機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用與趨勢研究

孫曉玲

摘要：本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā)，基于最優(yōu)化原理從大量設(shè)計(jì)方案中尋求最佳方案，可以使設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率得到大幅度提高。本文在論述優(yōu)化結(jié)構(gòu)類型及機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探索研究，該研究進(jìn)一步推進(jìn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用；發(fā)展趨勢

引言

隨著科技的蓬勃發(fā)展，全球市場的競爭也隨之加劇，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快，其復(fù)雜程度也有所增加。傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)具有品種單一、批量較大的特點(diǎn)，該方式已無法滿足時(shí)代的發(fā)展需求，產(chǎn)品生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)化成了小批量、多品種的生產(chǎn)方式。為有效提高產(chǎn)品市場的占有率及競爭力在采用小批量新型生產(chǎn)方式時(shí)必須盡可能的降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本并有效提高產(chǎn)品的生產(chǎn)頻率。所以說現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用可以有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期并能提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，滿足了市場競爭的發(fā)展需要。優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的一個(gè)重要組成部分，數(shù)學(xué)規(guī)劃是優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要理論基礎(chǔ)。

1分析機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)被應(yīng)用到了船舶、汽車、橋梁、機(jī)械、水利、建筑、航空航天等多種應(yīng)用領(lǐng)域，可以有效減輕產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重量、改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、降低產(chǎn)品應(yīng)力水平、提高產(chǎn)品安全壽命等。

1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在航空航天中的應(yīng)用

一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)的綜合實(shí)力和綜合水平可以由該國家的航空航天技術(shù)體現(xiàn)出來，很多先進(jìn)科學(xué)技術(shù)都是從航空航天領(lǐng)域進(jìn)行嘗試、開發(fā)、試驗(yàn)、應(yīng)用、推廣的，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在該領(lǐng)域是應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、規(guī)模最大的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在航天航空這一特殊領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和高度重視，促進(jìn)了航空航天事業(yè)的發(fā)展。

1.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車行業(yè)也隨之發(fā)展起來，各個(gè)國家對汽車行業(yè)的發(fā)展都十分重視。在汽車行業(yè)先進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方式得到了極大地推廣與應(yīng)用，并取得了大量研究成果。黃俊等人研究了面向行人下肢碰撞保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，李毅等人對客車車身輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，王源邵等人對汽車車身安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，候敏楓等人則對汽車車身形態(tài)仿生的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索研究。機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，在汽車行業(yè)的地位也越來越重要。

1.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在船舶行業(yè)中的應(yīng)用

我國船舶的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究工作是從20世紀(jì)70年代末開始的，起步較晚，與國外相比晚了近十年左右。雖然我國船舶行業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)起步較晚，取得的成果卻很顯著，船舶行業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及到了潛艇外部液壓艙、潛艇結(jié)構(gòu)、油船剖面等結(jié)構(gòu)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，船舶的性能得到了極大的提高，為船舶設(shè)計(jì)提供了可靠的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要分類

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)過多年的應(yīng)用及發(fā)展已成為一種較為可靠、成熟、高效的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，本文對機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的幾個(gè)熱點(diǎn)問題進(jìn)行了論述分析。

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化

通過優(yōu)化機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)可以提高機(jī)械零部件的性能，機(jī)械零部件的形狀較為復(fù)雜、連續(xù)體結(jié)構(gòu)較多、結(jié)構(gòu)分析較為困難，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式可以達(dá)到很好的設(shè)計(jì)效果。機(jī)械行業(yè)是從20世紀(jì)80年代初開始興起結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化研究的，我國取得了顯著研究成果，田方進(jìn)行了軸對稱機(jī)械零件形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，王世軍對機(jī)器人結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，孫玉對裝校機(jī)器人關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效提高機(jī)械零部件的性能，是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要組成部分。

2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

之前人們常常將機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化上，對機(jī)械零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化問題較為忽視。隨著科技的發(fā)展，人們對機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)創(chuàng)新意識也隨之增強(qiáng)，在機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)提出與應(yīng)用之后，人們對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高要求，結(jié)構(gòu)拓?fù)涞膬?yōu)化設(shè)計(jì)也得到了進(jìn)一步發(fā)展。

2.3對機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品的性能及產(chǎn)品壽命都會受產(chǎn)品動態(tài)性能的影響，實(shí)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要前提就是機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析是一個(gè)復(fù)雜的分析過程，其動態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很高的研究價(jià)值，對今后產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用具有重大影響。

2.4機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件

當(dāng)前，市場上較為流行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化商用軟件較多，如ANSYS、ANSTARN（美國大型有限元分析軟件）、DDDU（大連理工大學(xué)開發(fā)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件）等，是功能十分強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件。

3對機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢的分析

隨著產(chǎn)品競爭的加劇和設(shè)計(jì)技術(shù)的更新變革，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)迎來了更大的發(fā)展空間，優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展動態(tài)主要包括以下幾方面。

3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在處理問題過程中所應(yīng)具備的能力

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的建模能力主要發(fā)展趨勢包括以下三大類：可以用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)描述的、無法用數(shù)學(xué)方法描述只能憑借知識和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)描述的以及居于二者之間的。此外，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)該具備求解各類設(shè)計(jì)模型的能力和對設(shè)計(jì)決策及結(jié)果進(jìn)行評估的設(shè)計(jì)后處理能力，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該完成從方案設(shè)計(jì)到圖形輸出的整體設(shè)計(jì)任務(wù)。

3.2多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢

近些年來，我國自然科學(xué)基金所資助的機(jī)械學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目多達(dá)二十多項(xiàng)，主要包括廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)、模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)、全性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)、分解優(yōu)化設(shè)計(jì)等內(nèi)容。此外還包括人機(jī)一體化設(shè)計(jì)與光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化、復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)耦合和解耦設(shè)計(jì)方法和理論的研究、機(jī)械傳動系統(tǒng)性能優(yōu)化、機(jī)電產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)方法理論等，以及最近開展的軋制件模具的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、面向產(chǎn)品的創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)等課題，無一不體現(xiàn)著我國的科技發(fā)展動向。

4總結(jié)

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種新型的設(shè)計(jì)方法，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的運(yùn)用使設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率得到大幅度提高，滿足了市場劇烈競爭的發(fā)展需要，有效縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王麗敏，計(jì)小輩，李穎芝.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用與趨勢研究[J].邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，03：46-48.

[2]劉世庚，張德珍，徐淑瓊.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究應(yīng)用及前景展望[J].科技視界，2014，16：107.

[3]牛小鐵，董立立.機(jī)械結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].煤礦機(jī)械，2012，09：5-7.