試析機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用及趨勢

雷勃+張偉偉

[摘 ?要]機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是指借助計算機的前提下對機械產(chǎn)品性能、效率、壽命等提高，以此改變機械產(chǎn)品形狀、尺寸、動態(tài)性能及拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程。是發(fā)展機械行業(yè)的必然要求，也是順應(yīng)信息時代發(fā)展的需求。

[關(guān)鍵詞]機械結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計;趨勢

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0121-01

機械產(chǎn)品應(yīng)用范圍相對較廣，為確保機械產(chǎn)品在我國日常生活及企業(yè)從生產(chǎn)中得到有效應(yīng)用，實施優(yōu)化設(shè)計十分必要。目前我國已經(jīng)針對機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了研究，并取得一定成果，主要表現(xiàn)在船舶行業(yè)、焊工航天以及汽車行業(yè)等[1]。機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可有效提高其產(chǎn)品性能并增加其自身市場競爭力，對其市場發(fā)展起重要作用。

1 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進步，加快了機械產(chǎn)品更新的速度，以往在制造機械產(chǎn)品時主要采用大批量生產(chǎn)的方法進行，產(chǎn)品相對單一，目前在實施機械產(chǎn)品加工時多采用小批量加工模式，可確保產(chǎn)品的多樣性。為確保生產(chǎn)企業(yè)的利潤，在生產(chǎn)機械產(chǎn)品時需注意將其生產(chǎn)周期縮短，最大限度在確保至質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本。通過實施優(yōu)化設(shè)計可滿足上述目標，在一定程度上縮短生產(chǎn)時間并降低成本，通過效率搶占市場。機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目前已在船舶制造、交通工具、航空航天、冶金、紡織、建筑等多領(lǐng)域應(yīng)用。

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程主要包括：（1）針對所優(yōu)化機械產(chǎn)品盡心目標函數(shù)優(yōu)化設(shè)計，可確保機械產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)指標符合優(yōu)化要求。（2）設(shè)計機械產(chǎn)品優(yōu)化函數(shù)變量，變量設(shè)計包括機械產(chǎn)品長度、厚度以及弧度等相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。（3）對機械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計約束條件進行設(shè)定，對計算過程中各項變量浮動范圍進行限定。（4）通過以上步驟得出多種優(yōu)化設(shè)計方案，分別對不同方案進行評價，根據(jù)機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計需求選擇最佳方案實施。

2 機械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用分析

2.1 尺寸優(yōu)化設(shè)計

機械產(chǎn)品實施優(yōu)化設(shè)計過程中對尺寸數(shù)據(jù)有精準的要求。因此實施優(yōu)化設(shè)計匯總需確保各零件尺寸與實際工作需求相符，若產(chǎn)品為多個零件組成結(jié)構(gòu)，若其中一個零件尺寸存在誤差均會對零件連接效果造成極大影響，甚至加劇機械磨損導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。因此機械產(chǎn)品零件越多及機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越高，對各零件精細度的要求也有所提高。開展機械產(chǎn)品尺寸優(yōu)化的前提條件機械產(chǎn)品拓撲關(guān)系及形狀不發(fā)生改變，通過計算機技術(shù)的應(yīng)用對具體尺寸變化進行有效調(diào)整，可確保機械產(chǎn)品性能的增強。

2.2 形狀優(yōu)化

為確保機械產(chǎn)品性能的全面提升，在進行優(yōu)化設(shè)計時也可從機械產(chǎn)品形狀入手開展優(yōu)化。因多數(shù)大型機械設(shè)備自身結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，各部件形狀也具有多樣化，很難進行分析，為優(yōu)化設(shè)計進展帶來一定困難。我國目前已經(jīng)針對結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面出現(xiàn)研究成果，如田方針對軸對稱機械零件開展的優(yōu)化設(shè)計以及王世軍針對機器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。

