摘要：在我国社会经济快速发展的过程中，机械自动化水平飞速提升，不仅有效取代了传统人工生产模式，而且大幅度提高了机械生产的效率。本文通过对机械结构优化设计的主要历程进行深入的分析，能够进一步明确机械结构设计优化的具体应用，从而确保机械结构优化水平不断增强。
关键词：机械结构；优化设计；发展历程；应用分析
在汽车工程、航天航空工程、船舶工程建造、机械工程等领域中，对机械结构的应用水平不断提高，所以机械结构的设计质量直接影响着我国的机械建造产业的发展质量。在新时期，必须积极加强对机械结构设计进行动态优化，从而产生巨大的经济效益和社会效益。在机械结构创新优化的过程中，最主要的就是根据产品的实际特点进行分析运用先进的技术和最新的研究成果，采用全新的设计理念，保证机械结构设计能够创造出更大的价值。
一、关于机械结构优化设计发展的回顾
在最早的机械结构设计优化方法是在古典微积分法和变分法，由于这些方法非常的复杂，其应用价值并不理想，随着近代优化方法成为独立的学科以后，人们通过各种线性规划分析能够对各种方案的具体效益进行优化，产生了大量最优化的算法，形成了最优化的基本理论。
在我国电子机械工程领域设计优化的过程中，结构力学的工作者深刻的意识到，在设计研究的过程中必须要由过去的被动式结构分析转变为主动的结构优化，通过差分法、有限元法、极限分析法进行全面的研究。但由于受到计算机条件的限制，加之局势动荡不安，导致我国的机械结构优化研究受到一定的挫折。在1978年，随着各行各业的恢复重建，教育部科学规划和全国科学规划都更加重视结构优化设计，这也为我国的优化设计提供了重要的基础条件，在短时间内我国的结构分析和结构优化都取得了显著的成绩，早期优化方法和结构优化软件相继问世，对优化问题的主要特点进行了深入的阐释，充分考虑优化设计的健壮性。
在1995年6月份，我国对机械结构优化设计的论文高达500多篇，所研究的内容主要集中在常用机构、机械零部件优化设计以及平面连杆机构优化设计等相关领域。
随着结构优化设计最优化方法的不断发展与改善，在结构优化算法的过程中，已经能够逐渐形成接近实际的复杂结构模型，系统计算，但是依然存在着许多特殊结构优化方面的问题。必须要积极对最优解参数灵敏度和采用线性分解等算法建立起耦合关系，确保相应的问题得到合理解答。
二、机械结构优化设计的应用领域分析
（一）通用机械与机床领域的应用
在通用机械和机床领域中的结构优化是结构优化设计应用最成功的领域之一，不仅将有限元结构与优化技术进行完美融合，而且还能够对大型复杂的机械结构设计进行简单高效的计算。由于一般的机械零部件都属于连续体结构，在实际计算的过程中还存在比较复杂的关系。通过对相关内容的研究，机械机床的设计可以实现快速高效可靠的应用，保证机械产品的设计水平得到全面增强。
（二）航空航天领域的运用
航空航天技术不仅表现着一个国家的综合实力，而且也能够提高国家的世界影响力，在航空航天技术应用的过程中，能够充分运用大量的先进科学技术保证航空航天工程技术水平得到全面提升。由于航空航天领域的特殊地位，机械结构优化设计在该领域得到了广泛的英语应用和重视。
（三）汽车与船舶工业领域的应用
汽车工业作为不断发展创新的行业能够提高国家的经济发展水平，其中先进的机械结构优化设计方法。在机器汽车工业和船舶工业的应用，可以取得非常明显的优势。例如，隋永康学者将DDDU2软件包应用于汽车结构优化设计，提高整个汽车结构优化的整体效果。冯振东则将万向节传动布局的支撑动态结构优化设计在汽车领域中应用，确保汽车的万向节传动布局效果得到显著提高。
尽管由于结构优化设计在船舶工业中的应用起步较晚，但是船舶结构优化设计取得了非常明显的成果，尤其是在中小型集装箱结构潜艇结构以及外部液压舱等结构优化中，取得了非常显著的突破，保障船舶设计可靠精确的效果。
三、机械结构优化设计的具体类型分析
（一）机械结构的拓扑优化
最常见的拓扑优化主要是对机械结构参数进行优化，而很少直接对机械零部件进行拓扑优化。随着人们的创新意识不断增强，对机械产品的设计要求也不断提高，所以也逐渐兴起了对机械产品结构的拓扑优化设计。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。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是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。
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图1 连续拓扑优化设计
（二）机械结构形状的连续性优化
由于机械零部件的形状相对复杂，在实际结构分析的过程中还存在许多难度，在结构形状设计时，也有可能对机械零部件的性能造成比较大的影响。为此通过机械零部件的形状优化可以显著提高其性能，而且机械结构的形状优化效率也可以大幅度增强零部件机械设计的整体水平。
（三）机械系统结构动态优化设计
在机械产品动态性能优化的过程中，其强度寿命是最主要的优化因素，而且机械结构的动态性优化设计是整个结构优化的主要目标。从目前来看，由于机械结构的动态性特点非常复杂。在机械结构设计完善的过程中，必须要寻找方案中的薄弱环节，严格对照各种限制要求对设计方案进行改进，充分考虑零部件整体的通用性和标准性，避免零部件的种类增多而增加生产成本。在设计结构优化的过程中要重视安全性与协调性，同时还应该保证劳动操作观察进行合理的调节，确保机械设备的使用更加方便省力，避免出现故障和巨大的噪音，只有加强对结构平衡性进行妥善处理，才能够确保整个产品的外观更加协调美观，如果外观不均匀，很容易造成机械材料的浪费，甚至会引发惯性失去平衡而造成机械结构设计失稳的情况。通过在机械结构设计的过程中，对荷载进行分析，明确载荷强度、耐磨性和高度等相关因素，结合结构的具体使用特点，合理提高承受载荷以及承载能力。要充分考虑到零部件拆装以及材料加工工艺的需求，在实际结构设计优化时，必须要充分的考虑可能存在的问题，并且对结构优化设计中产生的质量问题进行重点关注。由于机械设计非常直观，所有的产品都直接呈现在人们面前，为此最主要的就是要积极减少机械设备发生故障的几率否则很容易导致企业的声誉受到严重影响。在针对大型机械结构进行优化设计时，需将复杂结构进行分解，逐步对各子结构分别进行优化，在优化过程中若设计多学科优化设计也可分科学进行优化。通过对计算机技术的有效利用，确保机械结构优化设计多方向发展。该技术主要代表包括模仿神经网络和遗传算法的人工算法，该算法适合在连续混合机离散变量全局优化中应用，可对产品准确度及应用质量进行提高。
结束语
总而言之，在机械结构优化设计不断发展的过程中，最主要的就是适应时代发展变化的需求满足船舶行业、航空航天业、汽车行业等机械化水平比较高的产业机械结构优化设计，充分增强产品的竞争实力，进一步促进市场的全面发展。
参考文献：
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[2]刘坤，吉硕，孙震源，徐洪伟，刘勇，赵静霞.多功能坐站辅助型如厕轮椅机械结构设计与优化[J].吉林大学学报（工学版），2019，49（03）：872-880.
论文作者:陆大威
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/9
标签：结构论文; 机械论文; 优化设计论文; 结构优化论文; 过程中论文; 拓扑论文; 结构设计论文; 《基层建设》2019年第27期论文;