李朋陽 張曠齊 王子樂

摘 要：機械優(yōu)化設(shè)計是一種非常重要的現(xiàn)代設(shè)計方法，能從眾多的設(shè)計方案中找出最佳方案，從而大大提高設(shè)計的效率和質(zhì)量。現(xiàn)代工程裝備的復(fù)雜性使得機械優(yōu)化設(shè)計變得越來越困難，利用新的科學(xué)理論探索新的優(yōu)化設(shè)計方法是該研究領(lǐng)域的一個重要方面。綜述了優(yōu)化設(shè)計這一現(xiàn)代設(shè)計方法在我國機械工業(yè)中的研究和應(yīng)用進展。本文從機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展出發(fā)，簡述了機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展歷史，以及應(yīng)用和主要關(guān)鍵技術(shù)，同時對機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展進行了展望。

機械設(shè)計是機械工程的重要組成部分，是決定機械性能最主要的因素。從工程設(shè)計基礎(chǔ)和目標(biāo)上可將設(shè)計分為：新型設(shè)計（開發(fā)性設(shè)計）、繼承設(shè)計、變型設(shè)計（基于標(biāo)準(zhǔn)型的修改）。所謂新型設(shè)計，即應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過實驗證明可行的新技術(shù)，設(shè)計未曾有過的新型機械，主要包括功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，是機械設(shè)計發(fā)展的方向所在，然而貫穿其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即是設(shè)計的方法和實現(xiàn)的手段。這也大大推動了現(xiàn)代工程領(lǐng)域的技術(shù)進步和創(chuàng)新。優(yōu)化設(shè)計就是其中發(fā)展最快的設(shè)計方法之一。最優(yōu)化技術(shù)進人了蓬勃發(fā)展的時期，主要是近代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的迅速發(fā)展，提出了許多用經(jīng)典最優(yōu)化技術(shù)無法解決的最優(yōu)化問題。為了取得重大的解決與軍事效果，又必將解決這些問題，這種客觀需要極大地推動了最優(yōu)化的研究與應(yīng)用。

1 機械優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)涵

機械優(yōu)化設(shè)計是一門綜合性的學(xué)科，既涉及到數(shù)學(xué)、物理學(xué)知識，又涉及到應(yīng)用化學(xué)、應(yīng)用力學(xué)和材料學(xué)知識，具有理論價值和應(yīng)用價值，是非常有發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科。是一種現(xiàn)代、科學(xué)的設(shè)計方法，集思考、繪圖、計算、實驗于一體，其結(jié)果不僅“可行”，而且“最優(yōu)”。該“最優(yōu)”是相對的，隨著科技的發(fā)展以及設(shè)計條件的改變，最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)也將發(fā)生變化。優(yōu)化設(shè)計反映了人們對客觀世界認識的深化，要求人們根據(jù)事物的客觀規(guī)律，在一定的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件下充分發(fā)揮人的主觀能動性，得出最優(yōu)的設(shè)計方案。

傳統(tǒng)設(shè)計總追求最優(yōu)結(jié)果，通常在調(diào)查分析基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計要求和實踐經(jīng)驗，參考類似工程設(shè)計，通過估算、經(jīng)驗類比、試驗，以及構(gòu)思、評價、再構(gòu)思、再評價的尋優(yōu)過程來確定設(shè)計方案，再進行強度、剛度、穩(wěn)定性等方面的計算?，F(xiàn)代設(shè)計中，不但要求提高機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，而且要求縮短設(shè)計周期和降低原材料消耗和制造成本，還要求盡量少或無環(huán)境污染，提高可回收利用，具有綠色設(shè)計的理念。近年來，隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論的不斷發(fā)展和工作站計算能力的不斷挖掘，機械優(yōu)化設(shè)計方法和手段都有非常大的突破。且優(yōu)化設(shè)計思路不斷的開闊，仿生學(xué)理論、基因遺傳學(xué)理論和人工智能優(yōu)化等現(xiàn)代設(shè)計理論的引入，都大大促進優(yōu)化設(shè)計方法的更新和完善。

2 機械優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

現(xiàn)代設(shè)計都是面向市場、實現(xiàn)功能及產(chǎn)品優(yōu)勢的設(shè)計。創(chuàng)新設(shè)計、綠色設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法備受國內(nèi)外機械設(shè)計領(lǐng)域的關(guān)注。而機械的優(yōu)化設(shè)計與機構(gòu)設(shè)計、機械傳動設(shè)計和機械強度評價共同組成了機械設(shè)計的內(nèi)涵。機械優(yōu)化設(shè)計是建立在近代應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、應(yīng)用力學(xué)和材料學(xué)和計算機程序設(shè)計之上的，是解決復(fù)雜設(shè)計問題的一種有效工具。機械優(yōu)化設(shè)計是把機械設(shè)計與優(yōu)化理論及方法密切結(jié)合起來去處理機械設(shè)計問題，工程實用價值大。但應(yīng)該看到，現(xiàn)代的設(shè)計不僅僅是單一的完成給定產(chǎn)品的設(shè)計，而應(yīng)該要將產(chǎn)品使用及設(shè)備維修等因素統(tǒng)一進行考慮。所以，機械優(yōu)化設(shè)計在強調(diào)環(huán)保設(shè)計和可靠性設(shè)計等考慮綜合性因素的機械優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用工作更為活躍，機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

目前，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空航天、造船、工程機械、通用機械與機床、化工機械、汽車工業(yè)、建筑機械等行業(yè)，取得了大量的研究成果。同時機械優(yōu)化設(shè)計正以微電子、信息、新材料為代表的新一代工程科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)。所以，機械優(yōu)化設(shè)計一方面極大地拓展了制造領(lǐng)域的深度和廣度，另一方面改變了現(xiàn)代制造過程的設(shè)計方法、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

3 機械優(yōu)化設(shè)計展望

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和應(yīng)用，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)成為一種比較成熟、可靠、高效的現(xiàn)代設(shè)計方法之一，應(yīng)用范圍和領(lǐng)域日益廣闊。它對提高設(shè)計質(zhì)量，縮短研發(fā)周期起到非常關(guān)鍵的作用，有著廣闊的應(yīng)用前景，必將成為產(chǎn)品設(shè)計的必要步驟和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)。但我們?nèi)孕桕P(guān)注的是，在優(yōu)化技術(shù)水平得到了提高的同時，國內(nèi)機械加工或工藝水平、加工手段和制造技術(shù)也應(yīng)配套提升才行，否則整體機械水平將仍然停滯不前。這不僅要加工技術(shù)的引進，更重要的是加工設(shè)備的性能提升，尤其是數(shù)控機床的加工水平。加強與國際技術(shù)發(fā)達國家的合作和交流，軟硬件技術(shù)共同提升，以期達到機械設(shè)計——加工一體化的目標(biāo)。

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作者簡介

李朋陽（1995-），鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院機械工程專業(yè)。