摘 要：機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在計(jì)算機(jī)技術(shù)等高科技手段的支持下，為了提升機(jī)械產(chǎn)品的性能、工作效率，延長(zhǎng)機(jī)械產(chǎn)品的工作壽命，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的尺寸、形狀、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程。這是機(jī)械行業(yè)發(fā)展的必然要求，也是信息時(shí)代的必然要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須在保證機(jī)械產(chǎn)品滿足工作需要的前提下，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算來(lái)實(shí)行。文章將簡(jiǎn)單對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行介紹，列舉幾種機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)類型，并預(yù)計(jì)一下未來(lái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；發(fā)展趨勢(shì)

前言

機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用范圍是極其廣泛的，深刻影響著我國(guó)各行各業(yè)的發(fā)展。為了機(jī)械產(chǎn)品能夠在人們的生產(chǎn)和生活中正常發(fā)揮作用，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的。我國(guó)在機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，已經(jīng)展開(kāi)了諸多的研究，并取得了一定的研究成果。主要表現(xiàn)在汽車工業(yè)、焊工航天、船舶行業(yè)等幾個(gè)領(lǐng)域。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅在提升機(jī)械產(chǎn)品的性能方面具有重大作用，對(duì)于機(jī)械制造業(yè)增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)力，在未來(lái)的市場(chǎng)中立足也有深遠(yuǎn)的影響。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展概況

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，加快了機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐。以往的機(jī)械產(chǎn)品的制造，大多采用的是一種批量生產(chǎn)的方式，產(chǎn)品的種類極其單一。而現(xiàn)在，機(jī)械產(chǎn)品的制造更多采用的是一種小批量、多種類的生產(chǎn)方式。為了增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，在市場(chǎng)上占據(jù)更大的份額，機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)要盡可能地縮短生產(chǎn)的周期，降低生產(chǎn)的成本。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是為了這一目標(biāo)而服務(wù)的。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間縮短了，生產(chǎn)成本降低了，生產(chǎn)效率提高了，企業(yè)可以以更快的速度搶占市場(chǎng)，適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代初期。它是數(shù)學(xué)中的最優(yōu)理論與工程設(shè)計(jì)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。這一學(xué)科根據(jù)工程設(shè)計(jì)的理論，通過(guò)數(shù)學(xué)方法在大量的設(shè)計(jì)方案中選取最好的，大大提高了機(jī)械產(chǎn)品的性能，降低了機(jī)械產(chǎn)品的生生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期。目前，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，已經(jīng)應(yīng)用于航空航天、交通工具、船舶制造、建筑、紡織、冶金等各個(gè)領(lǐng)域[1]。

目前，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要按照以下的流程來(lái)進(jìn)行：首先，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，這是為了讓機(jī)械產(chǎn)品的一些技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求；然后要設(shè)計(jì)函數(shù)變量，這些變量大多是機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)，比如長(zhǎng)度、厚度、弧度等；再接下來(lái)要進(jìn)行約束條件的設(shè)定，限定計(jì)算過(guò)程中變量的浮動(dòng)范圍；最后，會(huì)得出多種的設(shè)計(jì)方案，需要對(duì)這些設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)需要確定最佳方案。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)類型

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化

在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于尺寸的要求是非常精準(zhǔn)的。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，必須能夠保證零件的尺寸大小符合實(shí)際工作的要求。對(duì)于多個(gè)零件組成的機(jī)械構(gòu)件，如果有一個(gè)零件的尺寸不符合要求，就會(huì)影響各個(gè)零件的連接效果，造成機(jī)械的磨損程度加劇，甚至導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備報(bào)廢。某個(gè)構(gòu)件的關(guān)聯(lián)零件數(shù)越多，機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，尺寸的精細(xì)度要求越高。機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化，前提是保持機(jī)械產(chǎn)品的形狀和拓?fù)潢P(guān)系不變，然后再通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的手段調(diào)整具體尺寸的變化，使機(jī)械產(chǎn)品的性能得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化

想要提高機(jī)械設(shè)備的性能，也可以從機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀入手。但是，很多大型的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個(gè)構(gòu)件的形狀復(fù)雜，難以進(jìn)行分析，給優(yōu)化設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了很大的困難。從20世紀(jì)60年代起，關(guān)于這一難題的研究開(kāi)始在國(guó)內(nèi)外的機(jī)械行業(yè)盛行起來(lái)，大量研究成果也紛紛涌現(xiàn)。在我國(guó)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，也有王世軍對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、田方對(duì)軸對(duì)稱機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等研究成果。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

