機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用與趨勢分析

王宏鳴 趙明月

摘 要：機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)指的是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)等科技水平高的支持、以強(qiáng)化機(jī)械產(chǎn)品的工作效率與性能、增加產(chǎn)品使用壽命為目的、從形狀、動態(tài)性能、尺寸以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這四方面入手優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品的過程。隨著信息時(shí)代以及機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是大勢所趨。但是必須確保的是，在優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)之前，一定要確保機(jī)械產(chǎn)品迎合工作需求，采取科學(xué)、合理的計(jì)算方式實(shí)施優(yōu)化。本文首先簡要的闡述了當(dāng)前機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體發(fā)展情況，并介紹了幾類機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)類別，由此得出機(jī)械結(jié)構(gòu)后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展態(tài)勢。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì);應(yīng)用;機(jī)械結(jié)構(gòu);發(fā)展趨勢

1 前言

目前，機(jī)械產(chǎn)品得到了大范圍的運(yùn)用，對我國各個行業(yè)的發(fā)展形成了巨大的影響。為有效確保機(jī)械產(chǎn)品的作用能夠在人類生活、工作中得以正常發(fā)揮，有必要對機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。截至目前，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面我國進(jìn)行了大量研究，且小有成就，其中，在焊工航天、汽車工業(yè)以及船舶行業(yè)等領(lǐng)域的表現(xiàn)最為突出。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響顯著，既體現(xiàn)在機(jī)械產(chǎn)品性能的改善上，又體現(xiàn)在機(jī)械制造業(yè)的競爭力的強(qiáng)化上，同時(shí)也有助于機(jī)械制造業(yè)的后續(xù)發(fā)展。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)類型

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化

在設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，對尺寸提出了較高的要求，務(wù)必要確保零件的尺寸合乎相關(guān)規(guī)定。針對多種零件構(gòu)成的機(jī)械構(gòu)件而言，倘若其中有一個零件的尺寸不達(dá)標(biāo)，勢必會對零件的連接效果產(chǎn)生影響，使機(jī)械受損問題更加突出，更有甚者會致使機(jī)械設(shè)備喪失使用價(jià)值。某一構(gòu)件的關(guān)聯(lián)零件的數(shù)量愈多，機(jī)械結(jié)構(gòu)的繁雜程度愈高，尺寸的精細(xì)度的要求就會愈高。在優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸之前，務(wù)必要確保機(jī)械產(chǎn)品的拓?fù)潢P(guān)系與形狀不發(fā)生改變，采取計(jì)算機(jī)技術(shù)的方式對詳細(xì)的尺寸加以調(diào)節(jié)，從而改善機(jī)械產(chǎn)品的性能。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化

要想有效提升機(jī)械設(shè)備的性能，可考慮把機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀作為切入點(diǎn)。然而，大量大型的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的形狀均比較繁雜，很難加以深入的分析研究，致使優(yōu)化設(shè)計(jì)工作開展得極為不順暢。自上世紀(jì)六十年代開始，此問題的研究日趨增多，在此大背景下出現(xiàn)了許多研究成果。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)上方面，王世軍、田方等人也展開了相關(guān)研究，并得出了一系列成果。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

在過去，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將大部分精力置于結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化上，很少有人研究機(jī)械零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于人類設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的意識的逐步增強(qiáng)，人類開始將注視目光置于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)從離散結(jié)構(gòu)與連續(xù)結(jié)構(gòu)兩處入手。在優(yōu)化設(shè)計(jì)連續(xù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)致力于優(yōu)化孔洞形狀、數(shù)量、分布及其一些結(jié)構(gòu)的邊界。而在優(yōu)化設(shè)計(jì)離散結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)著眼于所有關(guān)鍵點(diǎn)的連接方式，以此為切入點(diǎn)[2]。

2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能優(yōu)化

機(jī)械產(chǎn)品的動態(tài)性能指的是在外界的作用下機(jī)械結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出的外型方面的變化規(guī)律及其有關(guān)運(yùn)動參數(shù)。機(jī)械產(chǎn)品的動態(tài)性能基本上是通過機(jī)械產(chǎn)品的工作壽命及其工作強(qiáng)度反映出來的，因此，通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，既能有效減小機(jī)械的工作壓力，又能在工作強(qiáng)度不變的前提下有效增加機(jī)械產(chǎn)品的使用時(shí)間。

2.5 多學(xué)科結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)自多個學(xué)科的角度著眼。倘若僅僅從某一學(xué)科的立場進(jìn)行思量，通常會造成優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果不盡人意。MDO理論是種為達(dá)成優(yōu)化設(shè)計(jì)目的、倡導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)總體化、系統(tǒng)化、多學(xué)科化的新型理論。該理論的出現(xiàn)，可在一定程度上提升機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化水平，博得專業(yè)人員的注意力。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展趨勢

機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是行業(yè)與時(shí)代發(fā)展的必然結(jié)果，最近幾年以來，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)朝著結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的大型化、結(jié)構(gòu)模型的繁雜化的方向發(fā)展。隨著設(shè)計(jì)變量的逐步增多，數(shù)值的計(jì)算難度、結(jié)構(gòu)的分析推導(dǎo)難度也在不斷提高，部分特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化缺乏與之對應(yīng)的公式。選取大型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)，能有效的分解部分繁雜的結(jié)構(gòu)，使之變成子結(jié)構(gòu)。同時(shí)，也可結(jié)合不同的學(xué)科優(yōu)化多學(xué)科的設(shè)計(jì)。

采用并行計(jì)算技術(shù)，是進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的另一發(fā)展態(tài)勢。目前，運(yùn)用范圍較廣的技術(shù)有模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工算法與遺傳算法。該算法對連續(xù)及離散混合變量的全局優(yōu)化更為適用，能有效提升機(jī)械產(chǎn)品的精確度與質(zhì)量。

目前，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)依舊是進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的一大核心內(nèi)容。通過優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案創(chuàng)造憑證，也可結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際需求選出對其適用的設(shè)計(jì)方案，通常宜用于大型機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，但必須建立大規(guī)模的結(jié)構(gòu)模型，實(shí)施繁冗的結(jié)算。同時(shí)，優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能起到優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀與尺寸的作用，改進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品的性能。如今，在這方面還存在一些問題，最突出的有：“多孔狀”材料的布局、應(yīng)力約束的處置、計(jì)算模型的病態(tài)等[3]。在后續(xù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化工作過程中，處理上述問題將是一大重點(diǎn)。

我國對機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行的研究范圍較廣，牽扯面大，涉及的范圍包括全性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)、光機(jī)電的一體化、模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)、人機(jī)一體化、廣義角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性的優(yōu)化等。從這可看出，當(dāng)前在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方面我國的研究走入了國際領(lǐng)先的領(lǐng)域。未來，我國研究的目標(biāo)將覆蓋了構(gòu)建結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型、大規(guī)模問題的求解、多學(xué)科優(yōu)化、結(jié)果分析和靈敏度分析等。

4 結(jié)束語

機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效改善機(jī)械產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，為機(jī)械行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造契機(jī)。依靠優(yōu)化設(shè)計(jì)，能大幅度縮短機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、提升制造機(jī)械產(chǎn)品的相關(guān)企業(yè)的競爭力。為此，我國機(jī)械行業(yè)務(wù)必要找準(zhǔn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的發(fā)展方向，有效增強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)水準(zhǔn)，使機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展更上一層樓。

參考文獻(xiàn)：

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