過程中需對多個問題進行深入思考和分析，如：可以或者不可以用數學方式表示的問題、處于經驗和知識描述之間的問題等，針對模型設計對問題進行求解，對機械隨機變量進行優化設計，分析機械實際的情況，研究其隨機因素，優化設計這些變量，從而提升機械性能。隨機變量設計優化主要是通過確定變量，建立隨機的目標函數，結合模型設計，求出最合理的解。對模糊變量進行合理分析和優化設計，加強系統優化全面性。通過優化設計系統設計決策能力以及處理能力都會有所提升，從而快速完成圖形輸出以及方案設計等任務；其次，通過多學科結構優化設計，探索集成尋優以及數據管理分析等，形成禍合子系統，從而使機械結構系統能夠互相左右[5]。

4 結語

機械結構設計在機械產品的生產中具有關鍵性作用，零部件結構的完整與實際效能的提高對于工業生產的效率有著至關重要的影響。只有充分理解和靈活運用機械產品結構設計中的各項關鍵技術，推行創新設計理念，才能夠實現最佳設計方案，保障機械生產效率與經濟效益。