張鐘文

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州310023）

試析機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用及趨勢(shì)

張鐘文

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州310023）

現(xiàn)代設(shè)計(jì)中優(yōu)化設(shè)計(jì)是最重要的，主要就是依據(jù)計(jì)算機(jī)為基本工具，理論基礎(chǔ)為數(shù)學(xué)規(guī)劃，在分析多種約束條件下來(lái)設(shè)計(jì)符合情況的最佳方案，以便于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠合理解決很多復(fù)雜問(wèn)題，是科學(xué)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的方式。本文主要分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用情況，為以后進(jìn)一步研究機(jī)械結(jié)構(gòu)提供參考和依據(jù)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用；趨勢(shì)

隨著不斷發(fā)展科學(xué)技術(shù)，逐漸提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代、增加產(chǎn)品復(fù)雜性。傳統(tǒng)單一生產(chǎn)方式逐漸被多品種、小批量方式取代，在這種生產(chǎn)模式下，需要盡可能降低成本，縮短周期，以便于提高企業(yè)占有率和競(jìng)爭(zhēng)力。所以依據(jù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和設(shè)計(jì)方式來(lái)不斷滿(mǎn)足市場(chǎng)實(shí)際需求，縮短設(shè)計(jì)周期以及提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1　機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著不斷發(fā)展科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)，越來(lái)越迅速的更新?lián)Q代產(chǎn)品，多品種、小批量生產(chǎn)方式逐漸取代傳統(tǒng)大批量單一生產(chǎn)模式。為了能夠有效增加市場(chǎng)占有率和競(jìng)爭(zhēng)率，依據(jù)降低成本和縮短周期來(lái)體現(xiàn)小批量生產(chǎn)［1］。所以，從機(jī)械設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)，優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于科學(xué)的一種設(shè)計(jì)形式，依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方式能夠迅速搶占市場(chǎng)，滿(mǎn)足市場(chǎng)實(shí)際發(fā)展需求，從而縮短設(shè)計(jì)周期和提高機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證能夠整體提高生產(chǎn)率。上世紀(jì)六十年代的時(shí)候，優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于新興學(xué)科，是有機(jī)結(jié)合工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化理論的一種設(shè)計(jì)方式，在眾多方案中發(fā)現(xiàn)最適合的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，保證有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率?，F(xiàn)階段，已經(jīng)在冶金、建筑、紡織、機(jī)械、交通、航空航天等方面大量應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且具備一定社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。二十一世紀(jì)以后開(kāi)始更加重視優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，需要相關(guān)人員充分了解和掌握這種技術(shù)。

2　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的類(lèi)型

2.1優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

一般情況下傳統(tǒng)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)基本上都是設(shè)計(jì)以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是不注重機(jī)械零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨著不斷提高設(shè)計(jì)和優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品的意識(shí)，逐漸應(yīng)用機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，人們更加嚴(yán)格規(guī)范優(yōu)化結(jié)構(gòu)的需求，也越來(lái)越多的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)拓?fù)洌?］。

2.2優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀

為了能夠合理增加機(jī)械的性能，一般都需要優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)，但是經(jīng)常會(huì)形成很多設(shè)計(jì)難題，如，連續(xù)體形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多、分析結(jié)構(gòu)困難等，因此，優(yōu)化結(jié)構(gòu)是可行的。上世紀(jì)八十年代，機(jī)械行業(yè)開(kāi)始研究?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)形狀，并且國(guó)外也綜述分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀。國(guó)內(nèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)形狀、優(yōu)化設(shè)計(jì)軸對(duì)稱(chēng)機(jī)械零件形狀、優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械人重要結(jié)構(gòu)形狀。在分析提高機(jī)械零件性能的過(guò)程中，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀就變得十分重要。圖1所示。

圖1　優(yōu)化設(shè)軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)形狀

2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)

機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)的壽命和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)就是優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能。分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能屬于復(fù)雜過(guò)程，特別是對(duì)于一些大型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，但是分析動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的時(shí)候會(huì)具備一定價(jià)值，以便于全面收集相關(guān)材料，影響產(chǎn)品后期應(yīng)用效果。

2.4優(yōu)化設(shè)計(jì)多科學(xué)結(jié)構(gòu)

