郭振標(biāo)

廣東美的安川服務(wù)機器人有限公司

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用與趨勢研究

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機械市場領(lǐng)域的發(fā)展必要前提是開展機械結(jié)構(gòu)動態(tài)化設(shè)計，通過將以往傳統(tǒng)機械設(shè)計模式的突破，提高機械產(chǎn)品動態(tài)設(shè)計能力。通過分析目前機械行業(yè)情況發(fā)現(xiàn)，如何開展機械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計十分重要，應(yīng)根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的整體需求對動態(tài)設(shè)計過程進行優(yōu)化，確保機械產(chǎn)品符合市場需求，突出動態(tài)設(shè)計的優(yōu)勢及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。為此，本文將著重分析我國機械制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其發(fā)展趨勢加以分析，以資借鑒。

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

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，全球市場競爭日益激烈，產(chǎn)品品種換代加快，復(fù)雜性不斷增加。產(chǎn)品生產(chǎn)逐步以小批量﹑多品種的生產(chǎn)方式代替以前的單一品種大批量生產(chǎn)方式。在這種小批量的生產(chǎn)方式下，必須縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品的成本，才能提高市場的競爭力和占有率。因此，運用現(xiàn)代設(shè)計方法可以適應(yīng)市場劇烈競爭的需要，提高設(shè)計質(zhì)量和縮短設(shè)計周期。優(yōu)化設(shè)計是現(xiàn)代設(shè)計方法的重要內(nèi)容之一，它是以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，以計算機為工具，在充分考慮多種設(shè)計約束的前提下，尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最佳設(shè)計方案，從而獲得最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟效果。

1 機械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計概述

機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計主要是通過對機械產(chǎn)品特性進行分析，對動力模型進行建構(gòu)，并在機床設(shè)計中應(yīng)用的流程。動態(tài)化機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計，可對產(chǎn)品設(shè)計過程中存在較薄弱的項目進行查找，根據(jù)模型自身模擬狀態(tài)進行改進。在動態(tài)設(shè)計過程中應(yīng)選擇性使用有效變量信息，對初始參數(shù)及修改后參數(shù)信息進行完善并投入使用，確保機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計狀態(tài)最佳化，對機械產(chǎn)品時間設(shè)計進行強化。為確保機械產(chǎn)品動態(tài)設(shè)計符合當(dāng)下精細化產(chǎn)品設(shè)計要求，應(yīng)確保設(shè)計模型穩(wěn)定，對設(shè)計方法及產(chǎn)品設(shè)計進行規(guī)范。通過對機械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計進行分析，認(rèn)為與傳統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計相比其設(shè)計質(zhì)量全面提升，并對結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能進行保證，在降低設(shè)計成本的基礎(chǔ)上對設(shè)計效率進行提高。

2 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

2.1 遺傳算法

遺傳算法的哲學(xué)基礎(chǔ)是達爾文的進化論：物從天降，適者生存。遺傳算法放棄了傳統(tǒng)優(yōu)化算法的單個計算點的優(yōu)化追蹤過程，而是同時對多個計算點進行操作，也就是把操作對象看成一個生物群體，所以優(yōu)化后的結(jié)果是作為對象系統(tǒng)或全局的最優(yōu)解。羅志軍等用遺傳算法對雷達天線罩進行結(jié)構(gòu)壁各層厚度的優(yōu)化。于華男等利用遺傳算法對水下機器人模糊控制器進行優(yōu)化設(shè)計，對模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)采用了實數(shù)編碼策略，并討論了復(fù)制﹑交叉﹑變異等遺傳操作在模糊控制器設(shè)計非線性尋優(yōu)中的應(yīng)用，優(yōu)化得到的模糊控制器與傳統(tǒng)的模糊控制器相比具有響應(yīng)快﹑超調(diào)小的特點。陳艷秋等利用遺傳算法對航空發(fā)動機管路進行優(yōu)化設(shè)計，以有限元計算為基礎(chǔ)，采用遺傳算法為優(yōu)化方法，在通用有限元軟件 NASTRAN 的平臺上開發(fā)了管路振動設(shè)計優(yōu)化程序，快速高效地獲得最優(yōu)解。實際生產(chǎn)中，大量的例子利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和遺傳算法。尤其是遺傳算法在實際機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中有大量的應(yīng)用。

