探析机械结构优化设计的应用及趋势

探析机械结构优化设计的应用及趋势

高亮 ,朱浩,任旭辉

北方自动控制技术研究所  山西太原 030006

摘要：随着我国利用现代科学技术信息处理技术的飞速进步与发展，全球世界范围内的产品市场竞争也越来越激烈，产品的技术品种不断更新换代变化速度不断加快，其结构复杂程度不断得到提高。生产正在逐渐以小批量、多生产品种的专业生产经营模式逐渐取代以前单一或多个生产品种的大批量生产。在这样一种产品采用的是小批量规模生产的销售方式下，必须尽量地缩短相关产品的设计制造生产周期，降低相关产品的销售价格和生产成本，才能真正进一步提高其所在市场上的竞争力和所需要占有的份比。下面，文章重点就机械结构优化设计的应用及趋势展开论述。

关键词：机械结构；优化设计；应用趋势

引言

随着时代的发展，制造业的转型升级和制造技术的发展优化已经成为影响一个国家实力和科技水平的重要因素，成为一个企业甚至国家在竞争激烈的国际市场上能够占据优势的关键。机械制造工业作为国民经济各部门中机械装备和产品的提供者，在国民经济中占有十分重要的地位。机械结构分析与优化设计作为机械设备制造使用中最基础的环节，关系机械工程设备的需求和自身质量性能。在经济产品不断优化的背景下，越来越多的企业通过结构分析与优化设计，既保证了质量，又实现了成本的降低与生产周期的缩减。所以，实现对现代机械设计的优化创新能更好地提升企业的核心竞争力，为提高整体的经济利益水平奠定了良好基础。机械结构设计是一门复杂的科学技术，唯有基于机械设计创新方法进行研究和运用，才能为人们提供更加高效的服务，为推动生产建设提供保障。

1机械结构优化设计的基本类型

1.1形状优化

在生产实践中发现，不同类型、不同形状的机械设备具有不同的应用价值。为了保证优化设计的实际效果，优化开始前要明确机械产品的内外部部件形状，尽可能对形状统一的内外部部件进行优化设计。形状优化可以改善结构自身的应力分布状况，减少应力集中情况，保证优化设计后部件应用的广泛性，并且在位移应力给定的功能约束下，尽量使给定设计域的整体重量最小。当优化设计的对象是机械设备零件时，需要在生产前后对零件持续进行实际测量，保证零件尺寸大小和生产需求一致。现实生活中，当面对大尺寸结构形状优化时，按照以往的常规形状优化会产生大量的迭代计算过程。为了保持求解精度不变，会在一定程度上降低相应的求解效率。

1.2　尺寸优化

尺寸优化是发展比较成熟的一种优化，通常是针对孔洞或结构件外形的设计。尺寸优化主要是通过参数调节厚度、弹性、角度和质量属性等，并合理分配这些属性，从而改善结构特性，减小应力并提高刚度。优化设计的零件关联的其他零件越多，优化设计的难度越大，对尺寸的精确度要求越高。所以，在优化设计机械结构尺寸时，必须保证产品的形状与拓扑关系不变。灵敏度分析是指分析结构性能参数对结构设计参数变化的敏感性，得出的数值可以反映结构各设计变量对结构性能的影响。设计敏度分析方法在尺寸优化中起着核心作用，包括状态空间方法、设计空间方法和虚拟加载法，其中前两种方法在优化时的使用更普遍。对于大型复杂工程问题，采用灵敏度分析方法进行尺寸优化可以大大提高优化效率。目前，尺寸优化还有自由尺寸优化技术。优化中不仅可以对材料进行去存，还可以自由控制尺寸参数。例如，在复合材料层合板的优化设计中，采用自由尺寸优化方法能够允许每个单元厚度独立变化，将有利于强调层合板的优化位置和层厚度，最终得到理想的优化模型。但是，当面对3D实体单元时，自由尺寸的优化效果远远比不上拓扑优化。

