简析机械结构设计中的创新设计

李璐

天津市德安石油工程有限公司 天津 300457

1 机械结构设计特点及设计要素

1.1 机械结构设计特点

机械结构设计具有以下特点：①一体化设计。机械结构设计思考、绘图、计算等工作是统一的、紧密相连的。这就意味着机械结构设计的工作量比较大，出现的问题比较多，设计人员若想保证机械结构设计的质量，就要深入探讨整个机械结构设计过程，尽可能地保证每一个设计环节都能准确、完善。②涉及的问题比较多，且具有复杂、多解的特征。比如，对于同一个设计，可以制定多个设计方案。作为设计人员，应充分发挥自身的主导作用，从中选择最佳的设计方案，保证机械结构设计的质量。③活跃性最强。在机械设计中，需要对方案不断地修改、优化、完善，以满足设计要求。这一过程是非常繁琐、复杂的。

1.2 设计要素

首先，在机械结构设计中要考虑几何要素。相对来说，机械结构设计是一项非常精密的工作，各部分之间的咬合、位置、距离都需要经过精心设计。在这一过程中，必须要考虑几何要素、科学设计机械零部件的面，并充分考量各零部件的接触设计。其次，在机械结构设计中要充分考虑联结要素。设计人员不仅要对单个零件的设计进行分析，更要充分考虑不同零件之间的联接问题，尤其要科学地设计不同零部件之间的功能面联接方法。另外，在机械结构设计中，不同零部件之间的联接包括直接联接、间接联接两种。在直接联接的设计中要充分考虑其功能面之间的缝隙问题，确保功能面之间的摩擦力最小，在间接联接中则要充分考虑联动轴设计[1]。最后，材料要素。材料选择对机械结构设计的影响非常大，尤其是在一些易磨损的部位，必须要选择耐磨损、质量好的零件，保证机械设备的运行效率。

2 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[2]。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。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。

3 机械结构设计中的创新设计

3.1 变元法创新设计

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。在产品结构的创新优化过程中，往往通过改变一个特征或者零件的位置，能达到很好的优化设计。通过零部件或特征的位置变元，使产品结构变化，可以得到更好的结构空间。位置变元也可以改变受力产品的受力情况，使得产品达到更优化的方案。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。

3.2 系统结构动态优化设计

机械产品的性能动态会对结构设计强度以及机械寿命产生一定影响，因此，需优化结构的动态性能，从而实现机械结构的合理优化设计。结合对机械结构动态性能过程的分析和研究，对于大型机械结构来讲，动态结构分析作用较大，需全面搜集机械相关信息，了解生产需求，从而使设计更加科学合理。

机械结构优化设计不仅需要对优化预期结果进行评判，还需要明确优化设计的目标，从整体上构思机械结构，促进结构优化设计的系统化发展。MDO 理论为一种新型结构优化理论，其被广泛应用于机械结构优化、卫星总体设计、机器人优化设计等领域中，为优化设计提供了理论保障和基础，使产品质量大大提升，生产效率也有所提升，在机械结构优化中发挥重要作用[3]。

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。