探析機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用及趨勢

吳金燈

（縱目科技（廈門）有限公司， 福建 廈門 361000）

引言

對于機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)來講，要想提升自身市場競爭力必須對產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)加以重視，全面提升產(chǎn)品性能，從單一化生產(chǎn)模式向著多樣化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后可以全面提升生產(chǎn)效率，讓產(chǎn)品更有市場競爭力，促進(jìn)企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展，最終推動(dòng)我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度開始提升，而機(jī)械制造領(lǐng)域當(dāng)中，機(jī)械生產(chǎn)規(guī)模也在擴(kuò)大，使得傳統(tǒng)的小規(guī)模生產(chǎn)方式無法適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求。從機(jī)械制造企業(yè)的角度講，為了全面提升產(chǎn)品性能，擴(kuò)大市場份額，需要重視產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，由此增強(qiáng)機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能，延長產(chǎn)業(yè)鏈。20 世紀(jì)60 年代起我國機(jī)械制造開始發(fā)展，隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的進(jìn)步以及方案的優(yōu)化，有效提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。如今我國機(jī)械制造優(yōu)化設(shè)計(jì)推動(dòng)了建筑、冶金、汽車和航空航天等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并且為今后的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)積累了一定經(jīng)驗(yàn)。在市場經(jīng)濟(jì)大背景下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一種全新的生產(chǎn)模式，為企業(yè)發(fā)展帶來了巨大幫助。

新時(shí)期需要從縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本出發(fā)，積極利用工程設(shè)計(jì)學(xué)，加強(qiáng)與其他學(xué)科的結(jié)合，然后優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在具體應(yīng)用過程中，需要考慮以下三個(gè)方面：確定目標(biāo)函數(shù)，在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)函數(shù)開展設(shè)計(jì)工作，以此達(dá)到技術(shù)指標(biāo)；調(diào)整變量，產(chǎn)品設(shè)計(jì)期間結(jié)合實(shí)際需求調(diào)整產(chǎn)品的厚度、長度、弧度等變量，并且在前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)明確超出變量的浮動(dòng)范圍；評價(jià)方案完成相關(guān)設(shè)計(jì)之后對不同方案評價(jià)，將最佳方案用于產(chǎn)品生產(chǎn)[1]。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

隨著市政、機(jī)場、港口、水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模越來越大，汽車起重機(jī)市場的需求也增加。該背景下縱目科技近年來加強(qiáng)了對倒車?yán)走_(dá)傳感器結(jié)構(gòu)的研究，并且加強(qiáng)了對超聲波諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這一過程中改良結(jié)構(gòu)工藝十分關(guān)鍵，為此技術(shù)人員優(yōu)化了產(chǎn)品的振膜尺寸、形狀、固定結(jié)構(gòu)等方面設(shè)計(jì)（如圖1、圖2），大大改善了產(chǎn)品性能，迎合了機(jī)械工業(yè)發(fā)展的趨勢。

圖1 零部件示意圖

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

在工業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能得到提升。新時(shí)期對機(jī)械生產(chǎn)質(zhì)量要求更高，所以在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間要充分考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸帶來的影響，傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要是采用零部件組合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果某個(gè)部件未滿足生產(chǎn)規(guī)格或者尺寸未達(dá)到相關(guān)要求，將對整個(gè)產(chǎn)品性能產(chǎn)生影響。此外，機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)行期間會(huì)出現(xiàn)不同程度磨損，而當(dāng)前的機(jī)械生產(chǎn)環(huán)節(jié)諸多機(jī)械產(chǎn)品尺寸精度要求較高，為達(dá)到技術(shù)規(guī)定必須挖掘計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)勢，將機(jī)械設(shè)備的尺寸和性能參數(shù)等數(shù)據(jù)記錄其中，為后續(xù)的優(yōu)化工作開展打下良好基礎(chǔ)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形狀優(yōu)化

機(jī)械產(chǎn)品的形狀與性能關(guān)系密切，通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、形狀可有效提升機(jī)械設(shè)備性能，不過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀具有一定難度，特別是制造業(yè)當(dāng)中，大型機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且不同型號(hào)、不同性能的設(shè)備，其構(gòu)架形狀也存在差異，難以統(tǒng)一劃分，增大了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)難度。20 世紀(jì)80 年代開始，我國機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)開始興起，有專家對機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，并分析了裝校機(jī)器人關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品質(zhì)量顯著提升。

