机械结构优化设计应用与趋势分析79

机械结构优化设计应用与趋势分析

摘要：随着现代科学技术的发展，市场产品竞争也越来越激烈，产品品种的换

代速度加快，产品的复杂性在不断增加。所以产品生产正在以小批量、多品种的

生产方式取代过去的单一品种大批量生产方式。而这种生产方式，肯定会缩短产

品的生产周期，产品的成本也会降低，产品提高市场的占有率和竞争力也会提高。所以在机械结构设计中采用优化设计是满足市场竞争的需要。

关键词：机械结构；优化设计；应用；趋势

引言

机械产品应用范围相对较广，为确保机械产品在我国日常生活及企业从生产

中得到有效应用，实施优化设计十分必要。目前我国已经针对机械结构优化设计

进行了研究，并取得一定成果，主要表现在船舶行业、焊工航天以及汽车行业等。机械结构的优化设计可有效提高其产品性能并增加其自身市场竞争力，对其市场

发展起重要作用。

1.结构优化设计的类型

1.1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。

1.2优化机械结构拓扑

一般情况下传统的机械优化设计基本上都是设计以及优化结构参数，但是不

注重机械零件拓扑结构。随着不断提高设计和优化机械产品的意识，逐渐应用机

械产品设计理念，人们更加严格规范优化结构的需求，也越来越多的优化设计结

构拓扑。

1.3优化机械结构形状

为了能够合理增加机械的性能，一般都需要优化设计机械零件结构，但是经

常会形成很多设计难题，如，连续体形状复杂、结构多、分析结构困难等，因此，优化结构是可行的。上世纪八十年代，机械行业开始研究优化结构形状，并且国

外也综述分析优化结构形状。国内优化设计机器人结构形状、优化设计轴对称机

械零件形状、优化设计机械人重要结构形状。在分析提高机械零件性能的过程中，优化机械结构形状就变得十分重要。图1所示。

图1 优化设轴对称结构形状

1.4优化设计机械系统结构动态

机械产品动态性能会严重影响设计的寿命和强度，实现优化设计结构的基础

就是优化设计机械结构动态性能。分析结构动态性能属于复杂过程，特别是对于

一些大型结构来说，但是分析动态结构的时候会具备一定价值，以便于全面收集

相关材料，影响产品后期应用效果。

2.机械产品优化设计应用分析

2.1尺寸优化设计

机械产品实施优化设计过程中对尺寸数据有精准的要求。因此实施优化设计

汇总需确保各零件尺寸与实际工作需求相符，若产品为多个零件组成结构，若其

中一个零件尺寸存在误差均会对零件连接效果造成极大影响，甚至加剧机械磨损

导致产品报废。因此机械产品零件越多及机械结构复杂程度越高，对各零件精细

度的要求也有所提高。开展机械产品尺寸优化的前提条件机械产品拓扑关系及形

状不发生改变，通过计算机技术的应用对具体尺寸变化进行有效调整，可确保机

械产品性能的增强。

2.2形状优化

为确保机械产品性能的全面提升，在进行优化设计时也可从机械产品形状入

手开展优化。因多数大型机械设备自身结构相对复杂，各部件形状也具有多样化，很难进行分析，为优化设计进展带来一定困难。我国目前已经针对结构优化方面

出现研究成果，如田方针对轴对称机械零件开展的优化设计以及王世军针对机器

人结构的优化等。

2.3动态性能优化

机械产品动态性能主要指的是机械结构受外界作用下显示出外型变化规律，

包括相关运动参数等。机械产品实施动态性能的优化设计可明显反应出改产品工

作强度及寿命情况。因此对机械结构动态性能开展优化设计不仅能减轻机械工作

负担还可在同等工作强度条件下对其使用寿命进行延长。

3.机械结构优化的应用趋势

结构优化设计随着最优化方法的不断发展和改善，已逐渐得以发展。近些年来，在结构优化结构算法的方面，结构优化设计偏向于采用接近实际的复杂结构

模型来模拟一些大型结构系统，由于设计的变量数目比较大，所以研究新的准则

优化方法非常受到重视，但是如何去针对一些特殊的结构才设计相应的公式，解

决在数值计算与推导实现的相关问题，同时还可以使用一些机械系统的分解与优

化方法，在机械结构优化中，可以按优化多级分解或进行子结构分解，对于一些

多学科的较为复杂的系统可以采用学科分解优化的方法。分解的算法关键在于如

何去建立各个子问题之间的耦合关系，比如可以通过采用线性分解和使用最优解

对参数的灵敏度等方法来建立起耦合关系，让一些子问题的解相容，从而确保迭

代收敛，但是问题是怎样保证一定能求解。并采用计算技术应用到结构优化设计

中去。像人工神经网络，遗传算法等方法，在最近十余年来被机械结构优化设计

的发展很快。它们对连续混合与离散变量的全局优化，这对发展结构近似重分析

的专家系统有重要的作用。现在的问题就是该如何去提高优化精度、质量、加快

收敛，增加方法的通用性。形状优化、拓扑优化和材料优化的集成在机械结构优

化中具有非常重要的价值，是并行结构优化的重要组成部分，也是以后的研究重点。

机械结构优化技术在工程机械设计中的具有非常重要的实用价值，如要解决

优化设计中有限元模型的庞大性问题、多学科设计与解决结构优化问题交叉问题。对于机械设备、结构和机构的健壮性与可靠性是机械设计时非常关心的问题，综

合考虑健壮性、可靠性及成本的全性能优化设计方法、理论及其应用，则会给出

更加接近实际的结果，应当应予重视。在研究这类问题中，对包括随机性和模糊

性的不确定因素也应当应予注意。为增强优化设计尽可能的为工程实际所服务，

进一步开展设计的实用性。所以开发和完善通用性的结构化设计软件已经变得十

分迫切。

4.结束语

机械结构优化设计的开展可帮助提升机械产品性能及质量，为机械产业的发