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

吳金燈

（縱目科技（廈門）有限公司， 福建 廈門 361000）

引言

對于機械生產(chǎn)企業(yè)來講，要想提升自身市場競爭力必須對產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)加以重視，全面提升產(chǎn)品性能，從單一化生產(chǎn)模式向著多樣化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計之后可以全面提升生產(chǎn)效率，讓產(chǎn)品更有市場競爭力，促進企業(yè)的長遠發(fā)展，最終推動我國工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。

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

在社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度開始提升，而機械制造領(lǐng)域當中，機械生產(chǎn)規(guī)模也在擴大，使得傳統(tǒng)的小規(guī)模生產(chǎn)方式無法適應(yīng)社會發(fā)展需求。從機械制造企業(yè)的角度講，為了全面提升產(chǎn)品性能，擴大市場份額，需要重視產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，由此增強機械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能，延長產(chǎn)業(yè)鏈。20 世紀60 年代起我國機械制造開始發(fā)展，隨著機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的進步以及方案的優(yōu)化，有效提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。如今我國機械制造優(yōu)化設(shè)計推動了建筑、冶金、汽車和航空航天等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并且為今后的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計積累了一定經(jīng)驗。在市場經(jīng)濟大背景下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計作為一種全新的生產(chǎn)模式，為企業(yè)發(fā)展帶來了巨大幫助。

新時期需要從縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本出發(fā)，積極利用工程設(shè)計學(xué)，加強與其他學(xué)科的結(jié)合，然后優(yōu)化設(shè)計方案。在具體應(yīng)用過程中，需要考慮以下三個方面：確定目標函數(shù)，在設(shè)計過程中根據(jù)函數(shù)開展設(shè)計工作，以此達到技術(shù)指標；調(diào)整變量，產(chǎn)品設(shè)計期間結(jié)合實際需求調(diào)整產(chǎn)品的厚度、長度、弧度等變量，并且在前期設(shè)計環(huán)節(jié)明確超出變量的浮動范圍；評價方案完成相關(guān)設(shè)計之后對不同方案評價，將最佳方案用于產(chǎn)品生產(chǎn)[1]。

2 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容

隨著市政、機場、港口、水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模越來越大，汽車起重機市場的需求也增加。該背景下縱目科技近年來加強了對倒車雷達傳感器結(jié)構(gòu)的研究，并且加強了對超聲波諧振機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，這一過程中改良結(jié)構(gòu)工藝十分關(guān)鍵，為此技術(shù)人員優(yōu)化了產(chǎn)品的振膜尺寸、形狀、固定結(jié)構(gòu)等方面設(shè)計（如圖1、圖2），大大改善了產(chǎn)品性能，迎合了機械工業(yè)發(fā)展的趨勢。

圖1 零部件示意圖

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 機械結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

在工業(yè)技術(shù)不斷進步的背景下，機械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能得到提升。新時期對機械生產(chǎn)質(zhì)量要求更高，所以在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計期間要充分考慮產(chǎn)品設(shè)計尺寸帶來的影響，傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)主要是采用零部件組合的方法進行設(shè)計，如果某個部件未滿足生產(chǎn)規(guī)格或者尺寸未達到相關(guān)要求，將對整個產(chǎn)品性能產(chǎn)生影響。此外，機械產(chǎn)品運行期間會出現(xiàn)不同程度磨損，而當前的機械生產(chǎn)環(huán)節(jié)諸多機械產(chǎn)品尺寸精度要求較高，為達到技術(shù)規(guī)定必須挖掘計算機技術(shù)優(yōu)勢，將機械設(shè)備的尺寸和性能參數(shù)等數(shù)據(jù)記錄其中，為后續(xù)的優(yōu)化工作開展打下良好基礎(chǔ)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計形狀優(yōu)化

機械產(chǎn)品的形狀與性能關(guān)系密切，通過優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)、形狀可有效提升機械設(shè)備性能，不過優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)形狀具有一定難度，特別是制造業(yè)當中，大型機械設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且不同型號、不同性能的設(shè)備，其構(gòu)架形狀也存在差異，難以統(tǒng)一劃分，增大了機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計難度。20 世紀80 年代開始，我國機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計開始興起，有專家對機器人結(jié)構(gòu)進行形狀優(yōu)化設(shè)計，并分析了裝校機器人關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品質(zhì)量顯著提升。

