機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用研究

畢德勝

(豐諾植保機(jī)械制造有限公司，黑龍江 富錦 156100)

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機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用研究

畢德勝

(豐諾植保機(jī)械制造有限公司，黑龍江 富錦 156100)

主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程、優(yōu)化類型和優(yōu)化技術(shù)方法幾個(gè)方面展開論述，探討了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的特性。

機(jī)械產(chǎn)品；設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；技術(shù)應(yīng)用

作為系統(tǒng)優(yōu)化的一個(gè)步驟，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是其中的重要一環(huán)，它需要全方位運(yùn)用設(shè)計(jì)方面的技術(shù)知識(shí)，確定最佳的方法來滿足相關(guān)的需求。以往傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是操作人員選擇其他相關(guān)產(chǎn)品作為模型，依賴經(jīng)驗(yàn)和細(xì)致的觀察來確定方法，在設(shè)計(jì)后期還要通過測(cè)試判斷其是否符合要求，此過程不僅會(huì)浪費(fèi)過多的人力物力，并且由于全過程都是人工操作，仍然存在質(zhì)量等問題的安全隱患，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，選用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和尺寸優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，并進(jìn)行理論的計(jì)算和設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和精細(xì)度，才能既提高工作效率，又可以在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的流程

第一，首先設(shè)定好目標(biāo)函數(shù)。作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)，目標(biāo)函數(shù)能夠精準(zhǔn)確定機(jī)械產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并采用此函數(shù)做具體設(shè)計(jì)的要求設(shè)置，同時(shí)在確定目標(biāo)函數(shù)時(shí)，還應(yīng)當(dāng)相應(yīng)縮小應(yīng)力以及變形程度的設(shè)計(jì)。第二，設(shè)計(jì)函數(shù)變量。在設(shè)定完目標(biāo)函數(shù)后，需要進(jìn)行函數(shù)變量的設(shè)計(jì)，主要包括過程中的參數(shù)，零部件的長(zhǎng)度、寬度、角度，這些是影響機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量和水平的重要原因，如果不能科學(xué)合理地確定這些參數(shù)的設(shè)置，就會(huì)在生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)不合格品，造成原料的大量浪費(fèi)，直接增加了經(jīng)濟(jì)成本，降低經(jīng)濟(jì)收益率。第三，確定約束條件。設(shè)計(jì)完函數(shù)變量后，還有一個(gè)重要的工作步驟，就是確定約束條件，這些約束條件就是對(duì)函數(shù)變量施加束縛和一定的約束，包括極值、臨界范圍等。第四，確定和評(píng)估設(shè)計(jì)方法。確定設(shè)計(jì)方法是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的最后一步，也是最為重要的一步，由于目前的設(shè)計(jì)方法種類繁多且各具優(yōu)勢(shì)，就需要在眾多的方法中選出最適合的一種方法，并根據(jù)實(shí)際操作情況安排確定性價(jià)比最高的方法。在確定好方法后，實(shí)質(zhì)上也就確定了機(jī)械產(chǎn)品的一套設(shè)計(jì)方案，但并不能根據(jù)這個(gè)方法就進(jìn)行生產(chǎn)，實(shí)際投入使用前，還須經(jīng)過專業(yè)技術(shù)人員的評(píng)估，從技術(shù)角度確定方案的可行性，只有這樣才能夠做到萬無一失，降低錯(cuò)誤發(fā)生的幾率。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的類型

2.1 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是在機(jī)械產(chǎn)品外形和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下，改變?cè)O(shè)計(jì)變量或者進(jìn)行分析重組，從而優(yōu)化組合性能的優(yōu)化方法。

2.2 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化相似，是在保證機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)域內(nèi)拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下，去求解機(jī)械的結(jié)構(gòu)邊界，通過改變邊界組合，組成新的形狀，從而使之表現(xiàn)出最好的性能狀態(tài)。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

按照機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化的特點(diǎn)進(jìn)行劃分，優(yōu)化方法主要有三種:參數(shù)優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，其中拓?fù)鋬?yōu)化的工作原理是按照設(shè)定的目標(biāo)采用合適的計(jì)算方法將應(yīng)力較小區(qū)域中的材料進(jìn)行剔除，能夠在設(shè)定好的空間中選擇最佳的材料種類和分布形式，從而幫助設(shè)計(jì)工作過程做出結(jié)構(gòu)和性能最佳的零部件、框架結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部加強(qiáng)筋的分布形式，從這里可以看出，拓?fù)鋬?yōu)化不僅保證了產(chǎn)品的外觀形貌，并且也獲得了最合理的理論概念模型，可以有效促進(jìn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)開發(fā)人員的創(chuàng)新理念，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.4 快速分析方法

提高控制性能函數(shù)的計(jì)算效率是目前急需克服的重難點(diǎn)問題。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化才能夠有效配合實(shí)現(xiàn)綜合性能的最優(yōu)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜結(jié)合優(yōu)化過程在近幾年也受到了相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注。采用近似分析技術(shù)能夠高效提高函數(shù)的計(jì)算過程，保證工作效率，然而這種方法在使用之前須做好前期的準(zhǔn)備分析工作，并且計(jì)算過程通常也不夠精確。因此，引進(jìn)新型的計(jì)算方法可以有效解決上述問題，實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化。

