机械结构优化设计应用与趋势研究

机械结构优化设计应用与趋势研究

梁树成

江苏金晓电子信息股份有限公司 , 江苏 南京 210000

摘要：本文对机械结构优化设计应用与趋势进行研究，首先对优化设计现状进行分析，再对其应用方式进行探讨。随后介绍了机械结构优化的常用方法，并对其未来发展进行探究。由此，机械结构优化设计工作得以顺利进行。这不仅有助于提高企业的经济效益，还能为机械行业的总体发展提供保障。

关键词：机械结构；优化设计；应用

随着科学技术的发展，机械行业产品更新换代愈发频繁，其内部结构的复杂程度也逐渐提升。在这种市场环境下，机械企业若想切实提高自身的发展水平，在市场竞争过程中保持自身优势，就必须采取适宜的措施降低生产成本，缩短产品的生产周期。为此，企业需加强对优化设计的应用，并对其未来发展趋势进行研究，以提高机械结构的设计质量，为企业发展奠定基础。

1 机械结构优化设计现状

现阶段，传统的小规模生产方式已无法满足当前时代背景下对机械行业的发展需要。且随着产品更新换代的频率不断提高，企业若想切实提高当前产品的生产效率，扩大市场份额，保持自身的竞争优势，就需要及时调整产品的设计方案，在保证现有产品质量的基础上，提高企业的生产性能，使产品能够给消费者提供更加全面的服务，进而提高自身的市场竞争力^[1]。

我国对机械结构优化设计的研究起源于上世纪60年代。当时，优化设计对人们来说稍显陌生。随着机械行业的不断前进与发展，企业技术人员通过制定更加科学合理的设计方案，使产品的生产质量与效率得到了全面提升。为企业甚至是整个行业的发展提供了宝贵的经验^[2]。现如今，我国对机械结构优化设计理念的应用已扩大至建筑、冶金、航空航天等多个领域，为我国经济增长作出了重要的贡献，还为该专业的未来发展提供了一定的借鉴经验。

从实际的发展情况来看，产品结构优化设计是在市场竞争愈发激烈的背景下，为企业生产提供新思路的生产模式。在实际的生产过程中，为使自身的生产水平得到全面提升，企业技术人员结合当下的实际需要，对机械结构优化设计进行了相应的调整，使其满足企业的发展特点^[3]。在最初的发展中，技术人员主要通过最优理论与工程设计学等多方面专业领域的知识，从数学的角度出发，选择最适宜的生产方案，从而达到提高机械产品的性能的目标，降低企业的生产成本。在具体的应用过程中，机械结构优化设计的内容如下：首先，选择科学合理的目标函数。在设计过程中，技术人员的首要任务在于选择合理的目标函数，为设计工作的开展提供数据支持，技术指标也能满足相关要求。其次，对变量进行调整。在设计时，技术人员需对产品的结构、长度、弧度等变量进行适当的调整，并对其变动范围进行规范。最后，当设计结束后，需对设计方案进行审核，改正其中存在的不足，从而确定最终的生产方案，为后续生产活动的稳定进行提供保障。

2 机械结构优化设计的类型

2.1 结构拓扑优化

一般情况下，在对机械结构进行优化的过程中，技术人员的关注重点主要在于对产品的结构参数进行优化，缺乏对零件拓扑结构的重视。且随着市场环境的不断变化，人们对机械产品的功能需求也在不断提升，这使得企业必须将加强对结构拓扑的重视，充分发挥机械结构优化设计的效用^[4]。为此，技术人员需加强对拓扑优化的重视，加强对该优化方法的应用。

2.2 结构形状优化

对机械结构设计进行优化的目的在于提高产品的使用性能，提升其生产效率。通常情况下，在对设计方案进行优化的过程中，技术人员会以对零件结构进行优化作为主要的优化方案。但这也会带来更多的设计问题^[5]。如结构形状复杂、结构分析困难等，这使得设计人员需加强对结构形状的优化设计，使结构设计整体得到有效推进。在上世纪末，我国机械领域在国际发展的需求下，开始对结构形状的优化设计进行研究，主要对轴对称、机器人结构等形状进行优化设计。在这种情况下，通过对零件性能的分析研究，技术人员能够对结构形状进行合理优化，使其功能得到充分发挥。

2.3 结构动态优化设计

从实际应用情况来看，产品的性能动态能够对其强度及使用寿命产生一定的影响。这使得在具体的优化设计中，技术人员需注重结构动态性能的优化，以实现对机械结构的合理设计^[6]。同时，对大型的机械结构来说，动态分析的应用价值较大，需要技术人员全面搜集机械产品的相关信息，并对企业的生产需求加以足够的了解，以确保设计方案的合理性。

2.4 多结构优化设计

在开展机械结构优化设计的过程中，技术人员除了要确定优化设计的目标，还需要从结构整体的角度完成设计方案的制定，从而推动结构优化设计的稳定进行。同时，其还需要对设计方案的合理性进行审核，并做好对相关理论的研究。其中， MDO理论作为新兴的结构优化理论，其被广泛地应用于机械结构优化、卫星总体设计等领域中，为优化设计方案的制定提供了充足的理论基础。这不仅有助于产品质量及生产效率的提升，还对机械结构优化设计效果的提升起到十分重要的作用。

