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

田笑巍

大连华锐重工冶金设备制造有限公司

摘要：随着工程机械制造业产品研发的数字化转型，对产品所涉及关键构件的设计及制造过程中趋于更全面的工艺风险评估，但工艺开发手段仅仅依赖传统经验模式是远远不够的。现代机械加工和设计要求越来越高，对机械零件结构设计的合理性要求也越来越高，因此研究机械设计过程中零件结构的合理性非常重要。基于此，从机械结构优化设计应用现状入手，讨论机械结构优化设计内容，最后提出机械结构优化设计趋势，希望对相关研究提供一定的参考。

关键词：机械结构；优化设计；应用及趋势

引言

近年来我国科技水平的不断提升，自动化已经作为取代人力作为行业发展的主要方向，我国制造业呈现出迅速发展态势，急需优化自动化相关机械结构从而提升生产效率。机械设计是为了满足某机械使用功能而进行的设计过程。机械设计的水平决定着机械设备的质量，也关系到机械制造企业的经济效益。机械结构设计是根据总体设计中确定的原理方案而开展的具体设计工作，通过具体化的零部件设计来实现总体设计中所要求的功能。结构设计是机械设计中工作量最大的环节，需要将预期的方案落到实处。为了实现机械总体设计的要求，往往会存在多种结构设计方案，而每种不同的设计方案所对应的材料、形状、尺寸、布局、生产工艺等都有一定的差异性，并且会关系到后期产品的各种性能。为了达到最佳的设计效果，在结构设计环节往往需要经过反复的论证或者实验，最终选择最佳的设计方案。因为结构设计方案是机械产品加工制造时参照的重要依据，并且关系到产品后期的质量和性能等因素，所以在结构设计环节需要有明确的设计思路，充分考虑结构设计中应该注意的问题，然后按照相应的步骤开展工作。

1机械结构优化设计趋势

社会经济的发展需要科学技术作为保障，机械生产是重要的生产力，同样对机械制造行业发展以及社会发展起到了重要作用。近年来相关学者和专家加强了机械结构优化设计的研究，通过有限元分析法并结合计算机技术实现了机械产品的优化升级，让产品性能得到显著提升，相关产品在市场中具有良好竞争力，部分产品已销往国外，进一步增加了企业收入。结构模型的复杂化以及结构系统大型化是机械结构优化设计的主要特点，在优化机械结构过程中设计变量显著提升，并且对结构分析难度数值计算都产生了影响，这是由于复杂产品设计过程中需要相关公式作为依据，所以在复杂的或者大型结构系统升级过程中需要分解成子系统，并且根据不同学科特征有效提升机械结构优化设计水平。

2机械结构优化设计原则

2.1机械零件结构与零件材料相适应原则

不同的机械零件原材料具有不同的性能，例如力学性能、物理性能和化学性能等等，因此在机械零件结构设计时要根据零件原材料进行结构合理性设计，确保机械零件原材料和结构设计相符。因此在机械设计过程中要先确定机械零件的材料，然后确定该材料的生产工艺和性能，最后确定机械零件的结构设计。例如选用铸铁为机械零件的原材料，因为铸铁具有良好的铸造性能，因此在生产工艺选择上以铸造工艺为主，这就是生产加工工艺与原材料的匹配性。再根据铸铁零件的结构性能，选择薄壁结构设计，避免采用实心操作。

2.2机械零件结构与毛坯成型方法相适应原则

毛坯结构形状不同，其成型工艺也不相同，主要是毛坯成型工艺对毛坯结构有一定影响。在采用铸造成型工艺时，可以选择结构形状复杂的机械零件进行生产加工，铸造成型工艺尤其适合生产加工芯子这种结构形状多变的零件，以便于制造复杂内腔。也可以采用空中结构来增加机械零件的刚性，降低机械零件用料。在生产加工结构复杂的箱体时，可以利用焊接工艺加工生产，但是焊接工艺不适用于内腔结构复杂的箱体，因为会增加焊接工艺难度，也会影响焊接质量，降低了机械零件结构设计的合理性。在曲轴这种机械零件生产加工时，需要采用有成型性的铸造工艺，可以降低曲轴加工余量，提高原材料利用率，降低曲轴的设计加工成本。因此曲轴结构设计可以复杂，但必须要与铸造工艺相适应，确保曲轴为对称结构。

3机械结构优化设计的应用

3.1降低机械噪声的结构设计

机械噪声是机械设备中常见的故障现象之一，不仅会影响到人们的健康与安全，同时也会大大降低机械设备的运行性能和使用寿命。有部分机械噪声的根源是因为机械结构设计不合理造成的，所以为了控制和降低机械噪声，可在结构设计过程中通过一定的技术手段对噪声进行干预。对于一般的机械噪声往往都是通过改变振动源，控制传播途径和改变辐射表层的方法来实现，但是对于部分机械设备而言，有些方法并不能从实质层面解决问题，反而会降低机械设备的运行效率，所以还需要在结构设计的角度进行合理优化调整。

3.2提升和横移部分设计

为了达到一定的载荷承受标准，再加上自身运动中因为存在一定速度，机械结构尺寸和形状，密切相关机械手工作范围，所以在设计提升与横移机构尺寸时需要满足工作空间需求。并且为了对机械手的运动控制精度、速度充分提升，还需要在确保机械手达到充足刚度、强度条件下，通过材料、结构等方面尽可能减轻手臂重量。因为手臂机械结构在实际运动中作为直线运动，有一定的搬运质量，运动安全稳定性与机械手的运动性能及刚度要求较高，所以本文设计选择了铝型材作为提升机构主体，方钢型材作为横移部分的结构主体，提升和横移部分均采用直线导轨作为直线运动副。

3.3传动部分设计

因为传动部件对机械手稳定性、精度及快速向应力有必然联系，在机械传动结构设计过程中，严格控制结构体积保证紧凑度，从而提升机械手结构的控制精度、运动速度。在设计传动副和传动链时需要考虑运用间隙调整机构，减小反向空间所致运动误差，还要尽量消除传动爬行情况，来延长系统的使用期限，尽可能缩减传动链，最优化传动比，保证传动组件适当阻尼比。目前在机械手机械结构传动设计中，以齿轮、齿条、同步带比较常用。本文设计采用齿轮齿条传动形式，现以提升部分的传动机构为例，进行设计计算及校核。

结束语

随着社会经济的飞速发展，对机械产品需求也在增加，而机械产品的更新换代速度也在加快，要求机械制造企业在今后设计和生产过程中缩短生产周期，不断实现机械结构的优化升级，这样才能提升自身的市场竞争力。

参考文献

[1]林高峰.机械结构优化设计的应用及趋势探究[J].百科论坛电子杂志，2019（24）：631-632.

[2]刘云娟.基于机械结构优化设计应用与趋势研究[J].数字化用户，2019（12）：271-272.