朱立永

安徽科達(dá)機(jī)電有限公司，中國·安徽 馬鞍山 243041

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械制造當(dāng)中一個非常重要的環(huán)節(jié)，它的設(shè)計(jì)水平會對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，不僅能提高機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平，還能改進(jìn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺陷，進(jìn)而提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量，為機(jī)械制造行業(yè)的健康發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。論文主要對機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展的趨勢進(jìn)行了分析。

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；運(yùn)用；發(fā)展趨勢

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也越來越快，產(chǎn)品也越來越復(fù)雜，機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)模式也發(fā)生了很大的變化，已經(jīng)從以往的大批量生產(chǎn)單一品種產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)樾∨可a(chǎn)多品類的產(chǎn)品[1]。在激烈的市場競爭環(huán)境下，縮短生產(chǎn)周期是機(jī)械制造企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的必要條件，在此基礎(chǔ)上還要降低生產(chǎn)成本，只有快速的生產(chǎn)出物美價廉的機(jī)械產(chǎn)品才能夠在激烈的市場競爭中利于不敗之地。所以機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該將優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，進(jìn)而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期的目的。

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

2.1 對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化

在傳統(tǒng)的機(jī)械制造工作中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時，基本都將優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化上，很少有人會對零部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這方面研究的文獻(xiàn)也比較少。在中國工業(yè)制造企業(yè)不斷發(fā)展的過程中，中國的工業(yè)機(jī)械制造水平也在不斷的提高，專業(yè)的設(shè)計(jì)人員也對零部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起了重視，這方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)意識也增強(qiáng)了。從設(shè)計(jì)的角度具體來說就是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要重視連續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和離散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。連續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從空洞的數(shù)量、形狀、分布范圍等方面進(jìn)行優(yōu)化。而離散優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是不同關(guān)鍵連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)，除此之外，還要提前找到不同設(shè)計(jì)位置的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2 對結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化

對機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，很多的施工任務(wù)都和提高機(jī)械設(shè)備性能的設(shè)計(jì)相關(guān)，因此要在具體的工作中進(jìn)行比較深入的研究。詳細(xì)的說，就是在很多工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)和機(jī)械制造企業(yè)中都會運(yùn)用到大型的機(jī)械設(shè)備，在這樣的機(jī)械設(shè)備中，不僅內(nèi)部的構(gòu)件形狀各異，而且機(jī)械內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也非常的復(fù)雜，因此難以進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和分析，這些都給機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化工作帶來了難度。從20世紀(jì)中期開始，工業(yè)和制造行業(yè)不斷的發(fā)展，為了提高生產(chǎn)的效率，全球都對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了研究，在中國，主要注重的是形狀優(yōu)化、制造業(yè)機(jī)器人優(yōu)化和零部件的機(jī)構(gòu)優(yōu)化等。

2.3 對機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化

在對機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，要想更好的完成優(yōu)化工作，達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的，就必須要對機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較綜合性的研究和分析，進(jìn)而對機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化。除此之外，在實(shí)際的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究過程當(dāng)中，如果設(shè)計(jì)人員不進(jìn)行全方位的優(yōu)化研發(fā)，就很有可能會造成優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果和設(shè)想的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)狀況發(fā)生，目前，為了能夠?qū)⑦@樣的問題解決掉，已經(jīng)將MOD 理論應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析中，要以這項(xiàng)完整的理論為機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論保障，只有這樣才能達(dá)到更好的優(yōu)化產(chǎn)品的效果。

2.4 對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化

在對各種機(jī)械設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，最關(guān)鍵的工作就是對機(jī)械結(jié)構(gòu)自身的尺寸設(shè)計(jì)，并且在對尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)時，對尺寸的精準(zhǔn)度也有很高的要求。在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該認(rèn)識到零件本身尺寸一定要和生產(chǎn)的需求相適應(yīng)[3]。機(jī)械設(shè)備是由多個零部件組成的，如果其中一個零部件的尺寸和生產(chǎn)的需求不相符，就會對機(jī)械設(shè)備中其他各個零部件的連接產(chǎn)生不好的影響，進(jìn)而導(dǎo)致各個零部件在機(jī)械設(shè)備使用過程中受到磨損的程度加重，甚至有可能會影響機(jī)械設(shè)備的正常使用，進(jìn)而影響企業(yè)的生產(chǎn)，也有可能會導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備報廢。換句話說，就是與這個尺寸不符合生產(chǎn)需求的零部件有關(guān)零部件越多，就對這個零部件的尺寸精準(zhǔn)度要求越高。除此之外，在對機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，還要保證其產(chǎn)品形狀和拓?fù)渲g的關(guān)系保持不變。最后將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸進(jìn)行高精準(zhǔn)的的調(diào)整，進(jìn)而不斷的提高機(jī)械的使用性能。

