機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用與趨勢

董 雪，王 剛

（渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是為了更好地提升產(chǎn)品性能，有效提升生產(chǎn)效率，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，對產(chǎn)品的尺寸、形狀等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在當(dāng)今的時(shí)代背景下，這是機(jī)械行業(yè)獲得長遠(yuǎn)發(fā)展的必然要求，也是技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，對機(jī)械行業(yè)提出的新要求。

1 現(xiàn)狀分析

在經(jīng)濟(jì)科技不斷快速發(fā)展的背景之下，各種產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度大大加快，機(jī)械生產(chǎn)的規(guī)模相應(yīng)擴(kuò)大，傳統(tǒng)的小規(guī)模的生產(chǎn)方式已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展需求。為了更好地提升機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量，擴(kuò)大市場的份額，在激烈的國際市場競爭中取得一定的優(yōu)勢，相關(guān)人員不斷調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能提升，延長了產(chǎn)業(yè)鏈，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和使用效率，使得相關(guān)的機(jī)械產(chǎn)品更具市場競爭力。

我國的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)開始于1960 年代，當(dāng)時(shí)“優(yōu)化設(shè)計(jì)”還是相對前衛(wèi)的理念。在進(jìn)行不斷發(fā)展的過程中，通過科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，有效提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，為今后的發(fā)展提供啟示。當(dāng)前階段，我國的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)被逐步地應(yīng)用到了建筑、冶金、航空航天等多個(gè)產(chǎn)業(yè)中，有效促進(jìn)了中國經(jīng)濟(jì)的增長，并為我國未來機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在市場競爭不斷加大的背景下，出現(xiàn)的一種新式的生產(chǎn)模式。為了更好地?cái)U(kuò)大市場份額，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，有效降低生產(chǎn)成本，相關(guān)人員對產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。在最初的發(fā)展過程中，主要運(yùn)用數(shù)學(xué)中的最優(yōu)理論和工程設(shè)計(jì)學(xué)，進(jìn)行了學(xué)科的結(jié)合。從數(shù)學(xué)的角度出發(fā)，選則眾多方案中最好的，有效達(dá)到提升機(jī)械產(chǎn)品性能的目的，降低機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本并縮短周期。在具體的應(yīng)用過程中，主要包括了3 方面的內(nèi)容：①確定科學(xué)合理的目標(biāo)函數(shù)，即在設(shè)計(jì)的過程中，需要確定一定的函數(shù)為工作的設(shè)計(jì)開展提供保障，達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)；②調(diào)整變量，即在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，根據(jù)實(shí)際的需求調(diào)整結(jié)構(gòu)、長度、厚度、弧度等變量，在前期的設(shè)計(jì)過程中，也需要明確規(guī)定出變量的浮動(dòng)范圍；③評價(jià)方案，完成了相關(guān)的設(shè)計(jì)工作之后，需要對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)，確定出最終的生產(chǎn)方案。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體類型

2.1 尺寸優(yōu)化

科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，提升了各個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能，對機(jī)械生產(chǎn)的質(zhì)量也提出了更高要求。在今后的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須要充分考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)的尺寸對其所產(chǎn)生的影響。在傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，主要通過零部件組合的方式完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。如果其中的某個(gè)部件不符合生產(chǎn)規(guī)格，或者其尺寸不能夠有效地達(dá)到相關(guān)要求的狀況，將會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的性能。機(jī)械產(chǎn)品在長期運(yùn)行過程中會(huì)加劇磨損，在現(xiàn)階段的機(jī)械生產(chǎn)中，許多機(jī)械產(chǎn)品的尺寸精準(zhǔn)度較高，為了更好地保障尺寸能夠達(dá)到相關(guān)要求，需要充分結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，明確產(chǎn)品的零部件尺寸，將相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄在檔案中，為后期工作的順利開展奠定良好的基礎(chǔ)。

2.2 形狀優(yōu)化

在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，需要充分考慮到形狀方面產(chǎn)生的影響。當(dāng)前市場中的很多機(jī)械設(shè)備的功能強(qiáng)大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在眾多的零件中，其形狀和性能存在著較大差異，無法對其進(jìn)行有效管理和準(zhǔn)確分析，對開展優(yōu)化工作產(chǎn)生了一系列的影響。自1960 年代以來，國內(nèi)外的從業(yè)者便對此給予了足夠重視，不斷進(jìn)行研究，出現(xiàn)了眾多的科技成果，我國的研究工作也取得了較為突出的優(yōu)勢。

2.3 多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化

多學(xué)科結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是近年來的重點(diǎn)研究方向，得益于信息化快速發(fā)展的背景，多種學(xué)科之間的交流和互動(dòng)明顯增強(qiáng)。如果仍以某種單一的學(xué)科進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，很容易會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)難以滿足既定目標(biāo)。在今后的機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作中，需要充分考慮多學(xué)科結(jié)構(gòu)的影響，將數(shù)學(xué)、物理學(xué)等相關(guān)學(xué)科的特點(diǎn)及優(yōu)勢進(jìn)行有效結(jié)合，更好地提升機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)效果，進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)械制造行業(yè)的快速發(fā)展。

