機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的分析及探討

張列

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟水平的日益提升以及經(jīng)濟建設(shè)的逐步發(fā)展，國內(nèi)各個行業(yè)均發(fā)生了較大變化，尤其是機械行業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)如今，煤礦開采、工廠生產(chǎn)等領(lǐng)域多應用大型機械設(shè)備，機械設(shè)備的實際應用性能直接決定了相關(guān)工作的效率與質(zhì)量。為了進一步提升生產(chǎn)效率，積極改進機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能、優(yōu)化相應設(shè)計非常有必要?；诖?，主要闡述現(xiàn)有機械優(yōu)化設(shè)計的實際發(fā)展情況，分析機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的實際應用。

關(guān)鍵詞：機械行業(yè);性能;效率;質(zhì)量;機械結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計

在科學技術(shù)水平日益提升的現(xiàn)代化社會中，生產(chǎn)科技化已經(jīng)成為共識。制造產(chǎn)業(yè)要想繼續(xù)在競爭日益激烈的市場上占得一席之地，維持相應的經(jīng)濟效益，甚至進一步增加經(jīng)濟效益，必須提升企業(yè)的實際競爭力[1]。在此過程中，企業(yè)首先要不斷更新現(xiàn)有產(chǎn)品，不斷提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，并保證產(chǎn)品能夠讓消費者滿意;其次需不斷改進產(chǎn)品的復雜性，讓產(chǎn)品逐步精細化、優(yōu)良化，拓寬應用范圍，提升產(chǎn)品的實際價值。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)期間，采用的是單一生產(chǎn)方式，生產(chǎn)效率、生產(chǎn)數(shù)量以及生產(chǎn)質(zhì)量均受到限制，所獲取的經(jīng)濟效益也有限，無法達成企業(yè)進一步發(fā)展、占據(jù)更多的市場份額、獲取更多的經(jīng)濟效益的目的[2]。因此，對機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計、提升機械的實際性能、縮短機械的工作時間、提高機械的工作效率與工作質(zhì)量，可有效縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提升企業(yè)的實際生產(chǎn)數(shù)量，為企業(yè)的進一步發(fā)展提供更多支持。

1 機械優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀

在機械產(chǎn)品的傳統(tǒng)生產(chǎn)制造過程中，多按照批次、采用單一方法完成機械產(chǎn)品制造工作，所生產(chǎn)的機械產(chǎn)品類型比較單一。但是在現(xiàn)代化背景下，這種生產(chǎn)方式發(fā)生了顯著的改變，機械產(chǎn)品逐漸多樣化，多數(shù)機械產(chǎn)品的批量較小、種類比較多且生產(chǎn)方式豐富，可基于實際情況，實現(xiàn)多批次產(chǎn)品一同生產(chǎn)[3]。采用機械產(chǎn)品的新生產(chǎn)方法，無疑能有效提高機械制造企業(yè)的實際生產(chǎn)效率，可提升企業(yè)的市場競爭力，讓企業(yè)占據(jù)更多市場份額，提升機械企業(yè)的實際經(jīng)濟效益。在此背景下，針對現(xiàn)有機械產(chǎn)品的設(shè)計工作，繼續(xù)進行機械優(yōu)化設(shè)計，還可進一步提升企業(yè)的整體效益，改善企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，縮短機械產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低機械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提升機械產(chǎn)品的生產(chǎn)效率[4]。

根據(jù)實際情況了解到，現(xiàn)今，我國機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要按照以下流程完成：第一，明確優(yōu)化目標。在進行機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計前，先明確目標函數(shù)，進行充分調(diào)研，明確此次優(yōu)化設(shè)計的實際目的，了解機械產(chǎn)品的相應技術(shù)指標要求。第二，設(shè)計函數(shù)變量。明確優(yōu)化設(shè)計目標之后，必須設(shè)計相應的函數(shù)變量，明確不同類型機械產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)變量數(shù)值，輔助優(yōu)化設(shè)計順利進行以及順利完成[5]。第三，設(shè)定約束條件?；跈C械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的實際情況，設(shè)定相應的約束條件，并在限定優(yōu)化設(shè)計這一階段，落實算法變量浮動空間，輔助相應的設(shè)計工作，保證優(yōu)化設(shè)計的針對性與科學性。第四，對方案進行評價。實施機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，必須基于實際優(yōu)化設(shè)計目標，設(shè)計多種不同的優(yōu)化方案，結(jié)合實際情況，從多種方案中選取最符合目標、完成度最高的一項優(yōu)化設(shè)計方案[6]。