2.3 多學(xué)科結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

近年來機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計當中，對多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了大量分析，尤其是在信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，學(xué)科之間的融合不斷加強，如果采取單一的學(xué)科進行產(chǎn)品設(shè)計難以確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計達到既定目標，所以今后的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計需要實現(xiàn)多學(xué)科的融合，促進數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計算機等學(xué)科的結(jié)合，發(fā)揮不同學(xué)科優(yōu)勢，由此提升機械結(jié)構(gòu)設(shè)計效果，推動機械制造業(yè)發(fā)展。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計拓撲優(yōu)化

在以往的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計期間，將重點放在優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，對拓撲優(yōu)化的研究偏少。隨著機械制造技術(shù)的更新，研究人員開始對拓撲結(jié)構(gòu)進行深入分析，并取得一定科研成果。目前拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化集中在連續(xù)結(jié)構(gòu)以及離散結(jié)構(gòu)的研究當中。具體為，在連續(xù)的拓撲結(jié)構(gòu)當中主要是結(jié)合孔洞的個數(shù)、形狀以及分布特點優(yōu)化和升級對等邊界；離散結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要是結(jié)合不同連接方式特征。從關(guān)鍵點的角度優(yōu)化和升級，在操作過程中需要確定不同關(guān)鍵點位置，由此增強機械產(chǎn)品性能。

2.5 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計動態(tài)性能優(yōu)化

對于機械產(chǎn)品動態(tài)性能來講，就是機械結(jié)構(gòu)受外力作用影響下產(chǎn)生的外形變化規(guī)律和運動參數(shù)。在機械產(chǎn)品動態(tài)性能下可體現(xiàn)承受的工作強度和使用壽命，要求在實際設(shè)計和生產(chǎn)過程中，基于相同工況下優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能設(shè)計，進而降低工作負擔，提升可承受工作強度，最終延長使用壽命。

2.6 MOD 理論的應(yīng)用

在科技發(fā)展的背景下，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計開始對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化理論進行研究，可以對機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論支持，讓機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果接近預(yù)期目標，提升產(chǎn)品質(zhì)量，促進結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作向著理論化、系統(tǒng)化以及科學(xué)化方向發(fā)展。

3 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計趨勢

社會經(jīng)濟的發(fā)展需要科學(xué)技術(shù)作為保障，機械生產(chǎn)是重要的生產(chǎn)力，同樣對機械制造行業(yè)發(fā)展以及社會發(fā)展起到了重要作用。近年來相關(guān)學(xué)者和專家加強了機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究，通過有限元分析法并結(jié)合計算機技術(shù)實現(xiàn)了機械產(chǎn)品的優(yōu)化升級，讓產(chǎn)品性能得到顯著提升，相關(guān)產(chǎn)品在市場中具有良好競爭力，部分產(chǎn)品已銷往國外，進一步增加了企業(yè)收入。結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜化以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)大型化是機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要特點，在優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)過程中設(shè)計變量顯著提升，并且對結(jié)構(gòu)分析難度數(shù)值計算都產(chǎn)生了影響，這是由于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程中需要相關(guān)公式作為依據(jù)，所以在復(fù)雜的或者大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)升級過程中需要分解成子系統(tǒng)，并且根據(jù)不同學(xué)科特征有效提升機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計水平[2]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，可以和不同產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與目標結(jié)合，進一步提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率與性能。從應(yīng)用原理講，主要是對遺傳算法以及模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工算法進行利用，進而有效提升生產(chǎn)水平。今后拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計依舊是重要內(nèi)容，通過設(shè)計模型可以為機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案提供科學(xué)基礎(chǔ)，有效提升產(chǎn)品設(shè)計科學(xué)性。在實際過程中也需要合理調(diào)整產(chǎn)品性能，并結(jié)合設(shè)計方案的重點，合理選擇結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)不同機械產(chǎn)品形狀、尺寸之間的差異優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計。在當前的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中會受到應(yīng)力約束的影響，并且存在著計算機模型病態(tài)和多孔狀材料問題，需要根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)。如今，我國將拓撲結(jié)構(gòu)研究作為今后的重點，技術(shù)人員也要在政府要求和市場需求下加強研究，將重點放在全能性廣義角度和模糊優(yōu)化等方面，并且在設(shè)計過程中提升建模能力求解能力和設(shè)計后處理能力，在多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計過程中關(guān)注分解分析以及綜合協(xié)調(diào)。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對機械產(chǎn)品需求也在增加，而機械產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度也在加快，要求機械制造企業(yè)在今后設(shè)計和生產(chǎn)過程中縮短生產(chǎn)周期，不斷實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，這樣才能提升自身的市場競爭力。