摘要：随着现代科学技术的发展，市场产品竞争也越来越激烈，产品品种的换代速度加快，产品的复杂性在不断增加。所以产品生产正在以小批量、多品种的生产方式取代过去的单一品种大批量生产方式。而这种生产方式，肯定会缩短产品的生产周期，产品的成本也会降低，产品提高市场的占有率和竞争力也会提高。所以在机械结构设计中采用优化设计是满足市场竞争的需要。
关键词：机械结构拓扑；现状；发展趋势
引言
机械产品应用范围相对较广，为确保机械产品在我国日常生活及企业从生产中得到有效应用，实施优化设计十分必要。目前我国已经针对机械结构优化设计进行了研究，并取得一定成果，主要表现在船舶行业、焊工航天以及汽车行业等。机械结构的优化设计可有效提高其产品性能并增加其自身市场竞争力，对其市场发展起重要作用。
1.机械结构优化设计
随着科学技术的发展，机械产品更新换代的速度越来越快。过去，机械产品主要是大批量生产，产品相对单一。目前采用的是小批量加工方式，以保证产品的多样性。为了保证生产企业的利润，必须在保证质量的前提下，缩短生产周期，降低生产成本。优化设计能够达到上述目标，在一定程度上缩短了生产时间，降低了成本，有效地抢占了市场。机械结构优化设计已广泛应用于造船、运输、航空航天、冶金、纺织、建筑等领域。
机械结构优化设计流程主要包括：（1）针对所优化机械产品尽心目标函数优化设计，可确保机械产品相关技术指标符合优化要求。（2）设计机械产品优化函数变量，变量设计包括机械产品长度、厚度以及弧度等相关结构参数。（3）对机械产品优化设计约束条件进行设定，对计算过程中各项变量浮动范围进行限定。（4）通过以上步骤得出多种优化设计方案，分别对不同方案进行评价，根据机械结构优化设计需求选择最佳方案实施。
2.机械结构拓扑优化设计常用方法
（1）均匀化方法
常用的连续结构拓扑优化设计方法主要有均匀化方法、变密度方法、水平集方法以及进化结构优化方法等。
均匀化方法属于材料描述方式，基本思想是将微结构模型引入结构拓扑优化设计领域，以微结构的单胞尺寸参数为设计变量，根据单胞尺寸的变化实现微结构的增删，优化实体与孔的分布形成带孔洞的板，达到结构拓扑优化的目的。优化过程：① 设计区域的划分；② 确定设计变量；③ 进行拓扑优化设计；④ 以不同的微结构形式的分布显示连续结构的形状和拓扑状态。
图1 微结构单胞示意图
微结构的划分形式通常有空孔、实体和开孔 3种，空孔是指没有材料的微结构，其孔的尺寸为 1；实体是指具有各向同性材料的微结构，其孔的尺寸为 0；开孔是指具有正交各向异性材料的微结构，其孔的尺寸介于 0~1 且可变化。设计区域划分为空孔、实体和开孔的微结构形式。简单的二维微结构单胞示意图如图 1 所示。微结构上孔的尺寸和方位角是设计变量，其中孔的尺寸是微结构材料主方向，它可以由坐标转换矩阵体现在材料的有效弹性模量上，通过微结构的密度与有效弹性模量之间的关系曲线，把设计变量与结构各处的形态联结起来。在结构拓扑优化设计过程中，微结构中孔的尺寸和在 0～1 的变化区域就可使各微结构在空孔与实体之间变化，这样就可用连续变量对结构优化设计问题进行描述。
均匀化结构拓扑优化方法涉及的设计变量非常多，用的较多的优化算法是准则优化算法。
（2）变密度方法
变密度方法式是引入一种假想的密度在 0～1可变的材料，采用材料的密度作为优化设计变量，实现结构的拓扑变化；材料弹性模量等物理参数与材料密度间的关系也是人为假定的；这样不但将结构的拓扑优化问题转换为材料的最优分布问题，还可使优化结果尽可能具有非 0 即 1 的密度分布。变密度结构拓扑优化方法与采用尺寸变量相比，它更能反映拓扑优化的本质特征。因此，在实际工程的结构优化设计中大多采用变密度方法来解决结构优化问题。变密度结构拓扑优化方法常用的插值模型是固体各向同性惩罚微结构模型（SIMP）。由于变密度结构拓扑优化方法更能反映拓扑优化的本质特征，且概念简单、设计变量数目少，简化了计算求解过程，因此，变密度结构拓扑优化方法成为目前最常用的、也是用的最多的结构优化设计方法。
3.机械结构优化的应用趋势
随着优化方法的不断发展和完善，结构优化设计也逐渐发展起来。近年来，在结构优化算法方面，由于结构优化设计中变量较多，结构优化设计往往采用接近实际情况的复杂结构模型来模拟一些大型结构系统。因此，新的准则优化方法备受关注，但如何为一些特殊结构设计相应的计算公式，以解决与数值计算和推导有关的问题。同时，还可以采用一些机械系统分解和优化方法，在机械结构优化中，通过对多层分解或子结构分解的优化，将学科分解和优化方法应用于一些复杂的多学科系统。分解算法的关键是如何建立子问题之间的耦合关系。例如，利用线性分解和最优解对参数的敏感性来建立耦合关系，从而使某些子问题的解是相容的。这确保了迭代收敛，但问题是如何确保它能够得到解决。并将计算技术应用于结构优化设计。近十年来，人工神经网络和遗传算法等方法得到了迅速的发展。它们在连续混合和离散变量的全局优化中起着重要的作用，对结构近似再分析的专家系统的发展具有重要意义。目前的问题是如何提高该方法的精度、质量、收敛性和通用性。形状优化、拓扑优化和材料优化是机械结构优化的重要组成部分。
拓扑优化是结构优化中的一个重要参考，它使复杂构件和结构在概念设计阶段得到合理、灵活的选择，为解决一些大规模的实际结构优化设计提供了可能。在拓扑优化研究中提出的均匀化方法可以将形状优化、布局优化和材料选择结合起来，为机械结构、工艺和材料的设计提供科学的手段。然而，如果我们要处理一些庞大的优化模型，而有限元的计算量很大，则需要对应力进行约束，使“多孔”材料的分布变得圆整，单元消失，从而导致计算模型的病态等。
4.结束语
机械结构优化设计的发展有助于提高机械产品的性能和质量，为机械工业的发展提供方向和机遇。实施优化设计可以缩短机械产品的生产周期，提高机械制造业的竞争力，促进机械产品的优化发展。
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论文作者:谢进芳
论文发表刊物:《河南电力》2018年13期
论文发表时间:2018/12/27
标签：结构论文; 微结构论文; 拓扑论文; 优化设计论文; 机械论文; 方法论文; 变量论文; 《河南电力》2018年13期论文;