機械結構優化設計的應用與趨勢

董 雪，王 剛

（渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

機械結構優化設計是為了更好地提升產品性能，有效提升生產效率，結合計算機技術的優勢，對產品的尺寸、形狀等進行優化設計。在當今的時代背景下，這是機械行業獲得長遠發展的必然要求，也是技術不斷發展的背景下，對機械行業提出的新要求。

1 現狀分析

在經濟科技不斷快速發展的背景之下，各種產品的更新換代速度大大加快，機械生產的規模相應擴大，傳統的小規模的生產方式已經很難滿足現代化社會的發展需求。為了更好地提升機械產品的生產數量，擴大市場的份額，在激烈的國際市場競爭中取得一定的優勢，相關人員不斷調整產品結構的優化設計，保障機械產品的生產性能提升，延長了產業鏈，提高了產品的生產效率和使用效率，使得相關的機械產品更具市場競爭力。

我國的機械結構優化設計開始于1960 年代，當時“優化設計”還是相對前衛的理念。在進行不斷發展的過程中，通過科學合理的優化設計方案，有效提升了產品的生產效率和質量，為今后的發展提供啟示。當前階段，我國的機械結構優化設計已經被逐步地應用到了建筑、冶金、航空航天等多個產業中，有效促進了中國經濟的增長，并為我國未來機械結構的優化設計提供了一定的借鑒經驗。

產品結構優化設計是在市場競爭不斷加大的背景下，出現的一種新式的生產模式。為了更好地擴大市場份額，縮短產品的生產周期，有效降低生產成本，相關人員對產品的機械結構優化設計進行了相應調整。在最初的發展過程中，主要運用數學中的最優理論和工程設計學，進行了學科的結合。從數學的角度出發，選則眾多方案中最好的，有效達到提升機械產品性能的目的，降低機械產品的生產成本并縮短周期。在具體的應用過程中，主要包括了3 方面的內容：①確定科學合理的目標函數，即在設計的過程中，需要確定一定的函數為工作的設計開展提供保障，達到相應的技術指標；②調整變量，即在進行產品設計的過程中，根據實際的需求調整結構、長度、厚度、弧度等變量，在前期的設計過程中，也需要明確規定出變量的浮動范圍；③評價方案，完成了相關的設計工作之后，需要對設計方案進行評價，確定出最終的生產方案。

2 機械結構優化設計的具體類型

2.1 尺寸優化

科學技術的迅速發展，提升了各個機械產品的生產性能，對機械生產的質量也提出了更高要求。在今后的機械機構設計過程中，必須要充分考慮產品設計的尺寸對其所產生的影響。在傳統的機械產品設計的過程中，主要通過零部件組合的方式完成產品設計。如果其中的某個部件不符合生產規格，或者其尺寸不能夠有效地達到相關要求的狀況，將會影響整個產品的性能。機械產品在長期運行過程中會加劇磨損，在現階段的機械生產中，許多機械產品的尺寸精準度較高，為了更好地保障尺寸能夠達到相關要求，需要充分結合計算機技術的優勢，明確產品的零部件尺寸，將相關的數據記錄在檔案中，為后期工作的順利開展奠定良好的基礎。

2.2 形狀優化

在進行機械結構優化的過程中，需要充分考慮到形狀方面產生的影響。當前市場中的很多機械設備的功能強大，內部結構較為復雜，在眾多的零件中，其形狀和性能存在著較大差異，無法對其進行有效管理和準確分析，對開展優化工作產生了一系列的影響。自1960 年代以來，國內外的從業者便對此給予了足夠重視，不斷進行研究，出現了眾多的科技成果，我國的研究工作也取得了較為突出的優勢。

2.3 多學科結構優化

多學科結構的優化是近年來的重點研究方向，得益于信息化快速發展的背景，多種學科之間的交流和互動明顯增強。如果仍以某種單一的學科進行產品設計，很容易會導致產品結構的優化設計難以滿足既定目標。在今后的機械機構優化設計的工作中，需要充分考慮多學科結構的影響，將數學、物理學等相關學科的特點及優勢進行有效結合，更好地提升機械結構優化的設計效果，進一步推動機械制造行業的快速發展。