2 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的實際應用

2.1 拓撲

在開展傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，實施機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，技術(shù)人員的注意力更集中于結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化這一工作，對機械產(chǎn)品零部件拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的重視度比較低，有關(guān)拓撲設(shè)計的研究文章也比較少，所以無法為相應工作提供參考。但是，隨著我國機械制造水平的日益提升，專業(yè)人員的技能水平日益提升，優(yōu)化設(shè)計理念日益改變，優(yōu)化設(shè)計范圍日益拓寬，逐步認識到拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的必要性與重要性[7]。從實際應用可以看出，對拓撲結(jié)構(gòu)實施優(yōu)化設(shè)計時，設(shè)計工作多集中在兩個方面：一方面是連續(xù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，比較重視空洞形狀、數(shù)量、分布范圍、部分結(jié)構(gòu)邊界等情況;另一方面是離散結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，更側(cè)重不同關(guān)鍵連接點的實際優(yōu)化設(shè)計，但想要順利完成優(yōu)化設(shè)計工作，需明確不同設(shè)計位置的真正關(guān)鍵點，如HyperWorks的柴油機油底殼拓撲優(yōu)化設(shè)計（見圖1）。

2.2 形狀

在實際開展機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，形狀也是重要內(nèi)容之一。對機械產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計，其根本目的在于提升機械產(chǎn)品的性能水平，拓寬機械產(chǎn)品的實際應用范圍，讓機械產(chǎn)品能夠應用于更多的施工任務(wù)[8]。所以在實際優(yōu)化設(shè)計時，必須從實際情況著手。具體來講，在多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)或制造中，均需應用大量的大型機械設(shè)備。但經(jīng)過實際應用后發(fā)現(xiàn)，不同類型、不同形狀的機械設(shè)備具有不同的應用價值。大型機械設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往較為復雜，不同設(shè)備部件的實際形狀也不一樣，所以無法統(tǒng)一實施規(guī)劃分析，導致機械優(yōu)化設(shè)計存在較大難度。從20世紀中期開始，制造業(yè)以及工業(yè)均進入了鼎盛時期并迅速發(fā)展。為了提升實際生產(chǎn)效率，國內(nèi)外均針對機械制造設(shè)計優(yōu)化展開了大量研究，國內(nèi)相關(guān)研究更重視機械設(shè)備的形狀設(shè)計優(yōu)化、制造業(yè)智能化優(yōu)化、機械零部件結(jié)構(gòu)的實際優(yōu)化等方面。為了保證優(yōu)化設(shè)計的實際效果，在開始之前，必須明確機械產(chǎn)品的內(nèi)部部件形狀，盡可能對形狀統(tǒng)一的內(nèi)部部件進行優(yōu)化設(shè)計，保證優(yōu)化設(shè)計后部件應用的廣泛性，提升優(yōu)化設(shè)計的實際價值。

2.3 結(jié)構(gòu)

