机械结构优化设计的应用与趋势

董 雪，王 刚

（渤海装备辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦 124010）

0 引言

机械结构优化设计是为了更好地提升产品性能，有效提升生产效率，结合计算机技术的优势，对产品的尺寸、形状等进行优化设计。在当今的时代背景下，这是机械行业获得长远发展的必然要求，也是技术不断发展的背景下，对机械行业提出的新要求。

1 现状分析

在经济科技不断快速发展的背景之下，各种产品的更新换代速度大大加快，机械生产的规模相应扩大，传统的小规模的生产方式已经很难满足现代化社会的发展需求。为了更好地提升机械产品的生产数量，扩大市场的份额，在激烈的国际市场竞争中取得一定的优势，相关人员不断调整产品结构的优化设计，保障机械产品的生产性能提升，延长了产业链，提高了产品的生产效率和使用效率，使得相关的机械产品更具市场竞争力。

我国的机械结构优化设计开始于1960 年代，当时“优化设计”还是相对前卫的理念。在进行不断发展的过程中，通过科学合理的优化设计方案，有效提升了产品的生产效率和质量，为今后的发展提供启示。当前阶段，我国的机械结构优化设计已经被逐步地应用到了建筑、冶金、航空航天等多个产业中，有效促进了中国经济的增长，并为我国未来机械结构的优化设计提供了一定的借鉴经验。

产品结构优化设计是在市场竞争不断加大的背景下，出现的一种新式的生产模式。为了更好地扩大市场份额，缩短产品的生产周期，有效降低生产成本，相关人员对产品的机械结构优化设计进行了相应调整。在最初的发展过程中，主要运用数学中的最优理论和工程设计学，进行了学科的结合。从数学的角度出发，选则众多方案中最好的，有效达到提升机械产品性能的目的，降低机械产品的生产成本并缩短周期。在具体的应用过程中，主要包括了3 方面的内容：①确定科学合理的目标函数，即在设计的过程中，需要确定一定的函数为工作的设计开展提供保障，达到相应的技术指标；②调整变量，即在进行产品设计的过程中，根据实际的需求调整结构、长度、厚度、弧度等变量，在前期的设计过程中，也需要明确规定出变量的浮动范围；③评价方案，完成了相关的设计工作之后，需要对设计方案进行评价，确定出最终的生产方案。

2 机械结构优化设计的具体类型

2.1 尺寸优化

科学技术的迅速发展，提升了各个机械产品的生产性能，对机械生产的质量也提出了更高要求。在今后的机械机构设计过程中，必须要充分考虑产品设计的尺寸对其所产生的影响。在传统的机械产品设计的过程中，主要通过零部件组合的方式完成产品设计。如果其中的某个部件不符合生产规格，或者其尺寸不能够有效地达到相关要求的状况，将会影响整个产品的性能。机械产品在长期运行过程中会加剧磨损，在现阶段的机械生产中，许多机械产品的尺寸精准度较高，为了更好地保障尺寸能够达到相关要求，需要充分结合计算机技术的优势，明确产品的零部件尺寸，将相关的数据记录在档案中，为后期工作的顺利开展奠定良好的基础。

2.2 形状优化

在进行机械结构优化的过程中，需要充分考虑到形状方面产生的影响。当前市场中的很多机械设备的功能强大，内部结构较为复杂，在众多的零件中，其形状和性能存在着较大差异，无法对其进行有效管理和准确分析，对开展优化工作产生了一系列的影响。自1960 年代以来，国内外的从业者便对此给予了足够重视，不断进行研究，出现了众多的科技成果，我国的研究工作也取得了较为突出的优势。

2.3 多学科结构优化

多学科结构的优化是近年来的重点研究方向，得益于信息化快速发展的背景，多种学科之间的交流和互动明显增强。如果仍以某种单一的学科进行产品设计，很容易会导致产品结构的优化设计难以满足既定目标。在今后的机械机构优化设计的工作中，需要充分考虑多学科结构的影响，将数学、物理学等相关学科的特点及优势进行有效结合，更好地提升机械结构优化的设计效果，进一步推动机械制造行业的快速发展。

