畢德勝

(豐諾植保機(jī)械制造有限公司，黑龍江 富錦 156100)

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機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用研究

畢德勝

(豐諾植保機(jī)械制造有限公司，黑龍江 富錦 156100)

主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的流程、優(yōu)化類型和優(yōu)化技術(shù)方法幾個方面展開論述，探討了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的特性。

機(jī)械產(chǎn)品；設(shè)計；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；技術(shù)應(yīng)用

作為系統(tǒng)優(yōu)化的一個步驟，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是其中的重要一環(huán)，它需要全方位運(yùn)用設(shè)計方面的技術(shù)知識，確定最佳的方法來滿足相關(guān)的需求。以往傳統(tǒng)的設(shè)計方法是操作人員選擇其他相關(guān)產(chǎn)品作為模型，依賴經(jīng)驗和細(xì)致的觀察來確定方法，在設(shè)計后期還要通過測試判斷其是否符合要求，此過程不僅會浪費過多的人力物力，并且由于全過程都是人工操作，仍然存在質(zhì)量等問題的安全隱患，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，選用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和尺寸優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，并進(jìn)行理論的計算和設(shè)計，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和精細(xì)度，才能既提高工作效率，又可以在激烈的市場競爭中占據(jù)一席之地。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的流程

第一，首先設(shè)定好目標(biāo)函數(shù)。作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)，目標(biāo)函數(shù)能夠精準(zhǔn)確定機(jī)械產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并采用此函數(shù)做具體設(shè)計的要求設(shè)置，同時在確定目標(biāo)函數(shù)時，還應(yīng)當(dāng)相應(yīng)縮小應(yīng)力以及變形程度的設(shè)計。第二，設(shè)計函數(shù)變量。在設(shè)定完目標(biāo)函數(shù)后，需要進(jìn)行函數(shù)變量的設(shè)計，主要包括過程中的參數(shù)，零部件的長度、寬度、角度，這些是影響機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量和水平的重要原因，如果不能科學(xué)合理地確定這些參數(shù)的設(shè)置，就會在生產(chǎn)時出現(xiàn)不合格品，造成原料的大量浪費，直接增加了經(jīng)濟(jì)成本，降低經(jīng)濟(jì)收益率。第三，確定約束條件。設(shè)計完函數(shù)變量后，還有一個重要的工作步驟，就是確定約束條件，這些約束條件就是對函數(shù)變量施加束縛和一定的約束，包括極值、臨界范圍等。第四，確定和評估設(shè)計方法。確定設(shè)計方法是對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化的最后一步，也是最為重要的一步，由于目前的設(shè)計方法種類繁多且各具優(yōu)勢，就需要在眾多的方法中選出最適合的一種方法，并根據(jù)實際操作情況安排確定性價比最高的方法。在確定好方法后，實質(zhì)上也就確定了機(jī)械產(chǎn)品的一套設(shè)計方案，但并不能根據(jù)這個方法就進(jìn)行生產(chǎn)，實際投入使用前，還須經(jīng)過專業(yè)技術(shù)人員的評估，從技術(shù)角度確定方案的可行性，只有這樣才能夠做到萬無一失，降低錯誤發(fā)生的幾率。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的類型

2.1 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是在機(jī)械產(chǎn)品外形和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下，改變設(shè)計變量或者進(jìn)行分析重組，從而優(yōu)化組合性能的優(yōu)化方法。

2.2 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化相似，是在保證機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計域內(nèi)拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下，去求解機(jī)械的結(jié)構(gòu)邊界，通過改變邊界組合，組成新的形狀，從而使之表現(xiàn)出最好的性能狀態(tài)。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

按照機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化的特點進(jìn)行劃分，優(yōu)化方法主要有三種:參數(shù)優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，其中拓?fù)鋬?yōu)化的工作原理是按照設(shè)定的目標(biāo)采用合適的計算方法將應(yīng)力較小區(qū)域中的材料進(jìn)行剔除，能夠在設(shè)定好的空間中選擇最佳的材料種類和分布形式，從而幫助設(shè)計工作過程做出結(jié)構(gòu)和性能最佳的零部件、框架結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部加強(qiáng)筋的分布形式，從這里可以看出，拓?fù)鋬?yōu)化不僅保證了產(chǎn)品的外觀形貌，并且也獲得了最合理的理論概念模型，可以有效促進(jìn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮設(shè)計開發(fā)人員的創(chuàng)新理念，增強(qiáng)市場競爭力。

2.4 快速分析方法

提高控制性能函數(shù)的計算效率是目前急需克服的重難點問題。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化才能夠有效配合實現(xiàn)綜合性能的最優(yōu)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動靜結(jié)合優(yōu)化過程在近幾年也受到了相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注。采用近似分析技術(shù)能夠高效提高函數(shù)的計算過程，保證工作效率，然而這種方法在使用之前須做好前期的準(zhǔn)備分析工作，并且計算過程通常也不夠精確。因此，引進(jìn)新型的計算方法可以有效解決上述問題，實現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化。

