機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用及趨勢探究

范會祥

青島石化檢修安裝工程有限責(zé)任公司 山東青島 266000

現(xiàn)階段，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，創(chuàng)新設(shè)計已經(jīng)深入到社會中的各個領(lǐng)域，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中也摒棄了傳統(tǒng)的設(shè)計方式。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展進程中，經(jīng)歷了從簡到繁、從粗糙到精密的改革，當(dāng)陳舊的構(gòu)件在新環(huán)境中實驗失敗時，激勵了人們對機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的欲望[1]。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求

1.1 功能性

主體功能需求是機械產(chǎn)品設(shè)計的首要要求，產(chǎn)品實現(xiàn)其機械功能的根本條件就是通過結(jié)構(gòu)的拼接與零件的聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)產(chǎn)品原型整體實現(xiàn)機械工作原理，踐行安全可靠的機械工藝標(biāo)準(zhǔn)。在初步的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)將機械產(chǎn)品的功能需求作為設(shè)計實施的基本框架，在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品的材料、選配與組裝進行進一步的設(shè)計。

1.2 質(zhì)效性

產(chǎn)品質(zhì)量與效能價格比是機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中要著重考慮的影響因素，也是現(xiàn)代工程設(shè)計對于機械結(jié)構(gòu)運行所提出的基本要求。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計成本、美觀因素、安全環(huán)保等綜合效能考量，為機械產(chǎn)品的質(zhì)量與效能提升提供了可行性方案[2-3]。

1.3 創(chuàng)新性

在當(dāng)前的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)條件下，機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一成不變會成為行業(yè)發(fā)展的嚴(yán)重阻礙。新型技術(shù)條件的支撐與創(chuàng)新設(shè)計理念的推行，為機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新提供了重要契機。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如何通過工藝與材料的綜合應(yīng)用實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，體現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計思維，是現(xiàn)代機械設(shè)計的要點。

2 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化

優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是提升機械性能，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率。在優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用過程中，需對零件結(jié)構(gòu)進行科學(xué)優(yōu)化，但與此同時，會衍生而來很多相關(guān)的設(shè)計問題，例如：結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜、結(jié)構(gòu)種類較多、對結(jié)構(gòu)分析較為困難等。由此可見，優(yōu)化結(jié)構(gòu)十分必要。在上世紀(jì)末，我國機械領(lǐng)域緊隨國際步伐，對結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化設(shè)計進行研究。主要是對軸對稱零件形狀優(yōu)化設(shè)計、機械人結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計等，通過對零件性能的分析研究，可以合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀。

2.2 材料變元

在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，不同的材料的性能各不相同。往往要考慮材料的硬度、表面處理方式、加工性能、價格、原材料、耐磨性、熔點、耐腐蝕性及其他眾多物理、化學(xué)性能。往往會針對不同的客戶需求，因交期、價格、性能等因素，需要對機械結(jié)構(gòu)改進、創(chuàng)新，而材料變元法往往是優(yōu)化的主要方法之一。隨著我國工業(yè)的發(fā)展，常見金屬和非金屬材料的普及化，更多的應(yīng)用場合可以有多種材料相互替代。通過對各種金屬材料和非金屬材料的特性對比與分析，選取合適的材料達到創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]。

2.3 位置元素的設(shè)計應(yīng)用

在機械構(gòu)件的組成當(dāng)中，往往具有多種多樣的元器件，并且各個元器件之間有不同的聯(lián)系與作用，所處的位置與功能也各有差異。位置變元在變元法中的應(yīng)用也十分普遍，簡單來說，在機械構(gòu)造中對原件進行空間位置上的移動與調(diào)試，來找到構(gòu)件設(shè)計的最佳位置。例如，在元器件焊接的過程中，可將焊接位置設(shè)置在機械的對稱軸處，有效防止機械構(gòu)件產(chǎn)生變形，影響整體部件的協(xié)調(diào)性美觀性，同時實現(xiàn)了將有限資源合理利用的目標(biāo)。此外，在變元設(shè)計的過程中，還需應(yīng)用科學(xué)的加工工藝。例如，在模具的設(shè)計當(dāng)中，采用特殊工藝來提升斜頂?shù)脑O(shè)計質(zhì)量，使材料的剛度更強。

2.4 數(shù)量元素的設(shè)計應(yīng)用

機械創(chuàng)新設(shè)計中的數(shù)量變元，需要結(jié)合相關(guān)行業(yè)的具體使用需求來適當(dāng)改變機械結(jié)構(gòu)內(nèi)部的數(shù)量。基于變元法的設(shè)計理念，機械構(gòu)件原理包括工作面與加工面，在結(jié)構(gòu)原理中包含了個體元素與整體元素。調(diào)整相關(guān)元素，將會產(chǎn)生新的產(chǎn)品。例如，在直線設(shè)計中，注重產(chǎn)品的實用性與簡單性。在進行螺絲設(shè)計時，需要考慮穩(wěn)定性，通過增加彈簧墊的方法可以起到緩沖作用。通過對數(shù)量元素的整合，可以有效增加機械安裝的便捷性。在不影響機械構(gòu)件使用性能的基礎(chǔ)上，降低零件的使用量，積極開發(fā)一體化螺絲的應(yīng)用，可以減少工作內(nèi)容，提升工作效率。

3 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計趨勢

首先，在對機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中需對多個問題進行深入思考和分析，如：可以或者不可以用數(shù)學(xué)方式表示的問題、處于經(jīng)驗和知識描述之間的問題等，針對模型設(shè)計對問題進行求解，對機械隨機變量進行優(yōu)化設(shè)計，分析機械實際的情況，研究其隨機因素，優(yōu)化設(shè)計這些變量，從而提升機械性能。隨機變量設(shè)計優(yōu)化主要是通過確定變量，建立隨機的目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合模型設(shè)計，求出最合理的解。對模糊變量進行合理分析和優(yōu)化設(shè)計，加強系統(tǒng)優(yōu)化全面性。通過優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計決策能力以及處理能力都會有所提升，從而快速完成圖形輸出以及方案設(shè)計等任務(wù)；其次，通過多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，探索集成尋優(yōu)以及數(shù)據(jù)管理分析等，形成禍合子系統(tǒng)，從而使機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能夠互相左右[5]。

4 結(jié)語

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在機械產(chǎn)品的生產(chǎn)中具有關(guān)鍵性作用，零部件結(jié)構(gòu)的完整與實際效能的提高對于工業(yè)生產(chǎn)的效率有著至關(guān)重要的影響。只有充分理解和靈活運用機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中的各項關(guān)鍵技術(shù)，推行創(chuàng)新設(shè)計理念，才能夠?qū)崿F(xiàn)最佳設(shè)計方案，保障機械生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益。