机械优化设计综述与展望

李朋阳 张旷齐 王子乐

摘 要：机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法，能从众多的设计方案中找出最佳方案，从而大大提高设计的效率和质量。现代工程装备的复杂性使得机械优化设计变得越来越困难，利用新的科学理论探索新的优化设计方法是该研究领域的一个重要方面。综述了优化设计这一现代设计方法在我国机械工业中的研究和应用进展。本文从机械结构优化设计的发展出发，简述了机械结构优化设计的发展历史，以及应用和主要关键技术，同时对机械结构优化设计的发展进行了展望。

机械设计是机械工程的重要组成部分，是决定机械性能最主要的因素。从工程设计基础和目标上可将设计分为：新型设计（开发性设计）、继承设计、变型设计（基于标准型的修改）。所谓新型设计，即应用成熟的科学技术或经过实验证明可行的新技术，设计未曾有过的新型机械，主要包括功能设计和结构设计，是机械设计发展的方向所在，然而贯穿其中的关键环节即是设计的方法和实现的手段。这也大大推动了现代工程领域的技术进步和创新。优化设计就是其中发展最快的设计方法之一。最优化技术进人了蓬勃发展的时期，主要是近代科学技术和生产的迅速发展，提出了许多用经典最优化技术无法解决的最优化问题。为了取得重大的解决与军事效果，又必将解决这些问题，这种客观需要极大地推动了最优化的研究与应用。

1 机械优化设计的内涵

机械优化设计是一门综合性的学科，既涉及到数学、物理学知识，又涉及到应用化学、应用力学和材料学知识，具有理论价值和应用价值，是非常有发展潜力的学科。是一种现代、科学的设计方法，集思考、绘图、计算、实验于一体，其结果不仅“可行”，而且“最优”。该“最优”是相对的，随着科技的发展以及设计条件的改变，最优标准也将发生变化。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化，要求人们根据事物的客观规律，在一定的物质基础和技术条件下充分发挥人的主观能动性，得出最优的设计方案。

传统设计总追求最优结果，通常在调查分析基础上，根据设计要求和实践经验，参考类似工程设计，通过估算、经验类比、试验，以及构思、评价、再构思、再评价的寻优过程来确定设计方案，再进行强度、刚度、稳定性等方面的计算。现代设计中，不但要求提高机械产品的性能和质量，而且要求缩短设计周期和降低原材料消耗和制造成本，还要求尽量少或无环境污染，提高可回收利用，具有绿色设计的理念。近年来，随着数学规划理论的不断发展和工作站计算能力的不断挖掘，机械优化设计方法和手段都有非常大的突破。且优化设计思路不断的开阔，仿生学理论、基因遗传学理论和人工智能优化等现代设计理论的引入，都大大促进优化设计方法的更新和完善。

2 机械优化设计应用

现代设计都是面向市场、实现功能及产品优势的设计。创新设计、绿色设计、优化设计、可靠性设计等现代设计方法备受国内外机械设计领域的关注。而机械的优化设计与机构设计、机械传动设计和机械强度评价共同组成了机械设计的内涵。机械优化设计是建立在近代应用数学、物理学、应用化学、应用力学和材料学和计算机程序设计之上的，是解决复杂设计问题的一种有效工具。机械优化设计是把机械设计与优化理论及方法密切结合起来去处理机械设计问题，工程实用价值大。但应该看到，现代的设计不仅仅是单一的完成给定产品的设计，而应该要将产品使用及设备维修等因素统一进行考虑。所以，机械优化设计在强调环保设计和可靠性设计等考虑综合性因素的机械优化设计应用工作更为活跃，机械优化设计的应用领域更加广泛。

目前，机械结构优化设计已经广泛应用在航空航天、造船、工程机械、通用机械与机床、化工机械、汽车工业、建筑机械等行业，取得了大量的研究成果。同时机械优化设计正以微电子、信息、新材料为代表的新一代工程科学与技术的发展为基础。所以，机械优化设计一方面极大地拓展了制造领域的深度和广度，另一方面改变了现代制造过程的设计方法、产品结构。

3 机械优化设计展望

经过数十年的发展和应用，机械结构优化设计已经成为一种比较成熟、可靠、高效的现代设计方法之一，应用范围和领域日益广阔。它对提高设计质量，缩短研发周期起到非常关键的作用，有着广阔的应用前景，必将成为产品设计的必要步骤和标准环节。但我们仍需关注的是，在优化技术水平得到了提高的同时，国内机械加工或工艺水平、加工手段和制造技术也应配套提升才行，否则整体机械水平将仍然停滞不前。这不仅要加工技术的引进，更重要的是加工设备的性能提升，尤其是数控机床的加工水平。加强与国际技术发达国家的合作和交流，软硬件技术共同提升，以期达到机械设计——加工一体化的目标。

参考文献

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[4]钱令希.工程结构优化设计.北京：水利电力出版社，1983.

[5]李晶，鹿晓阳，陈世英.结构优化设计理论与方法研究进展[J].工程建设，2007.

作者简介

李朋阳（1995-），郑州大学 机械工程学院机械工程专业。