1.3　拓扑优化

在传统的机械分析设计中，重心大多放在机械零部件的设计和优化所用的结构参数方面，对机械产品拓扑结构设计的分析较少。随着制造工业的不断发展，人们逐渐认识到拓扑结构优化设计的重要性。拓扑优化为结构设计提供了更优秀的解决方案。拓扑优化的实质是在固定的设计空间内找到满足设计要求的最佳材料分布方案，从而使机械结构的质量最轻且性能更佳。对于连续结构的优化设计，通常比较重视空洞形状、分布范围、数量和部分结构边界等情况。常用的连续结构拓扑设计方法有均匀化理论方法、水平集方法、变密度方法和进化结构优化方法。对于离散结构的优化设计，在实际优化设计中要重点关注不同关键连接点。优化时可以将非线性结构的设计问题转化为线性规划问题，把离散变量优化问题转变为普通的规划问题，进一步把问题转变成一个带有互补约束的优化问题，最终求解。同时，优化时可将拓扑优化和3D打印技术相结合，通过优化确定理想的材料布局，通过增材制造技术构建最接近这一理想设计的形状，使元件的设计和制造方式发生了革命性转变。

2机械结构设计优化要点

2.1材料设计

在设计机械结构时，材料的设计必须得到适当的确定，不同的材料有不同的性质和特点，在设计与施工中会出现不一样的效果。所以，要想保证设计质量，就需要根据实际情况来进行机械结构的优化。比方说，钢是机械结构中最主要的材料，则应充分利用钢的优点，保证机械结构强度与硬度符合要求，在此基础上，通过扩大钢结构界面尺寸的方式来保证钢结构性能。铸铁具有较低的硬度和韧性，以往的设计理念给产品性能带来很大影响，很难保证产品质量，产品耐久性差。并且，在铸铁中加入隔板与强筋，还可以有效地提高结构的力学性能，利用这种参数化方法，可以在材料结构中设计变量，以保证设计效果。

2.2最优化结构设计方案

由于这直接影响到机械结构的实际使用，应优先选择设计方案，或比较不同的设计方案，以选择最合适的解决方案。在分析设计方案后，要对方案进行评价，采用科学的评价方法，大多数使用模糊综合评判法，综合评价应考虑安全、经济指标、社会利益、保护功能等评价因素的影响，考虑到社会利益的影响，有必要评估设备故障的频率，从成本与人员的方面来分析经济指标。从施工工艺的角度来看，在功能上，这主要是由于施工技术的成熟，因此，在机械结构施工中，根据上述因素，根据设备的特点对设计结果进行优化，既可以调整机械设备，又可以改进结构设计，对于结构中重要的部件，需要建立模型，不断进行优化，反映出结构的优势与特点，可为结构设计的改进和改进提供必要的参考，从而进行整体优化。在我国经济快速发展的现状下，机械设备是衡量我国综合实力的重要参数，因此，必须要根据实际情况来改善机械结构，不断提高施工技术水平。随着科技创新水平的提高，机械结构设计也在不断优化，测控方法也有所发展，设计人员的设计观念也要不断创新，需要掌握先进技术与方法，引入先进理念，改善机械结构，提升产品质量与生产效率，促进工业发展。

2.3参数变元

在设计机械结构时，尺寸变元通常是通过改变零部件形状来达到优化目的的，优化零部件形状，通过这种方式，改变零部件各尺寸参数，以优化和完善零部件。例如，在对材料进行相应的修改之后，在冷压弯曲设计时要适当改变材料，在材料适当变化后才能够进行设计。如果需要调整工件尺寸，在保证零部件没有影响到整体机械质量后，详细测量零部件弯曲度，计算弯曲度数。

结语

综上所述，随着我国机械工程设计领域的不断发展，机械工程设计得到了有效创新和推广。相信随着时代的发展和社会的进步，越来越多的科研和设计工作者能够打破常规、创新思维，结合有效的优化方法和先进的生产技术创造出更优异的机械设备和产品。

参考文献

[1]何海申.机械结构优化设计的应用及趋势探究[J].科技风,2020(03):162.

[2]张荣宝.机械结构优化设计应用与趋势研究[J].设备管理与维修,2019(18):86-87.