机械产品设计的结构优化技术运用

邓鹏远 袁智威 程龙

摘要：在现今机械产业及现代科技快速发展的推动下，使得机械产品设计所采用的技术也在不断的优化及完善，尤其是在现今信息化、自动化等技术高速发展的背景下，使工业行业对对其产品的功能及质量提出了更多的要求。为此在进行机械产品设计的过程中则需要采取适当的技术来对其结构进行优化，以此来达到提升机械产品设计整体水平的目的。同时在进行机械产品设计的过程中还需按照其规定的流程要求来进行操作，以此来确保结构优化技术运用的科学性及合理性。

关键词：机械产品；設计；结构优化；技术

在我国工业产业发展的过程中其机械产品传统的设计技术已经无法满足现今社会对机械产品提出的高质量、高标准的要求，而要想有效的使机械产品的质量可以达到理想的规格标准要求，则需要通过结构优化的方式来提升机械产品的实际设计水平。本文详细的分析了现今在机械产品设计中其结构优化的主要流程及要点，并指出了在其设计中不同类型的结构优化技术，以此来为提升机械产品设计质量提供可行性建议。

一、结构优化的流程

第一，首先设定好目标函数。作为结构优化的基础，目标函数能够精准确定机械产品的相关标准，并采用此函数做具体设计的要求设置，同时在确定目标函数时，还应当相应缩小应力以及变形程度的设计。第二，设计函数变量。在设定完目标函数后，需要进行函数变量的设计，主要包括过程中的参数，零部件的长度、宽度、角度，这些是影响机械产品质量和水平的重要原因，如果不能科学合理地确定这些参数的设置，就会在生产时出现不合格品，造成原料的大量浪费，直接增加了经济成本，降低经济收益率。第三，确定约束条件。设计完函数变量后，还有一个重要的工作步骤，就是确定约束条件，这些约束条件就是对函数变量施加束缚和一定的约束，包括极值、临界范围等。第四，确定和评估设计方法。确定设计方法是对机械产品进行设计和优化的最后一步，也是最为重要的一步，由于目前的设计方法种类繁多且各具优势，就需要在众多的方法中选出最适合的一种方法，并根据实际操作情况安排确定性价比最高的方法。在确定好方法后，实质上也就确定了机械产品的一套设计方案，但并不能根据这个方法就进行生产，实际投入使用前，还须经过专业技术人员的评估，从技术角度确定方案的可行性，只有这样才能够做到万无一失，降低错误发生的几率。

二、结构优化的类型

1、尺寸优化

尺寸优化是机械产品设计中主要运用的结构优化技术之一，在尺寸优化技术应用中需要保证机械产品其拓朴关系不发生改变，通过对设计变量进行改变及重组的方式来提升机械产品整体的组合性能，以此来达到对机械产品结构进行有效优化的目的，使设计效果得到进一步提升。

2、形状优化

在机械产品设计结构优化中其形状优化与尺寸优化的理念相似，在实际中都需要保证产品的拓扑关系不发生改变，在进行设计优化的过程中通过求解的方式来对机械产品其结构的边界进行重新计算，并对产品的边界组合进行优化改进，通过组合成新的形状来使机械产品的性能状态得到提升，使其处于良好的状态效果。

3、拓扑优化

根据机械产品结构优化技术的应用情况来看，拓扑优化技术的应用可以有效的对机械产品性能、质量等进行提升，在拓扑优化技术的应用中其可以通过计算来分析出机械产品应力，集中区域的特点，保证在实际中可以更加准确的获取机械产品具体参数，并在进行优化设计的过程中可以将机械产品其多余区域的材料进行剔除，这样可以在设计的过程中更好的对机械产品其空间内的材料分布形式进行设定，并选择最佳的材料种类，从而帮助设计工作过程做出结构和性能最佳的零部件、框架结构以及内部加强筋的分布形式，拓扑优化不仅保证了产品的外观形貌，并且也获得了最合理的理论概念模型，可以有效优化绩效产品的结构设计。

三、机械产品设计优化的方法策略

1、提高设计人员的素质水平

第一，数学建模能力。这是最基本的工作内容。设计工作人员在进行方案设计时，不仅要规范，还要保证方案能够被他人理解，只有具备一定数学建模能力的人员才能够使用规范标准的数学语言将问题和设计方案表达出来，并在此基础上确定模型，保证模型的实用性。第二，解答问题的能力。仅仅会建模还不够，还应当能够求解所建立模型的变量以及参数，这样才能够高效得出结果。比如对于随机变量模型，一定要能够快速求解随机变量模型，才能够计算出随机变量的目标函数以及变量的数值。第三，对问题的处理能力。这是因为在确定完设计方案后，一个极其重要的步骤就是评价方案，一旦方案投入生产，就需有更多的人共同配合完成，而参与的人越多，就越容易造成大家对问题本身都一知半解，出现问题后也难以找到明确的责任人。这个时候，如果有一个能够全程负责的人去追踪过程，会在很大程度上降低问题的发生概率。

2、综合运用所有学科的知识

设计的过程需要综合运用所有学科的知识点，因为机械产品的结构设计不仅需要机械的专业知识，还附带数学算法、数据分析、计算机等多个其他学科的知识，只有将这些所学的知识综合运用，才能设计出合理、方便的机械产品。在进行学科知识总结运用过程中，首先要放眼全局，从整体角度出发，综合考虑。然后再将设计的产品系统逐步分解，按照知识板块分解成若干个单元，按照相对应的知识体系进行相应目标函数的确定，再按照理论知识的原理进行函数变量和优化方法的设定。分别设计好后，按照它们之间的联系，一个一个地将它们连接起来，这样就组成了一个完整的设计方案，最后可以根据整体设计的需求进行轻微地调试变动。

3、创新思维，杜绝重复

在设计过程中必须要做到自主创新，坚决避免重复，从现实角度出发，一定要有创新才能有广阔的市场空间，重复的、没有创意的东西很难赢得市场的青睐，也就是说，一个公司要想成长和进步，就必须推旧出新，避免墨守成规，最终导致被市场大环境所淘汰。因此，作为一个出色的企业，就要不断创新，不断保持市场活力，但在创新过程中要防止抄袭、重复等，作为设计研发人员，要不断转变思路，积极对产品进行改造，在推出新产品的同时，也要对原有产品进行改造，最终目的都是为了适应市场需求，使企业具有一定的竞争力。

参考文献：

[1]徐宝强，赵伟涛.机械结构优化设计应用与趋势研究[J].工程技术：文摘版，2016（11）：00122-00122；

[2]尹学伟.机械结构虚拟优化设计技术的发展及应用[J].工程技术：全文版，2016（11）：00243-00243.