机械结构优化设计的应用及趋势探究

赵长健

秦皇岛和信基业建筑科技有限公司 河北秦皇岛 06 6 000

在激烈的市场竞争下，企业想寻求发展必须增强自身产品的市场竞争力，否则就会在与同行的竞争中倒下。企业需要不断优化与完善自身的产品，机械结构创新设计则是企业增强产品竞争力的重要方面之一。只有不断的创新自己的产品，才能让企业在市场竞争中持续的发展。

1 机械结构优化设计应用现状研究

随着社会发展需求变化以及科学技术发展，市场对产品的需求种类和质量要求有很大提升，各个企业都在加强自主创新，产品更新换代速度较快，多品种化的生产模式成为了市场主流。企业为了能提升市场占有率，不仅需考虑产品制作成本，还需考虑生产周期，因此，需从机械结构设计方面着手，提升生产效率。科学优化机械结构设计，通过改变结构形式增强机械功能，可以帮助企业快速的攻占市场，缩短生产周期，提升产品质量，满足市场的需求。机械功能优化设计从上世纪就已经被提出，其属于一种新型的学科，是将优化理论与结构设计相结合，结合生产实际在多个方案中选择最为科学合理的设计方案，保障机械结构质量有所提升。在我国建筑行业、交通、冶金以及航空等领域中优化设计被广泛应用，其社会经济效益显而易见[1]。因此，机械结构优化设计的应用具有广阔的前景，需要专业人员加强技术研究和掌握。

2 变元法创新设计在机械结构设计中的应用

2.1 尺寸变元

尺寸是机械结构组成的基本因素之一。设计师在设计结构的时候，通过尺寸调整，可以改变原材料尺寸，节约采购成本；通过尺寸调整，可以改变加工设备规格，降低加工成本；通过尺寸调整，可以降低仓储空间、周转空间、运输空间，进而减少费用。对于公差尺寸的调整，往往降低公差尺寸会改变加工方式、加工设备，减少加工工时，节约成本。提高尺寸公差，会增加零件配合性能，调高设备的稳定性，提高产品的使用寿命。在结构的创新设计过程中，我们往往采取双向创新。通过降低部分尺寸公差已减少原材料采购、加工、装配、包装运输等方面的成本。与此同时提高关键尺寸的公差等级达到更好的机械性能[2]。

2.2 材料元素创新设计

机械的设计材料将会直接影响机械结构质量，因此，合理选择机械结构的材料，可以保障机械正常发挥自身的效用。不同的设计材料具有本质上的区别，在创新设计的过程当中会产生不同效用。在优化设计不同的机械结构时，需要严格根据材料的实际情况进行，确保机械构件的设计质量。比如，当机械创新结构设计中应用钢材为主体材料时，需要在构件设计中发挥出钢材的优势，进一步提高钢结构的强度与硬度。扩大钢结构的横截面面积，可以增强钢结构的使用质量。如果在机械结构创新设计中应用铸铁材料，需要提升其使用性能，由于铸铁材料的强度和硬度相对较差，在传统设计理念中无法保障机械构件的使用寿命。对于此种情况，可以在铸铁中加入强筋或隔板，来增强机械结构使用性能。

2.3 数量变元

在产品零件的选用过程中，成本设计也是每个机械设计师要考虑的重要因素之一。低成本部件的数量的增加可以增强机械强度，通过低成本零部件数量的增加提高产品的性能，可以降低其他配套高成本零部件的数量。在装配设计过程中，螺栓的选用是设计工作的一个重要部分，可以通过优化螺栓的种类的数量，达到装配的创新。为了装配的便捷性，提高装配工人的装配效率，机械设计师往往会通过减少螺栓种类数量的方法，减少安装工具种类数量，减少螺栓统一安装螺栓预紧力数值。与此同时，品类的数量变元，还会在原材料的采购、物料的仓储运输、产品的维护等方面起到至关重要的作用。

3 机械结构优化设计趋势探究

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[3]。在机械结构设计中常出现非光滑现象，此种现象需进行优化设计，对于一些目标函数以及约束函数来讲，在优化求解过程中会产生很多问题，解答过程也相对较难，通过非光滑问题的优化设计可以有效解决此类问题，其包含了非光滑以及特殊优化两个技术层面。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。

4 结语

机械产品从需求、使用到维护的各环节中，机械结构设计起到了非常关键的作用。现阶段，部分产品的设计存在或多或少的不足。这就要求机械设计师要不断提高自身的专业技能，拓宽设计思路，学习先进结构设计方法，不断优化结构设计，提高机械结构的总体质量。使企业产品做强，推动机械制造业进一步发展，提高机械行业水平，实现强国梦想。