機械產品設計的結構優化技術運用實踐

宋忠超

摘要：隨著我國經濟的發展，科學技術水平的提升，我國各個行業都在朝著信息化、自動化的方向大步前進，在激烈的市場競爭中，只有通過優化產品設計、實現產品創新才能立于不敗之地，并滿足當前社會發展需求。機械產品是我國發展的重要基礎，但目前的設計技術并不能滿足時代發展需求，因此對機械產品設計的結構優化技術進行深入分析，具有積極的現實意義。

關鍵詞：機械產品設計；結構優化技術；運用實踐

引言

機械產品設計的結構優化技術是指在系統優化背景下，采用綜合運用設計的方式，以此來實現機械產品的需求和質量，達到最優設計方案和標準。目前傳統機械產品設計主要采用機械產品加工工人和其他類型的產品設計為主要的模板，運用長時間的設計經驗和觀察最后來確定整體的設計方案，在產品加工后期要盡心檢測來確定是否符合整體的質量要求和標準。這一設計過程不僅僅需要大量的時間，同時還會給機械產品的設計埋下安全隱患，給機械產品加工過程帶來問題和困難。結構優化技術是通過進行拓撲優化技術以及尺寸優化技術，利用科學合理的設計方式，確定整體機械產品設計的最優方案。這樣做不僅僅能夠保證機械產品設計的效率，同時也能夠確保機械加工的精確度，確保效率和質量同時進行，提升機械產品設計加工的水平，利用結構優化技術，實現機械產品的創新發展，滿足時代進步的需求，促進企業能夠在激烈的市場競爭中占有優勢。

1結構優化設計的方法和層次

1.1尺寸方面的優化技術

尺寸技術優化是確保拓撲與形狀關系不受影響，通過在優化設計中應用計算機技術，找到機械產品最佳的尺寸變量，通過運行實現重新組合，進而制定最高效的優化設計方案。

1.2形狀方面的優化技術

在對機械產品進行設計時，不但要保證產品尺寸符合標準，還要在外觀上滿足實際施工需求。因此，形狀優化技術要確保機械產品拓撲關系恒定，在對機械產品進行設計時要找到最佳形狀變量，根據設計不同的產品結構，找到能夠與實際工程相符的形狀，讓機械產品發揮使用功能。

1.3拓撲方面的優化技術

拓撲優化技術是利用離散結構對機械產品進行優化的，但在優化過程中，要注意孔洞數量，以及形狀與分布現象，還要對結構邊界采取優化措施。離散結構拓撲技術是確保機械產品數據準確的核心技術，保證各個關鍵點可實現最優連接方式。

2結構優化技術的設計方式

2.1要確定目標函數

目標函數是進行機械產品結構優化設計的基本參數，要通過確立目標函數，明確機械產品在技術標準方面進行有效的設定和研究，對工程中提出的具體要求也能夠進行設置和整理，并且通過設定目標函數，盡量減少變形所帶來的壓力和程度。

2.2進行函數變量的設計

在結構優化中確立的函數，下一步要對函數中相關的結構設計參數進行研究和確定，機械產品的參數設定主要有結構組成中的幾何參數以及物理參數，比如在設計中設定零件的長度、寬度、厚度等，這些參數都會影響機械產品和質量和效率。如果在參數設計中存在相關不合理數據，會直接對機械產品的質量產生影響，同時也會影響到企業的發展和經濟效益的提升。

2.3約束條件的規定

在完成函數變量設計之后，要在機械產品設計中增加一些要求，在設計過程中加入一些約束條件，之后才能夠進行加工和制造。約束條件主要是指在計算中要確定函數變量能夠處在相對的約束范圍內，比如能夠設定一些極值的設定和管理。

2.4選擇最佳優化設計方式

選擇最佳優化設計方案是機械產品優化設計的最后過程也是關鍵點。面對各種各樣，各具特點的設計優化方案，要慎重的進行選擇和評價。這就要確定對機械產品工程進行具體分析，結合實際問題和現象進行合理的選擇和研究，最后來選擇一個適合的機械產品的設計方式，在進行加工制造之前，要讓專業技術人員對方案從全方位的監督進行分析和評價，以此來提高機械產品設計的質量和水平。

3機械產品設計的結構部優化技術應用策略

3.1提高設計人員的素質水平

首先要提高機械技術知識水平，只有熟練掌握機械相關知識，才能夠靈活運用，實現產品設計的優化。但除了機械知識以外，還應當加強其他知識的修養，主要有：第一，數學建模能力。這是最基本的工作內容。設計工作人員在進行方案設計時，不僅要規范，還要保證方案能夠被他人理解，只有具備一定數學建模能力的人員才能夠使用規范標準的數學語言將問題和設計方案表達出來，并在此基礎上確定模型，保證模型的實用性。第二，解答問題的能力。僅僅會建模還不夠，還應當能夠求解所建立模型的變量以及參數，這樣才能夠高效得出結果。比如對于隨機變量模型，一定要能夠快速求解隨機變量模型，才能夠計算出隨機變量的目標函數以及變量的數值。第三，對問題的處理能力。這是因為在確定完設計方案后，一個極其重要的步驟就是評價方案，一旦方案投入生產，就需有更多的人共同配合完成，而參與的人越多，就越容易造成大家對問題本身都一知半解，出現問題后也難以找到明確的責任人。這個時候，如果有一個能夠全程負責的人去追蹤過程，會在很大程度上降低問題的發生概率。

3.2綜合運用所有學科的知識

設計的過程需要綜合運用所有學科的知識點，因為機械產品的結構設計不僅需要機械的專業知識，還附帶數學算法、數據分析、計算機等多個其他學科的知識，只有將這些所學的知識綜合運用，才能設計出合理、方便的機械產品。在進行學科知識總結運用過程中，首先要放眼全局，從整體角度出發，綜合考慮。然后再將設計的產品系統逐步分解，按照知識板塊分解成若干個單元，按照相對應的知識體系進行相應目標函數的確定，再按照理論知識的原理進行函數變量和優化方法的設定。分別設計好后，按照它們之間的聯系，一個一個地將它們連接起來，這樣就組成了一個完整的設計方案，最后可以根據整體設計的需求進行輕微地調試變動。

3.3創新思維，杜絕重復

在設計過程中必須要做到自主創新，堅決避免重復，從現實角度出發，一定要有創新才能有廣闊的市場空間，重復的、沒有創意的東西很難贏得市場的青睞，也就是說，一個公司要想成長和進步，就必須推舊出新，避免墨守成規，最終導致被市場大環境所淘汰。因此，作為一個出色的企業，就要不斷創新，不斷保持市場活力，但在創新過程中要防止抄襲、重復等，作為設計研發人員，要不斷轉變思路，積極對產品進行改造，在推出新產品的同時，也要對原有產品進行改造，最終目的都是為了適應市場需求，使企業具有一定的競爭力。

結語

隨著行業的發展，技術的進步，機械設計的難度越來越大，很容易讓設計研發人員陷入到無休止且煩瑣、混亂的工作中，機械設計優化方法的出現，解放了設計人員，特別是近年來，優化方法和CAE分析技術的結合，大大降低了設計人員的工作強度。隨著各種CAE軟件，如：ANSYS、MARC、ABAQUS等的投入應用，利用現代化的手段進行新產品的開發設計，滿足了越來越多的客戶需求。通過優化設計，在降低產品重量、提高產品性能的同時，把設計人員從繁重的工作中解放出來，激發了他們設計創新的熱情與積極創新的設計思路。機械制造工業正經歷一次深刻地變革。

參考文獻

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）