机械结构优化设计的实现分析

机械结构优化设计的实现分析

摘要：随着我国科技进步与科学技术飞速发展，在社会生产生活中，机械设备

成为重要的生产工具。科学技术的发展使机械结构不断完善，突破传统的机械结

构设计模式，提高机械产品的动态设计能力。通过分析当前机械行业的发展了解到，机械结构动态设计是机械结构设计的重中之重。因此，应根据机械结构的整

体发展需求完善结构，突出机械结构设计的动态化，使机械制造品能够符合当前

时代的发展需求。

关键词：机械结构；结构设计；优化措施

一、简析机械优化设计的应用范围

就当前情况来看，机械结构动态优化设计已经应用在了现代化科技建设中，

如航空航天、汽车工业、机械自动化等，同时在应用的过程中也取得了一定的成绩。距2018年底的不完全统计，关于机结构优化设计的论文共2063篇，其中以

优化为关键词的论文有65324篇，由此可以看出，机械结构优化设计在当前时代

中尤为重要。

（1）航空航天

航空航天技术是我国当前先进的科学技术，航空航天技术发展代表着我国的

综合水平与科技能力。在当前时代中，大量的科学技术都是在航空航天领域首先

研发、推广的，而在这之中，机械结构优化的发展最快，并且应用面广，是个在

航空航天领域加以应用。航空航天领域在我国有着极其重要的地位，因此机械结

构优化设计得到了广泛的应用，并且也得到了我国的充分重视。

就当前情况来看，我国结构优化设计的研究基本集中在航天航空领取，大量

的研究论文与研究报告也都出自航空航天领域，无论国外还是国内都是这样的现象。国内在机械结构优化时研究了飞机机身与飞机整体结构，同时也研究了火箭

的发动机装载体与航空发动机轮盘，并以此发表了大量的机械结构优化论文与研

究报告，为我国机械结构优化提供了方向。我国的航空航天业研究机械结构取得

了巨大的成功，同时也为我国航天航空的发展做出了贡献，促进了我国综合水平

与科技能力的提升。

（2）船舶制造业

船舶制造业的结构优化设计相对国外的船舶制造业的结构优化设计起步较晚，我国自20世纪开始研究船舶结构优化设计，相对于国外晚了近10年。但是，就

目前情况来看，我国船舶制造业结构优化设计的研究依然取得了巨大的突破，收

获了结构优化设计的研究成果。例如，在潜艇结构、游轮表面结构、货仓结构、

液压仓结构等结构优化设计都取得了成果，提高了船舶制造业的发展，并为船舶

制造业提供了可靠精确的结构设计[1]。

图1.货仓机械结构优化机械臂

（3）汽车产业

在当前时代中，汽车产业是我国机械结构优化设计应用最广泛的领域之一，

结构优化设计在汽车产业中不断创新，同时汽车产业也是我国经济发展的重要行业。全国的各个地区都十分重视汽车产业的发展，因此，将衔接的结构优化设计

应用在汽车产业中可以提高汽车产业的质量，为我国经济发展做好铺垫。我国汽

车产业结构优化设计已经有了大量的研究成果，国内学者将DDDU-2软件包应用

在了汽车产业的结构优化设计中，一些国内学者也进行了万向节传动布局的支撑

动态结构优化设计，并对汽车机械结构框架以优化设计进行了研究，提升了汽车

悬挂系统的实际应用效率，并对汽车发动机与汽车车身以结构优化设计进行了研究，得出了大量的研究报告，为我国企业产业的发展提供了有效推动了。

国外也对汽车产业进行了大量的结构优化设计研究，例如Bae研究了公共汽

车的立柱结构优化，Takahashi进行了公共汽车车身机械结构优化设计研究等，其主要目的是为了提高汽车产业的发展。

图2.汽车机械结构优化过程

（4）通用机械与机床

通用机械与机床的结构优化设计是我国机械结构优化设计成功应用的领域之一，其主要研究方面是将现有的科学技术与结构优化设计进行有效结合，使复杂

的大型通用机械与机床的结构更加合理、数据更加精确。在通常情况下，一般的

机械零部件都是连续体结构，将连续体结构进行分解时非常复杂，因此对机械零

部件进行结构优化设计较为困难。我国的相关机械结构优化设计研究较为突出，

可以查找到大量的结构优化参考文献：，一些参考文献：是根据机械设计中的离

散设计变量来完成的研究，并提出了离散设计变量结构优化的设计方法。在我国

的一些研究报告与论文中对机床床身零部件机械结构优化设计与原著拉压弹簧动

载结构优化设计进行了突破性创新，将机械结构优化设计应用到了机械与机床中。这些参考文献：与研究工作的开展使得我国机械结构优化设计更加快速，且使机

械结构优化设计变的更为有效，成为了当前时代中机械与机床中的可靠设计方法，提高了机械与机床产品的设计水平。

二、机械优化设计中的内容分析

（1）综合各个学科的设计

由于机械产品的设计过程十分复杂，因此在设计过程中，要注意要从多个学

科的角度对设计方案进行综合性考虑。首先需要从工程整体的角度，运用相应的

知识对其进行目标函数的确定，将整体设计系统以板块进行区分，使函数变量得

以优化。在板块设计完成后，要根据其内容将其从新连接，实现有机组合，是使

机械优化设计更加完善[2]。

（2）优化遗传算法

遗传算法的哲学基础使达尔文理论的延伸，其强调“物从天降，适者生存”遗

传算法放弃了传统遗传算法的优化算法，以单个计算点为基础，优化了机械结构

计算的过程，使数据更加精。遗传算法的优化可以同时操作计算过程中的多个计

算点，将所有计算点作为一个整体，将结果优化后使结果成为最优解。我国学者

应用遗传算法对天线罩的结构壁进行了厚度上的优化，部分学者应用遗传算法将

水下机器人的控制系统机械结构进行了优化，将编码策略应用在了模糊控制中，

并讨论了复制与变异的遗传操作，是模糊控制器的应用达到当前时代的最优化，

最优化的模糊控制器的反应速度更快，且超调更小。部分学者利用遗传算法对将

航空发动机的管道线路进行了机械结构优化设计，以传统遗传算法为基础，将一

串算法不断优化，在通用有限元软件 NASTRAN 的平台，开发了机械结构优化程序，使航空发动机的管道线路所得遗传算法值为最优解。在实际的生产中，有大量的

遗传算法的实际例子，由此可以得出遗传算法在机械结构优化的各个领域中都有

良好的应用效果。

（3）提高设计人员的自身能力

机械设计优化人员对专业能力的要求较高，因此应对其以高标准进行要求，

使其掌握多方面的能力。在实际工作中，应当加强对机械结构优化设计人员的考