以前，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)把主要精力放在優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)上。對(duì)于機(jī)械零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，展開(kāi)的研究很少。隨著人們?cè)跈C(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面意識(shí)的提高，人們開(kāi)始注意在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，主要體現(xiàn)在連續(xù)結(jié)構(gòu)和離散結(jié)構(gòu)兩方面。連續(xù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是對(duì)孔洞的個(gè)數(shù)、孔洞形狀和分布和部分結(jié)構(gòu)邊界的優(yōu)化；而離散結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，則要從各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的連接方式入手，實(shí)行的前提是這些關(guān)鍵點(diǎn)是位置確定的[2]。

2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化

機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能，就是機(jī)械結(jié)構(gòu)在受到外界作用時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)的外型上的變化規(guī)律，還有一些相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能，可以反映機(jī)械產(chǎn)品工作強(qiáng)度的大小和工作壽命的長(zhǎng)短。所以，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化，能夠減輕機(jī)械的工作負(fù)擔(dān)，在同樣工作強(qiáng)度的條件下延長(zhǎng)了機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命。

2.5 多學(xué)科結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，要從多個(gè)學(xué)科的角度入手。如果只從某個(gè)學(xué)科的角度來(lái)考慮，往往會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果不夠理想。MDO理論就是一種為了更好達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，提倡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該系統(tǒng)化、總體化、多學(xué)科化的新理論。這一理論的提出，必將提高機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化程度，已經(jīng)引起了諸多專家學(xué)者的注意，并對(duì)其展開(kāi)相關(guān)研究。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是隨著時(shí)代和行業(yè)的發(fā)展而不斷變化的。近年來(lái)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)始趨向于結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜化和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的大型化。設(shè)計(jì)變量的增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的分析推導(dǎo)和數(shù)值的計(jì)算難度增加，一些特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化沒(méi)有相應(yīng)的公式。采用大型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分解為各個(gè)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于一些涉及多個(gè)學(xué)科的設(shè)計(jì)優(yōu)化，也可以按照學(xué)科不同來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

并行計(jì)算技術(shù)的運(yùn)用，是機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的另一個(gè)發(fā)展方向。這一技術(shù)的主要代表有遺傳算法和模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工算法。這種算法適用于離散與連續(xù)混合變量的全局優(yōu)化，能夠提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和精確度。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，可以根據(jù)產(chǎn)品的需要靈活選擇設(shè)計(jì)方案，一般運(yùn)用在大型機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，需要構(gòu)建大型的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)算。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時(shí)也能促進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化和形狀的優(yōu)化，提升機(jī)械產(chǎn)品的性能。目前這方面主要存在的問(wèn)題有對(duì)于應(yīng)力約束的處理、“多孔狀”材料的分布、計(jì)算模型的病態(tài)等[3]。解決這些難題，是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化在未來(lái)的重點(diǎn)工作內(nèi)容。

我國(guó)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)的研究也涉及到了很多方面，比如廣義角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)、全性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)、模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性的優(yōu)化、光機(jī)電的一體化、人機(jī)一體化等等。這說(shuō)明我國(guó)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)邁入了世界先進(jìn)領(lǐng)域。在未來(lái)，我國(guó)的主要研究課題有多學(xué)科優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型建立、結(jié)果分析與靈敏度分析、大規(guī)模問(wèn)題的求解等。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，給機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和性能帶來(lái)了提升，給機(jī)械行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)周期大大縮短，機(jī)械產(chǎn)品的制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力大大增強(qiáng)。我國(guó)的機(jī)械行業(yè)應(yīng)當(dāng)積極把握結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的發(fā)展方向，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)水平，讓機(jī)械制造業(yè)發(fā)展到一個(gè)新的高度。

參考文獻(xiàn)

[1]楊天平，唐宏.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用與趨勢(shì)分析[J].電子制作，2013，11：189.

[2]劉世庚，張德珍，徐淑瓊.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究應(yīng)用及前景展望[J].科技視界，2014，16：107.

[3]曾文忠.機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用策略探究[J].湖南農(nóng)機(jī)，2014，9：44-45.