機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用及趨勢(shì)探究

范會(huì)祥

青島石化檢修安裝工程有限責(zé)任公司 山東青島 266000

現(xiàn)階段，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)深入到社會(huì)中的各個(gè)領(lǐng)域，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也摒棄了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展進(jìn)程中，經(jīng)歷了從簡(jiǎn)到繁、從粗糙到精密的改革，當(dāng)陳舊的構(gòu)件在新環(huán)境中實(shí)驗(yàn)失敗時(shí)，激勵(lì)了人們對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的欲望[1]。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

1.1 功能性

主體功能需求是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首要要求，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)其機(jī)械功能的根本條件就是通過(guò)結(jié)構(gòu)的拼接與零件的聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品原型整體實(shí)現(xiàn)機(jī)械工作原理，踐行安全可靠的機(jī)械工藝標(biāo)準(zhǔn)。在初步的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)將機(jī)械產(chǎn)品的功能需求作為設(shè)計(jì)實(shí)施的基本框架，在此基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品的材料、選配與組裝進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。

1.2 質(zhì)效性

產(chǎn)品質(zhì)量與效能價(jià)格比是機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要著重考慮的影響因素，也是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行所提出的基本要求。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成本、美觀因素、安全環(huán)保等綜合效能考量，為機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量與效能提升提供了可行性方案[2-3]。

1.3 創(chuàng)新性

在當(dāng)前的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)條件下，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一成不變會(huì)成為行業(yè)發(fā)展的嚴(yán)重阻礙。新型技術(shù)條件的支撐與創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念的推行，為機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新提供了重要契機(jī)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何通過(guò)工藝與材料的綜合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，體現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)思維，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化

優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是提升機(jī)械性能，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率。在優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中，需對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，但與此同時(shí)，會(huì)衍生而來(lái)很多相關(guān)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，例如：結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜、結(jié)構(gòu)種類(lèi)較多、對(duì)結(jié)構(gòu)分析較為困難等。由此可見(jiàn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)十分必要。在上世紀(jì)末，我國(guó)機(jī)械領(lǐng)域緊隨國(guó)際步伐，對(duì)結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。主要是對(duì)軸對(duì)稱(chēng)零件形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械人結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)等，通過(guò)對(duì)零件性能的分析研究，可以合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀。

2.2 材料變?cè)?/h3>

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同的材料的性能各不相同。往往要考慮材料的硬度、表面處理方式、加工性能、價(jià)格、原材料、耐磨性、熔點(diǎn)、耐腐蝕性及其他眾多物理、化學(xué)性能。往往會(huì)針對(duì)不同的客戶(hù)需求，因交期、價(jià)格、性能等因素，需要對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)、創(chuàng)新，而材料變?cè)ㄍ莾?yōu)化的主要方法之一。隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，常見(jiàn)金屬和非金屬材料的普及化，更多的應(yīng)用場(chǎng)合可以有多種材料相互替代。通過(guò)對(duì)各種金屬材料和非金屬材料的特性對(duì)比與分析，選取合適的材料達(dá)到創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]。

2.3 位置元素的設(shè)計(jì)應(yīng)用

在機(jī)械構(gòu)件的組成當(dāng)中，往往具有多種多樣的元器件，并且各個(gè)元器件之間有不同的聯(lián)系與作用，所處的位置與功能也各有差異。位置變?cè)谧冊(cè)ㄖ械膽?yīng)用也十分普遍，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在機(jī)械構(gòu)造中對(duì)原件進(jìn)行空間位置上的移動(dòng)與調(diào)試，來(lái)找到構(gòu)件設(shè)計(jì)的最佳位置。例如，在元器件焊接的過(guò)程中，可將焊接位置設(shè)置在機(jī)械的對(duì)稱(chēng)軸處，有效防止機(jī)械構(gòu)件產(chǎn)生變形，影響整體部件的協(xié)調(diào)性美觀性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了將有限資源合理利用的目標(biāo)。此外，在變?cè)O(shè)計(jì)的過(guò)程中，還需應(yīng)用科學(xué)的加工工藝。例如，在模具的設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用特殊工藝來(lái)提升斜頂?shù)脑O(shè)計(jì)質(zhì)量，使材料的剛度更強(qiáng)。

2.4 數(shù)量元素的設(shè)計(jì)應(yīng)用

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的數(shù)量變?cè)枰Y(jié)合相關(guān)行業(yè)的具體使用需求來(lái)適當(dāng)改變機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部的數(shù)量。基于變?cè)ǖ脑O(shè)計(jì)理念，機(jī)械構(gòu)件原理包括工作面與加工面，在結(jié)構(gòu)原理中包含了個(gè)體元素與整體元素。調(diào)整相關(guān)元素，將會(huì)產(chǎn)生新的產(chǎn)品。例如，在直線設(shè)計(jì)中，注重產(chǎn)品的實(shí)用性與簡(jiǎn)單性。在進(jìn)行螺絲設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮穩(wěn)定性，通過(guò)增加彈簧墊的方法可以起到緩沖作用。通過(guò)對(duì)數(shù)量元素的整合，可以有效增加機(jī)械安裝的便捷性。在不影響機(jī)械構(gòu)件使用性能的基礎(chǔ)上，降低零件的使用量，積極開(kāi)發(fā)一體化螺絲的應(yīng)用，可以減少工作內(nèi)容，提升工作效率。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)趨勢(shì)

首先，在對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)多個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入思考和分析，如：可以或者不可以用數(shù)學(xué)方式表示的問(wèn)題、處于經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)描述之間的問(wèn)題等，針對(duì)模型設(shè)計(jì)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，對(duì)機(jī)械隨機(jī)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析機(jī)械實(shí)際的情況，研究其隨機(jī)因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)這些變量，從而提升機(jī)械性能。隨機(jī)變量設(shè)計(jì)優(yōu)化主要是通過(guò)確定變量，建立隨機(jī)的目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合模型設(shè)計(jì)，求出最合理的解。對(duì)模糊變量進(jìn)行合理分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)系統(tǒng)優(yōu)化全面性。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策能力以及處理能力都會(huì)有所提升，從而快速完成圖形輸出以及方案設(shè)計(jì)等任務(wù)；其次，通過(guò)多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索集成尋優(yōu)以及數(shù)據(jù)管理分析等，形成禍合子系統(tǒng)，從而使機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能夠互相左右[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)中具有關(guān)鍵性作用，零部件結(jié)構(gòu)的完整與實(shí)際效能的提高對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的效率有著至關(guān)重要的影響。只有充分理解和靈活運(yùn)用機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，推行創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，才能夠?qū)崿F(xiàn)最佳設(shè)計(jì)方案，保障機(jī)械生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益。