董 雪，王 剛

（渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

機械結構優(yōu)化設計是為了更好地提升產(chǎn)品性能，有效提升生產(chǎn)效率，結合計算機技術的優(yōu)勢，對產(chǎn)品的尺寸、形狀等進行優(yōu)化設計。在當今的時代背景下，這是機械行業(yè)獲得長遠發(fā)展的必然要求，也是技術不斷發(fā)展的背景下，對機械行業(yè)提出的新要求。

1 現(xiàn)狀分析

在經(jīng)濟科技不斷快速發(fā)展的背景之下，各種產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度大大加快，機械生產(chǎn)的規(guī)模相應擴大，傳統(tǒng)的小規(guī)模的生產(chǎn)方式已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化社會的發(fā)展需求。為了更好地提升機械產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量，擴大市場的份額，在激烈的國際市場競爭中取得一定的優(yōu)勢，相關人員不斷調(diào)整產(chǎn)品結構的優(yōu)化設計，保障機械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能提升，延長了產(chǎn)業(yè)鏈，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和使用效率，使得相關的機械產(chǎn)品更具市場競爭力。

我國的機械結構優(yōu)化設計開始于1960 年代，當時“優(yōu)化設計”還是相對前衛(wèi)的理念。在進行不斷發(fā)展的過程中，通過科學合理的優(yōu)化設計方案，有效提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，為今后的發(fā)展提供啟示。當前階段，我國的機械結構優(yōu)化設計已經(jīng)被逐步地應用到了建筑、冶金、航空航天等多個產(chǎn)業(yè)中，有效促進了中國經(jīng)濟的增長，并為我國未來機械結構的優(yōu)化設計提供了一定的借鑒經(jīng)驗。

產(chǎn)品結構優(yōu)化設計是在市場競爭不斷加大的背景下，出現(xiàn)的一種新式的生產(chǎn)模式。為了更好地擴大市場份額，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，有效降低生產(chǎn)成本，相關人員對產(chǎn)品的機械結構優(yōu)化設計進行了相應調(diào)整。在最初的發(fā)展過程中，主要運用數(shù)學中的最優(yōu)理論和工程設計學，進行了學科的結合。從數(shù)學的角度出發(fā)，選則眾多方案中最好的，有效達到提升機械產(chǎn)品性能的目的，降低機械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本并縮短周期。在具體的應用過程中，主要包括了3 方面的內(nèi)容：①確定科學合理的目標函數(shù)，即在設計的過程中，需要確定一定的函數(shù)為工作的設計開展提供保障，達到相應的技術指標；②調(diào)整變量，即在進行產(chǎn)品設計的過程中，根據(jù)實際的需求調(diào)整結構、長度、厚度、弧度等變量，在前期的設計過程中，也需要明確規(guī)定出變量的浮動范圍；③評價方案，完成了相關的設計工作之后，需要對設計方案進行評價，確定出最終的生產(chǎn)方案。

2 機械結構優(yōu)化設計的具體類型

2.1 尺寸優(yōu)化

科學技術的迅速發(fā)展，提升了各個機械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能，對機械生產(chǎn)的質(zhì)量也提出了更高要求。在今后的機械機構設計過程中，必須要充分考慮產(chǎn)品設計的尺寸對其所產(chǎn)生的影響。在傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品設計的過程中，主要通過零部件組合的方式完成產(chǎn)品設計。如果其中的某個部件不符合生產(chǎn)規(guī)格，或者其尺寸不能夠有效地達到相關要求的狀況，將會影響整個產(chǎn)品的性能。機械產(chǎn)品在長期運行過程中會加劇磨損，在現(xiàn)階段的機械生產(chǎn)中，許多機械產(chǎn)品的尺寸精準度較高，為了更好地保障尺寸能夠達到相關要求，需要充分結合計算機技術的優(yōu)勢，明確產(chǎn)品的零部件尺寸，將相關的數(shù)據(jù)記錄在檔案中，為后期工作的順利開展奠定良好的基礎。

2.2 形狀優(yōu)化

在進行機械結構優(yōu)化的過程中，需要充分考慮到形狀方面產(chǎn)生的影響。當前市場中的很多機械設備的功能強大，內(nèi)部結構較為復雜，在眾多的零件中，其形狀和性能存在著較大差異，無法對其進行有效管理和準確分析，對開展優(yōu)化工作產(chǎn)生了一系列的影響。自1960 年代以來，國內(nèi)外的從業(yè)者便對此給予了足夠重視，不斷進行研究，出現(xiàn)了眾多的科技成果，我國的研究工作也取得了較為突出的優(yōu)勢。

2.3 多學科結構優(yōu)化

多學科結構的優(yōu)化是近年來的重點研究方向，得益于信息化快速發(fā)展的背景，多種學科之間的交流和互動明顯增強。如果仍以某種單一的學科進行產(chǎn)品設計，很容易會導致產(chǎn)品結構的優(yōu)化設計難以滿足既定目標。在今后的機械機構優(yōu)化設計的工作中，需要充分考慮多學科結構的影響，將數(shù)學、物理學等相關學科的特點及優(yōu)勢進行有效結合，更好地提升機械結構優(yōu)化的設計效果，進一步推動機械制造行業(yè)的快速發(fā)展。

