機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用與展望

馮明明　　王率領(lǐng)

摘 要：所謂優(yōu)化設(shè)計就是在規(guī)定的各種設(shè)計限制條件下，將實際設(shè)計問題首先轉(zhuǎn)為最優(yōu)化問題，然后運用最優(yōu)化理論和方法，在電子計算機上進行自動調(diào)優(yōu)計算，從滿足各種設(shè)計要求及限制條件的全部可行方案中，選定出最優(yōu)設(shè)計方案。本文從機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展出發(fā)，簡述了機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要關(guān)鍵技術(shù)與理論，介紹了機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用，同時還展望機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的發(fā)展動向。

關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；應(yīng)用；展望

一、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)與理論

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中有許多的關(guān)鍵技術(shù)與理論，它們對機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展和應(yīng)用起著十分重要的作用。歸結(jié)起來，其中的主要關(guān)鍵技術(shù)與理論有以下幾個方面：

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的思想和理論；優(yōu)化方法；建模技術(shù)；結(jié)構(gòu)分析技術(shù)；結(jié)構(gòu)重分析技術(shù)；敏度分析技術(shù)；軟件開發(fā)技術(shù)。機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究與開發(fā)主要集中在這幾個方面，不斷有新的理論、方法與技術(shù)出現(xiàn)，也有一些其他學科的相關(guān)知識和新理論被引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并且大大拓寬了該方法的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，為機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展注入了新的活力。

二、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用

1.航空航天

航空航天技術(shù)代表著一個國家科學技術(shù)的綜合水平與實力，大量的先進科學技術(shù)首先在航空航天領(lǐng)域推廣應(yīng)用或發(fā)明、開發(fā)，而機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計發(fā)展最快、應(yīng)用最廣和作用最大的領(lǐng)域也在航空航天。由于該領(lǐng)域的特殊地位，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計得到了廣泛的應(yīng)用和充分的重視。目前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的大量研究集中在航空航天領(lǐng)域，同時也發(fā)表了大量的研究論文和研究報告。國內(nèi)進行了有關(guān)飛機機身、飛機翼面、飛機結(jié)構(gòu)整體、火箭發(fā)動機殼體、航空發(fā)動機輪盤、機身承力框架等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面的研究，發(fā)表了許多論文。而在國外，有關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在航空航天工業(yè)中應(yīng)用的研究更是層出不窮，發(fā)表了大量的研究報告和論文，一些著名的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計專家學者都在從事該領(lǐng)域的研究等。我國的航空航天工業(yè)已經(jīng)取得了巨大的成功，其中機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用是其重要的因素之一，而且必將成為越來越大的角色之一，為我國航海空航天事業(yè)的發(fā)展做出很大的貢獻。

2.船舶工業(yè)

船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的研究相對起步較晚，我國開始研究船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計比國外晚了近十年。但是，我國的船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也取得了較大的成果，在潛艇結(jié)構(gòu)、中小型集裝箱結(jié)構(gòu)、油船剖面、潛艇外部液壓艙等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面進行了研究，提高了相關(guān)研究對象的性能，為船舶設(shè)計提供了一種可靠、精確的設(shè)計方法。

3.通用機械和機床

通用機械和機床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也是一個機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成功應(yīng)用的領(lǐng)域，把有限元技術(shù)與優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對大型復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)件的設(shè)計是一種有效、精確的方法。由于一般的機械零部件都是連續(xù)體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分析非常復(fù)雜，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計比較困難。國內(nèi)的相關(guān)研究比較突出，發(fā)表了大量的研究論文和報告，陳立周、孫煥純等根據(jù)機械設(shè)計中離散設(shè)計變量較多的情況，提出了離散設(shè)計變量結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法；孫靖民、米成秋對機床床身等部件進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；周濟等研究了圓柱拉壓彈簧動載下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；鐘毅芳、唐增寶等進行了液力傳動系和雙級齒輪減速器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究；方宗德等完成了斜齒輪三維修形的優(yōu)化設(shè)計；秦東晨、方剛等完成了復(fù)雜箱形梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究等。通過這些研究工作的開展，通用機械和機床的設(shè)計有了一種快速、有效、可靠的設(shè)計方法，提高機械產(chǎn)品的設(shè)計水平。

4.汽車工業(yè)

汽車工業(yè)是一個不斷創(chuàng)新、發(fā)展的重要行業(yè)，各個國家和地區(qū)都十分重視汽車工業(yè)的發(fā)展。因此，先進的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法也就在此行業(yè)得到推廣和應(yīng)用，國內(nèi)外出現(xiàn)了大量的研究成果。馮振東等進行了萬向節(jié)傳動布局的支承動態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；田振中研究了特種汽車車身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；馮國勝對汽車車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了研究；章一鳴等研究了汽車懸掛系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計；上官文斌等進行了發(fā)動機懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計；秦東晨等對汽車車身進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等。汽車工業(yè)已經(jīng)成為機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計廣泛應(yīng)用的一個領(lǐng)域。

三、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的展望

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計隨著最優(yōu)化方法的不斷發(fā)展和改善，已逐漸得以發(fā)展。

拓撲優(yōu)化、材料優(yōu)化和形狀優(yōu)化的集成在機械結(jié)構(gòu)和部件設(shè)計中具有重要的實用價值，是近年來出現(xiàn)的并行設(shè)計的重要組成部分，仍將是下一步研究工作的重點。拓撲優(yōu)化能夠為結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計提供科學的依據(jù)，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)和部件在概念設(shè)計階段即可靈活地、理性地優(yōu)選方案，有望用于大型實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計求解。拓撲優(yōu)化研究中提出的均勻化方法等，可以將材料選擇，布局優(yōu)化和形狀優(yōu)化集成一體，為并行地設(shè)計材料、工藝和結(jié)構(gòu)提供科學的手段，有關(guān)方法的研究，實用化軟件開發(fā)及應(yīng)用是有意義的。但是要處理龐大的有限元和優(yōu)化模型計算量增大，應(yīng)力約束處理、對“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失可能會對計算模型造成病態(tài)等問題。

動態(tài)特性優(yōu)化是機械系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用研究的一個重要方向。特征向量、動力響應(yīng)量的靈敏度分析、高度密集頻率的動力學問題的分析和優(yōu)化設(shè)計，大型動力優(yōu)化問題的建模和求解方法，非線性分析在優(yōu)化中的應(yīng)用，使優(yōu)化技術(shù)的作用從對設(shè)計方案的優(yōu)化延伸到加工工藝過程的優(yōu)化，仍是極富有研究和應(yīng)用價值。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在工程設(shè)計中的進一步推廣應(yīng)用仍具實用價值，要解決優(yōu)化設(shè)計的有限元模型的龐大性，解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化與多學科設(shè)計問題交叉問題。對于機構(gòu)、結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備的可靠性與健壯性是大型工業(yè)裝備設(shè)計時十分關(guān)心的問題，綜合考慮可靠度，健壯性及成本的全性能優(yōu)化設(shè)計理論、方法及其應(yīng)用，將給出更為接近實際的結(jié)果，應(yīng)予重視。在這類問題的研究中，對包括模糊性和隨機性的不確定因素應(yīng)予注意。為促進優(yōu)化設(shè)計為工程實際服務(wù)，進一步開展實用性，通用性的結(jié)構(gòu)化設(shè)計軟件的開發(fā)和完善工作也是十分迫切的。

參考文獻：

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