摘要：机械产品的应用范围是极其广泛的，深刻影响着我国各行各业的发展。为了机械产品能够在人们的生产和生活中正常发挥作用，机械结构的优化设计十分必要。我国在机械结构的优化设计方面，已经展开了诸多的研究，并取得了一定的研究成果。机械结构的优化设计，不仅提升了机械产品的性能方面，对机械制造业增强自身的竞争力，在未来的市场中立足也有深远影响。
关键词：机械结构优化设计；应用趋势
引言
机械结构的优化设计，就是在计算机技术等高科技手段的支持下，为了提升机械产品的性能、工作效率，延长机械产品的工作寿命，对机械产品的尺寸、形状、拓扑结构和动态性能进行优化的过程。这是机械行业发展的必然要求，也是信息时代的必然要求。机械结构的优化设计，必须在保证机械产品满足工作需要的前提下，通过科学的计算来实行。文章就机械结构优化设计与应用趋势进行分析。
一、机械结构优化设计流程
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。
二、机械产品优化设计应用分析
2.1形状优化
为确保机械产品性能的全面提升，在进行优化设计时也可从机械产品形状入手开展优化。因多数大型机械设备自身结构相对复杂，各部件形状也具有多样化，很难进行分析，为优化设计进展带来一定困难。我国目前已针对结构优化方面出现研究成果，如田方针对轴对称机械零件开展的优化设计及王世军针对机器人结构的优化等。
2.2尺寸优化设计
机械产品实施优化设计过程中对尺寸数据有精准要求。因此实施优化设计汇总需确保各零件尺寸与实际工作需求相符，若产品为多个零件组成结构，若其中一个零件尺寸存在误差均会对零件连接效果造成极大影响，甚至加剧机械磨损导致产品报废。因此机械产品零件越多及机械结构复杂程度越高，对各零件精细度的要求也有所提高。开展机械产品尺寸优化的前提条件机械产品拓扑关系及形状不发生改变，通过计算机技术的应用对具体尺寸变化进行有效调整，可确保机械产品性能的增强。
2.3 拓扑优化
以往在实施机械结构优化设计中多侧重于进行结构参数优化，未针对机械零件拓扑结构实施优化设计。随着机械结构设计意识的提高，优化中心开始向拓扑结构优化方向转换。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆拓扑设计优化主要在离散结构以及连续结构方面体现，其中离散结构优化设计主要通过对多个关键点连接方式方面入手，改优化前提是确保上述关键点位置的确定。连续拓扑优化设计主要针对孔洞形状、数量、分布情况、部分结构边界开展的优化。
2.4 动态性能优化
机械产品动态性能主要指的是机械结构受外界作用下显示出外型变化规律，包括相关运动参数等。机械产品实施动态性能的优化设计可明显反应出改产品工作强度及寿命情况。因此对机械结构动态性能开展优化设计不仅能减轻机械工作负担还可在同等工作强度条件下对其使用寿命进行延长。
2.5 多学科结构优化设计
开展机械结构优化设计中需应用多科学角度入手，单独使用某科学角度无法得出理想优化结果，应从多学科角度进行，确保优化设计的多学科化、总体化及系统化，确保优化设计程度符合实际需求或超出预期目标。
三、机械结构优化的应用趋势
结构优化设计随着最优化方法的不断发展和改善，已逐渐得以发展。近年来在结构优化结构算法的方面，结构优化设计偏向于采用接近实际的复杂结构模型来模拟一些大型结构系统，由于设计的变量数目比较大，研究新的准则优化方法非常受到重视，但如何去针对一些特殊的结构才设计相应公式，解决在数值计算与推导实现的相关问题，同时还可以使用一些机械系统的分解与优化方法，在机械结构优化中，可以按优化多级分解或进行子结构分解，对于一些多学科的较为复杂的系统可以采用学科分解优化的方法。分解的算法关键在于如何去建立各个子问题之间的耦合关系，比如可以通过采用线性分解和使用最优解对参数的灵敏度等方法来建立起耦合关系，让一些子问题的解相容，确保迭代收敛，但问题是怎样保证一定能求解。并采用计算技术应用到结构优化设计中去。像人工神经网络，遗传算法等方法，在最近十余年来被机械结构优化设计的发展很快。它们对连续混合与离散变量的全局优化，这对发展结构近似重分析的专家系统有重要作用。形状优化、拓扑优化和材料优化的集成在机械结构优化中具有非常重要的价值，是并行结构优化的重要组成部分，也是以后的研究重点。
拓扑优化在结构优化中是重要的参考依据，让复杂部件和结构在概念设计阶段即可理性灵活地优选方案，并有可能解决一些大型实际结构优化设计。拓扑优化在研究中所提出的均匀化等方法，可以将形状优化、布局优化和材料选择集成一体，为机械设计结构、工艺和材料提供科学的手段。但如果要处理一些庞大的优化模型和有限元的计算量非常大，应力需要约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失有可能会引起计算模型病态等问题。
机械结构优化技术在工程机械设计中的具有非常重要的实用价值，如要解决优化设计中有限元模型的庞大性问题、多学科设计与解决结构优化问题交叉问题。对于机械设备、结构和机构的健壮性与可靠性是机械设计时非常关心的问题，综合考虑健壮性、可靠性及成本的全性能优化设计方法、理论及其应用，则会给出更加接近实际的结果，应当应予重视。在研究这类问题中，对包括随机性和模糊性的不确定因素也应当应予注意。为增强优化设计尽可能的为工程实际所服务，进一步开展设计的实用性。所以开发和完善通用性的结构化设计软件已变得十分迫切。
从近几年来国家自然科学基金所资助的项目来看，单就机械学科相关的优化设计的项目就有将近20项，其中包括广义优化设计，模糊优化，全性能优化设计，分解优化设计，可靠性优化，人机一体化设计与光机电一体化，有机械传动系统性能优化也有基于人工神经网络的复杂结构优化研究，复杂机电耦合设计理论与方法与系统解耦研究以及机电产品的绿色设计方法与理论等，在今年还提出的轧制件模具的现代设计方法，面向产品的创新的概念设计等课题，这些方面的研究充分反映出我国已经非常重视机械设计的研究工作和机械机构优化设计的发展方向。
结束语：机械结构优化设计的开展可帮助提升机械产品性能及质量，为机械产业的发展提供了方向及机遇。优化设计的实施可缩短机械产品生产周期并提高机械制造行业竞争力，推动机械产品优化发展。
参考文献
[1]杨天平，唐宏.机械结构优化设计应用与趋势分析[J].电子制作，2013，11：189.
[2]曾文忠.机械产品设计的结构优化技术应用策略探究[J].湖南农机，2014，9：44-45.
论文作者:黎宪就
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/28
标签：机械论文; 优化设计论文; 结构论文; 产品论文; 拓扑论文; 性能论文; 结构优化论文; 《建筑学研究前沿》2017年第20期论文;