機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念及方法探討

顧佳朋

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制造業(yè)的發(fā)展也取得了很大進(jìn)步。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用水平也得到了有效的提升，為制造業(yè)生產(chǎn)效率提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在這一基礎(chǔ)上，機(jī)械機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作就顯得十分重要。通過(guò)對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)利用，很好的提升了機(jī)械生產(chǎn)產(chǎn)品的工作性能及效率，對(duì)于機(jī)械本身的使用壽命延長(zhǎng)也起到了比較不錯(cuò)的促進(jìn)作用。鑒于此，文中首先闡述了機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展概況，其次分析了機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓?fù)洹⑿螤?、科學(xué)結(jié)構(gòu)、尺寸以及動(dòng)態(tài)性能。最后從更利于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建與計(jì)算機(jī)技術(shù)有效結(jié)合等方面研究了機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展前景，旨在提升制造業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：機(jī)械機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；方法

引言

機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，對(duì)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)制造行業(yè)來(lái)說(shuō)都十分重要。機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到機(jī)械產(chǎn)品的可靠性和實(shí)用性，還決定了我國(guó)機(jī)械制造水平的高低。機(jī)械構(gòu)件的材料、形狀、尺寸等方面，都是機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題。創(chuàng)新的設(shè)計(jì)不僅能優(yōu)化傳統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的弊端，還是促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

1機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1縮短運(yùn)動(dòng)鏈

依據(jù)簡(jiǎn)單的“距離”分析可知，運(yùn)動(dòng)鏈條越長(zhǎng)、需要的運(yùn)動(dòng)時(shí)間越多，同時(shí)也會(huì)增加運(yùn)動(dòng)量，耗費(fèi)諸多能量，并在這種延長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)中增加震動(dòng)量、積累誤差量、提高設(shè)計(jì)材料成本。因而在當(dāng)前的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨著經(jīng)驗(yàn)累積，逐漸確定了縮短運(yùn)動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)原則。

1.2選擇原動(dòng)機(jī)

任何運(yùn)動(dòng)均需要能源轉(zhuǎn)換來(lái)完成。在機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)中，將這種以能源產(chǎn)生的原動(dòng)力稱為原動(dòng)機(jī)。通常的選擇宜建立在機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，以動(dòng)力需求進(jìn)行選取，有時(shí)可以選擇單獨(dú)的原動(dòng)機(jī)，也可以選擇匹配系數(shù)更高的多個(gè)原動(dòng)機(jī)，共同為產(chǎn)品生產(chǎn)加工提供動(dòng)力，為其正常化運(yùn)行狀態(tài)提供持續(xù)支持。

1.3選取運(yùn)動(dòng)副原則

所謂運(yùn)動(dòng)副原則指的是可動(dòng)連接，即當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)直接接觸后的可動(dòng)連接。采用這個(gè)原則作為機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)原則，主要是為了對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)做出一定的限制。

2機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1功能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

機(jī)械制造的主要目的就是滿足人們對(duì)機(jī)械功能的需求并對(duì)原材料進(jìn)行加工形成新成品。在機(jī)械制造的初始階段，機(jī)械功能的設(shè)計(jì)不僅要滿足客戶的實(shí)際需求，還要展現(xiàn)出創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品必須滿足相關(guān)的機(jī)械工作原理，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，滿足工藝力學(xué)、材料力學(xué)和裝配性能等相關(guān)因素的要求。

2.2保障結(jié)構(gòu)的社會(huì)效益與系統(tǒng)可行性

目前，對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)采用的是變?cè)ǖ姆绞健Ｍㄟ^(guò)改變和調(diào)整機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)因素，來(lái)獲得新的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。但在利用變?cè)ǖ慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須基于市場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際需求，在性能、經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行充分考慮。變?cè)ㄑ芯康膬?nèi)容包括機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)量、形狀、材料位置及裝配連接變?cè)?，主要通過(guò)對(duì)這些元素進(jìn)行變?cè)獊?lái)設(shè)計(jì)出更多的優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。但作為企業(yè)來(lái)講，機(jī)械生產(chǎn)的目的就是要滿足市場(chǎng)需求，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是要保障企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。在機(jī)械機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工作中，應(yīng)充分考慮到用戶的實(shí)際需求和企業(yè)的實(shí)際發(fā)展情況，保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的社會(huì)效益與系統(tǒng)可行性。

