机械结构优化设计的应用与发展趋势

机械结构优化设计的应用与发展趋势

邓志洪

广东美芝精密制造有限公司   528305

摘要：机械结构的最优设计在机械工业的发展中起着重要的作用，它的应用领域非常广泛，对很多工业的发展都有很大的影响。随着科学技术的飞速发展，有关部门必须将电脑技术与之相结合，以提高机器制造的品质与效率，并对其应用与发展趋势进行深入的探讨。

关键词：机械结构；优化设计；发展趋势

前言： 机械产品的使用领域比较广泛，为了保证我国的日常生活和企业的实际使用，必须进行最优的设计。目前，国内已开展了机械结构的优化设计，并在船舶、焊接、航天、汽车业等领域取得了一些成绩。优化的机械结构可以有效地改善产品的性能，增强企业的市场竞争能力，从而对企业的市场发展产生重大影响。

一、机械结构优化设计的应用与发展的现状

随着经济和科学技术的迅速发展，各类产品的更新和生产规模也随之增大，传统的小型生产方式难以适应现代社会的发展。为进一步提高生产规模，扩大市场占有率，赢得国际市场的竞争，有关部门要不断地进行产品结构的优化设计，保证产品的生产性能，从而延长产品的生产周期，提高产品的利用率，从而增强企业的市场竞争力。

在“优化设计”这个概念还比较超前的时候，国内的机械结构优化设计才刚刚起步。在持续发展的同时，通过科学、合理的设计方案，提高了产品的效率和品质，对未来的发展具有一定的借鉴意义。目前，国内的结构优化设计已逐渐在建筑、冶金、航天等行业得到了广泛的应用，对中国的经济发展起到了积极的推动作用，同时也为今后的机械结构优化设计提供了有益的参考。

在激烈的市场竞争中，产品结构优化是一种新型的生产方式。为进一步提高市场占有率、缩短生产周期、降低生产成本，有关部门对产品的机械结构进行了优化设计。在初期，以最优数学与工程设计学相结合的方法，将学科有机地融合在一起。在此基础上，从数理上选出最佳方案，可以有效地提高机械产品的性能，减少设备制造成本，缩短生产周期。在实际运用中，主要包含以下三个方面：一是确定科学合理的目标函数，在设计时要确定某种功能，以保证工作的顺利进行；2、调整变量：在进行产品设计时，结构、长度、厚度、弧度等变量应按实际需求调整；3、评估方案，在完成了相关的设计工作后，再对方案进行评估，以决定最后的产品方案。

二、机械产品优化设计应用分析

（一）尺寸优化设计

在机械产品的最优设计中，需要精确的尺寸参数。所以，进行最优设计时，必须保证每个部件的尺寸都符合实际的要求，如果是多个部件组合而成，任何一个部件的尺寸有任何偏差，都会严重地影响到零件的质量，严重的话，会导致零件的损坏。因此，随着机械产品的数量和结构的复杂性，对各个部件的精度要求也越来越高。进行机械产品尺寸优化的先决条件是不改变产品的结构和结构，利用计算机技术可以有效地调节特定的尺寸变化，从而保证产品的性能。

（二）形状优化

为了使机械产品的综合性能得到提高，还可以从机械产品的外形出发进行优化。由于大部分大型机械装置的结构比较复杂，且零件的形状千差万别，难以进行准确的分析，这给工程的优化工作造成了很大的难度。在结构优化领域，我们已经有了一些成果，比如田方针对轴对称零件的优化，王世军的结构优化。

（三）拓扑优化

过去，在机械结构的优化设计中，主要是考虑结构参数的优化，并没有考虑到机械部件的拓扑结构。随着机械结构设计意识的不断增强，优化中心逐渐转向拓扑优化。拓扑设计的优化主要表现为离散结构和连续结构，离散结构的优化主要是从多个关键节点的连接方式出发，而优化的前提是保证这些节点的位置。结构的连续优化是对孔洞形状、数量、分布、局部结构边界进行优化的。

（四）动态性能优化

机械产品的动力学特性是指在外部环境的影响下，机械结构的外形发生了改变，其中包含了有关的运动参数。对机械产品进行动态特性的优化设计，可以很好地反映出产品的工作强度和使用寿命。所以，对其进行动力特性的优化设计，既可以减少机器的工作负荷，又可以在相同的工作强度下延长机器的使用寿命。

（五）多学科结构优化设计

在机械结构的优化设计中，需要从多个科学的角度出发，而不能从单一的科学观点得到最好的优化结果。在目前的机械结构优化设计研究中，多学科优化设计（MDO）在机械产品的设计中得到了广泛的应用，并收到了良好的效果。在这一理论中，明确地指出，将其优点相结合，可以有效地实现产品性能的优化，提高生产的效率，从而使结构优化设计工作朝着系统化、理论化、科学化的方向发展。

三、我国机械结构优化设计应用和发展趋势

科技是国民经济发展的根本保证，而机械生产作为一种重要生产力，在这一进程中发挥着其特有的优越性，对促进我国机械工业的发展、稳定地提高经济发展质量起到了很大的作用。它还可以提供就业机会，提高国民收入，提高人民的生活品质。近几年来，国内有关部门一直在进行着大量的研究和优化，主要是利用有限元方法，利用计算机技术，通过改进和改进机械产品，使相关产品的性能大大提高。将其投放市场，可以有效地提高企业的市场竞争力；在世界范围内，我国机械设备的市场占有率也比较高。

在发展的进程中，结构模式的复杂性、结构体系的规模也越来越大。在机械结构的优化设计中，设计参数的大幅提高，这在一定程度上影响了计算和推导的难度。在某些比较复杂的产品设计中，往往没有相关的计算公式。因此，在进行大型复杂结构系统的优化和升级时，可以将其分为多个子系统。若所涉及的学科范围比较广，则可根据各专业的特点，结合各专业的优势，使之更好地进行机械结构的优化设计。随着计算机技术的飞速发展，把它与各行业的发展计划和目标有机地结合起来，可以提高产品的性能，提高生产效率。从其应用原则上讲，它是将遗传算法与模拟神经网络相结合的优点充分地融合在一起。这样的科学设计方法可以从某种意义上提高机械结构的优化设计的科学性，为以后的生产工作提供了有力的支持。

在未来很长一段时期内，对拓扑进行最优设计的研究将会更加深入。该模型可以为机械结构的优化设计提供大量的科学依据，从而使产品的设计方案更加科学。若在生产实践中有必要对其进行适当的调整，或根据产品的要求，根据设计的要点，灵活地选取适当的结构模式。根据不同的产品尺寸和形状的不同，采用拓扑优化方法可以很好地满足产品的设计需求。目前的研究仍面临着应力约束的问题，如“多孔状”材料、计算模型的病态等。如何将拓扑结构的优点有效地结合起来，实现机械结构的优化与升级，已成为工程技术人员所关心和研究的课题。目前，国内已确定了拓扑结构的研究方向，并在国家有关部门的指导下，对广义角度、全性能、模糊优化等多个方向进行了深入的研究。到目前为止，国内对机械结构的优化设计研究已进入深水区。

结束语：加强机械结构的优化设计，可以提高各类机械的性能，使其在实际生产和使用中的经济效益。将科技的优势有机的结合起来，将会推动整个机械制造业的发展，从而推动整个国家的经济发展。今后，有关部门还要继续加强研发，以进一步优化和提升机械产品的结构。机械结构优化设计的实施，有助于提高机械产品的性能和品质，为我国机械工业的发展指明了方向和机会。通过实施最优设计，可以减少机械产品的生产周期，增强企业的竞争能力，促进机床产品的最优发展。

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