機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)運(yùn)用實(shí)踐

宋忠超

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的提升，我國各個(gè)行業(yè)都在朝著信息化、自動化的方向大步前進(jìn)，在激烈的市場競爭中，只有通過優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新才能立于不敗之地，并滿足當(dāng)前社會發(fā)展需求。機(jī)械產(chǎn)品是我國發(fā)展的重要基礎(chǔ)，但目前的設(shè)計(jì)技術(shù)并不能滿足時(shí)代發(fā)展需求，因此對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行深入分析，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)；運(yùn)用實(shí)踐

引言

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是指在系統(tǒng)優(yōu)化背景下，采用綜合運(yùn)用設(shè)計(jì)的方式，以此來實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的需求和質(zhì)量，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案和標(biāo)準(zhǔn)。目前傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要采用機(jī)械產(chǎn)品加工工人和其他類型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)為主要的模板，運(yùn)用長時(shí)間的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和觀察最后來確定整體的設(shè)計(jì)方案，在產(chǎn)品加工后期要盡心檢測來確定是否符合整體的質(zhì)量要求和標(biāo)準(zhǔn)。這一設(shè)計(jì)過程不僅僅需要大量的時(shí)間，同時(shí)還會給機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)埋下安全隱患，給機(jī)械產(chǎn)品加工過程帶來問題和困難。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是通過進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)以及尺寸優(yōu)化技術(shù)，利用科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方式，確定整體機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。這樣做不僅僅能夠保證機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)也能夠確保機(jī)械加工的精確度，確保效率和質(zhì)量同時(shí)進(jìn)行，提升機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工的水平，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展，滿足時(shí)代進(jìn)步的需求，促進(jìn)企業(yè)能夠在激烈的市場競爭中占有優(yōu)勢。

1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和層次

1.1尺寸方面的優(yōu)化技術(shù)

尺寸技術(shù)優(yōu)化是確保拓?fù)渑c形狀關(guān)系不受影響，通過在優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，找到機(jī)械產(chǎn)品最佳的尺寸變量，通過運(yùn)行實(shí)現(xiàn)重新組合，進(jìn)而制定最高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1.2形狀方面的優(yōu)化技術(shù)

在對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不但要保證產(chǎn)品尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)，還要在外觀上滿足實(shí)際施工需求。因此，形狀優(yōu)化技術(shù)要確保機(jī)械產(chǎn)品拓?fù)潢P(guān)系恒定，在對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要找到最佳形狀變量，根據(jù)設(shè)計(jì)不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，找到能夠與實(shí)際工程相符的形狀，讓機(jī)械產(chǎn)品發(fā)揮使用功能。

1.3拓?fù)浞矫娴膬?yōu)化技術(shù)

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是利用離散結(jié)構(gòu)對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化的，但在優(yōu)化過程中，要注意孔洞數(shù)量，以及形狀與分布現(xiàn)象，還要對結(jié)構(gòu)邊界采取優(yōu)化措施。離散結(jié)構(gòu)拓?fù)浼夹g(shù)是確保機(jī)械產(chǎn)品數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的核心技術(shù)，保證各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)連接方式。

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的設(shè)計(jì)方式

2.1要確定目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，要通過確立目標(biāo)函數(shù)，明確機(jī)械產(chǎn)品在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)行有效的設(shè)定和研究，對工程中提出的具體要求也能夠進(jìn)行設(shè)置和整理，并且通過設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，盡量減少變形所帶來的壓力和程度。

2.2進(jìn)行函數(shù)變量的設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中確立的函數(shù)，下一步要對函數(shù)中相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究和確定，機(jī)械產(chǎn)品的參數(shù)設(shè)定主要有結(jié)構(gòu)組成中的幾何參數(shù)以及物理參數(shù)，比如在設(shè)計(jì)中設(shè)定零件的長度、寬度、厚度等，這些參數(shù)都會影響機(jī)械產(chǎn)品和質(zhì)量和效率。如果在參數(shù)設(shè)計(jì)中存在相關(guān)不合理數(shù)據(jù)，會直接對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時(shí)也會影響到企業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提升。

2.3約束條件的規(guī)定

在完成函數(shù)變量設(shè)計(jì)之后，要在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中增加一些要求，在設(shè)計(jì)過程中加入一些約束條件，之后才能夠進(jìn)行加工和制造。約束條件主要是指在計(jì)算中要確定函數(shù)變量能夠處在相對的約束范圍內(nèi)，比如能夠設(shè)定一些極值的設(shè)定和管理。

2.4選擇最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)方式

選擇最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的最后過程也是關(guān)鍵點(diǎn)。面對各種各樣，各具特點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，要慎重的進(jìn)行選擇和評價(jià)。這就要確定對機(jī)械產(chǎn)品工程進(jìn)行具體分析，結(jié)合實(shí)際問題和現(xiàn)象進(jìn)行合理的選擇和研究，最后來選擇一個(gè)適合的機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式，在進(jìn)行加工制造之前，要讓專業(yè)技術(shù)人員對方案從全方位的監(jiān)督進(jìn)行分析和評價(jià)，以此來提高機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平。

3機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)部優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用策略

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)知識水平，只有熟練掌握機(jī)械相關(guān)知識，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)械知識以外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)其他知識的修養(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

設(shè)計(jì)的過程需要綜合運(yùn)用所有學(xué)科的知識點(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，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，只有將這些所學(xué)的知識綜合運(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，按照知識板塊分解成若干個(gè)單元，按照相對應(yīng)的知識體系進(jìn)行相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的確定，再按照理論知識的原理進(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。

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空間，重復(fù)的、沒有創(chuàng)意的東西很難贏得市場的青睞，也就是說，一個(gè)公司要想成長和進(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，積極對產(chǎn)品進(jìn)行改造，在推出新產(chǎn)品的同時(shí)，也要對原有產(chǎn)品進(jìn)行改造，最終目的都是為了適應(yīng)市場需求，使企業(yè)具有一定的競爭力。

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)了他們設(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。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）