機械結構優化設計發展應用綜述

楊良明 何崢

摘要：隨著計算機技術的飛速發展和數值計算方法的廣泛應用，工程設計領域在設計方法和技術創新方面有了巨大的發展和進步。這也大大推動了現代工程領域的技術進步和創新。優化設計就是其中發展最快的設計方法之一。

關鍵詞：機械結構;優化設計;發展

引言

機械優化設計是最優化理論、電子計算機技術與機械工程相結合的一門學科。早在二十世紀五十年代以前，工程設計問題的最佳決策還只是限于古典數學中的微分法和變分法，或用拉格朗日乘子法解決等式約束問題。

1.機械結構優化設計的應用概況

1.1通用機械和機床通用機械和機床的結構優化設計也是一個機械結構優化設計成功應用的領域，把有限元技術與優化技術結合，機械結構優化設計對大型復雜機械結構的設計是一種有效、精確的方法。由于一般的機械零部件都是連續體結構，結構分析非常復雜，進行結構優化設計比較困難。國內的相關研究比較突出，發表了大量的研究論文和報告。通過這些研究工作的開展，機械和機床的設計有了一種快速，有效、可靠的設計方法，提高了機械產品的設計水平。

1.2汽車工業是一個不斷創新，發展的重要行業，各個國家和地區都十分重視汽車工業的發展。因此，先進的機械結構優化設計方法也就在此行業得到推廣和應用，國內外出現了大量的研究成果。隋允康等研究了把DDDU-2軟件包應用于汽車的結構優化設計：馮振東等進行了萬向節傳動布局的支承動態結果優化設計;田振中研究了特種汽車車身的結構設計;馮國勝對汽車加工的結構優化設計進行了研究。目前汽車工業已經成為機械結構優化設計廣泛應用的一個領域。

1.3船舶工業船舶結構優化設計方法研究相對起步較晚，我國自20世紀70年代末開始研究船舶結構優化設計，比國外差不多晚了10年。但是，我國的船舶結構優化設計也取得了較大的成果，在潛艇結構、中小型集裝箱結構、游船剖面、潛艇外部液壓艙等結構優化設計方面進行了研究，提高了相關研究對象的性能，為船舶設計提供了一種可靠、精確的設計方法。

1.4航空航天技術代表著一個國家科學技術的綜合水平與實力，大量的先進科學技術首先在航空航天領域推廣應用或發明、開發，而機械結構優化設計發展最快、應用最廣和作用最大的領域也在航空航天。由于該領域的特殊地位，機械結構優化設計得到了廣泛的應用和充分的重視。

1.5其它機械結構優化設計在其它工業領域也有許多應用的實例。宋天霞等開展并完成了大型水輪機結構優化設計的研究;劉揚等進行了石油鉆井井架的結構優化設計;陳樹勛等對雙模輪臺硫化機橫梁進行了結構優化設計;趙洪激等進行了高壓往復泵維形閥結構優化設計的研究，等等。

2.機械結構動態設計的內容及關鍵技術

2.1機械結構動態設計的內容

2.1.1建立一個切合實際的動力學模型

機械結構的動力學模型有著極其重要的作用。在機床設計階段，建立動力學模型，可以進行動態分析和設計;預估機床結構的動態特性，分析薄弱環節，尋求改進措施;用數字仿真方法，比較各種設計方案和結構，并為設計自動化打下基礎。建模的方法有：有限元法、傳遞矩陣法、實驗模態法、混合建模法、利用人工神經網絡理論建模。

2.1.2選擇有效的結構動態優化設計方法

結構動態優化設計是對系統設計變量的初始參數，通過計算，作出必要的修改，使機械機構的動態性能在規定的約束條件下達到最優。目前，動態設計的優化正處于發展與完善階段，從現有的資料來看，系統的動態優化設計方法可分為3類：基于模態柔度和能量平衡的動態優化設計、基于變分原理的動態優化設計和基于最小值原理的動態優化。

根據優化設計問題的特點（如約束問題），選擇適當的優化方法是非常關鍵的，因為同一個問題可以有多種方法，而有的方法可能會導致優化設計的結果不符合要求。選擇優化方法有四個基本原則：效率要高、可靠性要高、采用成熟的計算程序、穩定性要好。另外選擇適當的優化方法還需要個人經驗，深入分析優化模型的約束條件、約束函數及目標函數，根據復雜性、準確性等條件對它們進行正確的選擇和建立

2.2機械結構動態設計的關鍵技術

機械結構動態設計的關鍵技術有：結構結合部參數的辨識;系統中阻尼矩陣的確定;模型的修正方法;以設計變量直接作為優化變量，實現結構動力學的求解方法;尋求更快速、更準確的結構動態特性重分析模型與方法。結構動態設計的發展主要集中在對關鍵技術的研究上，結合面在整機性能研究中的主要作用，世界各國的眾多學者對其進行了大量的研究，也取得了大量的研究成果。隨著人工神經網絡技術和模糊設計技術的發展，國、內外許多研究人員把神經網絡技術和模糊設計技術引人動態設計過程中，為結構動態設計提供了全新的思路。

3.機械結構優化的發展

3.1機械結構的拓撲優化過去一般機械結構優化設計主要集中在結構參數的優化和設計，面對于機械零部件的拓撲結構很少涉及。但是隨著人們對機械產品設計創新意識的提高，特別是機械產品概念設計的提出和應用。人們對結構優化設計提出了更高的要求——機械產品的結構拓撲優化設計。

3.2機械結構的形狀優化在機械零部件中，連續體結構非常多，形狀比較復雜;結構分析存在一定難度，而結構形狀對機械零部件的性能影響很大。因此，機械零部件的形狀優化可以大大提高其性能。機械結構的形狀優化也是提高零部件機械性能的重要方法之一。

3.3機械系統結構動態優化設計機械產品的動態性能對其強度、壽命等影響很大，機械結構的動態性優化設計是結構優化設計的一個重要方向。由于結構的動態特性分析非常復雜，特別是大型復雜結構，對其進行動態優化設計將極富研究價值和應用價值。

4.結束語

總之，機械結構的動態設計是以計算機仿真、建模為基礎，集計算機技術、機械動力學、有限元和優化設計方法為一體，由多學科知識組成的綜合系統技術，是機械結構動力學設計與分析在計算機環境中數字化、圖象化的映射，通過虛擬動態環境，進行虛擬產品開發，對產品的動態特性做出分析，大大提高了機床的整機性能。

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