機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用與趨勢研究

摘 要：機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，就是在計算機技術(shù)等高科技手段的支持下，為了提升機械產(chǎn)品的性能、工作效率，延長機械產(chǎn)品的工作壽命，對機械產(chǎn)品的尺寸、形狀、拓撲結(jié)構(gòu)和動態(tài)性能進行優(yōu)化的過程。這是機械行業(yè)發(fā)展的必然要求，也是信息時代的必然要求。機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，必須在保證機械產(chǎn)品滿足工作需要的前提下，通過科學(xué)的計算來實行。文章將簡單對機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展狀況進行介紹，列舉幾種機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計類型，并預(yù)計一下未來機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；發(fā)展趨勢

前言

機械產(chǎn)品的應(yīng)用范圍是極其廣泛的，深刻影響著我國各行各業(yè)的發(fā)展。為了機械產(chǎn)品能夠在人們的生產(chǎn)和生活中正常發(fā)揮作用，機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是十分必要的。我國在機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方面，已經(jīng)展開了諸多的研究，并取得了一定的研究成果。主要表現(xiàn)在汽車工業(yè)、焊工航天、船舶行業(yè)等幾個領(lǐng)域。機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，不僅在提升機械產(chǎn)品的性能方面具有重大作用，對于機械制造業(yè)增強自身的競爭力，在未來的市場中立足也有深遠的影響。

1 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展概況

科學(xué)技術(shù)的進步，加快了機械產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐。以往的機械產(chǎn)品的制造，大多采用的是一種批量生產(chǎn)的方式，產(chǎn)品的種類極其單一。而現(xiàn)在，機械產(chǎn)品的制造更多采用的是一種小批量、多種類的生產(chǎn)方式。為了增強企業(yè)的競爭力，在市場上占據(jù)更大的份額，機械產(chǎn)品的生產(chǎn)要盡可能地縮短生產(chǎn)的周期，降低生產(chǎn)的成本。機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計就是為了這一目標而服務(wù)的。通過優(yōu)化設(shè)計，機械產(chǎn)品的生產(chǎn)時間縮短了，生產(chǎn)成本降低了，生產(chǎn)效率提高了，企業(yè)可以以更快的速度搶占市場，適應(yīng)激烈的市場競爭。

機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計出現(xiàn)于20世紀60年代初期。它是數(shù)學(xué)中的最優(yōu)理論與工程設(shè)計學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。這一學(xué)科根據(jù)工程設(shè)計的理論，通過數(shù)學(xué)方法在大量的設(shè)計方案中選取最好的，大大提高了機械產(chǎn)品的性能，降低了機械產(chǎn)品的生生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期。目前，機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，已經(jīng)應(yīng)用于航空航天、交通工具、船舶制造、建筑、紡織、冶金等各個領(lǐng)域[1]。

目前，機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計主要按照以下的流程來進行：首先，確定優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)，這是為了讓機械產(chǎn)品的一些技術(shù)指標達到要求；然后要設(shè)計函數(shù)變量，這些變量大多是機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)，比如長度、厚度、弧度等；再接下來要進行約束條件的設(shè)定，限定計算過程中變量的浮動范圍；最后，會得出多種的設(shè)計方案，需要對這些設(shè)計方案進行評價，根據(jù)機械產(chǎn)品的生產(chǎn)需要確定最佳方案。

2 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計類型

2.1 機械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化

在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，對于尺寸的要求是非常精準的。機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，必須能夠保證零件的尺寸大小符合實際工作的要求。對于多個零件組成的機械構(gòu)件，如果有一個零件的尺寸不符合要求，就會影響各個零件的連接效果，造成機械的磨損程度加劇，甚至導(dǎo)致機械設(shè)備報廢。某個構(gòu)件的關(guān)聯(lián)零件數(shù)越多，機械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，尺寸的精細度要求越高。機械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化，前提是保持機械產(chǎn)品的形狀和拓撲關(guān)系不變，然后再通過計算機技術(shù)的手段調(diào)整具體尺寸的變化，使機械產(chǎn)品的性能得到進一步增強。

2.2 機械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化

想要提高機械設(shè)備的性能，也可以從機械結(jié)構(gòu)的形狀入手。但是，很多大型的機械設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個構(gòu)件的形狀復(fù)雜，難以進行分析，給優(yōu)化設(shè)計工作帶來了很大的困難。從20世紀60年代起，關(guān)于這一難題的研究開始在國內(nèi)外的機械行業(yè)盛行起來，大量研究成果也紛紛涌現(xiàn)。在我國的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，也有王世軍對機器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、田方對軸對稱機械零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等研究成果。

