優(yōu)化設計在機械設計中的應用實踐

趙爽

摘要：為了更好把機械設計應用于實踐工作中，優(yōu)化設計起著重要作用。優(yōu)化設計把機械設計與數(shù)學規(guī)劃理論和方法相結合，借助電子計算機，在滿足多種設計目標和約束條件下，尋求最優(yōu)設計和最佳設計參數(shù)，同時使機械設計的應用效率提高，使實際工作中的難題變得迎刃而解。因此優(yōu)化設計應用于機械設計中，對機械設計進行動態(tài)分析與優(yōu)化，將極大的提高機械產(chǎn)品質量。

關鍵詞：優(yōu)化設計;機械設計;應用;實踐

1機械設計中的優(yōu)化設計概述

傳統(tǒng)的設計方法只能得到有限的候選方案，并不能得到一切可能方案的“最佳方案”。機械優(yōu)化設計，相比于傳統(tǒng)的機械設計來說，是一種全新的概念，它是為了讓機械的設計質量更高，效率更高而產(chǎn)生的。想要讓機械設計得到優(yōu)化，首先要認識到機械設計存在的客觀規(guī)律，然后將物理模型轉化為數(shù)學模型，選擇設計變量，列出約束條件，然后通過適當?shù)募s束方法來求解數(shù)學模型，分析優(yōu)化結果，選出最為適合的方案[1]。

2機械設計原則

2.1 整體性原則

在開展機械設計工作的時候，設計人員應站在整體層面上，依照機械的各項參數(shù)和對零部件的實際要求及標準，實現(xiàn)機械設計整體精確度的有效提高，確保每個零件和機構能進行合理配合，并完成最終的設計工作[2]。

2.2綜合性原則

機械制造需要人們進行實踐和實際操作，機械設計工作則是更注重于理論研究。根據(jù)這一點，在開展機械設計工作的過程中，需要將實踐和理論進行有效結合，在遵循綜合性原則的基礎上，合理進行機械設計能提高其自身的科學性和可行性。同時，設計人員要將實際設計經(jīng)驗和機械具體應用情況進行聯(lián)系，在保證機械符合生產(chǎn)要求的同時，盡可能地提高機械設計的質量[3]。

3優(yōu)化設計在機械設計中的應用實踐

3.1突出環(huán)保的設計理念

現(xiàn)階段，人們對產(chǎn)品的綠色環(huán)保指標和要求變得更加嚴格，在提高產(chǎn)品質量的同時更加關注產(chǎn)品本身的環(huán)保性能和水平，因此機械制造企業(yè)需要在機械設計工作中加入綠色環(huán)保的理念和意識，在機械制造工藝中實現(xiàn)材料利用率的顯著提高。在機械制造中，應對產(chǎn)品制造的應用場景和性能水平進行綜合分析，結合綠色環(huán)保的設計理念，做好原材料的選擇和控制工作，避免造成原材料的浪費情況。同時，設計人員還要盡可能減少機械制造中的各種污染物的生成，保證機械制造過程的環(huán)保。隨著人們在材料領域的深入研究和探索，制造出許多如可降解材料、無污染材料等具有環(huán)保效果的生產(chǎn)制造基礎材料，在機械設計和制造工藝中充分利用這些材料能增強機械的環(huán)保效果，促進企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標[4]。

3.2采用遺傳算法有效提升機械優(yōu)化設計的質量

機械設計方案具有一個短板，那就是每個機械設計，都必須有不同的優(yōu)化設計方案，即使有些優(yōu)化設計方案有一定的相似性，這些方案也不可能完全兼容所有的設計方案，因此，每個優(yōu)化設計方案，必須根據(jù)機械設計的實際情況進行優(yōu)化。我國機械設計經(jīng)常采用遺傳算法來對機械設計方案進行優(yōu)化，遺傳算法是一種概率算法，是模仿生物進化過程的一種算法，這種算法是隨機的，該算法不需要很多的信息作為支持，它可以直接設計出比較完美的設計方案，而且可以保障機械設計的最大收益，這種算法設計出的機械設計方案，比較的全面，而且保證了方案的優(yōu)勢。但是，這種算法也不是萬能的，具有一定的缺陷，因為下一代的設計方案，不一定比上一代的設計方案好，有可能還不如上一代機械設計方案，因此，設計師必須對每一代的設計方案進行篩選，以確定最優(yōu)的機械設計方案，即使遺傳算法不是完美的，這種算法對于機械設計的優(yōu)化還是要比傳統(tǒng)的機械設計優(yōu)化要好，因此在我國機械設計的優(yōu)化中得到了廣泛應用。但是，隨著科學技術的發(fā)展，機械工程也日趨復雜，必須采用全新的機械設計理念，對機械進行優(yōu)化設計，因此，針對遺傳算法，也必須有一定的優(yōu)化，才能讓遺傳算法更加適應新時代的機械設計優(yōu)化[2]。

