機械結構優化設計的應用及趨勢探究

趙長健

秦皇島和信基業建筑科技有限公司 河北秦皇島 06 6 000

在激烈的市場競爭下，企業想尋求發展必須增強自身產品的市場競爭力，否則就會在與同行的競爭中倒下。企業需要不斷優化與完善自身的產品，機械結構創新設計則是企業增強產品競爭力的重要方面之一。只有不斷的創新自己的產品，才能讓企業在市場競爭中持續的發展。

1 機械結構優化設計應用現狀研究

隨著社會發展需求變化以及科學技術發展，市場對產品的需求種類和質量要求有很大提升，各個企業都在加強自主創新，產品更新換代速度較快，多品種化的生產模式成為了市場主流。企業為了能提升市場占有率，不僅需考慮產品制作成本，還需考慮生產周期，因此，需從機械結構設計方面著手，提升生產效率。科學優化機械結構設計，通過改變結構形式增強機械功能，可以幫助企業快速的攻占市場，縮短生產周期，提升產品質量，滿足市場的需求。機械功能優化設計從上世紀就已經被提出，其屬于一種新型的學科，是將優化理論與結構設計相結合，結合生產實際在多個方案中選擇最為科學合理的設計方案，保障機械結構質量有所提升。在我國建筑行業、交通、冶金以及航空等領域中優化設計被廣泛應用，其社會經濟效益顯而易見[1]。因此，機械結構優化設計的應用具有廣闊的前景，需要專業人員加強技術研究和掌握。

2 變元法創新設計在機械結構設計中的應用

2.1 尺寸變元

尺寸是機械結構組成的基本因素之一。設計師在設計結構的時候，通過尺寸調整，可以改變原材料尺寸，節約采購成本；通過尺寸調整，可以改變加工設備規格，降低加工成本；通過尺寸調整，可以降低倉儲空間、周轉空間、運輸空間，進而減少費用。對于公差尺寸的調整，往往降低公差尺寸會改變加工方式、加工設備，減少加工工時，節約成本。提高尺寸公差，會增加零件配合性能，調高設備的穩定性，提高產品的使用壽命。在結構的創新設計過程中，我們往往采取雙向創新。通過降低部分尺寸公差已減少原材料采購、加工、裝配、包裝運輸等方面的成本。與此同時提高關鍵尺寸的公差等級達到更好的機械性能[2]。

2.2 材料元素創新設計

機械的設計材料將會直接影響機械結構質量，因此，合理選擇機械結構的材料，可以保障機械正常發揮自身的效用。不同的設計材料具有本質上的區別，在創新設計的過程當中會產生不同效用。在優化設計不同的機械結構時，需要嚴格根據材料的實際情況進行，確保機械構件的設計質量。比如，當機械創新結構設計中應用鋼材為主體材料時，需要在構件設計中發揮出鋼材的優勢，進一步提高鋼結構的強度與硬度。擴大鋼結構的橫截面面積，可以增強鋼結構的使用質量。如果在機械結構創新設計中應用鑄鐵材料，需要提升其使用性能，由于鑄鐵材料的強度和硬度相對較差，在傳統設計理念中無法保障機械構件的使用壽命。對于此種情況，可以在鑄鐵中加入強筋或隔板，來增強機械結構使用性能。

2.3 數量變元

在產品零件的選用過程中，成本設計也是每個機械設計師要考慮的重要因素之一。低成本部件的數量的增加可以增強機械強度，通過低成本零部件數量的增加提高產品的性能，可以降低其他配套高成本零部件的數量。在裝配設計過程中，螺栓的選用是設計工作的一個重要部分，可以通過優化螺栓的種類的數量，達到裝配的創新。為了裝配的便捷性，提高裝配工人的裝配效率，機械設計師往往會通過減少螺栓種類數量的方法，減少安裝工具種類數量，減少螺栓統一安裝螺栓預緊力數值。與此同時，品類的數量變元，還會在原材料的采購、物料的倉儲運輸、產品的維護等方面起到至關重要的作用。

3 機械結構優化設計趨勢探究

首先，在對機械結構優化設計過程中需對多個問題進行深入思考和分析，如：可以或者不可以用數學方式表示的問題、處于經驗和知識描述之間的問題等，針對模型設計對問題進行求解，對機械隨機變量進行優化設計，分析機械實際的情況，研究其隨機因素，優化設計這些變量，從而提升機械性能。隨機變量設計優化主要是通過確定變量，建立隨機的目標函數，結合模型設計，求出最合理的解。對模糊變量進行合理分析和優化設計，加強系統優化全面性[3]。在機械結構設計中常出現非光滑現象，此種現象需進行優化設計，對于一些目標函數以及約束函數來講，在優化求解過程中會產生很多問題，解答過程也相對較難，通過非光滑問題的優化設計可以有效解決此類問題，其包含了非光滑以及特殊優化兩個技術層面。通過優化設計系統設計決策能力以及處理能力都會有所提升，從而快速完成圖形輸出以及方案設計等任務；其次，通過多學科結構優化設計，探索集成尋優以及數據管理分析等，形成禍合子系統，從而使機械結構系統能夠互相左右。

4 結語

機械產品從需求、使用到維護的各環節中，機械結構設計起到了非常關鍵的作用。現階段，部分產品的設計存在或多或少的不足。這就要求機械設計師要不斷提高自身的專業技能，拓寬設計思路，學習先進結構設計方法，不斷優化結構設計，提高機械結構的總體質量。使企業產品做強，推動機械制造業進一步發展，提高機械行業水平，實現強國夢想。