張鐘文

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州310023）

試析機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用及趨勢

張鐘文

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州310023）

現(xiàn)代設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計是最重要的，主要就是依據(jù)計算機為基本工具，理論基礎(chǔ)為數(shù)學(xué)規(guī)劃，在分析多種約束條件下來設(shè)計符合情況的最佳方案，以便于提高設(shè)計質(zhì)量和效率。機械設(shè)計過程中優(yōu)化設(shè)計能夠合理解決很多復(fù)雜問題，是科學(xué)設(shè)計機械結(jié)構(gòu)的方式。本文主要分析了機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展趨勢，應(yīng)用情況，為以后進(jìn)一步研究機械結(jié)構(gòu)提供參考和依據(jù)。

機械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；應(yīng)用；趨勢

隨著不斷發(fā)展科學(xué)技術(shù)，逐漸提高市場競爭力，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代、增加產(chǎn)品復(fù)雜性。傳統(tǒng)單一生產(chǎn)方式逐漸被多品種、小批量方式取代，在這種生產(chǎn)模式下，需要盡可能降低成本，縮短周期，以便于提高企業(yè)占有率和競爭力。所以依據(jù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和設(shè)計方式來不斷滿足市場實際需求，縮短設(shè)計周期以及提高設(shè)計質(zhì)量。

1　機械優(yōu)化設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀

隨著不斷發(fā)展科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟，越來越迅速的更新?lián)Q代產(chǎn)品，多品種、小批量生產(chǎn)方式逐漸取代傳統(tǒng)大批量單一生產(chǎn)模式。為了能夠有效增加市場占有率和競爭率，依據(jù)降低成本和縮短周期來體現(xiàn)小批量生產(chǎn)［1］。所以，從機械設(shè)計方面來說，優(yōu)化設(shè)計屬于科學(xué)的一種設(shè)計形式，依據(jù)優(yōu)化設(shè)計方式能夠迅速搶占市場，滿足市場實際發(fā)展需求，從而縮短設(shè)計周期和提高機械設(shè)計質(zhì)量，保證能夠整體提高生產(chǎn)率。上世紀(jì)六十年代的時候，優(yōu)化設(shè)計屬于新興學(xué)科，是有機結(jié)合工程設(shè)計和優(yōu)化理論的一種設(shè)計方式，在眾多方案中發(fā)現(xiàn)最適合的機械設(shè)計方案，保證有效提高設(shè)計質(zhì)量和效率。現(xiàn)階段，已經(jīng)在冶金、建筑、紡織、機械、交通、航空航天等方面大量應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計，并且具備一定社會效益和經(jīng)濟效益。二十一世紀(jì)以后開始更加重視優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，需要相關(guān)人員充分了解和掌握這種技術(shù)。

2　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的類型

2.1優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

一般情況下傳統(tǒng)的機械優(yōu)化設(shè)計基本上都是設(shè)計以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是不注重機械零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨著不斷提高設(shè)計和優(yōu)化機械產(chǎn)品的意識，逐漸應(yīng)用機械產(chǎn)品設(shè)計理念，人們更加嚴(yán)格規(guī)范優(yōu)化結(jié)構(gòu)的需求，也越來越多的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)拓?fù)洌?］。

2.2優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)形狀

為了能夠合理增加機械的性能，一般都需要優(yōu)化設(shè)計機械零件結(jié)構(gòu)，但是經(jīng)常會形成很多設(shè)計難題，如，連續(xù)體形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多、分析結(jié)構(gòu)困難等，因此，優(yōu)化結(jié)構(gòu)是可行的。上世紀(jì)八十年代，機械行業(yè)開始研究優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀，并且國外也綜述分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀。國內(nèi)優(yōu)化設(shè)計機器人結(jié)構(gòu)形狀、優(yōu)化設(shè)計軸對稱機械零件形狀、優(yōu)化設(shè)計機械人重要結(jié)構(gòu)形狀。在分析提高機械零件性能的過程中，優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)形狀就變得十分重要。圖1所示。

圖1　優(yōu)化設(shè)軸對稱結(jié)構(gòu)形狀

2.3優(yōu)化設(shè)計機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)

機械產(chǎn)品動態(tài)性能會嚴(yán)重影響設(shè)計的壽命和強度，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)就是優(yōu)化設(shè)計機械結(jié)構(gòu)動態(tài)性能。分析結(jié)構(gòu)動態(tài)性能屬于復(fù)雜過程，特別是對于一些大型結(jié)構(gòu)來說，但是分析動態(tài)結(jié)構(gòu)的時候會具備一定價值，以便于全面收集相關(guān)材料，影響產(chǎn)品后期應(yīng)用效果。