2.4 机械结构的拓扑优化

传统的机械结构优化设计工作中，工作重点在于结构参数的优化，在拓扑优化方面的研究相对较少。在社会观念不断深化改革的背景下，相关人员加大了对拓扑结构的研究，取得了一定成效。在现阶段的工作中，拓扑结构的优化主要集中在连续结构和离散结构两个方面：①连续的拓扑结构主要指根据孔洞的个数、形状和分布特点等对边界优化和升级；②离散结构的优化主要是根据不同连接方式的特点，从其关键点的角度出发所进行的各种优化和升级。在进行上述操作时，需要根据不同关键点的位置进行确定，从而更好地提升机械产品的性能。

2.5 机械结构的动态性能优化

动态性能主要指机械结构在运行的过程中，很可能会受到外界的作用力，使得外形和运动的参数发生相应改变。加强对机械产品动态性能的研究，能够根据其特点来研究产品的工作强度，判断工作寿命的长短，能够有效降低机械产品的工作负担。在此条件下，通过对工作强度的控制，有效提升机械产品的使用寿命。

2.6 结合MDO 理论的优势

在当前的机械结构优化设计的工作中，MDO（Multidisciplinary Design Optimization，多学科优化设计）理论已经被广泛使用到了机械产品的设计工作中，取得了相应的成效。在该理论中，明确强调了结合其优势，能够有效达到优化产品性能、提高生产的效率的积极作用，并且在一定的程度上推动结构优化的设计工作面向系统化、理论化、科学化的方向发展。

3 我国机械结构优化设计应用和发展趋势

经济的发展离不开科学技术的支持，机械生产作为一项重要的生产力，在此过程中发挥了独特的优势，对于机械制造行业的发展和经济发展质量的稳定提升发挥了重要作用。其还能够提供丰富的工作岗位，有效增加国民收入，提升人民的生活质量。近年来，我国的相关工作人员对其进行了不断的研究和优化设计，主要采用有限元分析法，结合计算机技术的优势，加强对机械产品的优化和升级，相关产品的性能得到了大幅度的提升。这些产品投入到市场中，能够有效增强其市场竞争力；在国际市场中，我国的机械产品也占据了相对较大的市场份额。

结构模型的复杂化和结构系统的大型化，也是发展过程中较为明显的特征。在进行机械结构优化设计的过程中，设计变量得到了大幅度的提升，在一定程度上影响了结构的分析难度和数值计算、推导的难度。在进行一些较为复杂的产品设计时，可能并没有相应的公式作为设计依据。为此，在进行大型的、相对复杂的结构系统优化升级的过程中，便可以将其分解为若干子系统。如果其中涉及到的学科内容较多，也可以根据不同学科的特点，结合多种学科的优势，促进机械结构优化设计工作的有效开展。在计算机技术不断发展的背景下，将其和各个产业的发展规划和相关的目标进行有效结合，能够有效提升产品的性能和生产的效率。从其应用原理来看，主要是充分地结合了遗传算法和模仿神经网络的人工算法的优势。这种科学化的设计方式，能够在一定程度上有效提升机械结构优化设计的科学性，更好地推动后期生产工作的顺利开展。

在今后较长一段时间内，拓扑结构的优化设计仍然是较为重要的内容。这种设计模式能够为机械结构的优化设计方案提供海量的科学数据，更好地提升产品设计方案的科学性。如果在实际的过程中，需要对产品的性能进行相应调整，也可以结合设计方案中的重点内容，结合产品需求，灵活选择合适的结构模型。针对不同机械产品的尺寸、形状等方面的差异，拓扑结构的优化方式也能够有效满足其设计要求。现阶段的工作中还面临着应力约束方面的处理，一些“多孔状”的材料、计算模型的病态等也出现了相关问题。如何有效结合拓扑结构的优势，对机械结构进行优化升级，成为相关工作人员的重点关注和研究内容。我国已经将拓扑结构的研究确定为今后研究的重点内容，相关的工作人员也在国家部门的要求之下，进行了不断的研究，如广义角度、全性能、模糊优化等方面的设计。至此，我国的机械优化设计的研究已经进行了深水区。

4 结束语

加强对机械机构优化设计的研究，能够有效提升各种机械产品的生产性能，更好地发挥其在生产和应用过程中的经济作用。有效结合各种科学技术的优势，还能够进一步促进机械制造行业的快速发展，通过产业联合带动的方式，促进国家经济的快速发展，帮助我国在激烈的国际市场竞争中取得优势。在未来的工作中，相关的工作人员还需要不断加大研究力度，进一步推动机械产品的结构优化升级。