310023 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 浙江 杭州|康愷

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機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)運(yùn)用探究

310023 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 浙江 杭州|康愷

摘要：主要研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，分析機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思路，并對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的具體應(yīng)用策略進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

長期以來，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作都是參照相同產(chǎn)品的估算、經(jīng)驗(yàn)、類比來確定其基本結(jié)構(gòu)，并通過性能計(jì)算檢查各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。這樣的機(jī)械設(shè)計(jì)方法人工試錯(cuò)與類比分析過程比較復(fù)雜，會(huì)消耗更多的時(shí)間，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期延長，而且設(shè)計(jì)方案的比選只能局限在幾個(gè)方案之間，方案優(yōu)化工作有待加強(qiáng)。

機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

面對越來越激烈的市場競爭，更多的機(jī)械設(shè)備制造廠商意識(shí)到，只有更快地推出新產(chǎn)品，才能占領(lǐng)更多的市場，因此機(jī)械設(shè)計(jì)工作人員開始關(guān)注機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作效率的提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用能夠顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期，尤其是在沒有參照物可供參考的全新產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作中，對拓?fù)鋬?yōu)化以及尺寸優(yōu)化的綜合應(yīng)用，能夠讓設(shè)計(jì)員快速設(shè)計(jì)出滿足要求的機(jī)械產(chǎn)品。

a設(shè)計(jì)流程

①目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)往往是機(jī)械設(shè)計(jì)中最受關(guān)注的關(guān)鍵因素，在機(jī)械設(shè)計(jì)中如何控制變形或者應(yīng)力水平是設(shè)計(jì)者最為關(guān)心的問題，所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)可以設(shè)置為變形或應(yīng)力的最小值。

②設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量是指所有與機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)，在機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化過程中，所涉及到的設(shè)計(jì)變量主要可以分為兩大類。一類是描述結(jié)構(gòu)變形的幾何參數(shù)，如長寬高、直徑厚度等，另一類是物理參數(shù)，主要包括彈性模量密度屈服極限等。

③約束條件

機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化函數(shù)的迭代計(jì)算中，很多設(shè)計(jì)變量都存在著一些約束條件，其中最為常見的是位置限制和運(yùn)動(dòng)可能性的極值。

④優(yōu)化分析評(píng)估

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)往往是有約束的非線性函數(shù)問題，現(xiàn)階段已經(jīng)有多種數(shù)學(xué)工具可供使用，但是在實(shí)際工作中選擇一種合適的優(yōu)化方法仍然比較困難，需要根據(jù)問題的實(shí)際情況靈活選擇優(yōu)化算法，并對結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估。

b結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要內(nèi)容

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)、約束對象、目標(biāo)函數(shù)等條件的不同，選擇不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法。根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)層次的不同，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作可以分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化3個(gè)不同的層次，隨著優(yōu)化層次的加深，優(yōu)化工作的難度也隨之增加，但是優(yōu)化工作帶來的效益也更加顯著。

①尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是指保持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，通過對設(shè)計(jì)變量的分析重組，對性能組合關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化。

②形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化是保持設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系不變的情況下，利用結(jié)構(gòu)邊界獲取某種性能最佳狀態(tài)的優(yōu)化方法。

③拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是指機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的組合，其中連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化主要包括孔洞分布數(shù)量邊界的優(yōu)化，而拓?fù)鋬?yōu)化主要是指定節(jié)點(diǎn)位置以及相互連接關(guān)系的優(yōu)化。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用更加普遍，計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算以及仿真功能給結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了極大的發(fā)揮空間?；谟?jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能夠通過對機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)的分析和持續(xù)的優(yōu)化，保證產(chǎn)品的性能滿足要求，同時(shí)顯著縮短機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，在保證機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)省了設(shè)計(jì)工作成本。

a建立優(yōu)化信息模型

機(jī)械產(chǎn)品往往有上千個(gè)設(shè)計(jì)變量和幾百個(gè)設(shè)計(jì)函數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)涉及到如此多變量和函數(shù)的優(yōu)化程序是比較困難的，因此可以應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的信息函數(shù)模型。首先分析用戶要求，將用戶要求分解為多個(gè)基本設(shè)計(jì)參數(shù)，之后分別根據(jù)用戶要求和邊界條件建立目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果生成修正函數(shù)，代表最終輸出。數(shù)據(jù)輸入和處理過程中，設(shè)計(jì)變量構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)的生成通過數(shù)據(jù)傳遞系數(shù)實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)分析和處理工程依賴數(shù)據(jù)修正因子建立基于目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的修正函數(shù)，通過該信息模型，能夠完成機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算流程函數(shù)之間調(diào)用關(guān)系定義，將機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)涉及到的參數(shù)關(guān)聯(lián)用計(jì)算機(jī)語言準(zhǔn)確表示出來。

b基于信息模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

信息庫建立完畢，將根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況，給出幾個(gè)優(yōu)化方案，并將其核心設(shè)計(jì)參數(shù)存入信息函數(shù)模型，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用數(shù)據(jù)離散化方法存儲(chǔ)、配置有限元分析結(jié)果，使用粗糙集機(jī)器學(xué)習(xí)方法對有限元分析結(jié)果進(jìn)行解釋，并提取數(shù)據(jù)背后的優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)則，最后應(yīng)用優(yōu)化規(guī)則對幾個(gè)方案的綜合性能進(jìn)行全面對比，獲取有約束條件下的最優(yōu)解。

結(jié)語

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能夠顯著降低工作人員的設(shè)計(jì)工作量，應(yīng)用三維仿真模擬技術(shù)能夠有效節(jié)省產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化工作成本，同時(shí)經(jīng)過多次模擬分析優(yōu)化，能夠獲得更好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，滿足用戶的各種性能需求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除了更多質(zhì)量隱患，這才是一種優(yōu)秀的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。

參考：

［1］胡桂川，劉敬花.基于CAE分析的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011（03）.

［2］聶勇軍，廖啟征.多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用展望［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2014（08）.

［3］劉樹春，張敬佩，李初曄.機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（08）.

［4］羅忠，柳洪義，田洪海，聞邦椿.現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品智能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（07）.