機械產(chǎn)品設計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)運用探究

310023 中國船舶重工集團公司第七一五研究所 浙江 杭州|康愷

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機械產(chǎn)品設計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)運用探究

310023 中國船舶重工集團公司第七一五研究所 浙江 杭州|康愷

摘要：主要研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械產(chǎn)品設計中的應用，分析機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的基本思路，并對機械產(chǎn)品設計結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的具體應用策略進行了討論。關鍵詞：機械產(chǎn)品；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

長期以來，機械產(chǎn)品的設計工作都是參照相同產(chǎn)品的估算、經(jīng)驗、類比來確定其基本結(jié)構(gòu)，并通過性能計算檢查各項性能指標是否滿足設計標準要求。這樣的機械設計方法人工試錯與類比分析過程比較復雜，會消耗更多的時間，導致設計周期延長，而且設計方案的比選只能局限在幾個方案之間，方案優(yōu)化工作有待加強。

機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計思路

面對越來越激烈的市場競爭，更多的機械設備制造廠商意識到，只有更快地推出新產(chǎn)品，才能占領更多的市場，因此機械設計工作人員開始關注機械產(chǎn)品設計工作效率的提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械設計工作中的應用能夠顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期，尤其是在沒有參照物可供參考的全新產(chǎn)品設計工作中，對拓撲優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化的綜合應用，能夠讓設計員快速設計出滿足要求的機械產(chǎn)品。

a設計流程

①目標函數(shù)

目標函數(shù)往往是機械設計中最受關注的關鍵因素，在機械設計中如何控制變形或者應力水平是設計者最為關心的問題，所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的目標函數(shù)可以設置為變形或應力的最小值。

②設計變量

設計變量是指所有與機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計有關的參數(shù)，在機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化過程中，所涉及到的設計變量主要可以分為兩大類。一類是描述結(jié)構(gòu)變形的幾何參數(shù)，如長寬高、直徑厚度等，另一類是物理參數(shù)，主要包括彈性模量密度屈服極限等。

③約束條件

機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化函數(shù)的迭代計算中，很多設計變量都存在著一些約束條件，其中最為常見的是位置限制和運動可能性的極值。

④優(yōu)化分析評估

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計往往是有約束的非線性函數(shù)問題，現(xiàn)階段已經(jīng)有多種數(shù)學工具可供使用，但是在實際工作中選擇一種合適的優(yōu)化方法仍然比較困難，需要根據(jù)問題的實際情況靈活選擇優(yōu)化算法，并對結(jié)果進行分析評估。

b結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要內(nèi)容

根據(jù)機械結(jié)構(gòu)設計目標、約束對象、目標函數(shù)等條件的不同，選擇不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法。根據(jù)優(yōu)化目標層次的不同，機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計工作可以分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化3個不同的層次，隨著優(yōu)化層次的加深，優(yōu)化工作的難度也隨之增加，但是優(yōu)化工作帶來的效益也更加顯著。

①尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是指保持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，通過對設計變量的分析重組，對性能組合關系進行優(yōu)化。

②形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化是保持設計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關系不變的情況下，利用結(jié)構(gòu)邊界獲取某種性能最佳狀態(tài)的優(yōu)化方法。

③拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是指機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化與離散結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的組合，其中連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化主要包括孔洞分布數(shù)量邊界的優(yōu)化，而拓撲優(yōu)化主要是指定節(jié)點位置以及相互連接關系的優(yōu)化。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在機械產(chǎn)品設計工作中的應用

計算機技術(shù)與仿真技術(shù)在機械產(chǎn)品設計中的應用更加普遍，計算機強大的計算以及仿真功能給結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供了極大的發(fā)揮空間。基于計算機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械產(chǎn)品設計中的應用，能夠通過對機械產(chǎn)品系統(tǒng)的分析和持續(xù)的優(yōu)化，保證產(chǎn)品的性能滿足要求，同時顯著縮短機械產(chǎn)品的設計周期，在保證機械產(chǎn)品設計質(zhì)量的同時，節(jié)省了設計工作成本。

a建立優(yōu)化信息模型

機械產(chǎn)品往往有上千個設計變量和幾百個設計函數(shù)，設計一個涉及到如此多變量和函數(shù)的優(yōu)化程序是比較困難的，因此可以應用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立一個機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的信息函數(shù)模型。首先分析用戶要求，將用戶要求分解為多個基本設計參數(shù)，之后分別根據(jù)用戶要求和邊界條件建立目標函數(shù)與約束函數(shù)，進行數(shù)據(jù)分析處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果生成修正函數(shù)，代表最終輸出。數(shù)據(jù)輸入和處理過程中，設計變量構(gòu)成目標函數(shù)與約束函數(shù)的生成通過數(shù)據(jù)傳遞系數(shù)實現(xiàn)，而數(shù)據(jù)分析和處理工程依賴數(shù)據(jù)修正因子建立基于目標函數(shù)和約束函數(shù)的修正函數(shù)，通過該信息模型，能夠完成機械產(chǎn)品設計計算流程函數(shù)之間調(diào)用關系定義，將機械產(chǎn)品設計涉及到的參數(shù)關聯(lián)用計算機語言準確表示出來。

b基于信息模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

信息庫建立完畢，將根據(jù)機械產(chǎn)品設計情況，給出幾個優(yōu)化方案，并將其核心設計參數(shù)存入信息函數(shù)模型，數(shù)據(jù)庫應用數(shù)據(jù)離散化方法存儲、配置有限元分析結(jié)果，使用粗糙集機器學習方法對有限元分析結(jié)果進行解釋，并提取數(shù)據(jù)背后的優(yōu)化設計規(guī)則，最后應用優(yōu)化規(guī)則對幾個方案的綜合性能進行全面對比，獲取有約束條件下的最優(yōu)解。

結(jié)語

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械產(chǎn)品設計中的應用能夠顯著降低工作人員的設計工作量，應用三維仿真模擬技術(shù)能夠有效節(jié)省產(chǎn)品設計優(yōu)化工作成本，同時經(jīng)過多次模擬分析優(yōu)化，能夠獲得更好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，滿足用戶的各種性能需求，及時發(fā)現(xiàn)并消除了更多質(zhì)量隱患，這才是一種優(yōu)秀的機械產(chǎn)品設計方法。

參考：

［1］胡桂川，劉敬花.基于CAE分析的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計［J］.機械設計與研究，2011（03）.

［2］聶勇軍，廖啟征.多學科優(yōu)化設計在工程機械產(chǎn)品開發(fā)中的應用展望［J］.起重運輸機械，2014（08）.

［3］劉樹春，張敬佩，李初曄.機械產(chǎn)品設計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應用［J］.機械設計與制造，2013（08）.

［4］羅忠，柳洪義，田洪海，聞邦椿.現(xiàn)代機械產(chǎn)品智能優(yōu)化設計方法及其應用［J］.東北大學學報（自然科學版），2014（07）.