2.3 拓撲優(yōu)化

以往在實施機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中多側(cè)重于進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，未針對機械零件拓撲結(jié)構(gòu)實施優(yōu)化設(shè)計。隨著機械結(jié)構(gòu)設(shè)計意識的提高，優(yōu)化中心開始向拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向轉(zhuǎn)換。拓撲設(shè)計優(yōu)化主要在離散結(jié)構(gòu)以及連續(xù)結(jié)構(gòu)方面體現(xiàn)，其中離散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要是通過對多個關(guān)鍵點連接方式方面入手，改優(yōu)化前提是確保上述關(guān)鍵點位置的確定。連續(xù)拓撲優(yōu)化設(shè)計主要針對孔洞形狀、數(shù)量、分布情況、部分結(jié)構(gòu)邊界開展的優(yōu)化。

2.4 動態(tài)性能優(yōu)化

機械產(chǎn)品動態(tài)性能主要指的是機械結(jié)構(gòu)受外界作用下顯示出外型變化規(guī)律，包括相關(guān)運動參數(shù)等[2]。機械產(chǎn)品實施動態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計可明顯反應(yīng)出改產(chǎn)品工作強度及壽命情況。因此對機械結(jié)構(gòu)動態(tài)性能開展優(yōu)化設(shè)計不僅能減輕機械工作負擔(dān)還可在同等工作強度條件下對其使用壽命進行延長。

2.5 多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

開展機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中需應(yīng)用多科學(xué)角度入手，單獨使用某科學(xué)角度無法得出理想優(yōu)化結(jié)果，應(yīng)從多學(xué)科角度進行，確保優(yōu)化設(shè)計的多學(xué)科化、總體化及系統(tǒng)化，確保優(yōu)化設(shè)計程度符合實際需求或超出預(yù)期目標。

3 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計趨勢

隨著時代發(fā)展進步及行業(yè)前景變化發(fā)展處機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，通過近年機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的開展已經(jīng)從簡單化優(yōu)化設(shè)計想結(jié)構(gòu)系統(tǒng)大型化及復(fù)雜化機械發(fā)展[3]。通過產(chǎn)品設(shè)計變量的不斷增加，造成結(jié)構(gòu)分析推到以及計算數(shù)值方面難度均有所提高，特別是進行特殊結(jié)構(gòu)優(yōu)化時無相應(yīng)數(shù)據(jù)及公式進行應(yīng)用。在針對大型機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，需將復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行分解，逐步對各子結(jié)構(gòu)分別進行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中若設(shè)計多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計也可分科學(xué)進行優(yōu)化。通過對計算機技術(shù)的有效利用，確保機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計多方向發(fā)展。該技術(shù)主要代表包括模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的人工算法，該算法適合在連續(xù)混合機離散變量全局優(yōu)化中應(yīng)用，可對產(chǎn)品準確度及應(yīng)用質(zhì)量進行提高。針對拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計時目前開展機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究的主要方向，因?qū)嵤┩負浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化可謂機械結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化方案的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，確保尋找出最佳設(shè)計方案，該方法多在大型機械優(yōu)化上應(yīng)用，可通過較復(fù)雜的計算實施優(yōu)化，對大型機械尺寸、形狀進行優(yōu)化，提高其產(chǎn)品性能。

4 小結(jié)

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的開展可幫助提升機械產(chǎn)品性能及質(zhì)量，為機械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了方向及機遇。優(yōu)化設(shè)計的實施可縮短機械產(chǎn)品生產(chǎn)周期并提高機械制造行業(yè)競爭力，推動機械產(chǎn)品優(yōu)化發(fā)展。

參考文獻

[1]張鐘文. 試析機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用及趨勢[J]. 裝備制造技術(shù)，2016，07：270-271.

[2]曾文忠. 機械產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用策略探究[J]. 湖南農(nóng)機，2014，09：44-45.

[3]周繼瑤. 論現(xiàn)代機械中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展，2013，09：19-21.

作者簡介：

雷勃，男，1988-4，陜西咸陽人，單位：陜西烽火電子股份有限公司，助理工程師;

張偉偉，男，1987-08，陜西寶雞人，單位：陜西烽火電子股份有限公司，助理工程師。