3 机械结构优化设计方法

现阶段，我国对结构优化设计的应用已从基础的机械、航空航天等领域拓展至船舶、汽车、水利等更加广泛的工程领域中，为我国工业生产中存在的结构质量问题提出了相应的解决方案与措施，使机械产品的结构性能、安全寿命等得到显著提升。在实际的优化设计过程中，对结构尺寸优化设计的应用研究主要有利用遗传算法对空间25杆桁架的杆截面进行优化，进一步提高空间杆桁架结构的稳定性，其效用地发挥也得以显著提升。而有的研究人员利用数值解法对火箭发动机的壳体风头形状进行优化，并利用数学规划方法进行设计。还有的研究人员利用信息技术系统辅助结构优化设计工作的开展，对平面模板的开孔形状进行优化，使原有的结构设计得到更新升级，相应的设计效率也得以提升。在国外，有研究人员对航天器中的丁字形托架进行形状优化，并利用遗传算法对其进行优化设计，以取得比其他算法求解更加优越的解。同时，为使结构优化的使用效果得到提升，技术人员除了要构建可靠的优化模型外，还需要选择收敛速度快、计算简便的优化算法。现阶段，该专业领域中常用的算法类型主要如下：首先，准则法。准则法指通过力学概念或工程经验等构建最优设计准则，以辅助后续计算活动的顺利进行。该方法的应用优势在于物理意义明确，计算简便，优化过程中重分析次数较少。在结构设计领域发展早期，这一方法的应用十分普遍，主要被用于减小应力集中的形状优化设计中。而根据目前结构拓扑优化的方式，其力学模型往往具有庞大的设计变量及数目，这使得其在当前的行业应用中也有着较为广泛的应用率。其二，遗传算法。遗传算法发展于达尔文的进化论中，其在应用时放弃了传统优化算法的单个计算点的优化追踪过程中，而是同时对多个计算点进行操作，即将所有操作对象看作一个生物群体，这使得计算人员能够取得对象系统或全局的最优解。从应用现状来看，我国研究人员通过利用遗传算法使雷达天线罩的结构层厚度得到优化，并对水下机器人模糊控制器进行优化设计，通过对模糊规则及隶属函数等进行实数编码的方式，再对复制、交叉、变异等遗传操作在模糊控制器优化设计中的应用，得出经过优化的控制其具有响应快、超调小的特点。此外，在当前实际生产过程中，已出现大量的实例证实，遗传算法在机械结构优化设计中的应用具有十分重要，对我国机械行业的发展也有着重要的促进作用。

4 机械结构优化设计趋势探究

通过开展合理的机械结构优化设计，企业的生产效率得到有效提高，生产工期也得到缩短，有助于自身市场占有率的提高。现如今，科学技术的发展使得愈来愈多的分析方法被用于结构优化设计中。以有限元分析为例，其应用原理为技术人员对物体及系统进行静态分析，再将其分解为存在内在联系的几何模型，以辅助技术人员完成机械结构优化设计任务。同时，随着市场竞争的愈发激烈，各项产品的更新换代也逐渐加快。在这种情况下，企业需加强对机械结构优化设计的重视，并从以下角度对该技术的未来发展进行探讨，从而为提高该技术的应用效果提供保障。首先，技术人员需对结构设计可能存在的问题进行全面分析，并制定相应的解决方案，并对结构的随机变量进行优化设计。只有这样，机械产品的性能才能得到有效提升。其中，随机变量设计优化主要通过确定变量、建立随机的目标函数，结合模型设计等方式，保证解答结果的合理性，为后续工作活动的发展提供保障。另外，在具体的优化设计过程中，技术人员还需要对模糊变量进行设计，使优化设计的全面性得到充分发挥。而对于系统设计中的目标函数与约束函数而言，对求解过程的优化会产生较多问题，解答难度也相对较高。因此，在实际的优化设计过程中，技术人员需要对结构表面的非光滑现象进行优化设计，从而使设计系统的决策能力得到全面提升。在这种情况下，优化设计系统工作效率得到提升，各项设计任务也能得到圆满完成。此外，技术人员还可以通过多专业结构优化设计，对数据管理进行深入分析，从而增进机械结构在各项目之间的联系。只有这样，结构优化设计的效用才得以充分发挥。由此，机械产品的生产质量得到提升，这不仅可以满足消费者的购物需求，还能使企业的发展愈发稳定，有助于提高我国钢铁行业的发展效果。

结束语

现如今，对机械结构进行优化设计已成为多数机械企业的主要发展方向。通过这种方式，产品的生产效率得到显著提升，不仅有助于提高企业的经济效益，还能为其在市场竞争中保持优势提供助力。由此，本文对机械结构优化设计应用与趋势进行研究，通过对设计现状进行分析，提出了结构拓扑优化、结构形状优化等应用方式，并对其未来发展趋势进行探究，以提高机械结构优化设计水平。

参考文献

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[2]曹劲草.数控机床机械结构设计和制造技术优化[J].内燃机与配件,2020(19):70-71.

[3]王君尧,戴跃洪,李照阳,唐鹏.登月助力航天服机械结构优化设计及有限元分析[J].载人航天,2020,26(03):345-352.

[4]何海申.机械结构优化设计的应用及趋势探究[J].科技风,2020(03):162.

[5]刘坤,卢昱,孙震源,吉硕,刘勇,樊学胜.仿生步态训练机应用设计及结构优化[J].吉林大学学报(工学版),2020,50(06):2313-2320.

[6]刘坤,吉硕,孙震源,徐洪伟,刘勇.仿生运动康复机器人结构设计与优化[J].吉林大学学报(工学版),2020,50(03):1144-1152.