機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用及趨勢(shì)探究

何海申

摘 要：在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分重要的內(nèi)容，計(jì)算機(jī)作為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，結(jié)合規(guī)劃理論內(nèi)容，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)約束條件進(jìn)行分析，從而找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，提升機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠解決多樣化問題，提升機(jī)械性能。本文對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行分析，并探究其發(fā)展趨勢(shì)，旨在探尋最佳機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，最大化發(fā)揮機(jī)械功能作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);應(yīng)用;趨勢(shì)

機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)想要提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，需加強(qiáng)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)和研發(fā)，加強(qiáng)產(chǎn)品性能，并及時(shí)更新?lián)Q代。隨著市場(chǎng)快速發(fā)展，單一化生產(chǎn)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻踊a(chǎn)方式，通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效降低產(chǎn)品成本，并縮短生產(chǎn)周期，提升企業(yè)的市場(chǎng)占有率，在滿足市場(chǎng)需求同時(shí)提升企業(yè)自身競(jìng)爭(zhēng)力。

一、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀研究

隨著社會(huì)發(fā)展需求變化以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求種類和質(zhì)量要求有很大提升，各個(gè)企業(yè)都在加強(qiáng)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(chǎng)主流。企業(yè)為了能提升市場(chǎng)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面著手，提升生產(chǎn)效率?？茖W(xué)優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過改變結(jié)構(gòu)形式增強(qiáng)機(jī)械功能，可以幫助企業(yè)快速的攻占市場(chǎng)，縮短生產(chǎn)周期，提升產(chǎn)品質(zhì)量，滿足市場(chǎng)的需求。機(jī)械功能優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)相結(jié)合，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際在多個(gè)方案中選擇最為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，保障機(jī)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(jì)被廣泛應(yīng)用，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯而易見。因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用具有廣闊的前景，需要專業(yè)人員加強(qiáng)技術(shù)研究和掌握[1]。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)類型分析

（一）結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

在一般情況下，普通機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)注度不高。隨著市場(chǎng)需求變化，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化意識(shí)有所提升，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念關(guān)注度較高，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化需求也更加嚴(yán)格和規(guī)范，拓?fù)鋬?yōu)化是十分重要的環(huán)節(jié)，其屬于幾何學(xué)的分支之一。

（二）結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化

優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是提升機(jī)械性能，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率。在優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，需對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，但與此同時(shí)，會(huì)衍生而來很多相關(guān)的設(shè)計(jì)問題，例如：結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜、結(jié)構(gòu)種類較多、對(duì)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(jī)械領(lǐng)域緊隨國際步伐，對(duì)結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。主要是對(duì)軸對(duì)稱零件形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械人結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)等，通過對(duì)零件性能的分析研究，可以合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀，如下圖所示。

（三）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品的性能動(dòng)態(tài)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度以及機(jī)械壽命產(chǎn)生一定影響，因此，需優(yōu)化結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能過程的分析和研究，對(duì)于大型機(jī)械結(jié)構(gòu)來講，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析作用較大，需全面搜集機(jī)械相關(guān)信息，了解生產(chǎn)需求，從而使設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理[2]。

（四）多結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅需要對(duì)優(yōu)化預(yù)期結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，還需要明確優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，從整體上構(gòu)思機(jī)械結(jié)構(gòu)，促進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化發(fā)展。MDO理論為一種新型結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論，其被廣泛應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論保障和基礎(chǔ)，使產(chǎn)品質(zhì)量大大提升，生產(chǎn)效率也有所提升，在機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中發(fā)揮重要作用。

三、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)趨勢(shì)探究

合理優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效提升企業(yè)生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)工期，從而提升企業(yè)市場(chǎng)占有率和競(jìng)爭(zhēng)力。隨著科學(xué)技術(shù)更新發(fā)展，各類分析法被應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件也發(fā)生很大的改變，相關(guān)學(xué)者對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)注度有所提升。有限元分析是較為常見的分析法，其通過對(duì)物體及系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析，將其分解為相互關(guān)聯(lián)的幾何模型，通過預(yù)處理和分析優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)。在國際范圍內(nèi)，相關(guān)學(xué)者對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探究從未停止。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代較快，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)十分凸顯，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探究思考：

首先，在對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需對(duì)多個(gè)問題進(jìn)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(yàn)和知識(shí)描述之間的問題等，針對(duì)模型設(shè)計(jì)對(duì)問題進(jìn)行求解，對(duì)機(jī)械隨機(jī)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析機(jī)械實(shí)際的情況，研究其隨機(jī)因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)這些變量，從而提升機(jī)械性能。隨機(jī)變量設(shè)計(jì)優(yōu)化主要是通過確定變量，建立隨機(jī)的目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合模型設(shè)計(jì)，求出最合理的解。對(duì)模糊變量進(jìn)行合理分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)系統(tǒng)優(yōu)化全面性。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)非光滑現(xiàn)象，此種現(xiàn)象需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)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(huì)產(chǎn)生很多問題，解答過程也相對(duì)較難，通過非光滑問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)技術(shù)層面。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策能力以及處理能力都會(huì)有所提升，從而快速完成圖形輸出以及方案設(shè)計(jì)等任務(wù);其次，通過多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能夠互相左右[3]。

四、結(jié)語

綜上所述，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是現(xiàn)代設(shè)計(jì)主要的組成部分之一，合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案可以提升企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。作為一種新型設(shè)計(jì)方式，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為企業(yè)拓展了發(fā)展空間，使企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力大大提升，為產(chǎn)品質(zhì)量提供更加全面的保障，值得在各領(lǐng)域中進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]房燦.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用與趨勢(shì)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016.

[2]楊天平，唐宏.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用與趨勢(shì)分析[J].電子制作，2013.

[3]張鐘文.試析機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用及趨勢(shì)[J].裝備制造技術(shù)，2016.