3 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法策略

3.1 提高設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)水平

首先要提高機(jī)械技術(shù)知識(shí)水平，只有熟練掌握機(jī)械相關(guān)知識(shí)，才能夠靈活運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化。但除了機(jī)械知識(shí)以外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)其他知識(shí)的修養(yǎng)，主要有:第一，數(shù)學(xué)建模能力。這是最基本的工作內(nèi)容。設(shè)計(jì)工作人員在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要規(guī)范，還要保證方案能夠被他人理解，只有具備一定數(shù)學(xué)建模能力的人員才能夠使用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)語言將問題和設(shè)計(jì)方案表達(dá)出來，并在此基礎(chǔ)上確定模型，保證模型的實(shí)用性。第二，解答問題的能力。僅僅會(huì)建模還不夠，還應(yīng)當(dāng)能夠求解所建立模型的變量以及參數(shù)，這樣才能夠高效得出結(jié)果。比如對(duì)于隨機(jī)變量模型，一定要能夠快速求解隨機(jī)變量模型，才能夠計(jì)算出隨機(jī)變量的目標(biāo)函數(shù)以及變量的數(shù)值。第三，對(duì)問題的處理能力。這是因?yàn)樵诖_定完設(shè)計(jì)方案后，一個(gè)極其重要的步驟就是評(píng)價(jià)方案，一旦方案投入生產(chǎn)，就需有更多的人共同配合完成，而參與的人越多，就越容易造成大家對(duì)問題本身都一知半解，出現(xiàn)問題后也難以找到明確的責(zé)任人。這個(gè)時(shí)候，如果有一個(gè)能夠全程負(fù)責(zé)的人去追蹤過程，會(huì)在很大程度上降低問題的發(fā)生概率。

3.2 綜合運(yùn)用所有學(xué)科的知識(shí)

設(shè)計(jì)的過程需要綜合運(yùn)用所有學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)，因?yàn)闄C(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需要機(jī)械的專業(yè)知識(shí)，還附帶數(shù)學(xué)算法、數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)等多個(gè)其他學(xué)科的知識(shí)，只有將這些所學(xué)的知識(shí)綜合運(yùn)用，才能設(shè)計(jì)出合理、方便的機(jī)械產(chǎn)品。在進(jìn)行學(xué)科知識(shí)總結(jié)運(yùn)用過程中，首先要放眼全局，從整體角度出發(fā)，綜合考慮。然后再將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品系統(tǒng)逐步分解，按照知識(shí)板塊分解成若干個(gè)單元，按照相對(duì)應(yīng)的知識(shí)體系進(jìn)行相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的確定，再按照理論知識(shí)的原理進(jìn)行函數(shù)變量和優(yōu)化方法的設(shè)定。分別設(shè)計(jì)好后，按照它們之間的聯(lián)系，一個(gè)一個(gè)地將它們連接起來，這樣就組成了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)方案，最后可以根據(jù)整體設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行輕微地調(diào)試變動(dòng)。

3.3 創(chuàng)新思維，杜絕重復(fù)

在設(shè)計(jì)過程中必須要做到自主創(chuàng)新，堅(jiān)決避免重復(fù)，從現(xiàn)實(shí)角度出發(fā)，一定要有創(chuàng)新才能有廣闊的市場(chǎng)空間，重復(fù)的、沒有創(chuàng)意的東西很難贏得市場(chǎng)的青睞，也就是說，一個(gè)公司要想成長(zhǎng)和進(jìn)步，就必須推舊出新，避免墨守成規(guī)，最終導(dǎo)致被市場(chǎng)大環(huán)境所淘汰。因此，作為一個(gè)出色的企業(yè)，就要不斷創(chuàng)新，不斷保持市場(chǎng)活力，但在創(chuàng)新過程中要防止抄襲、重復(fù)等，作為設(shè)計(jì)研發(fā)人員，要不斷轉(zhuǎn)變思路，積極對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改造，在推出新產(chǎn)品的同時(shí)，也要對(duì)原有產(chǎn)品進(jìn)行改造，最終目的都是為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，使企業(yè)具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語

隨著行業(yè)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)計(jì)的難度越來越大，很容易讓設(shè)計(jì)研發(fā)人員陷入到無休止且煩瑣、混亂的工作中，機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的出現(xiàn)，解放了設(shè)計(jì)人員，特別是近年來，優(yōu)化方法和CAE分析技術(shù)的結(jié)合，大大降低了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度。隨著各種CAE軟件，如:ANSYS、MARC、ABAQUS等的投入應(yīng)用，利用現(xiàn)代化的手段進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)，滿足了越來越多的客戶需求。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，在降低產(chǎn)品重量、提高產(chǎn)品性能的同時(shí)，把設(shè)計(jì)人員從繁重的工作中解放出來，激發(fā)了他們?cè)O(shè)計(jì)創(chuàng)新的熱情與積極創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路。機(jī)械制造工業(yè)正經(jīng)歷一次深刻地變革。

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Research on structural optimization technology of mechanical product design

BI De-sheng

(Fengnuo Plant Protection Machinery Manufacturing Co., Ltd., Fujin 156100, China)

This paper mainly discusses the process of structural optimization design, optimization type and optimization technology method, and discusses the characteristics of structural optimization.

Mechanical products; Design; Structural optimization; Technical application

2017-02-18

畢德勝(1985-)，男，本科,助理工程師。

TH122

B

1674-8646(2017)08-0080-02