机械结构优化设计的应用及趋势探究

2019-11-28范会祥

商品与质量 2019年47期

范会祥

青岛石化检修安装工程有限责任公司山东青岛 266000

现阶段，科学技术不断发展，创新设计已经深入到社会中的各个领域，在机械结构设计中也摒弃了传统的设计方式。在机械结构设计的发展进程中，经历了从简到繁、从粗糙到精密的改革，当陈旧的构件在新环境中实验失败时，激励了人们对机械结构创新设计的欲望[1]。

1 机械结构设计的基本要求

1.1 功能性

主体功能需求是机械产品设计的首要要求，产品实现其机械功能的根本条件就是通过结构的拼接与零件的联结，实现产品原型整体实现机械工作原理，践行安全可靠的机械工艺标准。在初步的产品结构设计中，应当将机械产品的功能需求作为设计实施的基本框架，在此基础上对产品的材料、选配与组装进行进一步的设计。

1.2 质效性

产品质量与效能价格比是机械产品结构设计中要着重考虑的影响因素，也是现代工程设计对于机械结构运行所提出的基本要求。产品结构的设计成本、美观因素、安全环保等综合效能考量，为机械产品的质量与效能提升提供了可行性方案[2-3]。

1.3 创新性

在当前的现代工业生产条件下，机械产品结构的一成不变会成为行业发展的严重阻碍。新型技术条件的支撑与创新设计理念的推行，为机械产品结构的创新提供了重要契机。在机械结构设计中，如何通过工艺与材料的综合应用实现结构优化，体现创新性设计思维，是现代机械设计的要点。

2 机械结构优化设计

2.1 结构形状优化

优化机械结构设计的目的是提升机械性能，提升产品生产效率。在优化设计应用过程中，需对零件结构进行科学优化，但与此同时，会衍生而来很多相关的设计问题，例如：结构形状较为复杂、结构种类较多、对结构分析较为困难等。由此可见，优化结构十分必要。在上世纪末，我国机械领域紧随国际步伐，对结构形状的优化设计进行研究。主要是对轴对称零件形状优化设计、机械人结构形状优化设计等，通过对零件性能的分析研究，可以合理优化结构形状。

2.2 材料变元

在机械结构设计过程中，不同的材料的性能各不相同。往往要考虑材料的硬度、表面处理方式、加工性能、价格、原材料、耐磨性、熔点、耐腐蚀性及其他众多物理、化学性能。往往会针对不同的客户需求，因交期、价格、性能等因素，需要对机械结构改进、创新，而材料变元法往往是优化的主要方法之一。随着我国工业的发展，常见金属和非金属材料的普及化，更多的应用场合可以有多种材料相互替代。通过对各种金属材料和非金属材料的特性对比与分析，选取合适的材料达到创新的结构设计[4]。

2.3 位置元素的设计应用

在机械构件的组成当中，往往具有多种多样的元器件，并且各个元器件之间有不同的联系与作用，所处的位置与功能也各有差异。位置变元在变元法中的应用也十分普遍，简单来说，在机械构造中对原件进行空间位置上的移动与调试，来找到构件设计的最佳位置。例如，在元器件焊接的过程中，可将焊接位置设置在机械的对称轴处，有效防止机械构件产生变形，影响整体部件的协调性美观性，同时实现了将有限资源合理利用的目标。此外，在变元设计的过程中，还需应用科学的加工工艺。例如，在模具的设计当中，采用特殊工艺来提升斜顶的设计质量，使材料的刚度更强。

2.4 数量元素的设计应用

机械创新设计中的数量变元，需要结合相关行业的具体使用需求来适当改变机械结构内部的数量。基于变元法的设计理念，机械构件原理包括工作面与加工面，在结构原理中包含了个体元素与整体元素。调整相关元素，将会产生新的产品。例如，在直线设计中，注重产品的实用性与简单性。在进行螺丝设计时，需要考虑稳定性，通过增加弹簧垫的方法可以起到缓冲作用。通过对数量元素的整合，可以有效增加机械安装的便捷性。在不影响机械构件使用性能的基础上，降低零件的使用量，积极开发一体化螺丝的应用，可以减少工作内容，提升工作效率。

3 机械结构优化设计趋势

首先，在对机械结构优化设计过程中需对多个问题进行深入思考和分析，如：可以或者不可以用数学方式表示的问题、处于经验和知识描述之间的问题等，针对模型设计对问题进行求解，对机械随机变量进行优化设计，分析机械实际的情况，研究其随机因素，优化设计这些变量，从而提升机械性能。随机变量设计优化主要是通过确定变量，建立随机的目标函数，结合模型设计，求出最合理的解。对模糊变量进行合理分析和优化设计，加强系统优化全面性。通过优化设计系统设计决策能力以及处理能力都会有所提升，从而快速完成图形输出以及方案设计等任务；其次，通过多学科结构优化设计，探索集成寻优以及数据管理分析等，形成祸合子系统，从而使机械结构系统能够互相左右[5]。