郭振標(biāo)

廣東美的安川服務(wù)機(jī)器人有限公司

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用與趨勢(shì)研究

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機(jī)械市場(chǎng)領(lǐng)域的發(fā)展必要前提是開展機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，通過將以往傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)模式的突破，提高機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)能力。通過分析目前機(jī)械行業(yè)情況發(fā)現(xiàn)，如何開展機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)十分重要，應(yīng)根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體需求對(duì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行優(yōu)化，確保機(jī)械產(chǎn)品符合市場(chǎng)需求，突出動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。為此，本文將著重分析我國機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)加以分析，以資借鑒。

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

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，產(chǎn)品品種換代加快，復(fù)雜性不斷增加。產(chǎn)品生產(chǎn)逐步以小批量﹑多品種的生產(chǎn)方式代替以前的單一品種大批量生產(chǎn)方式。在這種小批量的生產(chǎn)方式下，必須縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品的成本，才能提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力和占有率。因此，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可以適應(yīng)市場(chǎng)劇烈競(jìng)爭(zhēng)的需要，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期。優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要內(nèi)容之一，它是以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，在充分考慮多種設(shè)計(jì)約束的前提下，尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)方案，從而獲得最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)概述

機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)主要是通過對(duì)機(jī)械產(chǎn)品特性進(jìn)行分析，對(duì)動(dòng)力模型進(jìn)行建構(gòu)，并在機(jī)床設(shè)計(jì)中應(yīng)用的流程。動(dòng)態(tài)化機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中存在較薄弱的項(xiàng)目進(jìn)行查找，根據(jù)模型自身模擬狀態(tài)進(jìn)行改進(jìn)。在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)選擇性使用有效變量信息，對(duì)初始參數(shù)及修改后參數(shù)信息進(jìn)行完善并投入使用，確保機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)狀態(tài)最佳化，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)間設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)化。為確保機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)符合當(dāng)下精細(xì)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，應(yīng)確保設(shè)計(jì)模型穩(wěn)定，對(duì)設(shè)計(jì)方法及產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范。通過對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，認(rèn)為與傳統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)相比其設(shè)計(jì)質(zhì)量全面提升，并對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行保證，在降低設(shè)計(jì)成本的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)效率進(jìn)行提高。

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

2.1 遺傳算法

遺傳算法的哲學(xué)基礎(chǔ)是達(dá)爾文的進(jìn)化論：物從天降，適者生存。遺傳算法放棄了傳統(tǒng)優(yōu)化算法的單個(gè)計(jì)算點(diǎn)的優(yōu)化追蹤過程，而是同時(shí)對(duì)多個(gè)計(jì)算點(diǎn)進(jìn)行操作，也就是把操作對(duì)象看成一個(gè)生物群體，所以優(yōu)化后的結(jié)果是作為對(duì)象系統(tǒng)或全局的最優(yōu)解。羅志軍等用遺傳算法對(duì)雷達(dá)天線罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)壁各層厚度的優(yōu)化。于華男等利用遺傳算法對(duì)水下機(jī)器人模糊控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)采用了實(shí)數(shù)編碼策略，并討論了復(fù)制﹑交叉﹑變異等遺傳操作在模糊控制器設(shè)計(jì)非線性尋優(yōu)中的應(yīng)用，優(yōu)化得到的模糊控制器與傳統(tǒng)的模糊控制器相比具有響應(yīng)快﹑超調(diào)小的特點(diǎn)。陳艷秋等利用遺傳算法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以有限元計(jì)算為基礎(chǔ)，采用遺傳算法為優(yōu)化方法，在通用有限元軟件 NASTRAN 的平臺(tái)上開發(fā)了管路振動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化程序，快速高效地獲得最優(yōu)解。實(shí)際生產(chǎn)中，大量的例子利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和遺傳算法。尤其是遺傳算法在實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中有大量的應(yīng)用。