2.3系統(tǒng)模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)優(yōu)化指的是，設(shè)計(jì)人員先將機(jī)械機(jī)構(gòu)視作一個(gè)整體，將優(yōu)化流程看作是完整的結(jié)構(gòu)。將每一個(gè)優(yōu)化元素視作單獨(dú)的部件，明確這些單獨(dú)部件存在密切聯(lián)系的關(guān)系。這樣的層次化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)元素既是單獨(dú)的個(gè)體，又是共同的整體，能夠達(dá)成整體優(yōu)化的目的。目前來(lái)看，機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)模式一般是按照德國(guó)VDI2221設(shè)計(jì)方式。當(dāng)然也有一些機(jī)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)采用的是我國(guó)自主研發(fā)的系統(tǒng)設(shè)想。根據(jù)用戶需求進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，質(zhì)量功能分部位首先根據(jù)用戶需求明確機(jī)械機(jī)構(gòu)基本功能和特征，之后根據(jù)機(jī)械機(jī)構(gòu)的功能特征確定各個(gè)零部件的特征。將零部件特征作為核心，在討論和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中明確零件工藝特征。最后按照工藝特征分析，得出系統(tǒng)優(yōu)化作業(yè)特征，決定最后的系統(tǒng)優(yōu)化方法。系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)建立在將產(chǎn)品視作整體系統(tǒng)，通過(guò)不同區(qū)域和不同特征的規(guī)劃與明確，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的整體性設(shè)計(jì)，最終得出產(chǎn)品成品的設(shè)計(jì)結(jié)果。代表性設(shè)計(jì)方法包括鍵合圖法、舉證設(shè)計(jì)法、構(gòu)思設(shè)計(jì)法、圖形建模法、設(shè)計(jì)元素法等。每一種方法都需要結(jié)合系統(tǒng)完成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與方案的制定。

2.4進(jìn)化設(shè)計(jì)方法及在機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)中應(yīng)用進(jìn)化設(shè)計(jì)方法，主要可以借助進(jìn)化算法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)施優(yōu)化處理。從結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面分析，可以借助當(dāng)前的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件，使組合原理下的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)各個(gè)機(jī)構(gòu)要素在組合中的數(shù)據(jù)得到統(tǒng)計(jì)、分析，優(yōu)化計(jì)算后得到更為合理的優(yōu)化參數(shù)，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)、完善。再如，以結(jié)構(gòu)拓樸優(yōu)化為例，就可以在變異原理下的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)中，根據(jù)復(fù)雜的部分構(gòu)成進(jìn)行要素解析，然后利用有限網(wǎng)格細(xì)化方法，對(duì)各個(gè)部分構(gòu)件進(jìn)行復(fù)雜性計(jì)算，并通過(guò)變量變分法實(shí)施拓樸結(jié)構(gòu)深化，完成原始結(jié)構(gòu)向成型結(jié)構(gòu)方面的變異處理。

2.5優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓?fù)?/p>

傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械制造工作中，在進(jìn)行機(jī)械的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)設(shè)計(jì)人員普遍會(huì)將設(shè)計(jì)的精力集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化工作中，但是對(duì)于機(jī)械零部件上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則比較少，相應(yīng)的文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容也比較匱乏。伴隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)械制造水平的不斷提升，專業(yè)人員在該方面的設(shè)計(jì)重視程度有了很好的提升，相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)意識(shí)也得到了很好的培養(yǎng)。具體而言，在進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作時(shí)，設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)通常集中在兩個(gè)方面，其一是連續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其二是離散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。前者的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是指對(duì)于空洞的數(shù)量、形狀、分布范圍以及部分的結(jié)構(gòu)邊界的有效優(yōu)化。與前者相比，后者的優(yōu)化設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要集中于不同關(guān)鍵連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)著手，同時(shí)需要提前確定不同設(shè)計(jì)位置的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.6優(yōu)化機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸

在工業(yè)與制造業(yè)中，進(jìn)行各種生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化工作時(shí)，機(jī)械機(jī)構(gòu)本身的尺寸設(shè)計(jì)就成為整體設(shè)計(jì)工作中的關(guān)鍵工作內(nèi)容，同時(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)尺寸的要求也十分精準(zhǔn)。正式開(kāi)展機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，作為研發(fā)人員，需要意識(shí)到零件自身尺寸的大小必須與生產(chǎn)需求相適應(yīng)。在經(jīng)由多個(gè)不同零部件組建而成的機(jī)械設(shè)備中，一旦出現(xiàn)某一個(gè)零部件不符合生產(chǎn)需求，就會(huì)接連對(duì)各類零部件的聯(lián)接效果造成不良影響，加大使用期間各個(gè)部件間的磨損程度，更嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致整體生產(chǎn)設(shè)備無(wú)法投入生產(chǎn)運(yùn)行，出現(xiàn)報(bào)廢問(wèn)題。換言之，如果一個(gè)零部件所關(guān)聯(lián)到的其他構(gòu)件數(shù)量越多，那么對(duì)其尺寸的精確度要求就越高。另一方面，在進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸優(yōu)化作業(yè)時(shí)，必須確保機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的形狀與拓?fù)渲g的關(guān)系維持不變。然后在這一基礎(chǔ)上再去應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將尺寸面向精確度更高的方面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終提升機(jī)械產(chǎn)品的使用性能。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化必然會(huì)在發(fā)展的過(guò)程中，受到先進(jìn)技術(shù)影響。現(xiàn)如今我國(guó)也將機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)優(yōu)化，朝向計(jì)算機(jī)結(jié)合方向前進(jìn)。如今機(jī)械機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法在國(guó)內(nèi)外均已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注，并取得了一些成效。我國(guó)設(shè)計(jì)學(xué)者也意識(shí)到了CAD制圖的應(yīng)用價(jià)值，廣泛的使用CAD制圖實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化?？梢哉f(shuō)未來(lái)的機(jī)械行業(yè)發(fā)展，是一定離不開(kāi)機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化的。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：弗蘭德傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司）