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摘要：结构优化设计是在系统优化的概念上发展而来的新学科，其目的是在考虑节省材料、简化工艺流程的基础上实现产品的形态结构及功能创新。以结构优化设计作为机械产品设计创新的思路，结合产品生命周期概念，以改变机械产品形状、尺寸、动态性能及结构优化的过程。
关键词：机械结构；优化设计；应用趋势
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。目前我国已针对机械结构优化设计进行研究，并取得一定成果，主要表现在船舶行业、焊工航天及汽车行业等。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。
一、机械结构设计原则
1.1应有效满足经济性要求
对机械结构设计而言，其经济性实际上是一个综合性的指标，全面体现在设计、制造和应用全过程。其中，设计与制造经济性，主要体现在设计、制造过程中的成本有效控制；应用过程中的经济性，主要表现在高生产率、高效率等方面，还要求维护费用较低。这些都是设计过程中应充分考虑的问题。
1.2应满足机械结构的应用要求
在结构设计过程中，机械结构应实现预定的指标，还要确保设计出来的机械结构可有效完成任务，满足强度、刚度、精确度及使用寿命的要求，还要确保该机械结构在使用过程中的安全可靠性。
1.3应关注机械设备操作人员的安全
机械结构设计过程中，应注意技术安全问题，最大限度去改善操作人员的劳动条件、强度；还要注意机械结构外形的美观度，并能有效满足特殊要求，如机床在长期应用中的精度、大型机械的运输方便性等。
1.4与质量技术指标相适应
由于机械结构是机器产品的基本组成要素，因此对结构质量的要求十分严格，但质量技术指标越高，用在结构设计和制造上的成本和时间也越多，当质量技术指标达到要求时，再添加其它的要求势必会导致工时和成本急剧增加，生产效率明显下降。在这样的条件下，生产出来的结构将无法实现最理想的经济效益。因此，在对机械结构的结构进行设计时，结构的结构工艺性必须在满足使用条件的前提下与质量技术指标相适应，实现机械结构最高的实用性和最大的经济效益。
二、机械结构优化分析
2.1机械结构的形状优化
在机械零部件中，连续体结构非常多，形状较复杂，结构分析存在一定难度，而结构形状对机械零部件的性能影响很大。因此，机械零部件的结构形状优化可以大大提高其性能。20世纪80年代开始，机械行业开始兴起结构形状优化的研究，国内外出现了许多该方面的研究成果，如研究了压力容器部分的结构形状优化设计、航空器部分零部件的结构形状优化、对应于弹塑性结构响应的拓扑与形状优化等。机械结构的形状优化也是提高零部件机械性能的重要方法之一。
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2.2机械结构拓扑优化
过去一般机械结构优化设计主要集中在结构参数的优化和设计，而对机械零部件的拓扑结构很少涉及。随着人们对机械产品设计创新意识的提高，特别是机械产品概念设计的提出和应用，人们对结构优化设计提出更高要求――机械产品的结构拓扑优化设计。1985年，M.P.Bendsoe和N.Kikuchi将均匀化方法应用于连续体的结构拓扑优化，推动连续体结构的拓扑优化发展。连续体结构的拓扑优化已从平面问题扩展到板壳和三维连续体问题，一些新方法，如生物生长模拟法、密度法、泡泡法等被提出并得到应用。目前，结构拓扑优化方法已被工业界所接受，如Ford公司等正在加快研究步伐，推出一些应用实例，机械结构拓扑优化将把结构优化推到一个更高的产品设计层次。
2.3智能优化算法和仿生优化
算法优化算法的研究一直是优化设计的重要研究领域，特别是机械结构优化设计中一般零部件的结构分析非常复杂，有限元分析需要很长的计算时间，优化迭代次数很多。因此，机械结构优化设计对优化算法要求很高，主要要求优化算法具有强收敛性、高可靠性、强稳定性等，研究人员不断进行优化算法的发展和改进。目前，数学规划法中一些算法（如SQP等）较适合结构优化设计问题的求解，优化准则法也是一种有效算法，国内也开发一些优化设计软件包，如大连理工大学的结构优化程序系统DDDU、华中科技大学（原华中理工大学）的优化方法程序库OPB―2等。由于现代学科之间的大量交叉，特别是人工智能、神经网络、模糊数学、不确定数学、基因遗传等理论和方法的引入，为优化算法的发展提供新的发展空间，如遗传算法、基于神经网络的算法、蚂蚁算法、模拟退火法等。这些新的算法已成功应用于优化问题的求解，用于结构优化问题的求解目前正处于研究阶段。这些算法具有很好的特性，经过研究人员的努力，一定能在机械结构优化设计中得到推广和应用。
三、机械结构优化的发展趋势
机械结构的优化设计是随着时代和行业的发展而不断变化的。近年来，机械结构的优化设计开始趋向于结构模型的复杂化和结构系统的大型化。设计变量的增加，导致结构的分析推导和数值的计算难度增加，一些特殊的结构优化没有相应的公式。采用大型的结构系统进行优化设计，可将一些复杂的结构分解为各个子结构进行优化，对一些涉及多个学科的设计优化，也可以按照学科不同来进行优化。
并行计算技术的运用，是机械结构的优化设计的另一个发展方向。这一技术的主要代表有遗传算法和模仿神经网络的人工算法。这种算法适用于离散与连续混合变量的全局优化，能提高机械产品的质量和精确度。
拓扑结构的优化设计仍是结构优化设计的主要研究内容。拓扑结构的优化，能为结构方案的设计提供科学依据，可根据产品的需要灵活选择设计方案，一般运用在大型机械的结构设计上，需要构建大型的结构模型，进行复杂的结算。拓扑结构的优化，也能促进机械结构尺寸的优化和形状的优化，提升机械产品的性能。目前这方面主要存在的问题有对应力约束的处理、“多孔状”材料的分布、计算模型的病态等。解决这些难题，是拓扑结构优化在未来的重点工作内容。
我国对机械结构的优化设计展开的研究也涉及很多方面，如广义角度优化设计、全性能优化设计、模糊优化设计、可靠性优化、光机电一体化、人机一体化等。说明我国在机械优化设计的研究已迈入世界先进领域。在未来，我国的主要研究课题有多学科优化、结构优化的模型建立、结果分析与灵敏度分析、大规模问题的求解等。
结束语：机械结构的优化设计，给机械产品的质量和性能带来提升，给机械行业的发展带来机遇。通过优化设计，机械产品的生产周期大大缩短，机械产品的制造企业竞争力大大增强。我国的机械行业应积极把握结构优化分析的发展方向，提高优化设计的技术水平，让机械制造业发展到一个新高度。
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]刘世庚，张德珍，徐淑琼.机械结构优化设计研究应用及前景展望[J].科技视界，2014，16：107.
论文作者:吴娟娥,张泉波
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/28
标签：结构论文; 机械论文; 优化设计论文; 拓扑论文; 算法论文; 形状论文; 产品论文; 《建筑学研究前沿》2017年第35期论文;