机械结构优化设计应用与趋势分析

机械结构优化设计应用与趋势分析

居国龙1 ,陈松松2

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摘要：机械结构优化设计是指从形状、动态性能、尺寸和拓扑结构四个方面对机械产品进行优化的过程，目的是增强机械产品的工作效率和性能，延长产品的使用寿命。随着信息时代和机械工业的发展，机械结构的优化设计是大势所趋。但必须保证，在优化机械结构设计之前，必须保证机械产品满足工作要求，采用科学合理的计算方法实施优化。本文首先简述了机械结构优化的具体发展，介绍了机械结构优化设计的几种类型，从中得出机械结构后续优化设计的发展趋势。

关键词：优化设计；应用；机械结构；发展趋势

前言

目前，机械产品得到了广泛的应用，对我国各行业的发展产生了很大的影响。为了有效地保证机械产品的功能能够在人类的生活和工作中发挥正常的作用，有必要对机械结构进行优化设计。到目前为止，我国在机械结构优化设计方面做了大量的研究，但成果很少，特别是在焊机航天、汽车工业和造船工业等领域。机械结构的优化设计具有重大影响，体现在机械产品性能的提高和机械制造业竞争力的增强，也有助于机械制造业的后续发展。

一、机械结构优化的发展

随着科学技术的快速发展，机械产品的升级速度也在加快。过去机械产品的制造基本上采取大批量生产的手段，产品类型比较单一。现在主要采取多品类小批量生产的形式。为了扩大市场份额，增强企业竞争力，应尽可能降低机械产品的生产成本和生产周期，机械结构的优化设计可以实现这一目标。通过优化设计，可以有效降低生产成本和生产时间，大大提高生产效率。同时，企业可以加快步伐占领市场，从而更好地应对日益激烈的竞争环境。

随着优化理论在工程设计和数学中的不断延伸，机械结构优化设计诞生于20世纪60年代初。机械结构优化设计的原理是通过数学手段在众多设计方案中选择最优方案，可以有效降低相关生产成本，提高性能，同时减少生产时间。到目前为止，机械结构的优化设计已经在造船、冶金、交通、纺织和航空航天等领域得到了很好的应用。

在实施机械结构优化设计的过程中，应严格遵循以下规则：一是要明确优化设计的目标函数，确保机械产品的相关技术指标符合标准；其次，设计机械产品的结构参数等功能变量；再者，设置约束，明确计算时相关变量的浮动类别；最后，制定多种可供选择的设计方案并进行评价，根据机械产品的实际生产需求选择最佳方案。

二、机械结构优化的设计类型

2.1 机械结构的尺寸优化

在设计机械结构时，对尺寸提出了较高的要求，务必要确保零件的尺寸合乎相关规定。针对多种零件构成的机械构件而言，倘若其中有一个零件的尺寸不达标，势必会对零件的连接效果产生影响，使机械受损问题更加突出，更有甚者会致使机械设备丧失使用价值。某一构件的关联零件的数量愈多，机械结构的繁杂程度愈高，尺寸的精细度的要求就会愈高。在优化机械结构的尺寸之前，务必要确保机械产品的拓扑关系与形状不发生改变，采取计算机技术的方式对详细的尺寸加以调节，从而改善机械产品的性能。

2.2 机械结构的形状优化

要想有效提升机械设备的性能，可考虑把机械结构的形状作为切入点。然而，大量大型的机械设备结构及其构件的形状均比较繁杂，很难加以深入的分析研究，致使优化设计工作开展得极为不顺畅。自上世纪六十年代开始，此问题的研究日趋增多，在此大背景下出现了许多研究成果。在优化结构上方面，王世军、田方等人也展开了相关研究，并得出了一系列成果。

2.3 机械结构的拓扑优化

在过去，机械结构的优化设计将大部分精力置于结构参数的优化上，很少有人研究机械零件的拓扑结构。由于人类设计机械结构的意识的逐步增强，人类开始将注视目光置于拓扑结构的优化设计上。拓扑结构的优化应从离散结构与连续结构两处入手。在优化设计连续拓扑结构时，应致力于优化孔洞形状、数量、分布及其一些结构的边界。而在优化设计离散结构时，应着眼于所有关键点的连接方式，以此为切入点。

2.4 机械结构的动态性能优化

机械产品的动态性能指的是在外界的作用下机械结构展现出的外型方面的变化规律及其有关运动参数。机械产品的动态性能基本上是通过机械产品的工作寿命及其工作强度反映出来的，因此，通过优化机械结构的动态性能，既能有效减小机械的工作压力，又能在工作强度不变的前提下有效增加机械产品的使用时间。

2.5 多学科结构的优化

在进行机械结构的优化设计时，应自多个学科的角度着眼。倘若仅仅从某一学科的立场进行思量，通常会造成优化设计的效果不尽人意。MDO理论是种为达成优化设计目的、倡导结构优化设计应总体化、系统化、多学科化的新型理论。该理论的出现，可在一定程度上提升机械产品的设计优化水平，博得专业人员的注意力。

三、机械结构优化的发展趋势

机械结构的优化设计是工业和时代发展的必然结果。近年来，机械结构的优化设计正朝着大型结构系统和复杂结构模型的方向发展。随着设计变量的逐渐增加，数值计算和结构分析推导的难度也越来越大，一些特殊的结构优化缺乏相应的公式。选择一个大型结构系统进行优化设计，可以有效地将一些复杂的结构分解成子结构。同时，多学科设计可以通过结合不同学科进行优化。

采用并行计算技术是机械结构优化设计的又一发展趋势。目前，人工算法和模拟神经网络的遗传算法得到了广泛的应用。该算法更适合连续和离散混合变量的全局优化，能有效提高机械产品的精度和质量。

目前，拓扑结构的优化设计仍然是结构优化设计研究的核心内容。通过优化拓扑结构，可以为结构方案的设计创建证书，并根据产品的实际需求选择合适的设计方案，通常适用于大型机械的结构设计，但需要建立大型结构模型并实施繁琐的结算。同时，优化拓扑结构可以优化机械结构的形状和尺寸，提高机械产品的性能。目前，这方面还存在一些问题，其中最突出的是：多孔材料的布置、应力约束的处理、计算模型的病态等。在后续的拓扑优化过程中，处理上述问题将是一个主要的焦点。

在我国，机械结构优化设计的研究范围很广，涉及面很广，包括全性能优化设计、光机电一体化、模糊优化设计、人机一体化、广义角度优化设计、可靠性优化等。由此可见，我国目前的机械优化设计研究已经进入国际领先领域。今后，我国的研究目标将包括建立结构优化模型、解决大规模问题、多学科优化、结果分析和灵敏度分析等。

四、结束语

机械结构的优化设计可以有效提高机械产品的性能和质量，为机械工业的发展创造机遇。依靠优化设计，可以大大缩短机械产品的生产周期，增强制造机械产品的相关企业的竞争力。因此，我国机械行业必须明确结构优化分析的发展方向，有效提升优化设计的技术水平，让机械制造业的发展上一层楼。

参考文献：

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[2]房灿. 机械结构优化设计应用与趋势研究[J]. 科技创新与应用，2016，（18）：137.

[3]刘世庚，张德珍，徐淑琼. 机械结构优化设计研究应用及前景展望[J]. 科技视界，2014，（16）：107.