3 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化的方法策略

3.1 提高設(shè)計人員的素質(zhì)水平

首先要提高機(jī)械技術(shù)知識水平，只有熟練掌握機(jī)械相關(guān)知識，才能夠靈活運(yùn)用，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)化。但除了機(jī)械知識以外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)其他知識的修養(yǎng)，主要有:第一，數(shù)學(xué)建模能力。這是最基本的工作內(nèi)容。設(shè)計工作人員在進(jìn)行方案設(shè)計時，不僅要規(guī)范，還要保證方案能夠被他人理解，只有具備一定數(shù)學(xué)建模能力的人員才能夠使用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)語言將問題和設(shè)計方案表達(dá)出來，并在此基礎(chǔ)上確定模型，保證模型的實用性。第二，解答問題的能力。僅僅會建模還不夠，還應(yīng)當(dāng)能夠求解所建立模型的變量以及參數(shù)，這樣才能夠高效得出結(jié)果。比如對于隨機(jī)變量模型，一定要能夠快速求解隨機(jī)變量模型，才能夠計算出隨機(jī)變量的目標(biāo)函數(shù)以及變量的數(shù)值。第三，對問題的處理能力。這是因為在確定完設(shè)計方案后，一個極其重要的步驟就是評價方案，一旦方案投入生產(chǎn)，就需有更多的人共同配合完成，而參與的人越多，就越容易造成大家對問題本身都一知半解，出現(xiàn)問題后也難以找到明確的責(zé)任人。這個時候，如果有一個能夠全程負(fù)責(zé)的人去追蹤過程，會在很大程度上降低問題的發(fā)生概率。

3.2 綜合運(yùn)用所有學(xué)科的知識

設(shè)計的過程需要綜合運(yùn)用所有學(xué)科的知識點，因為機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅需要機(jī)械的專業(yè)知識，還附帶數(shù)學(xué)算法、數(shù)據(jù)分析、計算機(jī)等多個其他學(xué)科的知識，只有將這些所學(xué)的知識綜合運(yùn)用，才能設(shè)計出合理、方便的機(jī)械產(chǎn)品。在進(jìn)行學(xué)科知識總結(jié)運(yùn)用過程中，首先要放眼全局，從整體角度出發(fā)，綜合考慮。然后再將設(shè)計的產(chǎn)品系統(tǒng)逐步分解，按照知識板塊分解成若干個單元，按照相對應(yīng)的知識體系進(jìn)行相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的確定，再按照理論知識的原理進(jìn)行函數(shù)變量和優(yōu)化方法的設(shè)定。分別設(shè)計好后，按照它們之間的聯(lián)系，一個一個地將它們連接起來，這樣就組成了一個完整的設(shè)計方案，最后可以根據(jù)整體設(shè)計的需求進(jìn)行輕微地調(diào)試變動。

3.3 創(chuàng)新思維，杜絕重復(fù)

在設(shè)計過程中必須要做到自主創(chuàng)新，堅決避免重復(fù)，從現(xiàn)實角度出發(fā)，一定要有創(chuàng)新才能有廣闊的市場空間，重復(fù)的、沒有創(chuàng)意的東西很難贏得市場的青睞，也就是說，一個公司要想成長和進(jìn)步，就必須推舊出新，避免墨守成規(guī)，最終導(dǎo)致被市場大環(huán)境所淘汰。因此，作為一個出色的企業(yè)，就要不斷創(chuàng)新，不斷保持市場活力，但在創(chuàng)新過程中要防止抄襲、重復(fù)等，作為設(shè)計研發(fā)人員，要不斷轉(zhuǎn)變思路，積極對產(chǎn)品進(jìn)行改造，在推出新產(chǎn)品的同時，也要對原有產(chǎn)品進(jìn)行改造，最終目的都是為了適應(yīng)市場需求，使企業(yè)具有一定的競爭力。

4 結(jié)語

隨著行業(yè)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)計的難度越來越大，很容易讓設(shè)計研發(fā)人員陷入到無休止且煩瑣、混亂的工作中，機(jī)械設(shè)計優(yōu)化方法的出現(xiàn)，解放了設(shè)計人員，特別是近年來，優(yōu)化方法和CAE分析技術(shù)的結(jié)合，大大降低了設(shè)計人員的工作強(qiáng)度。隨著各種CAE軟件，如:ANSYS、MARC、ABAQUS等的投入應(yīng)用，利用現(xiàn)代化的手段進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，滿足了越來越多的客戶需求。通過優(yōu)化設(shè)計，在降低產(chǎn)品重量、提高產(chǎn)品性能的同時，把設(shè)計人員從繁重的工作中解放出來，激發(fā)了他們設(shè)計創(chuàng)新的熱情與積極創(chuàng)新的設(shè)計思路。機(jī)械制造工業(yè)正經(jīng)歷一次深刻地變革。

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Research on structural optimization technology of mechanical product design

BI De-sheng

(Fengnuo Plant Protection Machinery Manufacturing Co., Ltd., Fujin 156100, China)

This paper mainly discusses the process of structural optimization design, optimization type and optimization technology method, and discusses the characteristics of structural optimization.

Mechanical products; Design; Structural optimization; Technical application

2017-02-18

畢德勝(1985-)，男，本科,助理工程師。

TH122

B

1674-8646(2017)08-0080-02