機械工程設計中的形狀優化探討

柴文彬（裝甲兵工程學院，北京 100072）

機械工程設計中的形狀優化探討

柴文彬（裝甲兵工程學院，北京 100072）

隨著我國工業技術的不斷發展，工業企業對于機械工程中的形狀設計要求越來越高，如何縮短設計周期、提高設計質量已經成為機械工程設計方領域的重要研究課題之一，本文對機械工程設計中形狀優化的有關方案進行了詳細的闡述。

形狀優化；設計；機械工程

提高機械設計方案的科學性與合理性離不開優化設計方案的支持，運用先進的設計方案對復雜問題進行分析，能夠進一步提高設計效率與設計質量。同時，在數字化技術的大力推動下，形狀優化設計的手段與方法也得到了極大的豐富。

1 結構優化設計思路

優化結構設計首先要設計出一套基于可選設計空間、先決條件以及載荷的原型結構。所生成的初始設計方案一方面要能夠符合頻率、剛度以及強度等方面的要求，以成本最優與重量最輕為優化目標。在概念設計階段需要通過拓撲優化技術對基本結構形狀進行判定，拓撲優化可以在現有的設計空間內，依照特定的邊界條件對初始設計方案參數進行計算，根據計算結果所生成的設計樣機既要與產品設計要求相符合，也需要利用形狀優化技術對結構重量與生成成本進行控制。由此可知，形狀優化與拓撲優化是提升結構方案設計的重要手段，能夠對比較復雜的部件與結構設計方案進行理性、靈活的設計。

各項結構優化設計方法所涉及到的優化結構判斷、優化分析與算法各不相同。具體的優化思路與步驟如下：第一，劃分最大設計區域；第二，利用有限元網格技術對設計區域進行劃分；第三，設定運動約束與指定載荷；第四，指定支持與載荷之間所需要的最少材料以及合理的材料分布；第五，進行應力分析；第六，對優化結果進行合理性分析。

在優化設計程序方面，設計人員需要綜合運用各種手段對結構應力進行分析，準確、全面并且詳細地計算結構的集中應力情況。依照機械設計中目標函數與設計變量之間的隱式函數，計算并分析目標函數的敏感性，強化對目標函數與設計變量之間非線性關系的約束與控制。隨著計算機技術與形狀優化理論的不斷發展，應用于形狀設計的有限元軟件種類也越來越多，當前我國工業企業所廣泛使用的有限元軟件主要包含ANSYS、NASTRAN以及MSC等，利用專業的有限元軟件能夠大幅提升數據處理效率，使優化設計工作的信息化程度與科學化水平越來越高。

2 機械結構優化設計方法與應用

結構優化設計廣泛應用于建筑、水利、汽車以及船舶等領域，該技術能夠有效降低結構應力與結構重量，進而實現提高安全壽命與改進結構性能兩方面的目標。具體的優化設計手段主要包含三種類型。

2.1 準則法

準則法能夠利用工程經驗與力學概念生成最優設計準則，這種優化設計方法在應用方面的優勢主要體現在該技術具有明確的物理意義與簡便的應用方法，降低重分析次數并且具有較快的收斂速度。準則法通常應用于形狀優化設計的應力集中控制方面。由于結構拓撲優化技術所需要處理的數據量十分龐大，因此準則法在優化算法中的地位不可替代。

2.2 數學規劃方法

數學規劃方法基于規劃理論，該方法也是當前優化設計工作的主要方法，許多設計問題都可以通常相關的軟件與技術進行處理，設計人員需要依照不同問題所體現出來的特點對具體的規劃方案進行有針對性的設計。

2.3 遺傳算法

遺傳算法以達爾文進化論為基礎，用新型的多點計算技術替代傳統的單點計算，從生物群體的角度對對象系統進行分析，所得到的結果可以直接看作是全局或系統的最優解。在現實的生產環節中，許多問題都可以通過遺傳算法與數學規劃來得出解決方案，遺傳算法主要應用于機械結構優化設計領域。

3 機械結構優化設計發展趨勢

隨著機械結構優化設計技術的不斷成熟，該技術為工業企業創造的經濟效益也越來越多，在有限元技術不斷發展的過程中，計算機技術與有限元技術相結合成為可能，使得結構優化設計在國內外工業企業的應用前景越來越廣闊。未來一段時期優化技術的發展趨勢可以概括為以下幾個方面。第一，機械結構優化設計的建模能力越來越強。新型的結構優化設計離不開建模技術的支持，所謂建模能力指的是能夠通過數學方法進行描述的，不能夠憑借數學方法而只能夠利用知識與經驗來進行描述的第三大類；第二，求解能力越來越強，求解能力指的是對于不同種類設計模型的求解能力。若在優化設計過程中采用隨機變量優化手段，設計人員需要對結構設計中所必然遇到的各種隨機因素進行綜合性考慮，進而從優化設計的角度對隨機變量進行處理。隨機變量優化設計的具體工作環節主要包含模型求解、建立目標函數以及確定隨機變量等；第三，多學科協同設計。該設計手段是將數據分析管理、尋優級搜索以及算法等技術有機結合起來所形成的一種新型優化技術。具體包含綜合與協調、分解與分析兩個部分。其中綜合與協調指的是依照不同子系統的計算情況與相互之間的關系，以人工操作為輔助手段來調控整體求解過程。分解與分析指的是對構成工程系統的子系統進行確認，根本目的在于明確求解次序、分解設計函數以及確定系統變量，進而得出不同子系統之間的輸入、輸出靈敏度與耦合程度。

4 結語

機械結構優化設計能夠為復雜的結構設計工作奠定良好的基礎，增強產品設計方案的市場競爭力，為工業企業的產品生產提供強大的技術支持。隨著工業產品在結構與形狀上的不斷豐富，對于優化設計的要求越來越高。設計人員需要對各種設計技術與設計手段有一個全面且深入的了解，提高形狀優化設計質量，為消費者提升更多的高質量產品。

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