2.4 機械結構的拓撲優(yōu)化

傳統(tǒng)的機械結構優(yōu)化設計工作中，工作重點在于結構參數(shù)的優(yōu)化，在拓撲優(yōu)化方面的研究相對較少。在社會觀念不斷深化改革的背景下，相關人員加大了對拓撲結構的研究，取得了一定成效。在現(xiàn)階段的工作中，拓撲結構的優(yōu)化主要集中在連續(xù)結構和離散結構兩個方面：①連續(xù)的拓撲結構主要指根據(jù)孔洞的個數(shù)、形狀和分布特點等對邊界優(yōu)化和升級；②離散結構的優(yōu)化主要是根據(jù)不同連接方式的特點，從其關鍵點的角度出發(fā)所進行的各種優(yōu)化和升級。在進行上述操作時，需要根據(jù)不同關鍵點的位置進行確定，從而更好地提升機械產(chǎn)品的性能。

2.5 機械結構的動態(tài)性能優(yōu)化

動態(tài)性能主要指機械結構在運行的過程中，很可能會受到外界的作用力，使得外形和運動的參數(shù)發(fā)生相應改變。加強對機械產(chǎn)品動態(tài)性能的研究，能夠根據(jù)其特點來研究產(chǎn)品的工作強度，判斷工作壽命的長短，能夠有效降低機械產(chǎn)品的工作負擔。在此條件下，通過對工作強度的控制，有效提升機械產(chǎn)品的使用壽命。

2.6 結合MDO 理論的優(yōu)勢

在當前的機械結構優(yōu)化設計的工作中，MDO（Multidisciplinary Design Optimization，多學科優(yōu)化設計）理論已經(jīng)被廣泛使用到了機械產(chǎn)品的設計工作中，取得了相應的成效。在該理論中，明確強調(diào)了結合其優(yōu)勢，能夠有效達到優(yōu)化產(chǎn)品性能、提高生產(chǎn)的效率的積極作用，并且在一定的程度上推動結構優(yōu)化的設計工作面向系統(tǒng)化、理論化、科學化的方向發(fā)展。

3 我國機械結構優(yōu)化設計應用和發(fā)展趨勢

經(jīng)濟的發(fā)展離不開科學技術的支持，機械生產(chǎn)作為一項重要的生產(chǎn)力，在此過程中發(fā)揮了獨特的優(yōu)勢，對于機械制造行業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量的穩(wěn)定提升發(fā)揮了重要作用。其還能夠提供豐富的工作崗位，有效增加國民收入，提升人民的生活質(zhì)量。近年來，我國的相關工作人員對其進行了不斷的研究和優(yōu)化設計，主要采用有限元分析法，結合計算機技術的優(yōu)勢，加強對機械產(chǎn)品的優(yōu)化和升級，相關產(chǎn)品的性能得到了大幅度的提升。這些產(chǎn)品投入到市場中，能夠有效增強其市場競爭力；在國際市場中，我國的機械產(chǎn)品也占據(jù)了相對較大的市場份額。

結構模型的復雜化和結構系統(tǒng)的大型化，也是發(fā)展過程中較為明顯的特征。在進行機械結構優(yōu)化設計的過程中，設計變量得到了大幅度的提升，在一定程度上影響了結構的分析難度和數(shù)值計算、推導的難度。在進行一些較為復雜的產(chǎn)品設計時，可能并沒有相應的公式作為設計依據(jù)。為此，在進行大型的、相對復雜的結構系統(tǒng)優(yōu)化升級的過程中，便可以將其分解為若干子系統(tǒng)。如果其中涉及到的學科內(nèi)容較多，也可以根據(jù)不同學科的特點，結合多種學科的優(yōu)勢，促進機械結構優(yōu)化設計工作的有效開展。在計算機技術不斷發(fā)展的背景下，將其和各個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃和相關的目標進行有效結合，能夠有效提升產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)的效率。從其應用原理來看，主要是充分地結合了遺傳算法和模仿神經(jīng)網(wǎng)絡的人工算法的優(yōu)勢。這種科學化的設計方式，能夠在一定程度上有效提升機械結構優(yōu)化設計的科學性，更好地推動后期生產(chǎn)工作的順利開展。

在今后較長一段時間內(nèi)，拓撲結構的優(yōu)化設計仍然是較為重要的內(nèi)容。這種設計模式能夠為機械結構的優(yōu)化設計方案提供海量的科學數(shù)據(jù)，更好地提升產(chǎn)品設計方案的科學性。如果在實際的過程中，需要對產(chǎn)品的性能進行相應調(diào)整，也可以結合設計方案中的重點內(nèi)容，結合產(chǎn)品需求，靈活選擇合適的結構模型。針對不同機械產(chǎn)品的尺寸、形狀等方面的差異，拓撲結構的優(yōu)化方式也能夠有效滿足其設計要求?，F(xiàn)階段的工作中還面臨著應力約束方面的處理，一些“多孔狀”的材料、計算模型的病態(tài)等也出現(xiàn)了相關問題。如何有效結合拓撲結構的優(yōu)勢，對機械結構進行優(yōu)化升級，成為相關工作人員的重點關注和研究內(nèi)容。我國已經(jīng)將拓撲結構的研究確定為今后研究的重點內(nèi)容，相關的工作人員也在國家部門的要求之下，進行了不斷的研究，如廣義角度、全性能、模糊優(yōu)化等方面的設計。至此，我國的機械優(yōu)化設計的研究已經(jīng)進行了深水區(qū)。

4 結束語

加強對機械機構優(yōu)化設計的研究，能夠有效提升各種機械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能，更好地發(fā)揮其在生產(chǎn)和應用過程中的經(jīng)濟作用。有效結合各種科學技術的優(yōu)勢，還能夠進一步促進機械制造行業(yè)的快速發(fā)展，通過產(chǎn)業(yè)聯(lián)合帶動的方式，促進國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，幫助我國在激烈的國際市場競爭中取得優(yōu)勢。在未來的工作中，相關的工作人員還需要不斷加大研究力度，進一步推動機械產(chǎn)品的結構優(yōu)化升級。