簡析機械結構設計中的創(chuàng)新設計

李璐

天津市德安石油工程有限公司 天津 300457

1 機械結構設計特點及設計要素

1.1 機械結構設計特點

機械結構設計具有以下特點：①一體化設計。機械結構設計思考、繪圖、計算等工作是統(tǒng)一的、緊密相連的。這就意味著機械結構設計的工作量比較大，出現的問題比較多，設計人員若想保證機械結構設計的質量，就要深入探討整個機械結構設計過程，盡可能地保證每一個設計環(huán)節(jié)都能準確、完善。②涉及的問題比較多，且具有復雜、多解的特征。比如，對于同一個設計，可以制定多個設計方案。作為設計人員，應充分發(fā)揮自身的主導作用，從中選擇最佳的設計方案，保證機械結構設計的質量。③活躍性最強。在機械設計中，需要對方案不斷地修改、優(yōu)化、完善，以滿足設計要求。這一過程是非常繁瑣、復雜的。

1.2 設計要素

首先，在機械結構設計中要考慮幾何要素。相對來說，機械結構設計是一項非常精密的工作，各部分之間的咬合、位置、距離都需要經過精心設計。在這一過程中，必須要考慮幾何要素、科學設計機械零部件的面，并充分考量各零部件的接觸設計。其次，在機械結構設計中要充分考慮聯(lián)結要素。設計人員不僅要對單個零件的設計進行分析，更要充分考慮不同零件之間的聯(lián)接問題，尤其要科學地設計不同零部件之間的功能面聯(lián)接方法。另外，在機械結構設計中，不同零部件之間的聯(lián)接包括直接聯(lián)接、間接聯(lián)接兩種。在直接聯(lián)接的設計中要充分考慮其功能面之間的縫隙問題，確保功能面之間的摩擦力最小，在間接聯(lián)接中則要充分考慮聯(lián)動軸設計[1]。最后，材料要素。材料選擇對機械結構設計的影響非常大，尤其是在一些易磨損的部位，必須要選擇耐磨損、質量好的零件，保證機械設備的運行效率。

2 機械結構優(yōu)化設計應用現狀研究

隨著社會發(fā)展需求變化以及科學技術發(fā)展，市場對產品的需求種類和質量要求有很大提升，各個企業(yè)都在加強自主創(chuàng)新，產品更新?lián)Q代速度較快，多品種化的生產模式成為了市場主流。企業(yè)為了能提升市場占有率，不僅需考慮產品制作成本，還需考慮生產周期，因此，需從機械結構設計方面著手，提升生產效率?？茖W優(yōu)化機械結構設計，通過改變結構形式增強機械功能，可以幫助企業(yè)快速的攻占市場，縮短生產周期，提升產品質量，滿足市場的需求。機械功能優(yōu)化設計從上世紀就已經被提出，其屬于一種新型的學科，是將優(yōu)化理論與結構設計相結合，結合生產實際在多個方案中選擇最為科學合理的設計方案，保障機械結構質量有所提升[2]。在我國建筑行業(yè)、交通、冶金以及航空等領域中優(yōu)化設計被廣泛應用，其社會經濟效益顯而易見。因此，機械結構優(yōu)化設計的應用具有廣闊的前景，需要專業(yè)人員加強技術研究和掌握。

3 機械結構設計中的創(chuàng)新設計

3.1 變元法創(chuàng)新設計

在機械結構設計過程中，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，需要對機械結構改進、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)新的結構設計。在產品結構的創(chuàng)新優(yōu)化過程中，往往通過改變一個特征或者零件的位置，能達到很好的優(yōu)化設計。通過零部件或特征的位置變元，使產品結構變化，可以得到更好的結構空間。位置變元也可以改變受力產品的受力情況，使得產品達到更優(yōu)化的方案。在產品零件的選用過程中，成本設計也是每個機械設計師要考慮的重要因素之一。低成本部件的數量的增加可以增強機械強度，通過低成本零部件數量的增加提高產品的性能，可以降低其他配套高成本零部件的數量。在裝配設計過程中，螺栓的選用是設計工作的一個重要部分，可以通過優(yōu)化螺栓的種類的數量，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，機械設計師往往會通過減少螺栓種類數量的方法，減少安裝工具種類數量，減少螺栓統(tǒng)一安裝螺栓預緊力數值。與此同時，品類的數量變元，還會在原材料的采購、物料的倉儲運輸、產品的維護等方面起到至關重要的作用。

3.2 系統(tǒng)結構動態(tài)優(yōu)化設計

機械產品的性能動態(tài)會對結構設計強度以及機械壽命產生一定影響，因此，需優(yōu)化結構的動態(tài)性能，從而實現機械結構的合理優(yōu)化設計。結合對機械結構動態(tài)性能過程的分析和研究，對于大型機械結構來講，動態(tài)結構分析作用較大，需全面搜集機械相關信息，了解生產需求，從而使設計更加科學合理。

機械結構優(yōu)化設計不僅需要對優(yōu)化預期結果進行評判，還需要明確優(yōu)化設計的目標，從整體上構思機械結構，促進結構優(yōu)化設計的系統(tǒng)化發(fā)展。MDO 理論為一種新型結構優(yōu)化理論，其被廣泛應用于機械結構優(yōu)化、衛(wèi)星總體設計、機器人優(yōu)化設計等領域中，為優(yōu)化設計提供了理論保障和基礎，使產品質量大大提升，生產效率也有所提升，在機械結構優(yōu)化中發(fā)揮重要作用[3]。

4 結語

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