雷勃+張偉偉

[摘 ?要]機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是指借助計(jì)算機(jī)的前提下對機(jī)械產(chǎn)品性能、效率、壽命等提高，以此改變機(jī)械產(chǎn)品形狀、尺寸、動(dòng)態(tài)性能及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程。是發(fā)展機(jī)械行業(yè)的必然要求，也是順應(yīng)信息時(shí)代發(fā)展的需求。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);趨勢

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0121-01

機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用范圍相對較廣，為確保機(jī)械產(chǎn)品在我國日常生活及企業(yè)從生產(chǎn)中得到有效應(yīng)用，實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。目前我國已經(jīng)針對機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并取得一定成果，主要表現(xiàn)在船舶行業(yè)、焊工航天以及汽車行業(yè)等[1]。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效提高其產(chǎn)品性能并增加其自身市場競爭力，對其市場發(fā)展起重要作用。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，加快了機(jī)械產(chǎn)品更新的速度，以往在制造機(jī)械產(chǎn)品時(shí)主要采用大批量生產(chǎn)的方法進(jìn)行，產(chǎn)品相對單一，目前在實(shí)施機(jī)械產(chǎn)品加工時(shí)多采用小批量加工模式，可確保產(chǎn)品的多樣性。為確保生產(chǎn)企業(yè)的利潤，在生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)需注意將其生產(chǎn)周期縮短，最大限度在確保至質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本。通過實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)可滿足上述目標(biāo)，在一定程度上縮短生產(chǎn)時(shí)間并降低成本，通過效率搶占市場。機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目前已在船舶制造、交通工具、航空航天、冶金、紡織、建筑等多領(lǐng)域應(yīng)用。

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程主要包括：（1）針對所優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品盡心目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可確保機(jī)械產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合優(yōu)化要求。（2）設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化函數(shù)變量，變量設(shè)計(jì)包括機(jī)械產(chǎn)品長度、厚度以及弧度等相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。（3）對機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件進(jìn)行設(shè)定，對計(jì)算過程中各項(xiàng)變量浮動(dòng)范圍進(jìn)行限定。（4）通過以上步驟得出多種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，分別對不同方案進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需求選擇最佳方案實(shí)施。

2 機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

2.1 尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中對尺寸數(shù)據(jù)有精準(zhǔn)的要求。因此實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)匯總需確保各零件尺寸與實(shí)際工作需求相符，若產(chǎn)品為多個(gè)零件組成結(jié)構(gòu)，若其中一個(gè)零件尺寸存在誤差均會(huì)對零件連接效果造成極大影響，甚至加劇機(jī)械磨損導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。因此機(jī)械產(chǎn)品零件越多及機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越高，對各零件精細(xì)度的要求也有所提高。開展機(jī)械產(chǎn)品尺寸優(yōu)化的前提條件機(jī)械產(chǎn)品拓?fù)潢P(guān)系及形狀不發(fā)生改變，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用對具體尺寸變化進(jìn)行有效調(diào)整，可確保機(jī)械產(chǎn)品性能的增強(qiáng)。

2.2 形狀優(yōu)化

為確保機(jī)械產(chǎn)品性能的全面提升，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)也可從機(jī)械產(chǎn)品形狀入手開展優(yōu)化。因多數(shù)大型機(jī)械設(shè)備自身結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，各部件形狀也具有多樣化，很難進(jìn)行分析，為優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)展帶來一定困難。我國目前已經(jīng)針對結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面出現(xiàn)研究成果，如田方針對軸對稱機(jī)械零件開展的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及王世軍針對機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

以往在實(shí)施機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中多側(cè)重于進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，未針對機(jī)械零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意識的提高，優(yōu)化中心開始向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方向轉(zhuǎn)換。拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化主要在離散結(jié)構(gòu)以及連續(xù)結(jié)構(gòu)方面體現(xiàn)，其中離散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是通過對多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)連接方式方面入手，改優(yōu)化前提是確保上述關(guān)鍵點(diǎn)位置的確定。連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)主要針對孔洞形狀、數(shù)量、分布情況、部分結(jié)構(gòu)邊界開展的優(yōu)化。

2.4 動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化

機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能主要指的是機(jī)械結(jié)構(gòu)受外界作用下顯示出外型變化規(guī)律，包括相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)等[2]。機(jī)械產(chǎn)品實(shí)施動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)可明顯反應(yīng)出改產(chǎn)品工作強(qiáng)度及壽命情況。因此對機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能開展優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能減輕機(jī)械工作負(fù)擔(dān)還可在同等工作強(qiáng)度條件下對其使用壽命進(jìn)行延長。

2.5 多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

開展機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中需應(yīng)用多科學(xué)角度入手，單獨(dú)使用某科學(xué)角度無法得出理想優(yōu)化結(jié)果，應(yīng)從多學(xué)科角度進(jìn)行，確保優(yōu)化設(shè)計(jì)的多學(xué)科化、總體化及系統(tǒng)化，確保優(yōu)化設(shè)計(jì)程度符合實(shí)際需求或超出預(yù)期目標(biāo)。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)趨勢

隨著時(shí)代發(fā)展進(jìn)步及行業(yè)前景變化發(fā)展處機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過近年機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的開展已經(jīng)從簡單化優(yōu)化設(shè)計(jì)想結(jié)構(gòu)系統(tǒng)大型化及復(fù)雜化機(jī)械發(fā)展[3]。通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)變量的不斷增加，造成結(jié)構(gòu)分析推到以及計(jì)算數(shù)值方面難度均有所提高，特別是進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)無相應(yīng)數(shù)據(jù)及公式進(jìn)行應(yīng)用。在針對大型機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需將復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，逐步對各子結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中若設(shè)計(jì)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)也可分科學(xué)進(jìn)行優(yōu)化。通過對計(jì)算機(jī)技術(shù)的有效利用，確保機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)多方向發(fā)展。該技術(shù)主要代表包括模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的人工算法，該算法適合在連續(xù)混合機(jī)離散變量全局優(yōu)化中應(yīng)用，可對產(chǎn)品準(zhǔn)確度及應(yīng)用質(zhì)量進(jìn)行提高。針對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)目前開展機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的主要方向，因?qū)嵤┩負(fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化可謂機(jī)械結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，確保尋找出最佳設(shè)計(jì)方案，該方法多在大型機(jī)械優(yōu)化上應(yīng)用，可通過較復(fù)雜的計(jì)算實(shí)施優(yōu)化，對大型機(jī)械尺寸、形狀進(jìn)行優(yōu)化，提高其產(chǎn)品性能。

4 小結(jié)

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的開展可幫助提升機(jī)械產(chǎn)品性能及質(zhì)量，為機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了方向及機(jī)遇。優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)施可縮短機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)周期并提高機(jī)械制造行業(yè)競爭力，推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

雷勃，男，1988-4，陜西咸陽人，單位：陜西烽火電子股份有限公司，助理工程師;

張偉偉，男，1987-08，陜西寶雞人，單位：陜西烽火電子股份有限公司，助理工程師。