優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的時(shí)候如果僅僅只是分析一方面影響往往會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不符合預(yù)期的優(yōu)化結(jié)果，因此為了具備更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要總體性、系統(tǒng)性發(fā)展優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。MDO理論是新興的優(yōu)化結(jié)構(gòu)理論，不少專(zhuān)家都開(kāi)始研究上述理論，為以后進(jìn)一步研究機(jī)械結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)和保障，以便于全面提高優(yōu)化產(chǎn)品的程度。

3　機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)提供更高的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)隨著不斷發(fā)展和應(yīng)用有限元分析法，逐漸普及和改變計(jì)算機(jī)應(yīng)用條件和結(jié)構(gòu)，相關(guān)學(xué)者和專(zhuān)家更加重視機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。不管是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，都是在不斷嘗試優(yōu)化設(shè)計(jì)這種現(xiàn)代技術(shù)。隨著不斷加劇市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和更新產(chǎn)品，優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)具備很大優(yōu)勢(shì)。可以從以下方面分析優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一，優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的過(guò)程中需要分析以下問(wèn)題，不能用數(shù)學(xué)方式描述的、能用數(shù)學(xué)方式描述的、介于知識(shí)描述和經(jīng)驗(yàn)描述之間的方式。求解能力實(shí)際上就是具備對(duì)設(shè)計(jì)模型求解的能力。如優(yōu)化設(shè)計(jì)隨機(jī)變量，在充分分析實(shí)際情況以后難免會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)因素，以至于需要優(yōu)化設(shè)計(jì)隨機(jī)變量。優(yōu)化設(shè)計(jì)隨機(jī)變量的根本實(shí)際上就是對(duì)隨機(jī)變量進(jìn)行確定，然后建立隨機(jī)目標(biāo)函數(shù)，最后合理求解隨機(jī)模型。優(yōu)化設(shè)計(jì)模糊變量，優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中合理分析模糊現(xiàn)象。優(yōu)化設(shè)計(jì)非光滑問(wèn)題，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)很多非光滑現(xiàn)象，如不可微的目標(biāo)函數(shù)和一些約束函數(shù)相比較經(jīng)典優(yōu)化方式來(lái)說(shuō)，不可微優(yōu)化求解是比較困難的，可以把優(yōu)化設(shè)計(jì)非光滑問(wèn)題分為一般非光滑設(shè)計(jì)優(yōu)化和特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)兩方面。設(shè)計(jì)后處理能力實(shí)際上就會(huì)能夠評(píng)估設(shè)計(jì)決策和結(jié)果處理能力，能夠全部完成設(shè)計(jì)方案、輸出圖形等相關(guān)任務(wù)。第二，多學(xué)科共同進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是集成尋優(yōu)搜索、算法、管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析等的一種耦合子系統(tǒng)、相互左右的優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上，隨著不斷發(fā)展科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)的重要構(gòu)成部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為新興第一種設(shè)計(jì)形式，能夠?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供良好空間和競(jìng)爭(zhēng)力，以便于能夠全面保障優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和優(yōu)勢(shì)，為進(jìn)一步研究提供參考。

［1］劉憲訪，林密葉.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用趨勢(shì)研究［J］.卷宗，2013，（6）：185，183.

［2］孫曉玲.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用與趨勢(shì)研究［J］.環(huán)球人文地理，2015，（2）：186-186.

Wkche Machinery Application and Trend of Structure Optimization Design

ZHANG Zhong-wen
（China Shipbuilding Industry Corp No.Seven one five Research Institute，Hangzhou Zhenjiang 310023，China）

Modern design optimization design is the most important and works mainly on the basis of the computer，the theoretical basis for planning，in the analysis of multiple constraints down design with the best solution，in order to improve the design quality and efficiency.In the process of mechanical design，the optimal design can solve many complex problems，and it is a scientific design of mechanical structure.This paper mainly analyzes the development trend of the optimization design of the mechanical structure，the application of the situation，to provide reference and basis for further study of the mechanical structure.

mechanical；structure；optimization；design application trend

TH122

A

1672-545X（2016）07-0270-02

2016-04-25

張鐘文（1990-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。