2.3 多學(xué)科結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，對多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量分析，尤其是在信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，學(xué)科之間的融合不斷加強(qiáng)，如果采取單一的學(xué)科進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)難以確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到既定目標(biāo)，所以今后的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的融合，促進(jìn)數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的結(jié)合，發(fā)揮不同學(xué)科優(yōu)勢，由此提升機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，推動(dòng)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓?fù)鋬?yōu)化

在以往的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)期間，將重點(diǎn)放在優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，對拓?fù)鋬?yōu)化的研究偏少。隨著機(jī)械制造技術(shù)的更新，研究人員開始對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，并取得一定科研成果。目前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化集中在連續(xù)結(jié)構(gòu)以及離散結(jié)構(gòu)的研究當(dāng)中。具體為，在連續(xù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)中主要是結(jié)合孔洞的個(gè)數(shù)、形狀以及分布特點(diǎn)優(yōu)化和升級對等邊界；離散結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要是結(jié)合不同連接方式特征。從關(guān)鍵點(diǎn)的角度優(yōu)化和升級，在操作過程中需要確定不同關(guān)鍵點(diǎn)位置，由此增強(qiáng)機(jī)械產(chǎn)品性能。

2.5 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化

對于機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能來講，就是機(jī)械結(jié)構(gòu)受外力作用影響下產(chǎn)生的外形變化規(guī)律和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能下可體現(xiàn)承受的工作強(qiáng)度和使用壽命，要求在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，基于相同工況下優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低工作負(fù)擔(dān)，提升可承受工作強(qiáng)度，最終延長使用壽命。

2.6 MOD 理論的應(yīng)用

在科技發(fā)展的背景下，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)開始對多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化理論進(jìn)行研究，可以對機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持，讓機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果接近預(yù)期目標(biāo)，提升產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作向著理論化、系統(tǒng)化以及科學(xué)化方向發(fā)展。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)趨勢

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要科學(xué)技術(shù)作為保障，機(jī)械生產(chǎn)是重要的生產(chǎn)力，同樣對機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展以及社會(huì)發(fā)展起到了重要作用。近年來相關(guān)學(xué)者和專家加強(qiáng)了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，通過有限元分析法并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化升級，讓產(chǎn)品性能得到顯著提升，相關(guān)產(chǎn)品在市場中具有良好競爭力，部分產(chǎn)品已銷往國外，進(jìn)一步增加了企業(yè)收入。結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜化以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)大型化是機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)，在優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)過程中設(shè)計(jì)變量顯著提升，并且對結(jié)構(gòu)分析難度數(shù)值計(jì)算都產(chǎn)生了影響，這是由于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中需要相關(guān)公式作為依據(jù)，所以在復(fù)雜的或者大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)升級過程中需要分解成子系統(tǒng)，并且根據(jù)不同學(xué)科特征有效提升機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)水平[2]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，可以和不同產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與目標(biāo)結(jié)合，進(jìn)一步提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率與性能。從應(yīng)用原理講，主要是對遺傳算法以及模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工算法進(jìn)行利用，進(jìn)而有效提升生產(chǎn)水平。今后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)依舊是重要內(nèi)容，通過設(shè)計(jì)模型可以為機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供科學(xué)基礎(chǔ)，有效提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)科學(xué)性。在實(shí)際過程中也需要合理調(diào)整產(chǎn)品性能，并結(jié)合設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)，合理選擇結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)不同機(jī)械產(chǎn)品形狀、尺寸之間的差異優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在當(dāng)前的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中會(huì)受到應(yīng)力約束的影響，并且存在著計(jì)算機(jī)模型病態(tài)和多孔狀材料問題，需要根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)。如今，我國將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究作為今后的重點(diǎn)，技術(shù)人員也要在政府要求和市場需求下加強(qiáng)研究，將重點(diǎn)放在全能性廣義角度和模糊優(yōu)化等方面，并且在設(shè)計(jì)過程中提升建模能力求解能力和設(shè)計(jì)后處理能力，在多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中關(guān)注分解分析以及綜合協(xié)調(diào)。

4 結(jié)語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品需求也在增加，而機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度也在加快，要求機(jī)械制造企業(yè)在今后設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中縮短生產(chǎn)周期，不斷實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，這樣才能提升自身的市場競爭力。