2.2 設(shè)計(jì)過程綜合各個(gè)學(xué)科

由于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，因此會(huì)涉及到多個(gè)學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，如數(shù)學(xué)算法﹑數(shù)據(jù)的分析﹑查找策略，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等。因此在設(shè)計(jì)過程中，一定要注意要從多個(gè)學(xué)科的角度對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行考慮。首先需要從工程整體的角度，將整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)分解成為多個(gè)設(shè)計(jì)不同內(nèi)容的板塊，然后運(yùn)用相應(yīng)的知識(shí)對(duì)其進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的確定，函數(shù)變量和優(yōu)化方法的設(shè)定，把每一個(gè)獨(dú)立的板塊設(shè)計(jì)好，其次，要根據(jù)每個(gè)板塊之間的內(nèi)在聯(lián)系將它們重新連接在一起，有機(jī)地組合在一起，最終形成完整的設(shè)計(jì)方案。

2.3 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作人員要提高綜合能力

機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不單單需要工程人員對(duì)機(jī)械行業(yè)的專業(yè)知識(shí)有所了解，還需要掌握以下 3 個(gè)方面的能力：①數(shù)學(xué)建模能力，工程設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)出來的方案需要規(guī)范，并且需要被其他人所理解，所以需要設(shè)計(jì)人員掌握一定的數(shù)學(xué)建模能力，用數(shù)學(xué)語言規(guī)范的將實(shí)際問題和設(shè)計(jì)內(nèi)容描述出來，建立一套能夠解決實(shí)際問題的模型。②問題求解能力，設(shè)計(jì)人員不僅要會(huì)建模，還要會(huì)求解模型中的一些參數(shù)變量，掌握不同類型模型的參數(shù)變量，以便在求解過程中，更快更好地得出答案，例如應(yīng)用隨機(jī)變量模型時(shí)，為了能夠更好地確定隨機(jī)變量的變量值和目標(biāo)函數(shù)，就需要對(duì)隨機(jī)變量模型進(jìn)行求解，以便能夠更好的應(yīng)用。③處理問題能力，設(shè)計(jì)方案完成后還需要對(duì)方案進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)，后期將投入加工制造過程，這一系列的過程需要經(jīng)過很多人的共同配合，難免會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，如果這個(gè)過程有一個(gè)人能夠全程跟蹤，那么就會(huì)降低錯(cuò)誤的出現(xiàn)幾率。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

具體來說現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有： 一是，產(chǎn)品質(zhì)量的高成本壓力給設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。二是，環(huán)境和生態(tài)功能屬性逐漸與產(chǎn)品功能屬性并駕齊驅(qū)； 三是，設(shè)計(jì)的經(jīng)營(yíng)管理和制造與設(shè)計(jì)需求的內(nèi)容并重； 四是，設(shè)計(jì)的獨(dú)立性逐漸轉(zhuǎn)型了工作的協(xié)同作業(yè)，甚至是并行的狀態(tài)； 五是，能夠挖掘人的潛力的創(chuàng)造性使得人們對(duì)高科技的數(shù)字化工作更為重視。在這一系列趨勢(shì)的推動(dòng)下，現(xiàn)代機(jī)械制造的主要研究方向有： 設(shè)計(jì)方法學(xué)﹑穩(wěn)定性設(shè)計(jì)﹑優(yōu)化設(shè)計(jì)﹑動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)﹑摩擦學(xué)設(shè)計(jì)﹑計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)﹑創(chuàng)新設(shè)計(jì)﹑三次設(shè)計(jì)﹑價(jià)值工程設(shè)計(jì)﹑智能工程設(shè)計(jì)﹑反求工程設(shè)計(jì)﹑有限元設(shè)計(jì)﹑并行工程﹑工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)等等。

以上，我們就機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)展開了研究。在當(dāng)代社會(huì)，機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)關(guān)系到了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，因此值得我們加以研究，發(fā)現(xiàn)其發(fā)展現(xiàn)狀，推測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，從而把握好機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展方向。

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[3] 劉樹春，張敬佩，李初曄.機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，(8).

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