2.2 設(shè)計過程綜合各個學(xué)科

由于機械產(chǎn)品的設(shè)計過程是一個非常復(fù)雜的過程，因此會涉及到多個學(xué)科的專業(yè)知識，如數(shù)學(xué)算法﹑數(shù)據(jù)的分析﹑查找策略，以及計算機技術(shù)等。因此在設(shè)計過程中，一定要注意要從多個學(xué)科的角度對設(shè)計方案進行考慮。首先需要從工程整體的角度，將整個設(shè)計系統(tǒng)分解成為多個設(shè)計不同內(nèi)容的板塊，然后運用相應(yīng)的知識對其進行目標(biāo)函數(shù)的確定，函數(shù)變量和優(yōu)化方法的設(shè)定，把每一個獨立的板塊設(shè)計好，其次，要根據(jù)每個板塊之間的內(nèi)在聯(lián)系將它們重新連接在一起，有機地組合在一起，最終形成完整的設(shè)計方案。

2.3 進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的工作人員要提高綜合能力

機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計不單單需要工程人員對機械行業(yè)的專業(yè)知識有所了解，還需要掌握以下 3 個方面的能力：①數(shù)學(xué)建模能力，工程設(shè)計人員所設(shè)計出來的方案需要規(guī)范，并且需要被其他人所理解，所以需要設(shè)計人員掌握一定的數(shù)學(xué)建模能力，用數(shù)學(xué)語言規(guī)范的將實際問題和設(shè)計內(nèi)容描述出來，建立一套能夠解決實際問題的模型。②問題求解能力，設(shè)計人員不僅要會建模，還要會求解模型中的一些參數(shù)變量，掌握不同類型模型的參數(shù)變量，以便在求解過程中，更快更好地得出答案，例如應(yīng)用隨機變量模型時，為了能夠更好地確定隨機變量的變量值和目標(biāo)函數(shù)，就需要對隨機變量模型進行求解，以便能夠更好的應(yīng)用。③處理問題能力，設(shè)計方案完成后還需要對方案進行可行性評價，后期將投入加工制造過程，這一系列的過程需要經(jīng)過很多人的共同配合，難免會出現(xiàn)差錯，如果這個過程有一個人能夠全程跟蹤，那么就會降低錯誤的出現(xiàn)幾率。

3 機械設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢

具體來說現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有： 一是，產(chǎn)品質(zhì)量的高成本壓力給設(shè)計競爭帶來了嚴(yán)峻的考驗。二是，環(huán)境和生態(tài)功能屬性逐漸與產(chǎn)品功能屬性并駕齊驅(qū)； 三是，設(shè)計的經(jīng)營管理和制造與設(shè)計需求的內(nèi)容并重； 四是，設(shè)計的獨立性逐漸轉(zhuǎn)型了工作的協(xié)同作業(yè)，甚至是并行的狀態(tài)； 五是，能夠挖掘人的潛力的創(chuàng)造性使得人們對高科技的數(shù)字化工作更為重視。在這一系列趨勢的推動下，現(xiàn)代機械制造的主要研究方向有： 設(shè)計方法學(xué)﹑穩(wěn)定性設(shè)計﹑優(yōu)化設(shè)計﹑動態(tài)化設(shè)計﹑摩擦學(xué)設(shè)計﹑計算機技術(shù)設(shè)計﹑創(chuàng)新設(shè)計﹑三次設(shè)計﹑價值工程設(shè)計﹑智能工程設(shè)計﹑反求工程設(shè)計﹑有限元設(shè)計﹑并行工程﹑工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計等等。

以上，我們就機械設(shè)計技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢展開了研究。在當(dāng)代社會，機械設(shè)計技術(shù)關(guān)系到了機械制造業(yè)的發(fā)展，因此值得我們加以研究，發(fā)現(xiàn)其發(fā)展現(xiàn)狀，推測其發(fā)展趨勢，從而把握好機械設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向。

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