机械结构拓扑优化设计研究现状及其发展趋势陈应航

机械结构拓扑优化设计研究现状及其发展趋势陈应航

陈应航

（蚌埠学院，233000）

摘要：社会在不断发展，当前的高新技术事业更是在不断升华，市场产品的竞争愈来愈激烈，工业品的生产速度益发加快，工业品的复杂性日渐加强。因此，工业品的出产方式也一直在改进和变化，比如过去的单种类批量生产方法正在被小批量和多种类出产方法所取代。这种生产方式让工业品的生产周期大大缩减，大批量生产也使得其成本相应降低，其市场份额和竞争力也相应地得到了提高。各生产车间为了顺应市场的需要纷纷进行机器结构的优化。文中回顾了机械结构设计的发展历程，对一些优化设计的算法作出小结，并且提出了结构拓扑优化的发展方向。

关键词：机械结构；拓扑优化；设计方法；发展趋势；现状

引言：

我国正在发生翻天覆地的变化，各行各业也在一直茁壮成长，而本国的机械事业也在长远发展和不断进化，在机器工业品的运用范围相对较为广泛。目前，我国已经开展了机械结构优化设计研究并且取得了一定的成效，主要集中在造船业、焊机航空航天行业和汽车工业等方面。机器结构的改进设计可以有效地提升工业品的各项指标机能，增强自身的市场争夺能力，方便预先抢夺市场，并且在市场发展成长中起着重要作用。

一、机械结构优化设计

（一）内涵

随着科技的发展，机器工业品更换的进度变得更加迅速。以往的机械生产主要依靠数量优势取胜，产品的种类相对来说比较单一，现在主要使用多种类小批量的加工方法，使得产品更加丰富。为了保证出产企业的利润，有必要在保证质量的前提下减短工业品的产出日期，减少工业品的产出成本[1]。优化改进的设计方案可以达到上述目标的要求，在一定程度上减短了工业品的产出日期，减少了工业品的产出本钱，有效地占领市场。在机器结构里采用优化设计的方法已经广泛运用在道路建设、船舶制造、建筑设计、冶炼、布帛纺织等方面。

（二）在机器结构里采用优化设计的过程

在与时俱进的变化中，需要一直改进机器工业品，才能确保机械产品的技术规格满足不断升华的要求。对于机械产品，可变的设计包括产品的长宽、厚薄和弧度大小等参数[2]。设置机器工业品设计约束，并且计算过程里面每个不定因素的浮动范畴是有限的，通过上面的叙述，就可以根据机器结构优化要求选择最优策划。

二、在机器结构里采用优化设计的常用方法

每种事物的学习和应用都有许多不同的方式方法，在机器结构里经常采用的优化设计的方式包括变密度、均匀化和结构进化等方式。

（一）可变密度法

可变密度法是引进密集程度为0比1的假设质料，并使用质料的密集程度作为优化变化因素，以落实构成的拓扑改变。物理参数，如原料的可变性模的量和原料密度之间的联系也是人为假设的。这不仅将构成的拓扑改进升华难题转换为质料的最佳难题，而且使得进化结果尽可能地具有0或1的密集程度散布。与大小的变化因素相比拟，改变密度结构的方法可以体现机器结构优化设计的根本特性，而可变密度法的重点在于解决如何在机器结构里采用优化设计这个难题。可变密度构成拓扑优化的常用插入值数的模子是实心的，各方向性状相同。由于改变密集程度的方式能够更好地体现拓扑升华的本源特性，而且内涵简练，变化因素数量小，精简了算数得解的方法，因此，变密度法已成为最常用的机器结构优化设计的方法。

（二）均匀化方法

均匀化方法是隶属于质料描写模式的，其常用理论是在机器结构的优化设计中引入微结构的模子，以微结构的晶胞大小数据作为变化因素，根据晶胞大小的改变来落实微结构的添加和删除。通过改进升华固体和孔的散布，变化成有孔的板，最终在机器结构优化设计的方式中得以贯彻。优化过程包括：划分设计区域、明确设计变量、实现优化设计。

