顧佳朋

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，制造業(yè)的發(fā)展也取得了很大進步。國內(nèi)現(xiàn)有的機械設(shè)計科學技術(shù)應(yīng)用水平也得到了有效的提升，為制造業(yè)生產(chǎn)效率提升奠定了堅實的基礎(chǔ)。在這一基礎(chǔ)上，機械機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計工作就顯得十分重要。通過對現(xiàn)代計算機應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)利用，很好的提升了機械生產(chǎn)產(chǎn)品的工作性能及效率，對于機械本身的使用壽命延長也起到了比較不錯的促進作用。鑒于此，文中首先闡述了機械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展概況，其次分析了機械機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用，包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計拓撲、形狀、科學結(jié)構(gòu)、尺寸以及動態(tài)性能。最后從更利于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建與計算機技術(shù)有效結(jié)合等方面研究了機械機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用的未來發(fā)展前景，旨在提升制造業(yè)機械設(shè)計質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：機械機構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；方法

引言

機械機構(gòu)設(shè)計作為重點產(chǎn)業(yè)，對生產(chǎn)和設(shè)計制造行業(yè)來說都十分重要。機械機構(gòu)的設(shè)計不僅關(guān)系到機械產(chǎn)品的可靠性和實用性，還決定了我國機械制造水平的高低。機械構(gòu)件的材料、形狀、尺寸等方面，都是機械機構(gòu)設(shè)計需要考慮的問題。創(chuàng)新的設(shè)計不僅能優(yōu)化傳統(tǒng)機械機構(gòu)設(shè)計的弊端，還是促進機械制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

1機械機構(gòu)設(shè)計原則

1.1縮短運動鏈

依據(jù)簡單的“距離”分析可知，運動鏈條越長、需要的運動時間越多，同時也會增加運動量，耗費諸多能量，并在這種延長的運動中增加震動量、積累誤差量、提高設(shè)計材料成本。因而在當前的機械機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計過程中，隨著經(jīng)驗累積，逐漸確定了縮短運動鏈的設(shè)計原則。

1.2選擇原動機

任何運動均需要能源轉(zhuǎn)換來完成。在機械機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計中，將這種以能源產(chǎn)生的原動力稱為原動機。通常的選擇宜建立在機械機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計基礎(chǔ)之上，以動力需求進行選取，有時可以選擇單獨的原動機，也可以選擇匹配系數(shù)更高的多個原動機，共同為產(chǎn)品生產(chǎn)加工提供動力，為其正常化運行狀態(tài)提供持續(xù)支持。

1.3選取運動副原則

所謂運動副原則指的是可動連接，即當兩個構(gòu)件實現(xiàn)直接接觸后的可動連接。采用這個原則作為機械機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計原則，主要是為了對相對運動做出一定的限制。

2機械機構(gòu)設(shè)計

2.1功能設(shè)計要點

機械制造的主要目的就是滿足人們對機械功能的需求并對原材料進行加工形成新成品。在機械制造的初始階段，機械功能的設(shè)計不僅要滿足客戶的實際需求，還要展現(xiàn)出創(chuàng)新性。設(shè)計的產(chǎn)品必須滿足相關(guān)的機械工作原理，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，滿足工藝力學、材料力學和裝配性能等相關(guān)因素的要求。

2.2保障結(jié)構(gòu)的社會效益與系統(tǒng)可行性

目前，對機械機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計采用的是變元法的方式。通過改變和調(diào)整機械機構(gòu)設(shè)計的相關(guān)因素，來獲得新的機械機構(gòu)設(shè)計方法。但在利用變元法的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須基于市場應(yīng)用的實際需求，在性能、經(jīng)濟上進行充分考慮。變元法研究的內(nèi)容包括機械機構(gòu)設(shè)計的數(shù)量、形狀、材料位置及裝配連接變元等，主要通過對這些元素進行變元來設(shè)計出更多的優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計方案。但作為企業(yè)來講，機械生產(chǎn)的目的就是要滿足市場需求，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是要保障企業(yè)的經(jīng)濟效益，提高企業(yè)競爭力。在機械機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的工作中，應(yīng)充分考慮到用戶的實際需求和企業(yè)的實際發(fā)展情況，保障結(jié)構(gòu)設(shè)計的社會效益與系統(tǒng)可行性。

