機械結構優化設計應用與趨勢分析

易小剛 呂文中

摘 要：機械結構的優化設計指的是基于計算機技術等科技水平高的支持、以強化機械產品的工作效率與性能、增加產品使用壽命為目的、從形狀、動態性能、尺寸以及拓撲結構這四方面入手優化機械產品的過程。隨著信息時代以及機械行業的發展，機械結構的優化設計是大勢所趨。但是必須確保的是，在優化設計機械結構之前，一定要確保機械產品迎合工作需求，采取科學、合理的計算方式實施優化。本文首先簡要的闡述了當前機械結構優化的具體發展情況，并介紹了幾類機械結構的優化設計類別，由此得出機械結構后續優化設計的發展態勢。

關鍵詞：優化設計;應用;機械結構;發展趨勢

0 前言

目前，機械產品得到了大范圍的運用，對我國各個行業的發展形成了巨大的影響。為有效確保機械產品的作用能夠在人類生活、工作中得以正常發揮，有必要對機械結構實施優化設計。截至目前，在機械結構的優化設計方面我國進行了大量研究，且小有成就，其中，在焊工航天、汽車工業以及船舶行業等領域的表現最為突出。機械結構的優化設計的影響顯著，既體現在機械產品性能的改善上，又體現在機械制造業的競爭力的強化上，同時也有助于機械制造業的后續發展。

1 機械結構優化的發展概況

隨著科技的高速發展，機械產品更新換代的速度在不斷加快。在過去，機械產品的制造基本上采取批量生產的手段，產品類型相對單一化。現如今，其主要采取多品類、小批量生產的形式。為了使企業在市場上占據的份額擴大，提升企業競爭力，機械產品的生產應盡可能的減少生產成本與生產周期，而機械結構的優化設計恰巧能達到這個目的。依靠優化設計的方式，既能有效減少生產成本與生產時間，又能大幅提升生產效率，同時企業也可加快步伐占據市場，使自身更好的應對日趨激烈化的競爭環境。

隨著工程設計學和數學中的最優理論的不斷延伸，上世紀六十年代初機械結構的優化設計誕生。機械結構的優化設計的原理是采取數學手段在諸多設計方案內選擇最佳的，一次有效減少相關生產成本、提升性能、減少生產時間。截至目前，在船舶制造、冶金、交通工具、紡織以及航空航天等諸多領域，機械結構的優化設計得到了較好的運用[1]。

2 機械結構優化的設計類型

2.1 機械結構的尺寸優化

在設計機械結構時，對尺寸提出了較高的要求，務必要確保零件的尺寸合乎相關規定。針對多種零件構成的機械構件而言，倘若其中有一個零件的尺寸不達標，勢必會對零件的連接效果產生影響，使機械受損問題更加突出，更有甚者會致使機械設備喪失使用價值。某一構件的關聯零件的數量愈多，機械結構的繁雜程度愈高，尺寸的精細度的要求就會愈高。在優化機械結構的尺寸之前，務必要確保機械產品的拓撲關系與形狀不發生改變，采取計算機技術的方式對詳細的尺寸加以調節，從而改善機械產品的性能。

2.2 機械結構的形狀優化

要想有效提升機械設備的性能，可考慮把機械結構的形狀作為切入點。然而，大量大型的機械設備結構及其構件的形狀均比較繁雜，很難加以深入的分析研究，致使優化設計工作開展得極為不順暢。自上世紀六十年代開始，此問題的研究日趨增多，在此大背景下出現了許多研究成果。在優化結構上方面，王世軍、田方等人也展開了相關研究，并得出了一系列成果。

2.3 機械結構的拓撲優化

在過去，機械結構的優化設計將大部分精力置于結構參數的優化上，很少有人研究機械零件的拓撲結構。由于人類設計機械結構的意識的逐步增強，人類開始將注視目光置于拓撲結構的優化設計上。拓撲結構的優化應從離散結構與連續結構兩處入手。在優化設計連續拓撲結構時，應致力于優化孔洞形狀、數量、分布及其一些結構的邊界。而在優化設計離散結構時，應著眼于所有關鍵點的連接方式，以此為切入點[2]。

2.4 機械結構的動態性能優化

機械產品的動態性能指的是在外界的作用下機械結構展現出的外型方面的變化規律及其有關運動參數。機械產品的動態性能基本上是通過機械產品的工作壽命及其工作強度反映出來的，因此，通過優化機械結構的動態性能，既能有效減小機械的工作壓力，又能在工作強度不變的前提下有效增加機械產品的使用時間。

3 機械結構優化的發展趨勢

機械結構的優化設計是行業與時代發展的必然結果，最近幾年以來，機械結構的優化設計朝著結構系統的大型化、結構模型的繁雜化的方向發展。隨著設計變量的逐步增多，數值的計算難度、結構的分析推導難度也在不斷提高，部分特殊的結構優化缺乏與之對應的公式。選取大型的結構系統實施優化設計，能有效的分解部分繁雜的結構，使之變成子結構。同時，也可結合不同的學科優化多學科的設計。

目前，拓撲結構的優化設計依舊是進行結構優化設計研究的一大核心內容。通過優化拓撲結構，可為設計結構方案創造憑證，也可結合產品的實際需求選出對其適用的設計方案，通常宜用于大型機械的結構設計上，但必須建立大規模的結構模型，實施繁冗的結算。同時，優化拓撲結構能起到優化機械結構形狀與尺寸的作用，改進機械產品的性能。如今，在這方面還存在一些問題，最突出的有：“多孔狀”材料的布局、應力約束的處置、計算模型的病態等[3]。在后續的拓撲結構優化工作過程中，處理上述問題將是一大重點。

我國對機械結構的優化設計進行的研究范圍較廣，牽扯面大，涉及的范圍包括全性能的優化設計、光機電的一體化、模糊優化設計、人機一體化、廣義角度的優化設計、可靠性的優化等。從這可看出，當前在機械優化設計方面我國的研究走入了國際領先的領域。未來，我國研究的目標將覆蓋了構建結構優化的模型、大規模問題的求解、多學科優化、結果分析和靈敏度分析等。

4 結束語

機械結構的優化設計能有效改善機械產品的性能與質量，為機械行業的發展創造契機。依靠優化設計，能大幅度縮短機械產品的生產周期、提升制造機械產品的相關企業的競爭力。為此，我國機械行業務必要找準結構優化分析的發展方向，有效增強優化設計的技術水準，使機械制造業的發展更上一層樓。

參考文獻：

[1]張鐘文.試析機械結構優化設計的應用及趨勢[J].裝備制造技術，

2016（07）：270-271.

[2]房燦.機械結構優化設計應用與趨勢研究[J].科技創新與應用，

2016（18）：137.

[3]劉世庚，張德珍，徐淑瓊.機械結構優化設計研究應用及前景展望[J].科技視界，2014（16）：107.