2.5 對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化

從對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化的過程中，可以發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)自身受到外力的時候，所表現(xiàn)出來的外在形狀的變化規(guī)律和有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)的波動變化情況之間的密切關(guān)系是影響機(jī)械應(yīng)用效果比較直接的因素。要想要在維持原有工作強(qiáng)度的前提下，延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命，就要對機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過對機(jī)械這個方面的優(yōu)化，可以更加準(zhǔn)確的了解目前機(jī)械設(shè)備所能接受的最大的工作強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出機(jī)械設(shè)備的最長使用年限。除此之外，加強(qiáng)對機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也能夠促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品減少工作負(fù)擔(dān)。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)趨勢研究

對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能夠提高生產(chǎn)的效率，還能夠縮短生產(chǎn)周期，為生產(chǎn)企業(yè)能夠在激烈的市場競爭中立足奠定基礎(chǔ)。隨著中國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種分析方法逐漸的被應(yīng)用到優(yōu)化設(shè)計(jì)中，機(jī)械的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的條件也發(fā)生了很大的變化，有關(guān)的學(xué)者也更加重視對機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。最為常見的分析方法是有限元分析法，它主要是通過靜態(tài)分析的方法對物體和系統(tǒng)進(jìn)行分析，將其分解成幾個相互聯(lián)系的幾何模型，利用預(yù)處理和分析來進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者對機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究工作一直在繼續(xù)，從來都沒有停止過。隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，市場競爭越來越激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也越來越快，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性越來越明顯，具體來說可以從以下兩個方面進(jìn)行探究：

一方面就要對多個問題進(jìn)行分析和思考，例如：可以或者不可以用數(shù)學(xué)方式表示的問題、處于經(jīng)驗(yàn)和知識描述之間的問題等，利用模型設(shè)計(jì)的方法對問題進(jìn)行求解，不斷的優(yōu)化機(jī)械隨機(jī)變量，并對機(jī)械實(shí)際情況進(jìn)行分析，對隨機(jī)因素進(jìn)行研究，不斷對這些變量進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高機(jī)械的性能。對隨機(jī)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)主要是要確定變量，并建立隨機(jī)的目標(biāo)函數(shù)，利用模型設(shè)計(jì)，計(jì)算出最科學(xué)合理的結(jié)果。還有對模糊變量進(jìn)行科學(xué)的分析和優(yōu)化，進(jìn)而對機(jī)械進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化。非光滑現(xiàn)象是機(jī)械設(shè)計(jì)中最為常見的問題，對此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，在求解的過程中會出現(xiàn)很多問題，這些問題都很難解決，通過進(jìn)行非光滑問題優(yōu)化設(shè)計(jì)就可以將這些問題處理掉，主要是進(jìn)行非光滑和特殊優(yōu)化兩個層面的處理。進(jìn)而提高設(shè)計(jì)的決策和處理能力，達(dá)到快速完成設(shè)計(jì)方案和圖形輸出等任務(wù)的目的。另一方面就是多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是運(yùn)用過將算法、尋優(yōu)搜索策略和數(shù)據(jù)分析及管理等進(jìn)行集成，利用這種方法來達(dá)到構(gòu)建相互左右活耦合的子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化的目標(biāo)。

4 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備更新?lián)Q代的速度也越來越快，市場競爭也越來越激烈。機(jī)械制造企業(yè)要相生存，就要不斷的提高產(chǎn)品的性能，降低產(chǎn)品的成本。而機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的不斷完善為機(jī)械制造企業(yè)的發(fā)展提供了解決的方案，所以要加強(qiáng)機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用和研究，推動中國工業(yè)企業(yè)的發(fā)展。