機械產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)運用實踐

顧永妍1 葛志磊2

（1.揚州宇揚機電有限公司，江蘇 揚州 225000；2.揚州市育英鈑金機械有限公司，江蘇 揚州 225124）

引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，科學技術(shù)水平的提升，我國各個行業(yè)都在朝著信息化、自動化的方向大步前進，在激烈的市場競爭中，只有通過優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新才能立于不敗之地，并滿足當前社會發(fā)展需求。機械產(chǎn)品是我國發(fā)展的重要基礎(chǔ)，但目前的設(shè)計技術(shù)并不能滿足時代發(fā)展需求，因此對機械產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)進行深入分析，具有積極的現(xiàn)實意義。

一、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法和層次

（一）尺寸方面的優(yōu)化技術(shù)

尺寸技術(shù)優(yōu)化是確保拓撲與形狀關(guān)系不受影響，通過在優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)用計算機技術(shù)，找到機械產(chǎn)品最佳的尺寸變量，通過運行實現(xiàn)重新組合，進而制定最高效的優(yōu)化設(shè)計方案。

（二）形狀方面的優(yōu)化技術(shù)

在對機械產(chǎn)品進行設(shè)計時，不但要保證產(chǎn)品尺寸符合標準，還要在外觀上滿足實際施工需求。因此，形狀優(yōu)化技術(shù)要確保機械產(chǎn)品拓撲關(guān)系恒定，在對機械產(chǎn)品進行設(shè)計時要找到最佳形狀變量，根據(jù)設(shè)計不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，找到能夠與實際工程相符的形狀，讓機械產(chǎn)品發(fā)揮使用功能。

（三）拓撲方面的優(yōu)化技術(shù)

拓撲優(yōu)化技術(shù)是利用離散結(jié)構(gòu)對機械產(chǎn)品進行優(yōu)化的，但在優(yōu)化過程中，要注意孔洞數(shù)量，以及形狀與分布現(xiàn)象，還要對結(jié)構(gòu)邊界采取優(yōu)化措施。離散結(jié)構(gòu)拓撲技術(shù)是確保機械產(chǎn)品數(shù)據(jù)準確的核心技術(shù)，保證各個關(guān)鍵點可實現(xiàn)最優(yōu)連接方式。

二、機械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展概況

在傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品制造過程中，采用的生產(chǎn)方式一般是單純的按批次制造方法，生產(chǎn)的產(chǎn)品類型極具單一特點?，F(xiàn)階段，該種形式已經(jīng)得到了很好的改善，更多的機械產(chǎn)品生產(chǎn)采用的批量較小、種類較多的生產(chǎn)方式，新生產(chǎn)方式的采用，在很大程度上提升了機械制造企業(yè)的生產(chǎn)市場競爭實力，繼而在市場中占據(jù)更多的市場份額，提升企業(yè)自身的經(jīng)濟效益和社會效益。與此同時，機械優(yōu)化設(shè)計的開展還有效的節(jié)省了制造企業(yè)的生產(chǎn)時間，降低成本的同時，優(yōu)化了現(xiàn)有的生產(chǎn)效率。另一方面，國內(nèi)現(xiàn)有的機械優(yōu)化設(shè)計流程主要按照以下內(nèi)容執(zhí)行：①在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計之前，需要先行確定優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)。該項流程的執(zhí)行主要是為了充分滿足機械產(chǎn)品的技術(shù)指標要求。②設(shè)計函數(shù)變量。該項操作的執(zhí)行，主要是為了確定不同機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)變量數(shù)值。③設(shè)定機械優(yōu)化設(shè)計的約束條件。主要用于限定優(yōu)化設(shè)計期間算法變量浮動空間。④方案評價。在進行機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的設(shè)計時，應(yīng)該同時設(shè)計出不同方向的多種優(yōu)化方案，從其中選取最佳方案運用。

三、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用的未來發(fā)展前景

（一）更利于大型復雜結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作開展水平的不斷提升，與時代的發(fā)展、行業(yè)的創(chuàng)新之間具有密不可分的聯(lián)系，20世紀中期以來，機械設(shè)計工作的發(fā)展方向越來越趨向于結(jié)構(gòu)模型的復雜化，同時對于大型結(jié)構(gòu)模型的有效構(gòu)建也起到了重要的促進作用，即高度優(yōu)化了傳統(tǒng)制造行業(yè)中機械產(chǎn)品模型的構(gòu)建水平和質(zhì)量。與此同時，設(shè)計變量參數(shù)量增加，使得結(jié)構(gòu)分析的推導與數(shù)值計算工作開展難度也得到了相應(yīng)的提升，隨著大型機械設(shè)備的不斷研發(fā)更新，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化并未及時更新出有效的算法公式，為機械優(yōu)化設(shè)計質(zhì)量提升造成了一定的不良影響。此時，全新機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的運用，能夠在很大程度上為大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運行優(yōu)化創(chuàng)造奠定技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)。具體而言，通過將較為復雜的結(jié)構(gòu)進行分解程不同的子結(jié)構(gòu)進行逐一分解優(yōu)化，甚至可以將涉及到多個學科的優(yōu)化按照學科的不同進行有效優(yōu)化。

（二）與計算機技術(shù)有效結(jié)合

在進行工業(yè)生產(chǎn)和制造企業(yè)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作過程中，現(xiàn)有的機械設(shè)計機構(gòu)優(yōu)化工作正在面向與計算機技術(shù)的有效結(jié)合的方向發(fā)展。現(xiàn)階段中，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計正在與計算技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展方向前進。通過對計算過程的有效優(yōu)化，實現(xiàn)了對于整個機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化質(zhì)量的提升，提升工業(yè)、制造機械生產(chǎn)產(chǎn)品構(gòu)件的精確參數(shù)值，最終優(yōu)化生產(chǎn)質(zhì)量。

（三）機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后能夠解決更多的機械設(shè)計問題

經(jīng)過長時間的發(fā)展，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在未來的發(fā)展過程中逐漸擁有了處理以下問題的能力：1.建模能力。在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，可以直接運用除數(shù)學方法之外的經(jīng)驗與知識進行建模處理；2.隨機變量優(yōu)化設(shè)計。在該項設(shè)計中，主要的設(shè)計內(nèi)容是指將隨機設(shè)計的變量進行確定,然后構(gòu)建隨機性的目標函數(shù)，對機械結(jié)構(gòu)的隨機模型進行相應(yīng)的計算求解，得出最佳設(shè)計參數(shù)。3.多學科系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。在該項機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作開展過程中，主要是將諸如搜索策略與數(shù)據(jù)分析以及設(shè)計管理等內(nèi)容進行有效的集成，通過對集成結(jié)果的分析，總結(jié)出整個機械結(jié)構(gòu)工程運行系統(tǒng)的構(gòu)成情況。在系統(tǒng)的分解研究期間，可以發(fā)現(xiàn)機械設(shè)備的每一種子系統(tǒng)的變量以及設(shè)計函數(shù)的構(gòu)成狀況都具有一定的協(xié)調(diào)性。此時，依據(jù)子系統(tǒng)之間的練聯(lián)系以及優(yōu)化后的計算結(jié)果分析，實現(xiàn)人工參與性質(zhì)的系統(tǒng)求解進程調(diào)控設(shè)計目標。

結(jié)語

機械產(chǎn)品對于我國的經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要，社會將關(guān)注點更多的放在了機械產(chǎn)品的設(shè)計與質(zhì)量方面，因此要降低產(chǎn)品殘次率，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)保證產(chǎn)品質(zhì)量，使企業(yè)能夠更好的發(fā)展。