機械結構優化設計應用與趨勢研究

郭振標

廣東美的安川服務機器人有限公司

機械結構優化設計應用與趨勢研究

郭振標

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機械市場領域的發展必要前提是開展機械結構動態化設計，通過將以往傳統機械設計模式的突破，提高機械產品動態設計能力。通過分析目前機械行業情況發現，如何開展機械結構動態設計十分重要，應根據機械結構的整體需求對動態設計過程進行優化，確保機械產品符合市場需求，突出動態設計的優勢及結構設計要求。為此，本文將著重分析我國機械制造技術的發展現狀，并對其發展趨勢加以分析，以資借鑒。

機械結構；優化設計；應用與趨勢

隨著科學技術的迅猛發展，全球市場競爭日益激烈，產品品種換代加快，復雜性不斷增加。產品生產逐步以小批量﹑多品種的生產方式代替以前的單一品種大批量生產方式。在這種小批量的生產方式下，必須縮短產品的生產周期，降低產品的成本，才能提高市場的競爭力和占有率。因此，運用現代設計方法可以適應市場劇烈競爭的需要，提高設計質量和縮短設計周期。優化設計是現代設計方法的重要內容之一，它是以數學規劃為理論基礎，以計算機為工具，在充分考慮多種設計約束的前提下，尋求滿足預定目標的最佳設計方案，從而獲得最優的技術經濟效果。

1 機械結構動態設計概述

機械產品結構的動態設計主要是通過對機械產品特性進行分析，對動力模型進行建構，并在機床設計中應用的流程。動態化機械結構產品設計，可對產品設計過程中存在較薄弱的項目進行查找，根據模型自身模擬狀態進行改進。在動態設計過程中應選擇性使用有效變量信息，對初始參數及修改后參數信息進行完善并投入使用，確保機械產品結構動態設計狀態最佳化，對機械產品時間設計進行強化。為確保機械產品動態設計符合當下精細化產品設計要求，應確保設計模型穩定，對設計方法及產品設計進行規范。通過對機械結構動態設計進行分析，認為與傳統靜態設計相比其設計質量全面提升，并對結構的動態性能進行保證，在降低設計成本的基礎上對設計效率進行提高。

2 機械結構優化設計應用

2.1 遺傳算法

遺傳算法的哲學基礎是達爾文的進化論：物從天降，適者生存。遺傳算法放棄了傳統優化算法的單個計算點的優化追蹤過程，而是同時對多個計算點進行操作，也就是把操作對象看成一個生物群體，所以優化后的結果是作為對象系統或全局的最優解。羅志軍等用遺傳算法對雷達天線罩進行結構壁各層厚度的優化。于華男等利用遺傳算法對水下機器人模糊控制器進行優化設計，對模糊規則和隸屬函數采用了實數編碼策略，并討論了復制﹑交叉﹑變異等遺傳操作在模糊控制器設計非線性尋優中的應用，優化得到的模糊控制器與傳統的模糊控制器相比具有響應快﹑超調小的特點。陳艷秋等利用遺傳算法對航空發動機管路進行優化設計，以有限元計算為基礎，采用遺傳算法為優化方法，在通用有限元軟件 NASTRAN 的平臺上開發了管路振動設計優化程序，快速高效地獲得最優解。實際生產中，大量的例子利用數學規劃方法和遺傳算法。尤其是遺傳算法在實際機械結構優化設計中有大量的應用。

2.2 設計過程綜合各個學科

由于機械產品的設計過程是一個非常復雜的過程，因此會涉及到多個學科的專業知識，如數學算法﹑數據的分析﹑查找策略，以及計算機技術等。因此在設計過程中，一定要注意要從多個學科的角度對設計方案進行考慮。首先需要從工程整體的角度，將整個設計系統分解成為多個設計不同內容的板塊，然后運用相應的知識對其進行目標函數的確定，函數變量和優化方法的設定，把每一個獨立的板塊設計好，其次，要根據每個板塊之間的內在聯系將它們重新連接在一起，有機地組合在一起，最終形成完整的設計方案。

2.3 進行結構優化設計的工作人員要提高綜合能力

機械產品的結構設計不單單需要工程人員對機械行業的專業知識有所了解，還需要掌握以下 3 個方面的能力：①數學建模能力，工程設計人員所設計出來的方案需要規范，并且需要被其他人所理解，所以需要設計人員掌握一定的數學建模能力，用數學語言規范的將實際問題和設計內容描述出來，建立一套能夠解決實際問題的模型。②問題求解能力，設計人員不僅要會建模，還要會求解模型中的一些參數變量，掌握不同類型模型的參數變量，以便在求解過程中，更快更好地得出答案，例如應用隨機變量模型時，為了能夠更好地確定隨機變量的變量值和目標函數，就需要對隨機變量模型進行求解，以便能夠更好的應用。③處理問題能力，設計方案完成后還需要對方案進行可行性評價，后期將投入加工制造過程，這一系列的過程需要經過很多人的共同配合，難免會出現差錯，如果這個過程有一個人能夠全程跟蹤，那么就會降低錯誤的出現幾率。

3 機械設計技術的發展趨勢

具體來說現代設計技術的發展趨勢主要有： 一是，產品質量的高成本壓力給設計競爭帶來了嚴峻的考驗。二是，環境和生態功能屬性逐漸與產品功能屬性并駕齊驅； 三是，設計的經營管理和制造與設計需求的內容并重； 四是，設計的獨立性逐漸轉型了工作的協同作業，甚至是并行的狀態； 五是，能夠挖掘人的潛力的創造性使得人們對高科技的數字化工作更為重視。在這一系列趨勢的推動下，現代機械制造的主要研究方向有： 設計方法學﹑穩定性設計﹑優化設計﹑動態化設計﹑摩擦學設計﹑計算機技術設計﹑創新設計﹑三次設計﹑價值工程設計﹑智能工程設計﹑反求工程設計﹑有限元設計﹑并行工程﹑工業產品造型設計等等。

以上，我們就機械設計技術的發展現狀與發展趨勢展開了研究。在當代社會，機械設計技術關系到了機械制造業的發展，因此值得我們加以研究，發現其發展現狀，推測其發展趨勢，從而把握好機械設計技術的發展方向。

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