對機械產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計時，機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也是重點優(yōu)化內(nèi)容。為了更好地完成相應的設(shè)計目標，提升機械產(chǎn)品的實際生產(chǎn)效率，必須針對機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計實施多學科、綜合性、個體化分析，促使機械設(shè)計工作逐步朝著系統(tǒng)性、總體性以及全面性出發(fā)。此外，在實際優(yōu)化設(shè)計期間，若設(shè)計人員是從某個方面進行優(yōu)化設(shè)計，待設(shè)計完成后，出現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果與機械設(shè)備預期設(shè)計思想不契合現(xiàn)象的概率會大大提高，或者優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果完全不能在這一種機械設(shè)備中使用，難以保證兩者的契合性與統(tǒng)一性，所以不建議設(shè)計人員從某個方面進行優(yōu)化設(shè)計，建議全面了解機械產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)之后，從大局出發(fā)，基于完整性與全面性，開展相應的優(yōu)化設(shè)計工作，提升優(yōu)化設(shè)計方案的實際應用價值?，F(xiàn)今，為了有效解決優(yōu)化設(shè)計單一這一問題，多基于MOD理論實施最新的機械設(shè)計優(yōu)化分析。在此期間，首先要利用相關(guān)理論，提供更多、更有效、更完整的理論基礎(chǔ)保障;其次開展相應的優(yōu)化設(shè)計工作，保證機械產(chǎn)品的實際優(yōu)化設(shè)計效果，最大限度地發(fā)揮優(yōu)化設(shè)計的目的與價值。

2.4 尺寸

在工業(yè)生產(chǎn)與制造業(yè)生產(chǎn)過程中，應用的各種機械生產(chǎn)設(shè)備往往存在多樣性與多樣化特點，不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、產(chǎn)品類型使用的機械設(shè)備尺寸也不一樣。所以，開展優(yōu)化設(shè)計工作時，需要將尺寸作為重要內(nèi)容與主要目的，對機械設(shè)備尺寸實施科學合理的優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)實際情況發(fā)現(xiàn)，機械結(jié)構(gòu)實際尺寸設(shè)計其實就是機械產(chǎn)品整體優(yōu)化設(shè)計工作中的主要內(nèi)容，部分優(yōu)化設(shè)計對尺寸有明確、規(guī)范、精準的要求，所以在設(shè)計過程中，必須嚴格遵循相應要求，才能保證優(yōu)化設(shè)計工作順利完成。正式開展機械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計工作時，設(shè)計人員不能單純依靠提供的數(shù)據(jù)確定產(chǎn)品的實際尺寸，應該使用標準測量方法，對產(chǎn)品進行實際測量，保證產(chǎn)品尺寸和提供的信息相契合，并確保產(chǎn)品尺寸和生產(chǎn)需求相契合。在設(shè)計過程中，若優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容是機械設(shè)備零件，也需在生產(chǎn)前后對零件持續(xù)進行實際測量，保證零件尺寸大小和生產(chǎn)需求相契合。若機械設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復雜，由大量零件組成，則需保證優(yōu)化設(shè)計期間考慮到部件的方方面面，保證該零件與原有零件一樣，能夠和其他零件進行有效連接與安裝，保證機械設(shè)備的完整性與整體性，進而保證優(yōu)化設(shè)計的實際意義。若優(yōu)化設(shè)計后零件尺寸發(fā)生變化，則無法和其他零件進行有效連接，進而無法讓機械設(shè)備進入正常生產(chǎn)運營狀態(tài)，很容易出現(xiàn)報廢問題。此外，若優(yōu)化設(shè)計的零件所關(guān)聯(lián)的其他零件越多，優(yōu)化設(shè)計的難度越大，對尺寸的精準要求越高。優(yōu)化設(shè)計機械結(jié)構(gòu)尺寸時，必須保證產(chǎn)品的形狀和拓撲關(guān)系不變。在這一背景下，只有積極應用計算機技術(shù)精準測量產(chǎn)品的實際尺寸，進一步提升尺寸的精準度，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，才能保證所優(yōu)化設(shè)計的產(chǎn)品真正可用，保證機械產(chǎn)品的實際應用性能，進而順利完成相應的機械設(shè)計工作。

3 結(jié)語

在機械結(jié)構(gòu)制造生產(chǎn)過程中，積極進行機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，無疑可推動現(xiàn)有機械制造業(yè)的發(fā)展與進步，可提升機械產(chǎn)品的實際質(zhì)量，并且可促使機械制造業(yè)進入可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。再者，基于現(xiàn)有狀態(tài)進行相應的優(yōu)化設(shè)計工作，可最大限度地優(yōu)化產(chǎn)品性能，提升產(chǎn)品價值。

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