2.4優(yōu)化設(shè)計多科學(xué)結(jié)構(gòu)

優(yōu)化設(shè)計機械結(jié)構(gòu)的時候如果僅僅只是分析一方面影響往往會導(dǎo)致出現(xiàn)不符合預(yù)期的優(yōu)化結(jié)果，因此為了具備更好的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，需要總體性、系統(tǒng)性發(fā)展優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)。MDO理論是新興的優(yōu)化結(jié)構(gòu)理論，不少專家都開始研究上述理論，為以后進(jìn)一步研究機械結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)和保障，以便于全面提高優(yōu)化產(chǎn)品的程度。

3　機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計發(fā)展趨勢

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計能夠為機械設(shè)計提供更高的經(jīng)濟效益。近年來隨著不斷發(fā)展和應(yīng)用有限元分析法，逐漸普及和改變計算機應(yīng)用條件和結(jié)構(gòu)，相關(guān)學(xué)者和專家更加重視機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。不管是國外還是國內(nèi)，都是在不斷嘗試優(yōu)化設(shè)計這種現(xiàn)代技術(shù)。隨著不斷加劇市場競爭和更新產(chǎn)品，優(yōu)化設(shè)計機械結(jié)構(gòu)具備很大優(yōu)勢?？梢詮囊韵路矫娣治鰞?yōu)化設(shè)計。第一，優(yōu)化設(shè)計機械結(jié)構(gòu)的過程中需要分析以下問題，不能用數(shù)學(xué)方式描述的、能用數(shù)學(xué)方式描述的、介于知識描述和經(jīng)驗描述之間的方式。求解能力實際上就是具備對設(shè)計模型求解的能力。如優(yōu)化設(shè)計隨機變量，在充分分析實際情況以后難免會出現(xiàn)隨機因素，以至于需要優(yōu)化設(shè)計隨機變量。優(yōu)化設(shè)計隨機變量的根本實際上就是對隨機變量進(jìn)行確定，然后建立隨機目標(biāo)函數(shù)，最后合理求解隨機模型。優(yōu)化設(shè)計模糊變量，優(yōu)化設(shè)計過程中合理分析模糊現(xiàn)象。優(yōu)化設(shè)計非光滑問題，工程項目設(shè)計中會出現(xiàn)很多非光滑現(xiàn)象，如不可微的目標(biāo)函數(shù)和一些約束函數(shù)相比較經(jīng)典優(yōu)化方式來說，不可微優(yōu)化求解是比較困難的，可以把優(yōu)化設(shè)計非光滑問題分為一般非光滑設(shè)計優(yōu)化和特殊優(yōu)化設(shè)計兩方面。設(shè)計后處理能力實際上就會能夠評估設(shè)計決策和結(jié)果處理能力，能夠全部完成設(shè)計方案、輸出圖形等相關(guān)任務(wù)。第二，多學(xué)科共同進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，實際上就是集成尋優(yōu)搜索、算法、管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析等的一種耦合子系統(tǒng)、相互左右的優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

4　結(jié)束語

綜上，隨著不斷發(fā)展科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟，優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代設(shè)計的重要構(gòu)成部分，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計作為新興第一種設(shè)計形式，能夠為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計提供良好空間和競爭力，以便于能夠全面保障優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和優(yōu)勢，為進(jìn)一步研究提供參考。

［1］劉憲訪，林密葉.機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用趨勢研究［J］.卷宗，2013，（6）：185，183.

［2］孫曉玲.機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用與趨勢研究［J］.環(huán)球人文地理，2015，（2）：186-186.

Wkche Machinery Application and Trend of Structure Optimization Design

ZHANG Zhong-wen
（China Shipbuilding Industry Corp No.Seven one five Research Institute，Hangzhou Zhenjiang 310023，China）

Modern design optimization design is the most important and works mainly on the basis of the computer，the theoretical basis for planning，in the analysis of multiple constraints down design with the best solution，in order to improve the design quality and efficiency.In the process of mechanical design，the optimal design can solve many complex problems，and it is a scientific design of mechanical structure.This paper mainly analyzes the development trend of the optimization design of the mechanical structure，the application of the situation，to provide reference and basis for further study of the mechanical structure.

mechanical；structure；optimization；design application trend

TH122

A

1672-545X（2016）07-0270-02

2016-04-25

張鐘文（1990-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。