李璐
天津市德安石油工程有限公司 天津 300457
機械結構設計具有以下特點:①一體化設計。機械結構設計思考、繪圖、計算等工作是統(tǒng)一的、緊密相連的。這就意味著機械結構設計的工作量比較大,出現的問題比較多,設計人員若想保證機械結構設計的質量,就要深入探討整個機械結構設計過程,盡可能地保證每一個設計環(huán)節(jié)都能準確、完善。②涉及的問題比較多,且具有復雜、多解的特征。比如,對于同一個設計,可以制定多個設計方案。作為設計人員,應充分發(fā)揮自身的主導作用,從中選擇最佳的設計方案,保證機械結構設計的質量。③活躍性最強。在機械設計中,需要對方案不斷地修改、優(yōu)化、完善,以滿足設計要求。這一過程是非常繁瑣、復雜的。
首先,在機械結構設計中要考慮幾何要素。相對來說,機械結構設計是一項非常精密的工作,各部分之間的咬合、位置、距離都需要經過精心設計。在這一過程中,必須要考慮幾何要素、科學設計機械零部件的面,并充分考量各零部件的接觸設計。其次,在機械結構設計中要充分考慮聯(lián)結要素。設計人員不僅要對單個零件的設計進行分析,更要充分考慮不同零件之間的聯(lián)接問題,尤其要科學地設計不同零部件之間的功能面聯(lián)接方法。另外,在機械結構設計中,不同零部件之間的聯(lián)接包括直接聯(lián)接、間接聯(lián)接兩種。在直接聯(lián)接的設計中要充分考慮其功能面之間的縫隙問題,確保功能面之間的摩擦力最小,在間接聯(lián)接中則要充分考慮聯(lián)動軸設計[1]。最后,材料要素。材料選擇對機械結構設計的影響非常大,尤其是在一些易磨損的部位,必須要選擇耐磨損、質量好的零件,保證機械設備的運行效率。
隨著社會發(fā)展需求變化以及科學技術發(fā)展,市場對產品的需求種類和質量要求有很大提升,各個企業(yè)都在加強自主創(chuàng)新,產品更新?lián)Q代速度較快,多品種化的生產模式成為了市場主流。企業(yè)為了能提升市場占有率,不僅需考慮產品制作成本,還需考慮生產周期,因此,需從機械結構設計方面著手,提升生產效率??茖W優(yōu)化機械結構設計,通過改變結構形式增強機械功能,可以幫助企業(yè)快速的攻占市場,縮短生產周期,提升產品質量,滿足市場的需求。機械功能優(yōu)化設計從上世紀就已經被提出,其屬于一種新型的學科,是將優(yōu)化理論與結構設計相結合,結合生產實際在多個方案中選擇最為科學合理的設計方案,保障機械結構質量有所提升[2]。在我國建筑行業(yè)、交通、冶金以及航空等領域中優(yōu)化設計被廣泛應用,其社會經濟效益顯而易見。因此,機械結構優(yōu)化設計的應用具有廣闊的前景,需要專業(yè)人員加強技術研究和掌握。
在機械結構設計過程中,不同的材料的性能各不相同。往往要考慮材料的硬度、表面處理方式、加工性能、價格、原材料、耐磨性、熔點、耐腐蝕性及其他眾多物理、化學性能。往往會針對不同的客戶需求,因交期、價格、性能等因素,需要對機械結構改進、創(chuàng)新,而材料變元法往往是優(yōu)化的主要方法之一。隨著我國工業(yè)的發(fā)展,常見金屬和非金屬材料的普及化,更多的應用場合可以有多種材料相互替代。通過對各種金屬材料和非金屬材料的特性對比與分析,選取合適的材料達到創(chuàng)新的結構設計。在產品結構的創(chuàng)新優(yōu)化過程中,往往通過改變一個特征或者零件的位置,能達到很好的優(yōu)化設計。通過零部件或特征的位置變元,使產品結構變化,可以得到更好的結構空間。位置變元也可以改變受力產品的受力情況,使得產品達到更優(yōu)化的方案。在產品零件的選用過程中,成本設計也是每個機械設計師要考慮的重要因素之一。低成本部件的數量的增加可以增強機械強度,通過低成本零部件數量的增加提高產品的性能,可以降低其他配套高成本零部件的數量。在裝配設計過程中,螺栓的選用是設計工作的一個重要部分,可以通過優(yōu)化螺栓的種類的數量,達到裝配的創(chuàng)新。為了裝配的便捷性,提高裝配工人的裝配效率,機械設計師往往會通過減少螺栓種類數量的方法,減少安裝工具種類數量,減少螺栓統(tǒng)一安裝螺栓預緊力數值。與此同時,品類的數量變元,還會在原材料的采購、物料的倉儲運輸、產品的維護等方面起到至關重要的作用。
機械產品的性能動態(tài)會對結構設計強度以及機械壽命產生一定影響,因此,需優(yōu)化結構的動態(tài)性能,從而實現機械結構的合理優(yōu)化設計。結合對機械結構動態(tài)性能過程的分析和研究,對于大型機械結構來講,動態(tài)結構分析作用較大,需全面搜集機械相關信息,了解生產需求,從而使設計更加科學合理。
機械結構優(yōu)化設計不僅需要對優(yōu)化預期結果進行評判,還需要明確優(yōu)化設計的目標,從整體上構思機械結構,促進結構優(yōu)化設計的系統(tǒng)化發(fā)展。MDO 理論為一種新型結構優(yōu)化理論,其被廣泛應用于機械結構優(yōu)化、衛(wèi)星總體設計、機器人優(yōu)化設計等領域中,為優(yōu)化設計提供了理論保障和基礎,使產品質量大大提升,生產效率也有所提升,在機械結構優(yōu)化中發(fā)揮重要作用[3]。
機械產品從需求、使用到維護的各環(huán)節(jié)中,機械結構設計起到了非常關鍵的作用?,F階段,部分產品的設計存在或多或少的不足。這就要求機械設計師要不斷提高自身的專業(yè)技能,拓寬設計思路,學習先進結構設計方法,不斷優(yōu)化結構設計,提高機械結構的總體質量。使企業(yè)產品做強,推動機械制造業(yè)進一步發(fā)展,提高機械行業(yè)水平,實現強國夢想。