优化设计在机械设计中的应用实践

赵爽

摘要：为了更好把机械设计应用于实践工作中，优化设计起着重要作用。优化设计把机械设计与数学规划理论和方法相结合，借助电子计算机，在满足多种设计目标和约束条件下，寻求最优设计和最佳设计参数，同时使机械设计的应用效率提高，使实际工作中的难题变得迎刃而解。因此优化设计应用于机械设计中，对机械设计进行动态分析与优化，将极大的提高机械产品质量。

关键词：优化设计;机械设计;应用;实践

1机械设计中的优化设计概述

传统的设计方法只能得到有限的候选方案，并不能得到一切可能方案的“最佳方案”。机械优化设计，相比于传统的机械设计来说，是一种全新的概念，它是为了让机械的设计质量更高，效率更高而产生的。想要让机械设计得到优化，首先要认识到机械设计存在的客观规律，然后将物理模型转化为数学模型，选择设计变量，列出约束条件，然后通过适当的约束方法来求解数学模型，分析优化结果，选出最为适合的方案[1]。

2机械设计原则

2.1 整体性原则

在开展机械设计工作的时候，设计人员应站在整体层面上，依照机械的各项参数和对零部件的实际要求及标准，实现机械设计整体精确度的有效提高，确保每个零件和机构能进行合理配合，并完成最终的设计工作[2]。

2.2综合性原则

机械制造需要人们进行实践和实际操作，机械设计工作则是更注重于理论研究。根据这一点，在开展机械设计工作的过程中，需要将实践和理论进行有效结合，在遵循综合性原则的基础上，合理进行机械设计能提高其自身的科学性和可行性。同时，设计人员要将实际设计经验和机械具体应用情况进行联系，在保证机械符合生产要求的同时，尽可能地提高机械设计的质量[3]。

3優化设计在机械设计中的应用实践

3.1突出环保的设计理念

现阶段，人们对产品的绿色环保指标和要求变得更加严格，在提高产品质量的同时更加关注产品本身的环保性能和水平，因此机械制造企业需要在机械设计工作中加入绿色环保的理念和意识，在机械制造工艺中实现材料利用率的显著提高。在机械制造中，应对产品制造的应用场景和性能水平进行综合分析，结合绿色环保的设计理念，做好原材料的选择和控制工作，避免造成原材料的浪费情况。同时，设计人员还要尽可能减少机械制造中的各种污染物的生成，保证机械制造过程的环保。随着人们在材料领域的深入研究和探索，制造出许多如可降解材料、无污染材料等具有环保效果的生产制造基础材料，在机械设计和制造工艺中充分利用这些材料能增强机械的环保效果，促进企业实现可持续发展的目标[4]。

3.2采用遗传算法有效提升机械优化设计的质量

机械设计方案具有一个短板，那就是每个机械设计，都必须有不同的优化设计方案，即使有些优化设计方案有一定的相似性，这些方案也不可能完全兼容所有的设计方案，因此，每个优化设计方案，必须根据机械设计的实际情况进行优化。我国机械设计经常采用遗传算法来对机械设计方案进行优化，遗传算法是一种概率算法，是模仿生物进化过程的一种算法，这种算法是随机的，该算法不需要很多的信息作为支持，它可以直接设计出比较完美的设计方案，而且可以保障机械设计的最大收益，这种算法设计出的机械设计方案，比较的全面，而且保证了方案的优势。但是，这种算法也不是万能的，具有一定的缺陷，因为下一代的设计方案，不一定比上一代的设计方案好，有可能还不如上一代机械设计方案，因此，设计师必须对每一代的设计方案进行筛选，以确定最优的机械设计方案，即使遗传算法不是完美的，这种算法对于机械设计的优化还是要比传统的机械设计优化要好，因此在我国机械设计的优化中得到了广泛应用。但是，随着科学技术的发展，机械工程也日趋复杂，必须采用全新的机械设计理念，对机械进行优化设计，因此，针对遗传算法，也必须有一定的优化，才能让遗传算法更加适应新时代的机械设计优化[2]。

3.3优化机械设计加工工序

机械加工环节是所有产品制造环节中最关键的步骤，理应引起企业的重视。对此，作为企业管理部门，应该及时更新工序的操作系统，确保加工产品的步骤置身于透明化的管理中，同时高性能的加工工序不仅能够较少产品资金流向，还能够最大限度地为企业营销打开市场。因此，还需要管理者建立监督管理制度，严格按照规则说明的加工标准，进行加工，确保产品的质量，提高加工效率。在加工工具的选择上，能选择最合适的，就不选择较合适的，较少返工次数，较少因为客观因素造成的产品损失。

3.4完善机械行业规范

现阶段，机械制造加工行业规范是由国家强制规定的，其整体的可操作性不高，所以人们首先应在现有规范基础上对其展开进一步的完善和细化，进而实现所有机械制造加工作业都有规范要求，从而产生约束的作用。与此同时，为了尽可能降低应操作失误而造成产品质量出现问题的概率，应建立健全质量安全监督管理机制，安排专门的监督人员对机械生产作业实施监督和管理，在发生质量安全问题的时候及时解决。其次是要对操作人员进行强化管理工作，帮助其树立正确的安全质量观念和意识，确保机械生产作业能按照规范要求进行，并提高生产质量和效率。最后要做好产品的质量审核工作，根据质量标准和要求对产品展开详细的检查，避免不合格的产品被销售和使用出去。

3.5采用先进的软件技术协助优化设计

因为机械设计的优化就是建模的过程，因此，现在世界上针对机械优化设计，一般都会采用 MATLAB。MATLAB 主要用于算法开发，数据分析及数值运算的高级计算语言和交互式环境。它最主要的功能就是建模并自带多种内置函数，供使用者在优化设计的过程中直接利用，高效的数值运算和符号计算功能，使用户从复杂的数据运算和分析中解脱出来。并且通过这些函数，使用者可以得到最优的数字解答，然后经过一些筛选，获得最优的设计方案。该软件还有一种强大的功能，就是具有完备的图像处理功能，实现计算结果和编程的可视化，即以数学曲线和图表的形式展现在使用者面前[4]。在具体设计时，应该充分使用该软件的功能，以设计出最优的设计方案。除此之外，MATLAB 还具有功能丰富的应用工具箱，例如信号处理工具箱，优化设计工具箱等，为使用者提供了实用处理工具。在进行优化设计中，只需建立优化设计的数学模型，选择优化设计方法，并应用 MATLAB 进行编制优化设计程序，就能够得出优化结果，最终经过分析与筛选，得到最优的设计方案。

结束语

优化设计不同于静态分析近似计算的传统设计，它可以让机械设计的功能更强大，而且也会让机械设计的准确度和效率变得更高，在劳动量减少的同时，周期变短，废品率降低。在具体的设计时，应该针对设计的具体要求，建立正确的数学模型、选择合适的算法和合适的计算机软件，以设计出最优的设计方案。

参考文献：

[1]  徐立华，吴铮.可视化方法在机械优化设计中的应用[J].南方农机，2019，50（23）：46.

[2]  曹伟.机械制造工艺优化背景下机械设计策略选择[J].科学技术创新，2019（27）：179-180.

[3]  张荣宝.机械结构优化设计应用与趋势研究[J].设备管理与维修，2019（18）：86-87.

[4]  尹尚.试论机械工程产品可靠性优化设计要点[J].科技经济导刊，2019，27（22）：46.

[5]  邢宝庆.机械产品设计的结构优化技术运用实践[J].中国设备工程，2019（12）：79-80.

（作者单位：博思特能源装备（天津）股份有限公司）