2.3系統(tǒng)模塊的優(yōu)化設(shè)計

系統(tǒng)優(yōu)化指的是，設(shè)計人員先將機械機構(gòu)視作一個整體，將優(yōu)化流程看作是完整的結(jié)構(gòu)。將每一個優(yōu)化元素視作單獨的部件，明確這些單獨部件存在密切聯(lián)系的關(guān)系。這樣的層次化設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計元素既是單獨的個體，又是共同的整體，能夠達成整體優(yōu)化的目的。目前來看，機械機構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)模式一般是按照德國VDI2221設(shè)計方式。當然也有一些機構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)采用的是我國自主研發(fā)的系統(tǒng)設(shè)想。根據(jù)用戶需求進行機械機構(gòu)設(shè)計，質(zhì)量功能分部位首先根據(jù)用戶需求明確機械機構(gòu)基本功能和特征，之后根據(jù)機械機構(gòu)的功能特征確定各個零部件的特征。將零部件特征作為核心，在討論和實驗的過程中明確零件工藝特征。最后按照工藝特征分析，得出系統(tǒng)優(yōu)化作業(yè)特征，決定最后的系統(tǒng)優(yōu)化方法。系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計建立在將產(chǎn)品視作整體系統(tǒng)，通過不同區(qū)域和不同特征的規(guī)劃與明確，實現(xiàn)產(chǎn)品的整體性設(shè)計，最終得出產(chǎn)品成品的設(shè)計結(jié)果。代表性設(shè)計方法包括鍵合圖法、舉證設(shè)計法、構(gòu)思設(shè)計法、圖形建模法、設(shè)計元素法等。每一種方法都需要結(jié)合系統(tǒng)完成優(yōu)化設(shè)計方法與方案的制定。

2.4進化設(shè)計方法及在機械機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計中的應(yīng)用

在機械機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計中應(yīng)用進化設(shè)計方法，主要可以借助進化算法對設(shè)計參數(shù)實施優(yōu)化處理。從結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面分析，可以借助當前的計算機數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件，使組合原理下的機械機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計各個機構(gòu)要素在組合中的數(shù)據(jù)得到統(tǒng)計、分析，優(yōu)化計算后得到更為合理的優(yōu)化參數(shù)，并對設(shè)計方案進行改進、完善。再如，以結(jié)構(gòu)拓樸優(yōu)化為例，就可以在變異原理下的機械機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計中，根據(jù)復(fù)雜的部分構(gòu)成進行要素解析，然后利用有限網(wǎng)格細化方法，對各個部分構(gòu)件進行復(fù)雜性計算，并通過變量變分法實施拓樸結(jié)構(gòu)深化，完成原始結(jié)構(gòu)向成型結(jié)構(gòu)方面的變異處理。

2.5優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計拓撲

傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)機械制造工作中，在進行機械的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，技術(shù)設(shè)計人員普遍會將設(shè)計的精力集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化工作中，但是對于機械零部件上的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計則比較少，相應(yīng)的文獻研究內(nèi)容也比較匱乏。伴隨著國內(nèi)工業(yè)機械制造水平的不斷提升，專業(yè)人員在該方面的設(shè)計重視程度有了很好的提升，相應(yīng)的機械機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計意識也得到了很好的培養(yǎng)。具體而言，在進行拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計工作時，設(shè)計工作的重點通常集中在兩個方面，其一是連續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，其二是離散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。前者的優(yōu)化設(shè)計主要是指對于空洞的數(shù)量、形狀、分布范圍以及部分的結(jié)構(gòu)邊界的有效優(yōu)化。與前者相比，后者的優(yōu)化設(shè)計重點主要集中于不同關(guān)鍵連接點的設(shè)計著手，同時需要提前確定不同設(shè)計位置的關(guān)鍵點。

2.6優(yōu)化機械機構(gòu)設(shè)計尺寸

在工業(yè)與制造業(yè)中，進行各種生產(chǎn)設(shè)備的機械機構(gòu)優(yōu)化工作時，機械機構(gòu)本身的尺寸設(shè)計就成為整體設(shè)計工作中的關(guān)鍵工作內(nèi)容，同時對于設(shè)計尺寸的要求也十分精準。正式開展機械機構(gòu)設(shè)計時，作為研發(fā)人員，需要意識到零件自身尺寸的大小必須與生產(chǎn)需求相適應(yīng)。在經(jīng)由多個不同零部件組建而成的機械設(shè)備中，一旦出現(xiàn)某一個零部件不符合生產(chǎn)需求，就會接連對各類零部件的聯(lián)接效果造成不良影響，加大使用期間各個部件間的磨損程度，更嚴重者會導(dǎo)致整體生產(chǎn)設(shè)備無法投入生產(chǎn)運行，出現(xiàn)報廢問題。換言之，如果一個零部件所關(guān)聯(lián)到的其他構(gòu)件數(shù)量越多，那么對其尺寸的精確度要求就越高。另一方面，在進行機械機構(gòu)設(shè)計的尺寸優(yōu)化作業(yè)時，必須確保機械機構(gòu)產(chǎn)品的形狀與拓撲之間的關(guān)系維持不變。然后在這一基礎(chǔ)上再去應(yīng)用計算機技術(shù)將尺寸面向精確度更高的方面進行優(yōu)化調(diào)整，最終提升機械產(chǎn)品的使用性能。

結(jié)語

機械機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化必然會在發(fā)展的過程中，受到先進技術(shù)影響?，F(xiàn)如今我國也將機械產(chǎn)品的機構(gòu)優(yōu)化，朝向計算機結(jié)合方向前進。如今機械機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計與優(yōu)化方法在國內(nèi)外均已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注，并取得了一些成效。我國設(shè)計學者也意識到了CAD制圖的應(yīng)用價值，廣泛的使用CAD制圖實現(xiàn)機械機構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化。可以說未來的機械行業(yè)發(fā)展，是一定離不開機械機構(gòu)優(yōu)化的。

參考文獻

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（作者單位：弗蘭德傳動系統(tǒng)有限公司）