机械结构优化设计应用与趋势研究

机械结构优化设计应用与趋势研究

机械结构的优化设计，就是在计算机技术等高科技手段的支持下，为了提升机械产品的性能、工作效率，延长机械产品的工作寿命，对机械产品的尺寸、形状、拓扑结构和动态性能进行优化的过程。这是机械行业发展的必然要求，也是信息时代的必然要求。机械结构的优化设计，必须在保证机械产品满足工作需要的前提下，通过科学的计算来实行。文章将简单对机械结构优化的发展状况进行介绍，列举几种机械结构的优化设计类型，并预计一下未来机械结构的优化设计的发展趋势。

标签：机械结构；优化设计；发展趋势

前言

机械产品的应用范围是极其广泛的，深刻影响着我国各行各业的发展。为了机械产品能够在人们的生产和生活中正常发挥作用，机械结构的优化设计是十分必要的。我国在机械结构的优化设计方面，已经展开了诸多的研究，并取得了一定的研究成果。主要表现在汽车工业、焊工航天、船舶行业等几个领域。机械结构的优化设计，不仅在提升机械产品的性能方面具有重大作用，对于机械制造业增强自身的竞争力，在未来的市场中立足也有深远的影响。

1 机械结构优化的发展概况

科学技术的进步，加快了机械产品更新换代的步伐。以往的机械产品的制造，大多采用的是一种批量生产的方式，产品的种类极其单一。而现在，机械产品的制造更多采用的是一种小批量、多种类的生产方式。为了增强企业的竞争力，在市场上占据更大的份额，机械产品的生产要尽可能地缩短生产的周期，降低生产的成本。机械结构的优化设计就是为了这一目标而服务的。通过优化设计，机械产品的生产时间缩短了，生产成本降低了，生产效率提高了，企业可以以更快的速度抢占市场，适应激烈的市场竞争。

机械结构的优化设计出现于20世纪60年代初期。它是数学中的最优理论与工程设计学相结合的产物。这一学科根据工程设计的理论，通过数学方法在大量的设计方案中选取最好的，大大提高了机械产品的性能，降低了机械产品的生生产成本，缩短了生产周期。目前，机械结构的优化设计，已经应用于航空航天、交通工具、船舶制造、建筑、纺织、冶金等各个领域[1]。

目前，机械结构的优化设计主要按照以下的流程来进行：首先，确定优化设计的目标函数，这是为了让机械产品的一些技术指标达到要求；然后要设计函数变量，这些变量大多是机械产品的结构参数，比如长度、厚度、弧度等；再接下来要进行约束条件的设定，限定计算过程中变量的浮动范围；最后，会得出多种的设计方案，需要对这些设计方案进行评价，根据机械产品的生产需要确定最佳方案。

2 机械结构优化的设计类型

2.1 机械结构的尺寸优化

在机械结构的设计中，对于尺寸的要求是非常精准的。机械结构的设计，必须能够保证零件的尺寸大小符合实际工作的要求。对于多个零件组成的机械构件，如果有一个零件的尺寸不符合要求，就会影响各个零件的连接效果，造成机械的磨损程度加剧，甚至导致机械设备报废。某个构件的关联零件数越多，机械结构越复杂，尺寸的精细度要求越高。机械结构的尺寸优化，前提是保持机械产品的形状和拓扑关系不变，然后再通过计算机技术的手段调整具体尺寸的变化，使机械产品的性能得到进一步增强。

2.2 机械结构的形状优化

想要提高机械设备的性能，也可以从机械结构的形状入手。但是，很多大型的机械设备结构复杂，各个构件的形状复杂，难以进行分析，给优化设计工作带来了很大的困难。从20世纪60年代起，关于这一难题的研究开始在国内外的机械行业盛行起来，大量研究成果也纷纷涌现。在我国的结构优化方面，也有王世军对机器人结构的优化设计、田方对轴对称机械零件的结构优化等研究成果。

2.3 机械结构的拓扑优化

以前，机械结构的优化设计把主要精力放在优化结构参数上。对于机械零件的拓扑结构，展开的研究很少。随着人们在机械结构的设计方面意识的提高，人们开始注意在拓扑结构方面的优化设计。拓扑结构的优化，主要体现在连续结构和离散结构两方面。连续拓扑结构的优化设计，主要是对孔洞的个数、孔洞形状和分布和部分结构边界的优化；而离散结构的优化设计，则要从各个关键点的连接方式入手，实行的前提是这些关键点是位置确定的[2]。

2.4 机械结构的动态性能优化

机械产品的动态性能，就是机械结构在受到外界作用时，表现出来的外型上的变化规律，还有一些相关的运动参数。机械产品的动态性能，可以反映机械产品工作强度的大小和工作寿命的长短。所以，对机械结构的动态性能进行优化，能够减轻机械的工作负担，在同样工作强度的条件下延长了机械产品的使用寿命。

2.5 多学科结构的优化

机械结构的优化设计，要从多个学科的角度入手。如果只从某个学科的角度来考虑，往往会导致优化设计的结果不够理想。MDO理论就是一种为了更好达到优化设计的目标，提倡结构优化设计应该系统化、总体化、多学科化的新理论。这一理论的提出，必将提高机械产品的设计优化程度，已经引起了诸多专家学者

的注意，并对其展开相关研究。

3 机械结构优化的发展趋势

机械结构的优化设计，是随着时代和行业的发展而不断变化的。近年来，机械结构的优化设计开始趋向于结构模型的复杂化和结构系统的大型化。设计变量的增加，导致结构的分析推导和数值的计算难度增加，一些特殊的结构优化没有相应的公式。采用大型的结构系统进行优化设计，可以将一些复杂的结构分解为各个子结构进行优化，对于一些涉及多个学科的设计优化，也可以按照学科不同来进行优化。

并行计算技术的运用，是机械结构的优化设计的另一个发展方向。这一技术的主要代表有遗传算法和模仿神经网络的人工算法。这种算法适用于离散与连续混合变量的全局优化，能够提高机械产品的质量和精确度。

拓扑结构的优化设计仍然是结构优化设计的主要研究内容。拓扑结构的优化，能够为结构方案的设计提供科学依据，可以根据产品的需要灵活选择设计方案，一般运用在大型机械的结构设计上，需要构建大型的结构模型，进行复杂的结算。拓扑结构的优化，同时也能促进机械结构尺寸的优化和形状的优化，提升机械产品的性能。目前这方面主要存在的问题有对于应力约束的处理、“多孔状”材料的分布、计算模型的病态等[3]。解决这些难题，是拓扑结构优化在未来的重点工作内容。

我国对机械结构的优化设计展开的研究也涉及到了很多方面，比如广义角度的优化设计、全性能的优化设计、模糊优化设计、可靠性的优化、光机电的一体化、人机一体化等等。这说明我国在机械优化设计的研究已经迈入了世界先进领域。在未来，我国的主要研究课题有多学科优化、结构优化的模型建立、结果分析与灵敏度分析、大规模问题的求解等。

4 结束语

机械结构的优化设计，给机械产品的质量和性能带来了提升，给机械行业的发展带来了机遇。通过优化设计，机械产品的生产周期大大缩短，机械产品的制造企业竞争力大大增强。我国的机械行业应当积极把握结构优化分析的发展方向，提高优化设计的技术水平，让机械制造业发展到一个新的高度。

参考文献

[1]杨天平，唐宏.机械结构优化设计应用与趋势分析[J].电子制作，2013，11：189.

[2]刘世庚，张德珍，徐淑琼.机械结构优化设计研究应用及前景展望[J].科技视界，2014，16：107.