不同微观构成的部署呈现了持续结构的模样和拓扑形态，而微结构构成的划分通常有三种，孔、固体和开口。实体是指具有孔径为0的各向同性材料的微结构；开孔则是指拥有孔径为0-1且可变的正面相交而各个方向不同质料的微构成。而设计区域分为空隙、实体和孔洞的微结构。微构成中孔的大小和方位角都是变化因素，其中孔的大小是微构成材料的主要方向[3]。它能够经由材料的有效弹性模量的坐标改换矩阵，通过微观构成部分的密度与有效弹性模量的联系来表示，将设计变量连接到构成部分的形状。在机器结构里采用优化设计的过程中，微观构成里面孔的大小和0到1的改变区间可以改变孔和实体之间的微构成，这使得在机器结构优化设计里用连续变化的因素描述问题成为可能。

（三）进化结构优化方法

Xie和Steven提出了机械设计内部结构优化的方法，他们指出，具有低应力或低应变能量密度的材料因其使用效率太低，因此可以被其他材料所取代或直接清除。也能够经由改变函数的弹性模量，或直接删除低应力或低应变密度的材料空间来实现材料的优化。通过逐步移除没有效用或效率低下的质料，残剩的构成将慢慢变得更佳[4]。它是一种能够同时删减和添加材料的方式，即在高级应用力区域附近添加材料的同时剔除低效材料。为了提升计算的速度和效率，初始设计的面积还可以压缩到更小。

三、机械构成优化的应用趋势

随着机器构成优化方式的不停升华和完善，在机器结构里采用优化设计也逐步成长进步。近年来，由于在机器结构里采用的优化设计中存在大量不定的变化因素，因此其优化设计往往引用贴近现实情况的构成模子来虚拟一些巨型构成体系，完善的标准化方式也因此引起了人们的广泛关注。但如何针对某些特定构成对应的计算方程式来攻克某些难题还亟待解决。所以，可以使用一些机械系统分解和优化方法，把科目分解和优化方式应用于复杂的多科目系统，而分解算法的关键是如何建立子问题间的联系[5]。例如，线性分解和参数最优解的灵敏度用于建立耦合关系，因此一些子问题的解是兼容的，这可以保障新产品在迭代之后，之前的产品仍然能够顺利运行，但是如何保障这一目标的实现，是目前需要解决的关键。所以电子计算机的发展就更是顺应了潮流，并将计算技术运用在机器构成最佳化方式方面。计算机技术能够对连续混合和离散变量进行全方位的优化，因此对各类材料构成部分再分析专家体系的开发具有非常关键的作用。当前的难题是怎样提升该方式的精确性、质量、收敛性和兼容性。

拓扑最佳化是机器结构里采用优化设计的依据和参考，可以在理论创建方面合理灵活地选择复杂的组件和结构，可以解决一些大规模的实际结构优化设计。拓扑优化的均匀化方法可以联合形状、布局和材料，为机械设计提供科学的方式。但是，如果我们处理一些大型优化模型，并且有限元是计算密集型的，就需要约束压力。“多孔”材料呈圆形结构分散，单元消失就会致使模型出现病态。

四、结束语

机器结构里的不断优化有助于提高机器工业品的各项机能，为机器工业的发展提供方向和机会。实施优化设计可以缩短机器工业品的生产周期，提升机器制造的竞争力，促进机器工业品的优化和发展。

参考文献

[1]赵云亮,乔红娇,陆永能.折臂式随车起重机动臂轻量化设计[J].起重运输机械,2016(12):27-30.

[2]赵锐,贺秋冬.工程机械装配工艺的现状及其发展[J].内蒙古科技与经济,2015(13):39-40.

[3]曹德乐.基于拓扑优化的发罩内板筋条结构正向设计[J].装备制造技术,2015(5):111-114.

[4]张钟文.试析机械结构优化设计的应用及趋势[J].装备制造技术,2016(7):270-271.

[5]杜佩明,张荣珅,刘总帅,等.面向工程设计需求的拓扑优化技术发展现状与展望[J].科技风,2017(8):130-131.

作者简介：陈应航（1990.8—），女，安徽蚌埠人，硕士，职称：助教，蚌埠学院，研究方向：数字化设计与仿真以及汽车降噪设计。