機械產品設計的結構優化技術運用探究

310023 中國船舶重工集團公司第七一五研究所 浙江 杭州|康愷

?

機械產品設計的結構優化技術運用探究

310023 中國船舶重工集團公司第七一五研究所 浙江 杭州|康愷

摘要：主要研究結構優化技術在機械產品設計中的應用，分析機械產品結構優化設計的基本思路，并對機械產品設計結構優化方法的具體應用策略進行了討論。關鍵詞：機械產品；結構；優化

長期以來，機械產品的設計工作都是參照相同產品的估算、經驗、類比來確定其基本結構，并通過性能計算檢查各項性能指標是否滿足設計標準要求。這樣的機械設計方法人工試錯與類比分析過程比較復雜，會消耗更多的時間，導致設計周期延長，而且設計方案的比選只能局限在幾個方案之間，方案優化工作有待加強。

機械產品結構優化設計思路

面對越來越激烈的市場競爭，更多的機械設備制造廠商意識到，只有更快地推出新產品，才能占領更多的市場，因此機械設計工作人員開始關注機械產品設計工作效率的提高。結構優化技術在機械設計工作中的應用能夠顯著縮短產品開發的周期，尤其是在沒有參照物可供參考的全新產品設計工作中，對拓撲優化以及尺寸優化的綜合應用，能夠讓設計員快速設計出滿足要求的機械產品。

a設計流程

①目標函數

目標函數往往是機械設計中最受關注的關鍵因素，在機械設計中如何控制變形或者應力水平是設計者最為關心的問題，所以結構優化設計的目標函數可以設置為變形或應力的最小值。

②設計變量

設計變量是指所有與機械產品結構優化設計有關的參數，在機械產品的結構工程優化過程中，所涉及到的設計變量主要可以分為兩大類。一類是描述結構變形的幾何參數，如長寬高、直徑厚度等，另一類是物理參數，主要包括彈性模量密度屈服極限等。

③約束條件

機械產品結構優化函數的迭代計算中，很多設計變量都存在著一些約束條件，其中最為常見的是位置限制和運動可能性的極值。

④優化分析評估

機械結構優化設計往往是有約束的非線性函數問題，現階段已經有多種數學工具可供使用，但是在實際工作中選擇一種合適的優化方法仍然比較困難，需要根據問題的實際情況靈活選擇優化算法，并對結果進行分析評估。

b結構優化的主要內容

根據機械結構設計目標、約束對象、目標函數等條件的不同，選擇不同的結構優化算法。根據優化目標層次的不同，機械產品結構優化設計工作可以分為尺寸優化、形狀優化和拓撲優化3個不同的層次，隨著優化層次的加深，優化工作的難度也隨之增加，但是優化工作帶來的效益也更加顯著。

①尺寸優化

尺寸優化是指保持產品結構尺寸不變的情況下，通過對設計變量的分析重組，對性能組合關系進行優化。

②形狀優化

形狀優化是保持設計產品結構關系不變的情況下，利用結構邊界獲取某種性能最佳狀態的優化方法。

③拓撲優化

拓撲優化是指機械產品結構拓撲優化與離散結構拓撲優化的組合，其中連續體結構拓撲優化主要包括孔洞分布數量邊界的優化，而拓撲優化主要是指定節點位置以及相互連接關系的優化。

結構優化設計在機械產品設計工作中的應用

計算機技術與仿真技術在機械產品設計中的應用更加普遍，計算機強大的計算以及仿真功能給結構優化設計提供了極大的發揮空間。基于計算機的結構優化技術在機械產品設計中的應用，能夠通過對機械產品系統的分析和持續的優化，保證產品的性能滿足要求，同時顯著縮短機械產品的設計周期，在保證機械產品設計質量的同時，節省了設計工作成本。

a建立優化信息模型

機械產品往往有上千個設計變量和幾百個設計函數，設計一個涉及到如此多變量和函數的優化程序是比較困難的，因此可以應用數據挖掘技術建立一個機械產品結構優化設計的信息函數模型。首先分析用戶要求，將用戶要求分解為多個基本設計參數，之后分別根據用戶要求和邊界條件建立目標函數與約束函數，進行數據分析處理，根據數據處理結果生成修正函數，代表最終輸出。數據輸入和處理過程中，設計變量構成目標函數與約束函數的生成通過數據傳遞系數實現，而數據分析和處理工程依賴數據修正因子建立基于目標函數和約束函數的修正函數，通過該信息模型，能夠完成機械產品設計計算流程函數之間調用關系定義，將機械產品設計涉及到的參數關聯用計算機語言準確表示出來。

b基于信息模型的結構優化

信息庫建立完畢，將根據機械產品設計情況，給出幾個優化方案，并將其核心設計參數存入信息函數模型，數據庫應用數據離散化方法存儲、配置有限元分析結果，使用粗糙集機器學習方法對有限元分析結果進行解釋，并提取數據背后的優化設計規則，最后應用優化規則對幾個方案的綜合性能進行全面對比，獲取有約束條件下的最優解。

結語

結構優化技術在機械產品設計中的應用能夠顯著降低工作人員的設計工作量，應用三維仿真模擬技術能夠有效節省產品設計優化工作成本，同時經過多次模擬分析優化，能夠獲得更好的結構優化效果，滿足用戶的各種性能需求，及時發現并消除了更多質量隱患，這才是一種優秀的機械產品設計方法。

參考：

［1］胡桂川，劉敬花.基于CAE分析的機械結構優化設計［J］.機械設計與研究，2011（03）.

［2］聶勇軍，廖啟征.多學科優化設計在工程機械產品開發中的應用展望［J］.起重運輸機械，2014（08）.

［3］劉樹春，張敬佩，李初曄.機械產品設計的結構優化技術應用［J］.機械設計與制造，2013（08）.

［4］羅忠，柳洪義，田洪海，聞邦椿.現代機械產品智能優化設計方法及其應用［J］.東北大學學報（自然科學版），2014（07）.