2.3 機械結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化

以前，機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計把主要精力放在優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)上。對于機械零件的拓撲結(jié)構(gòu)，展開的研究很少。隨著人們在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面意識的提高，人們開始注意在拓撲結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計。拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，主要體現(xiàn)在連續(xù)結(jié)構(gòu)和離散結(jié)構(gòu)兩方面。連續(xù)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，主要是對孔洞的個數(shù)、孔洞形狀和分布和部分結(jié)構(gòu)邊界的優(yōu)化；而離散結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，則要從各個關(guān)鍵點的連接方式入手，實行的前提是這些關(guān)鍵點是位置確定的[2]。

2.4 機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能優(yōu)化

機械產(chǎn)品的動態(tài)性能，就是機械結(jié)構(gòu)在受到外界作用時，表現(xiàn)出來的外型上的變化規(guī)律，還有一些相關(guān)的運動參數(shù)。機械產(chǎn)品的動態(tài)性能，可以反映機械產(chǎn)品工作強度的大小和工作壽命的長短。所以，對機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能進行優(yōu)化，能夠減輕機械的工作負擔(dān)，在同樣工作強度的條件下延長了機械產(chǎn)品的使用壽命。

2.5 多學(xué)科結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，要從多個學(xué)科的角度入手。如果只從某個學(xué)科的角度來考慮，往往會導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果不夠理想。MDO理論就是一種為了更好達到優(yōu)化設(shè)計的目標，提倡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)該系統(tǒng)化、總體化、多學(xué)科化的新理論。這一理論的提出，必將提高機械產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化程度，已經(jīng)引起了諸多專家學(xué)者的注意，并對其展開相關(guān)研究。

3 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展趨勢

機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，是隨著時代和行業(yè)的發(fā)展而不斷變化的。近年來，機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計開始趨向于結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜化和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的大型化。設(shè)計變量的增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的分析推導(dǎo)和數(shù)值的計算難度增加，一些特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化沒有相應(yīng)的公式。采用大型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，可以將一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分解為各個子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，對于一些涉及多個學(xué)科的設(shè)計優(yōu)化，也可以按照學(xué)科不同來進行優(yōu)化。

并行計算技術(shù)的運用，是機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的另一個發(fā)展方向。這一技術(shù)的主要代表有遺傳算法和模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工算法。這種算法適用于離散與連續(xù)混合變量的全局優(yōu)化，能夠提高機械產(chǎn)品的質(zhì)量和精確度。

拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計仍然是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要研究內(nèi)容。拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，能夠為結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，可以根據(jù)產(chǎn)品的需要靈活選擇設(shè)計方案，一般運用在大型機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，需要構(gòu)建大型的結(jié)構(gòu)模型，進行復(fù)雜的結(jié)算。拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時也能促進機械結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化和形狀的優(yōu)化，提升機械產(chǎn)品的性能。目前這方面主要存在的問題有對于應(yīng)力約束的處理、“多孔狀”材料的分布、計算模型的病態(tài)等[3]。解決這些難題，是拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化在未來的重點工作內(nèi)容。

我國對機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計展開的研究也涉及到了很多方面，比如廣義角度的優(yōu)化設(shè)計、全性能的優(yōu)化設(shè)計、模糊優(yōu)化設(shè)計、可靠性的優(yōu)化、光機電的一體化、人機一體化等等。這說明我國在機械優(yōu)化設(shè)計的研究已經(jīng)邁入了世界先進領(lǐng)域。在未來，我國的主要研究課題有多學(xué)科優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型建立、結(jié)果分析與靈敏度分析、大規(guī)模問題的求解等。

4 結(jié)束語

機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，給機械產(chǎn)品的質(zhì)量和性能帶來了提升，給機械行業(yè)的發(fā)展帶來了機遇。通過優(yōu)化設(shè)計，機械產(chǎn)品的生產(chǎn)周期大大縮短，機械產(chǎn)品的制造企業(yè)競爭力大大增強。我國的機械行業(yè)應(yīng)當積極把握結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的發(fā)展方向，提高優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)水平，讓機械制造業(yè)發(fā)展到一個新的高度。

參考文獻

[1]楊天平，唐宏.機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用與趨勢分析[J].電子制作，2013，11：189.

[2]劉世庚，張德珍，徐淑瓊.機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究應(yīng)用及前景展望[J].科技視界，2014，16：107.

[3]曾文忠.機械產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用策略探究[J].湖南農(nóng)機，2014，9：44-45.