機械結構優化設計應用與趨勢研究

孫曉玲

摘要：本文從機械結構優化設計出發，基于最優化原理從大量設計方案中尋求最佳方案，可以使設計質量和設計效率得到大幅度提高。本文在論述優化結構類型及機械結構優化設計實際應用的基礎上，對機械結構優化設計的發展趨勢進行了探索研究，該研究進一步推進了機械結構優化設計的發展進程。

關鍵詞：機械結構；優化設計；應用；發展趨勢

引言

隨著科技的蓬勃發展，全球市場的競爭也隨之加劇，產品更新換代的速度越來越快，其復雜程度也有所增加。傳統的產品生產具有品種單一、批量較大的特點，該方式已無法滿足時代的發展需求，產品生產逐步轉化成了小批量、多品種的生產方式。為有效提高產品市場的占有率及競爭力在采用小批量新型生產方式時必須盡可能的降低產品生產成本并有效提高產品的生產頻率。所以說現代設計方法的運用可以有效縮短產品的設計周期并能提高產品的設計質量，滿足了市場競爭的發展需要。優化設計是現代設計方法的一個重要組成部分，數學規劃是優化設計的主要理論基礎。

1分析機械結構優化設計的應用

機械結構優化設計被應用到了船舶、汽車、橋梁、機械、水利、建筑、航空航天等多種應用領域，可以有效減輕產品結構重量、改進產品結構性能、降低產品應力水平、提高產品安全壽命等。

1.1結構優化設計在航空航天中的應用

一個國家科學技術的綜合實力和綜合水平可以由該國家的航空航天技術體現出來，很多先進科學技術都是從航空航天領域進行嘗試、開發、試驗、應用、推廣的，機械結構優化設計在該領域是應用最廣、發展最快、規模最大的。結構優化設計在航天航空這一特殊領域得到了廣泛應用和高度重視，促進了航空航天事業的發展。

1.2結構優化設計在汽車工業中的應用

隨著社會經濟的發展，汽車行業也隨之發展起來，各個國家對汽車行業的發展都十分重視。在汽車行業先進的機械結構優化設計方式得到了極大地推廣與應用，并取得了大量研究成果。黃俊等人研究了面向行人下肢碰撞保護的優化設計，李毅等人對客車車身輕量化設計進行了優化設計，王源邵等人對汽車車身安全性的優化設計進行了深入研究，候敏楓等人則對汽車車身形態仿生的優化設計進行了探索研究。機械結構優化設計在汽車行業的應用越來越廣泛，在汽車行業的地位也越來越重要。

1.3結構優化設計在船舶行業中的應用

我國船舶的優化設計研究工作是從20世紀70年代末開始的，起步較晚，與國外相比晚了近十年左右。雖然我國船舶行業的優化設計起步較晚，取得的成果卻很顯著，船舶行業的優化設計涉及到了潛艇外部液壓艙、潛艇結構、油船剖面等結構內容的設計，船舶的性能得到了極大的提高，為船舶設計提供了可靠的設計方法和設計數據。

2結構優化設計的主要分類

機械優化設計經過多年的應用及發展已成為一種較為可靠、成熟、高效的現代設計方法，機械優化設計具有廣泛的應用領域，本文對機械優化設計領域的幾個熱點問題進行了論述分析。

2.1機械結構的形狀優化

通過優化機械零部件的結構可以提高機械零部件的性能，機械零部件的形狀較為復雜、連續體結構較多、結構分析較為困難，采用結構優化方式可以達到很好的設計效果。機械行業是從20世紀80年代初開始興起結構形狀優化研究的，我國取得了顯著研究成果，田方進行了軸對稱機械零件形狀優化設計研究，王世軍對機器人結構形狀進行了優化設計，孫玉對裝校機器人關鍵件結構形狀進行了優化設計。通過機械結構的形狀優化設計可以有效提高機械零部件的性能，是優化設計的重要組成部分。

2.2機械結構的拓撲優化

之前人們常常將機械結構優化設計的焦點集中在機械結構參數的設計及優化上，對機械零件的拓撲結構設計及優化問題較為忽視。隨著科技的發展，人們對機械產品的設計創新意識也隨之增強，在機械產品概念設計提出與應用之后，人們對結構優化設計提出了更高要求，結構拓撲的優化設計也得到了進一步發展。

2.3對機械系統結構的動態優化設計

機械產品的性能及產品壽命都會受產品動態性能的影響，實施結構優化設計的一個重要前提就是機械結構動態性能的優化設計。機械產品結構的動態特性分析是一個復雜的分析過程，其動態結構設計具有很高的研究價值，對今后產品的實際應用具有重大影響。

2.4機械結構優化設計軟件

當前，市場上較為流行的結構優化商用軟件較多，如ANSYS、ANSTARN（美國大型有限元分析軟件）、DDDU（大連理工大學開發的結構優化軟件）等，是功能十分強大的結構優化軟件。

3對機械結構優化設計發展趨勢的分析

隨著產品競爭的加劇和設計技術的更新變革，機械結構優化設計迎來了更大的發展空間，優化設計的發展動態主要包括以下幾方面。

3.1機械結構優化設計在處理問題過程中所應具備的能力

機械結構優化設計的建模能力主要發展趨勢包括以下三大類：可以用數學方法進行機械產品設計描述的、無法用數學方法描述只能憑借知識和經驗進行機械產品設計描述的以及居于二者之間的。此外，機械結構優化設計過程中還應該具備求解各類設計模型的能力和對設計決策及結果進行評估的設計后處理能力，設計人員應該完成從方案設計到圖形輸出的整體設計任務。

3.2多學科協同優化設計發展趨勢

近些年來，我國自然科學基金所資助的機械學科優化設計項目多達二十多項，主要包括廣義優化設計、模糊優化設計、全性能優化設計、可靠性優化設計、分解優化設計等內容。此外還包括人機一體化設計與光機電一體化設計，基于人工神經網絡的復雜結構優化、復雜機電系統耦合和解耦設計方法和理論的研究、機械傳動系統性能優化、機電產品的綠色設計方法理論等，以及最近開展的軋制件模具的現代設計方法、面向產品的創新概念設計等課題，無一不體現著我國的科技發展動向。

4總結

機械結構優化設計是一種新型的設計方法，機械結構優化設計的運用使設計質量和設計效率得到大幅度提高，滿足了市場劇烈競爭的發展需要，有效縮短了產品的設計周期，具有重要意義。

參考文獻

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