2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，工作重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，在拓?fù)鋬?yōu)化方面的研究相對較少。在社會(huì)觀念不斷深化改革的背景下，相關(guān)人員加大了對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，取得了一定成效。在現(xiàn)階段的工作中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要集中在連續(xù)結(jié)構(gòu)和離散結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面：①連續(xù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要指根據(jù)孔洞的個(gè)數(shù)、形狀和分布特點(diǎn)等對邊界優(yōu)化和升級；②離散結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要是根據(jù)不同連接方式的特點(diǎn)，從其關(guān)鍵點(diǎn)的角度出發(fā)所進(jìn)行的各種優(yōu)化和升級。在進(jìn)行上述操作時(shí)，需要根據(jù)不同關(guān)鍵點(diǎn)的位置進(jìn)行確定，從而更好地提升機(jī)械產(chǎn)品的性能。

2.5 機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化

動(dòng)態(tài)性能主要指機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)行的過程中，很可能會(huì)受到外界的作用力，使得外形和運(yùn)動(dòng)的參數(shù)發(fā)生相應(yīng)改變。加強(qiáng)對機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能的研究，能夠根據(jù)其特點(diǎn)來研究產(chǎn)品的工作強(qiáng)度，判斷工作壽命的長短，能夠有效降低機(jī)械產(chǎn)品的工作負(fù)擔(dān)。在此條件下，通過對工作強(qiáng)度的控制，有效提升機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命。

2.6 結(jié)合MDO 理論的優(yōu)勢

在當(dāng)前的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作中，MDO（Multidisciplinary Design Optimization，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)）理論已經(jīng)被廣泛使用到了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作中，取得了相應(yīng)的成效。在該理論中，明確強(qiáng)調(diào)了結(jié)合其優(yōu)勢，能夠有效達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品性能、提高生產(chǎn)的效率的積極作用，并且在一定的程度上推動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)工作面向系統(tǒng)化、理論化、科學(xué)化的方向發(fā)展。

3 我國機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用和發(fā)展趨勢

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開科學(xué)技術(shù)的支持，機(jī)械生產(chǎn)作為一項(xiàng)重要的生產(chǎn)力，在此過程中發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)勢，對于機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量的穩(wěn)定提升發(fā)揮了重要作用。其還能夠提供豐富的工作崗位，有效增加國民收入，提升人民的生活質(zhì)量。近年來，我國的相關(guān)工作人員對其進(jìn)行了不斷的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要采用有限元分析法，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，加強(qiáng)對機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化和升級，相關(guān)產(chǎn)品的性能得到了大幅度的提升。這些產(chǎn)品投入到市場中，能夠有效增強(qiáng)其市場競爭力；在國際市場中，我國的機(jī)械產(chǎn)品也占據(jù)了相對較大的市場份額。

結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜化和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的大型化，也是發(fā)展過程中較為明顯的特征。在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)變量得到了大幅度的提升，在一定程度上影響了結(jié)構(gòu)的分析難度和數(shù)值計(jì)算、推導(dǎo)的難度。在進(jìn)行一些較為復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可能并沒有相應(yīng)的公式作為設(shè)計(jì)依據(jù)。為此，在進(jìn)行大型的、相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化升級的過程中，便可以將其分解為若干子系統(tǒng)。如果其中涉及到的學(xué)科內(nèi)容較多，也可以根據(jù)不同學(xué)科的特點(diǎn)，結(jié)合多種學(xué)科的優(yōu)勢，促進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的有效開展。在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，將其和各個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃和相關(guān)的目標(biāo)進(jìn)行有效結(jié)合，能夠有效提升產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)的效率。從其應(yīng)用原理來看，主要是充分地結(jié)合了遺傳算法和模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工算法的優(yōu)勢。這種科學(xué)化的設(shè)計(jì)方式，能夠在一定程度上有效提升機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的科學(xué)性，更好地推動(dòng)后期生產(chǎn)工作的順利開展。

在今后較長一段時(shí)間內(nèi)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然是較為重要的內(nèi)容。這種設(shè)計(jì)模式能夠?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供海量的科學(xué)數(shù)據(jù)，更好地提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性。如果在實(shí)際的過程中，需要對產(chǎn)品的性能進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，也可以結(jié)合設(shè)計(jì)方案中的重點(diǎn)內(nèi)容，結(jié)合產(chǎn)品需求，靈活選擇合適的結(jié)構(gòu)模型。針對不同機(jī)械產(chǎn)品的尺寸、形狀等方面的差異，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化方式也能夠有效滿足其設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)階段的工作中還面臨著應(yīng)力約束方面的處理，一些“多孔狀”的材料、計(jì)算模型的病態(tài)等也出現(xiàn)了相關(guān)問題。如何有效結(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化升級，成為相關(guān)工作人員的重點(diǎn)關(guān)注和研究內(nèi)容。我國已經(jīng)將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究確定為今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容，相關(guān)的工作人員也在國家部門的要求之下，進(jìn)行了不斷的研究，如廣義角度、全性能、模糊優(yōu)化等方面的設(shè)計(jì)。至此，我國的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)進(jìn)行了深水區(qū)。

4 結(jié)束語

加強(qiáng)對機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，能夠有效提升各種機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能，更好地發(fā)揮其在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中的經(jīng)濟(jì)作用。有效結(jié)合各種科學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢，還能夠進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)的快速發(fā)展，通過產(chǎn)業(yè)聯(lián)合帶動(dòng)的方式，促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，幫助我國在激烈的國際市場競爭中取得優(yōu)勢。在未來的工作中，相關(guān)的工作人員還需要不斷加大研究力度，進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級。