2.4 機械結構的拓撲優化

傳統的機械結構優化設計工作中，工作重點在于結構參數的優化，在拓撲優化方面的研究相對較少。在社會觀念不斷深化改革的背景下，相關人員加大了對拓撲結構的研究，取得了一定成效。在現階段的工作中，拓撲結構的優化主要集中在連續結構和離散結構兩個方面：①連續的拓撲結構主要指根據孔洞的個數、形狀和分布特點等對邊界優化和升級；②離散結構的優化主要是根據不同連接方式的特點，從其關鍵點的角度出發所進行的各種優化和升級。在進行上述操作時，需要根據不同關鍵點的位置進行確定，從而更好地提升機械產品的性能。

2.5 機械結構的動態性能優化

動態性能主要指機械結構在運行的過程中，很可能會受到外界的作用力，使得外形和運動的參數發生相應改變。加強對機械產品動態性能的研究，能夠根據其特點來研究產品的工作強度，判斷工作壽命的長短，能夠有效降低機械產品的工作負擔。在此條件下，通過對工作強度的控制，有效提升機械產品的使用壽命。

2.6 結合MDO 理論的優勢

在當前的機械結構優化設計的工作中，MDO（Multidisciplinary Design Optimization，多學科優化設計）理論已經被廣泛使用到了機械產品的設計工作中，取得了相應的成效。在該理論中，明確強調了結合其優勢，能夠有效達到優化產品性能、提高生產的效率的積極作用，并且在一定的程度上推動結構優化的設計工作面向系統化、理論化、科學化的方向發展。

3 我國機械結構優化設計應用和發展趨勢

經濟的發展離不開科學技術的支持，機械生產作為一項重要的生產力，在此過程中發揮了獨特的優勢，對于機械制造行業的發展和經濟發展質量的穩定提升發揮了重要作用。其還能夠提供豐富的工作崗位，有效增加國民收入，提升人民的生活質量。近年來，我國的相關工作人員對其進行了不斷的研究和優化設計，主要采用有限元分析法，結合計算機技術的優勢，加強對機械產品的優化和升級，相關產品的性能得到了大幅度的提升。這些產品投入到市場中，能夠有效增強其市場競爭力；在國際市場中，我國的機械產品也占據了相對較大的市場份額。

結構模型的復雜化和結構系統的大型化，也是發展過程中較為明顯的特征。在進行機械結構優化設計的過程中，設計變量得到了大幅度的提升，在一定程度上影響了結構的分析難度和數值計算、推導的難度。在進行一些較為復雜的產品設計時，可能并沒有相應的公式作為設計依據。為此，在進行大型的、相對復雜的結構系統優化升級的過程中，便可以將其分解為若干子系統。如果其中涉及到的學科內容較多，也可以根據不同學科的特點，結合多種學科的優勢，促進機械結構優化設計工作的有效開展。在計算機技術不斷發展的背景下，將其和各個產業的發展規劃和相關的目標進行有效結合，能夠有效提升產品的性能和生產的效率。從其應用原理來看，主要是充分地結合了遺傳算法和模仿神經網絡的人工算法的優勢。這種科學化的設計方式，能夠在一定程度上有效提升機械結構優化設計的科學性，更好地推動后期生產工作的順利開展。

在今后較長一段時間內，拓撲結構的優化設計仍然是較為重要的內容。這種設計模式能夠為機械結構的優化設計方案提供海量的科學數據，更好地提升產品設計方案的科學性。如果在實際的過程中，需要對產品的性能進行相應調整，也可以結合設計方案中的重點內容，結合產品需求，靈活選擇合適的結構模型。針對不同機械產品的尺寸、形狀等方面的差異，拓撲結構的優化方式也能夠有效滿足其設計要求。現階段的工作中還面臨著應力約束方面的處理，一些“多孔狀”的材料、計算模型的病態等也出現了相關問題。如何有效結合拓撲結構的優勢，對機械結構進行優化升級，成為相關工作人員的重點關注和研究內容。我國已經將拓撲結構的研究確定為今后研究的重點內容，相關的工作人員也在國家部門的要求之下，進行了不斷的研究，如廣義角度、全性能、模糊優化等方面的設計。至此，我國的機械優化設計的研究已經進行了深水區。

4 結束語

加強對機械機構優化設計的研究，能夠有效提升各種機械產品的生產性能，更好地發揮其在生產和應用過程中的經濟作用。有效結合各種科學技術的優勢，還能夠進一步促進機械制造行業的快速發展，通過產業聯合帶動的方式，促進國家經濟的快速發展，幫助我國在激烈的國際市場競爭中取得優勢。在未來的工作中，相關的工作人員還需要不斷加大研究力度，進一步推動機械產品的結構優化升級。