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

趙長健

秦皇島和信基業(yè)建筑科技有限公司 河北秦皇島 06 6 000

在激烈的市場競爭下，企業(yè)想尋求發(fā)展必須增強自身產(chǎn)品的市場競爭力，否則就會在與同行的競爭中倒下。企業(yè)需要不斷優(yōu)化與完善自身的產(chǎn)品，機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計則是企業(yè)增強產(chǎn)品競爭力的重要方面之一。只有不斷的創(chuàng)新自己的產(chǎn)品，才能讓企業(yè)在市場競爭中持續(xù)的發(fā)展。

1 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀研究

隨著社會發(fā)展需求變化以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展，市場對產(chǎn)品的需求種類和質(zhì)量要求有很大提升，各個企業(yè)都在加強自主創(chuàng)新，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度較快，多品種化的生產(chǎn)模式成為了市場主流。企業(yè)為了能提升市場占有率，不僅需考慮產(chǎn)品制作成本，還需考慮生產(chǎn)周期，因此，需從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面著手，提升生產(chǎn)效率?？茖W(xué)優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過改變結(jié)構(gòu)形式增強機械功能，可以幫助企業(yè)快速的攻占市場，縮短生產(chǎn)周期，提升產(chǎn)品質(zhì)量，滿足市場的需求。機械功能優(yōu)化設(shè)計從上世紀(jì)就已經(jīng)被提出，其屬于一種新型的學(xué)科，是將優(yōu)化理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，結(jié)合生產(chǎn)實際在多個方案中選擇最為科學(xué)合理的設(shè)計方案，保障機械結(jié)構(gòu)質(zhì)量有所提升。在我國建筑行業(yè)、交通、冶金以及航空等領(lǐng)域中優(yōu)化設(shè)計被廣泛應(yīng)用，其社會經(jīng)濟效益顯而易見[1]。因此，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用具有廣闊的前景，需要專業(yè)人員加強技術(shù)研究和掌握。

2 變元法創(chuàng)新設(shè)計在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 尺寸變元

尺寸是機械結(jié)構(gòu)組成的基本因素之一。設(shè)計師在設(shè)計結(jié)構(gòu)的時候，通過尺寸調(diào)整，可以改變原材料尺寸，節(jié)約采購成本；通過尺寸調(diào)整，可以改變加工設(shè)備規(guī)格，降低加工成本；通過尺寸調(diào)整，可以降低倉儲空間、周轉(zhuǎn)空間、運輸空間，進而減少費用。對于公差尺寸的調(diào)整，往往降低公差尺寸會改變加工方式、加工設(shè)備，減少加工工時，節(jié)約成本。提高尺寸公差，會增加零件配合性能，調(diào)高設(shè)備的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的使用壽命。在結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計過程中，我們往往采取雙向創(chuàng)新。通過降低部分尺寸公差已減少原材料采購、加工、裝配、包裝運輸?shù)确矫娴某杀尽Ｅc此同時提高關(guān)鍵尺寸的公差等級達到更好的機械性能[2]。

2.2 材料元素創(chuàng)新設(shè)計

機械的設(shè)計材料將會直接影響機械結(jié)構(gòu)質(zhì)量，因此，合理選擇機械結(jié)構(gòu)的材料，可以保障機械正常發(fā)揮自身的效用。不同的設(shè)計材料具有本質(zhì)上的區(qū)別，在創(chuàng)新設(shè)計的過程當(dāng)中會產(chǎn)生不同效用。在優(yōu)化設(shè)計不同的機械結(jié)構(gòu)時，需要嚴(yán)格根據(jù)材料的實際情況進行，確保機械構(gòu)件的設(shè)計質(zhì)量。比如，當(dāng)機械創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用鋼材為主體材料時，需要在構(gòu)件設(shè)計中發(fā)揮出鋼材的優(yōu)勢，進一步提高鋼結(jié)構(gòu)的強度與硬度。擴大鋼結(jié)構(gòu)的橫截面面積，可以增強鋼結(jié)構(gòu)的使用質(zhì)量。如果在機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中應(yīng)用鑄鐵材料，需要提升其使用性能，由于鑄鐵材料的強度和硬度相對較差，在傳統(tǒng)設(shè)計理念中無法保障機械構(gòu)件的使用壽命。對于此種情況，可以在鑄鐵中加入強筋或隔板，來增強機械結(jié)構(gòu)使用性能。

2.3 數(shù)量變元

在產(chǎn)品零件的選用過程中，成本設(shè)計也是每個機械設(shè)計師要考慮的重要因素之一。低成本部件的數(shù)量的增加可以增強機械強度，通過低成本零部件數(shù)量的增加提高產(chǎn)品的性能，可以降低其他配套高成本零部件的數(shù)量。在裝配設(shè)計過程中，螺栓的選用是設(shè)計工作的一個重要部分，可以通過優(yōu)化螺栓的種類的數(shù)量，達到裝配的創(chuàng)新。為了裝配的便捷性，提高裝配工人的裝配效率，機械設(shè)計師往往會通過減少螺栓種類數(shù)量的方法，減少安裝工具種類數(shù)量，減少螺栓統(tǒng)一安裝螺栓預(yù)緊力數(shù)值。與此同時，品類的數(shù)量變元，還會在原材料的采購、物料的倉儲運輸、產(chǎn)品的維護等方面起到至關(guān)重要的作用。

3 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計趨勢探究

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[3]。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中常出現(xiàn)非光滑現(xiàn)象，此種現(xiàn)象需進行優(yōu)化設(shè)計，對于一些目標(biāo)函數(shù)以及約束函數(shù)來講，在優(yōu)化求解過程中會產(chǎn)生很多問題，解答過程也相對較難，通過非光滑問題的優(yōu)化設(shè)計可以有效解決此類問題，其包含了非光滑以及特殊優(yōu)化兩個技術(shù)層面。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。

4 結(jié)語

機械產(chǎn)品從需求、使用到維護的各環(huán)節(jié)中，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計起到了非常關(guān)鍵的作用?，F(xiàn)階段，部分產(chǎn)品的設(shè)計存在或多或少的不足。這就要求機械設(shè)計師要不斷提高自身的專業(yè)技能，拓寬設(shè)計思路，學(xué)習(xí)先進結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高機械結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量。使企業(yè)產(chǎn)品做強，推動機械制造業(yè)進一步發(fā)展，提高機械行業(yè)水平，實現(xiàn)強國夢想。