孫曉玲

摘要：本文從機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計出發(fā)，基于最優(yōu)化原理從大量設計方案中尋求最佳方案，可以使設計質(zhì)量和設計效率得到大幅度提高。本文在論述優(yōu)化結(jié)構(gòu)類型及機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計實際應用的基礎上，對機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的發(fā)展趨勢進行了探索研究，該研究進一步推進了機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的發(fā)展進程。

關鍵詞：機械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設計；應用；發(fā)展趨勢

引言

隨著科技的蓬勃發(fā)展，全球市場的競爭也隨之加劇，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快，其復雜程度也有所增加。傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)具有品種單一、批量較大的特點，該方式已無法滿足時代的發(fā)展需求，產(chǎn)品生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)化成了小批量、多品種的生產(chǎn)方式。為有效提高產(chǎn)品市場的占有率及競爭力在采用小批量新型生產(chǎn)方式時必須盡可能的降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本并有效提高產(chǎn)品的生產(chǎn)頻率。所以說現(xiàn)代設計方法的運用可以有效縮短產(chǎn)品的設計周期并能提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，滿足了市場競爭的發(fā)展需要。優(yōu)化設計是現(xiàn)代設計方法的一個重要組成部分，數(shù)學規(guī)劃是優(yōu)化設計的主要理論基礎。

1分析機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的應用

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計被應用到了船舶、汽車、橋梁、機械、水利、建筑、航空航天等多種應用領域，可以有效減輕產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重量、改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、降低產(chǎn)品應力水平、提高產(chǎn)品安全壽命等。

1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在航空航天中的應用

一個國家科學技術(shù)的綜合實力和綜合水平可以由該國家的航空航天技術(shù)體現(xiàn)出來，很多先進科學技術(shù)都是從航空航天領域進行嘗試、開發(fā)、試驗、應用、推廣的，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在該領域是應用最廣、發(fā)展最快、規(guī)模最大的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在航天航空這一特殊領域得到了廣泛應用和高度重視，促進了航空航天事業(yè)的發(fā)展。

1.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在汽車工業(yè)中的應用

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，汽車行業(yè)也隨之發(fā)展起來，各個國家對汽車行業(yè)的發(fā)展都十分重視。在汽車行業(yè)先進的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方式得到了極大地推廣與應用，并取得了大量研究成果。黃俊等人研究了面向行人下肢碰撞保護的優(yōu)化設計，李毅等人對客車車身輕量化設計進行了優(yōu)化設計，王源邵等人對汽車車身安全性的優(yōu)化設計進行了深入研究，候敏楓等人則對汽車車身形態(tài)仿生的優(yōu)化設計進行了探索研究。機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在汽車行業(yè)的應用越來越廣泛，在汽車行業(yè)的地位也越來越重要。

1.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在船舶行業(yè)中的應用

我國船舶的優(yōu)化設計研究工作是從20世紀70年代末開始的，起步較晚，與國外相比晚了近十年左右。雖然我國船舶行業(yè)的優(yōu)化設計起步較晚，取得的成果卻很顯著，船舶行業(yè)的優(yōu)化設計涉及到了潛艇外部液壓艙、潛艇結(jié)構(gòu)、油船剖面等結(jié)構(gòu)內(nèi)容的設計，船舶的性能得到了極大的提高，為船舶設計提供了可靠的設計方法和設計數(shù)據(jù)。

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的主要分類

機械優(yōu)化設計經(jīng)過多年的應用及發(fā)展已成為一種較為可靠、成熟、高效的現(xiàn)代設計方法，機械優(yōu)化設計具有廣泛的應用領域，本文對機械優(yōu)化設計領域的幾個熱點問題進行了論述分析。

2.1機械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化

通過優(yōu)化機械零部件的結(jié)構(gòu)可以提高機械零部件的性能，機械零部件的形狀較為復雜、連續(xù)體結(jié)構(gòu)較多、結(jié)構(gòu)分析較為困難，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式可以達到很好的設計效果。機械行業(yè)是從20世紀80年代初開始興起結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化研究的，我國取得了顯著研究成果，田方進行了軸對稱機械零件形狀優(yōu)化設計研究，王世軍對機器人結(jié)構(gòu)形狀進行了優(yōu)化設計，孫玉對裝校機器人關鍵件結(jié)構(gòu)形狀進行了優(yōu)化設計。通過機械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設計可以有效提高機械零部件的性能，是優(yōu)化設計的重要組成部分。

2.2機械結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化

之前人們常常將機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的焦點集中在機械結(jié)構(gòu)參數(shù)的設計及優(yōu)化上，對機械零件的拓撲結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化問題較為忽視。隨著科技的發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品的設計創(chuàng)新意識也隨之增強，在機械產(chǎn)品概念設計提出與應用之后，人們對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提出了更高要求，結(jié)構(gòu)拓撲的優(yōu)化設計也得到了進一步發(fā)展。

2.3對機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化設計

機械產(chǎn)品的性能及產(chǎn)品壽命都會受產(chǎn)品動態(tài)性能的影響，實施結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的一個重要前提就是機械結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的優(yōu)化設計。機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析是一個復雜的分析過程，其動態(tài)結(jié)構(gòu)設計具有很高的研究價值，對今后產(chǎn)品的實際應用具有重大影響。

2.4機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計軟件

當前，市場上較為流行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化商用軟件較多，如ANSYS、ANSTARN（美國大型有限元分析軟件）、DDDU（大連理工大學開發(fā)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件）等，是功能十分強大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件。

3對機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計發(fā)展趨勢的分析

隨著產(chǎn)品競爭的加劇和設計技術(shù)的更新變革，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計迎來了更大的發(fā)展空間，優(yōu)化設計的發(fā)展動態(tài)主要包括以下幾方面。

3.1機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在處理問題過程中所應具備的能力

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的建模能力主要發(fā)展趨勢包括以下三大類：可以用數(shù)學方法進行機械產(chǎn)品設計描述的、無法用數(shù)學方法描述只能憑借知識和經(jīng)驗進行機械產(chǎn)品設計描述的以及居于二者之間的。此外，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計過程中還應該具備求解各類設計模型的能力和對設計決策及結(jié)果進行評估的設計后處理能力，設計人員應該完成從方案設計到圖形輸出的整體設計任務。

3.2多學科協(xié)同優(yōu)化設計發(fā)展趨勢

近些年來，我國自然科學基金所資助的機械學科優(yōu)化設計項目多達二十多項，主要包括廣義優(yōu)化設計、模糊優(yōu)化設計、全性能優(yōu)化設計、可靠性優(yōu)化設計、分解優(yōu)化設計等內(nèi)容。此外還包括人機一體化設計與光機電一體化設計，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的復雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化、復雜機電系統(tǒng)耦合和解耦設計方法和理論的研究、機械傳動系統(tǒng)性能優(yōu)化、機電產(chǎn)品的綠色設計方法理論等，以及最近開展的軋制件模具的現(xiàn)代設計方法、面向產(chǎn)品的創(chuàng)新概念設計等課題，無一不體現(xiàn)著我國的科技發(fā)展動向。

4總結(jié)

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計是一種新型的設計方法，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的運用使設計質(zhì)量和設計效率得到大幅度提高，滿足了市場劇烈競爭的發(fā)展需要，有效縮短了產(chǎn)品的設計周期，具有重要意義。

參考文獻

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