3.3優(yōu)化機械設計加工工序

機械加工環(huán)節(jié)是所有產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)中最關鍵的步驟，理應引起企業(yè)的重視。對此，作為企業(yè)管理部門，應該及時更新工序的操作系統(tǒng)，確保加工產(chǎn)品的步驟置身于透明化的管理中，同時高性能的加工工序不僅能夠較少產(chǎn)品資金流向，還能夠最大限度地為企業(yè)營銷打開市場。因此，還需要管理者建立監(jiān)督管理制度，嚴格按照規(guī)則說明的加工標準，進行加工，確保產(chǎn)品的質量，提高加工效率。在加工工具的選擇上，能選擇最合適的，就不選擇較合適的，較少返工次數(shù)，較少因為客觀因素造成的產(chǎn)品損失。

3.4完善機械行業(yè)規(guī)范

現(xiàn)階段，機械制造加工行業(yè)規(guī)范是由國家強制規(guī)定的，其整體的可操作性不高，所以人們首先應在現(xiàn)有規(guī)范基礎上對其展開進一步的完善和細化，進而實現(xiàn)所有機械制造加工作業(yè)都有規(guī)范要求，從而產(chǎn)生約束的作用。與此同時，為了盡可能降低應操作失誤而造成產(chǎn)品質量出現(xiàn)問題的概率，應建立健全質量安全監(jiān)督管理機制，安排專門的監(jiān)督人員對機械生產(chǎn)作業(yè)實施監(jiān)督和管理，在發(fā)生質量安全問題的時候及時解決。其次是要對操作人員進行強化管理工作，幫助其樹立正確的安全質量觀念和意識，確保機械生產(chǎn)作業(yè)能按照規(guī)范要求進行，并提高生產(chǎn)質量和效率。最后要做好產(chǎn)品的質量審核工作，根據(jù)質量標準和要求對產(chǎn)品展開詳細的檢查，避免不合格的產(chǎn)品被銷售和使用出去。

3.5采用先進的軟件技術協(xié)助優(yōu)化設計

因為機械設計的優(yōu)化就是建模的過程，因此，現(xiàn)在世界上針對機械優(yōu)化設計，一般都會采用 MATLAB。MATLAB 主要用于算法開發(fā)，數(shù)據(jù)分析及數(shù)值運算的高級計算語言和交互式環(huán)境。它最主要的功能就是建模并自帶多種內(nèi)置函數(shù)，供使用者在優(yōu)化設計的過程中直接利用，高效的數(shù)值運算和符號計算功能，使用戶從復雜的數(shù)據(jù)運算和分析中解脫出來。并且通過這些函數(shù)，使用者可以得到最優(yōu)的數(shù)字解答，然后經(jīng)過一些篩選，獲得最優(yōu)的設計方案。該軟件還有一種強大的功能，就是具有完備的圖像處理功能，實現(xiàn)計算結果和編程的可視化，即以數(shù)學曲線和圖表的形式展現(xiàn)在使用者面前[4]。在具體設計時，應該充分使用該軟件的功能，以設計出最優(yōu)的設計方案。除此之外，MATLAB 還具有功能豐富的應用工具箱，例如信號處理工具箱，優(yōu)化設計工具箱等，為使用者提供了實用處理工具。在進行優(yōu)化設計中，只需建立優(yōu)化設計的數(shù)學模型，選擇優(yōu)化設計方法，并應用 MATLAB 進行編制優(yōu)化設計程序，就能夠得出優(yōu)化結果，最終經(jīng)過分析與篩選，得到最優(yōu)的設計方案。

結束語

優(yōu)化設計不同于靜態(tài)分析近似計算的傳統(tǒng)設計，它可以讓機械設計的功能更強大，而且也會讓機械設計的準確度和效率變得更高，在勞動量減少的同時，周期變短，廢品率降低。在具體的設計時，應該針對設計的具體要求，建立正確的數(shù)學模型、選擇合適的算法和合適的計算機軟件，以設計出最優(yōu)的設計方案。

參考文獻：

[1] ?徐立華，吳錚.可視化方法在機械優(yōu)化設計中的應用[J].南方農(nóng)機，2019，50（23）：46.

[2] ?曹偉.機械制造工藝優(yōu)化背景下機械設計策略選擇[J].科學技術創(chuàng)新，2019（27）：179-180.

[3] ?張榮寶.機械結構優(yōu)化設計應用與趨勢研究[J].設備管理與維修，2019（18）：86-87.

[4] ?尹尚.試論機械工程產(chǎn)品可靠性優(yōu)化設計要點[J].科技經(jīng)濟導刊，2019，27（22）：46.

[5] ?邢寶慶.機械產(chǎn)品設計的結構優(yōu)化技術運用實踐[J].中國設備工程，2019（12）：79-80.

（作者單位：博思特能源裝備（天津）股份有限公司）