机械结构优化设计的应用及趋势研究

机械结构优化设计的应用及趋势研究

发表时间：2017-01-12T10:14:10.930Z 来源：《基层建设》2016年30期作者：陈庆勋

[导读] 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。

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摘要；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。

关键词；机械结构；优化设计；发展趋势

随着科学技术的迅猛发展，全球市场竞争日益激烈，产品品种换代加快，复杂性不断增加。产品生产逐步以小批量、多品种的生产方式代替以前的单一品种大批量生产方式。在这种小批量的生产方式下，必须缩短产品的生产周期，降低产品的成本，才能提高市场的竞争力和占有率。因此，运用现代设计方法可以适应市场剧烈竞争的需要，提高设计质量和缩短设计周期。

优化设计是现代设计方法的重要内容之一，它是以数学规划为理论基础，以计算机为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下，寻求满足预定目标的最佳设计方案，从而获得最优的技术经济效果。优化设计为机械设计提供了一种重要的科学设计方法，使得在解决复杂设计问题时能从众多的设计方案中寻到尽可能完美的或最适应的设计方案，并能大大提高设计质量和设计效率。

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。

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.结构优化设计的类型

（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）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。

（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。

（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。

（5）优化设计多科学结构

优化设计机械结构的时候如果仅仅只是分析一方面影响往往会导致出现不符合预期的优化结果，因此为了具备更好的优化设计目标，需要总体性、系统性发展优化设计结构。MDO理论是新兴的优化结构理论，不少专家都开始研究上述理论，为以后进一步研究机械结构提供基础和保障，以便于全面提高优化产品的程度。

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。解决这些难题，是拓扑结构优化在未来的重点工作内容。

④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。结语；综上，随着不断发展科学技术和社会经济，优化设计已经逐渐成为现代设计的重要构成部分，机械结构优化设计作为新兴第一种设计形式，能够为机械结构设计提供良好空间和竞争力，以便于能够全面保障优化设计的质量和优势，为进一步研究提供参考。参考文献；

（1）机械结构优化设计的综述与展望_秦东晨

（2）机械结构优化设计发展综述_史凤兰

（3）机械结构优化设计研究应用及前景展望_刘世庚（4）机械结构优化设计应用与趋势分析_杨天平（5）机械结构优化设计应用与趋势研究_房灿

（6）机械结构优化设计应用与趋势研究_王丽敏（7）试析机械结构优化设计的应用及趋势_张钟文（8）机械优化设计发展综述_王放明