机械结构优化设计应用与趋势分析

易小刚 吕文中

摘 要：机械结构的优化设计指的是基于计算机技术等科技水平高的支持、以强化机械产品的工作效率与性能、增加产品使用寿命为目的、从形状、动态性能、尺寸以及拓扑结构这四方面入手优化机械产品的过程。随着信息时代以及机械行业的发展，机械结构的优化设计是大势所趋。但是必须确保的是，在优化设计机械结构之前，一定要确保机械产品迎合工作需求，采取科学、合理的计算方式实施优化。本文首先简要的阐述了当前机械结构优化的具体发展情况，并介绍了几类机械结构的优化设计类别，由此得出机械结构后续优化设计的发展态势。

关键词：优化设计;应用;机械结构;发展趋势

0 前言

目前，机械产品得到了大范围的运用，对我国各个行业的发展形成了巨大的影响。为有效确保机械产品的作用能够在人类生活、工作中得以正常发挥，有必要对机械结构实施优化设计。截至目前，在机械结构的优化设计方面我国进行了大量研究，且小有成就，其中，在焊工航天、汽车工业以及船舶行业等领域的表现最为突出。机械结构的优化设计的影响显著，既体现在机械产品性能的改善上，又体现在机械制造业的竞争力的强化上，同时也有助于机械制造业的后续发展。

1 机械结构优化的发展概况

随着科技的高速发展，机械产品更新换代的速度在不断加快。在过去，机械产品的制造基本上采取批量生产的手段，产品类型相对单一化。现如今，其主要采取多品类、小批量生产的形式。为了使企业在市场上占据的份额扩大，提升企业竞争力，机械产品的生产应尽可能的减少生产成本与生产周期，而机械结构的优化设计恰巧能达到这个目的。依靠优化设计的方式，既能有效减少生产成本与生产时间，又能大幅提升生产效率，同时企业也可加快步伐占据市场，使自身更好的应对日趋激烈化的竞争环境。

随着工程设计学和数学中的最优理论的不断延伸，上世纪六十年代初机械结构的优化设计诞生。机械结构的优化设计的原理是采取数学手段在诸多设计方案内选择最佳的，一次有效减少相关生产成本、提升性能、减少生产时间。截至目前，在船舶制造、冶金、交通工具、纺织以及航空航天等诸多领域，机械结构的优化设计得到了较好的运用[1]。

2 机械结构优化的设计类型

2.1 机械结构的尺寸优化

在设计机械结构时，对尺寸提出了较高的要求，务必要确保零件的尺寸合乎相关规定。针对多种零件构成的机械构件而言，倘若其中有一个零件的尺寸不达标，势必会对零件的连接效果产生影响，使机械受损问题更加突出，更有甚者会致使机械设备丧失使用价值。某一构件的关联零件的数量愈多，机械结构的繁杂程度愈高，尺寸的精细度的要求就会愈高。在优化机械结构的尺寸之前，务必要确保机械产品的拓扑关系与形状不发生改变，采取计算机技术的方式对详细的尺寸加以调节，从而改善机械产品的性能。

2.2 机械结构的形状优化

要想有效提升机械设备的性能，可考虑把机械结构的形状作为切入点。然而，大量大型的机械设备结构及其构件的形状均比较繁杂，很难加以深入的分析研究，致使优化设计工作开展得极為不顺畅。自上世纪六十年代开始，此问题的研究日趋增多，在此大背景下出现了许多研究成果。在优化结构上方面，王世军、田方等人也展开了相关研究，并得出了一系列成果。

2.3 机械结构的拓扑优化

在过去，机械结构的优化设计将大部分精力置于结构参数的优化上，很少有人研究机械零件的拓扑结构。由于人类设计机械结构的意识的逐步增强，人类开始将注视目光置于拓扑结构的优化设计上。拓扑结构的优化应从离散结构与连续结构两处入手。在优化设计连续拓扑结构时，应致力于优化孔洞形状、数量、分布及其一些结构的边界。而在优化设计离散结构时，应着眼于所有关键点的连接方式，以此为切入点[2]。

2.4 机械结构的动态性能优化

机械产品的动态性能指的是在外界的作用下机械结构展现出的外型方面的变化规律及其有关运动参数。机械产品的动态性能基本上是通过机械产品的工作寿命及其工作强度反映出来的，因此，通过优化机械结构的动态性能，既能有效减小机械的工作压力，又能在工作强度不变的前提下有效增加机械产品的使用时间。

3 机械结构优化的发展趋势

机械结构的优化设计是行业与时代发展的必然结果，最近几年以来，机械结构的优化设计朝着结构系统的大型化、结构模型的繁杂化的方向发展。随着设计变量的逐步增多，数值的计算难度、结构的分析推导难度也在不断提高，部分特殊的结构优化缺乏与之对应的公式。选取大型的结构系统实施优化设计，能有效的分解部分繁杂的结构，使之变成子结构。同时，也可结合不同的学科优化多学科的设计。

目前，拓扑结构的优化设计依旧是进行结构优化设计研究的一大核心内容。通过优化拓扑结构，可为设计结构方案创造凭证，也可结合产品的实际需求选出对其适用的设计方案，通常宜用于大型机械的结构设计上，但必须建立大规模的结构模型，实施繁冗的结算。同时，优化拓扑结构能起到优化机械结构形状与尺寸的作用，改进机械产品的性能。如今，在这方面还存在一些问题，最突出的有：“多孔状”材料的布局、应力约束的处置、计算模型的病态等[3]。在后续的拓扑结构优化工作过程中，处理上述问题将是一大重点。

我国对机械结构的优化设计进行的研究范围较广，牵扯面大，涉及的范围包括全性能的优化设计、光机电的一体化、模糊优化设计、人机一体化、广义角度的优化设计、可靠性的优化等。从这可看出，当前在机械优化设计方面我国的研究走入了国际领先的领域。未来，我国研究的目标将覆盖了构建结构优化的模型、大规模问题的求解、多学科优化、结果分析和灵敏度分析等。

4 结束语

机械结构的优化设计能有效改善机械产品的性能与质量，为机械行业的发展创造契机。依靠优化设计，能大幅度缩短机械产品的生产周期、提升制造机械产品的相关企业的竞争力。为此，我国机械行业务必要找准结构优化分析的发展方向，有效增强优化设计的技术水准，使机械制造业的发展更上一层楼。

参考文献：

[1]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（07）：270-271.

[2]房灿.机械结构优化设计应用与趋势研究[J].科技创新与应用，

2016（18）：137.

[3]刘世庚，张德珍，徐淑琼.机械结构优化设计研究应用及前景展望[J].科技视界，2014（16）：107.