機械結構優化設計應用及趨勢探析

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摘要：機械結構優化設計影響了機械制造業發展，需要科研人員繼續對該方面加強研究。基于此，從機械結構優化設計應用現狀入手，討論機械結構優化設計內容，最后提出機械結構優化設計趨勢，希望對相關研究提供一定的參考。

關鍵詞：機械結構優化設計應用趨勢

引言

對于機械生產企業來講，要想提升自身市場競爭力必須對產品設計研發加以重視，全面提升產品性能，從單一化生產模式向著多樣化生產模式轉變。優化機械結構設計之后可以全面提升生產效率，讓產品更有市場競爭力，促進企業的長遠發展，最終推動我國工業經濟發展。

1機械結構優化設計應用現狀

在社會經濟和科學技術飛速發展的背景下，產品更新換代速度開始提升，而機械制造領域當中，機械生產規模也在擴大，使得傳統的小規模生產方式無法適應社會發展需求。從機械制造企業的角度講，為了全面提升產品性能，擴大市場份額，需要重視產品的優化設計，調整產品結構，由此增強機械產品的生產性能，延長產業鏈。20世紀60年代起我國機械制造開始發展，隨著機械結構設計和制造的進步以及方案的優化，有效提升了產品質量和生產效率。如今我國機械制造優化設計推動了建筑、冶金、汽車和航空航天等產業發展，并且為今后的機械結構優化設計積累了一定經驗。在市場經濟大背景下，產品結構優化設計作為一種全新的生產模式，為企業發展帶來了巨大幫助。新時期需要從縮短生產周期、降低生產成本出發，積極利用工程設計學，加強與其他學科的結合，然后優化設計方案。在具體應用過程中，需要考慮以下三個方面：確定目標函數，在設計過程中根據函數開展設計工作，以此達到技術指標；調整變量，產品設計期間結合實際需求調整產品的厚度、長度、弧度等變量，并且在前期設計環節明確超出變量的浮動范圍；評價方案完成相關設計之后對不同方案評價，將最佳方案用于產品生產[1]。

2機械結構優化設計內容

隨著市政、機場、港口、水利水電等基礎設施建設規模越來越大，汽車起重機市場的需求也增加。該背景下縱目科技近年來加強了對倒車雷達傳感器結構的研究，并且加強了對超聲波諧振機械結構的優化設計，這一過程中改良結構工藝十分關鍵，為此技術人員優化了產品的振膜尺寸、形狀、固定結構等方面設計（如圖1、圖2），大大改善了產品性能，迎合了機械工業發展的趨勢。

2.1機械結構尺寸優化

在工業技術不斷進步的背景下，機械產品的生產性能得到提升。新時期對機械生產質量要求更高，所以在機械結構設計期間要充分考慮產品設計尺寸帶來的影響，傳統的機械產品設計環節主要是采用零部件組合的方法進行設計，如果某個部件未滿足生產規格或者尺寸未達到相關要求，將對整個產品性能產生影響。此外，機械產品運行期間會出現不同程度磨損，而當前的機械生產環節諸多機械產品尺寸精度要求較高，為達到技術規定必須挖掘計算機技術優勢，將機械設備的尺寸和性能參數等數據記錄其中，為后續的優化工作開展打下良好基礎。

2.2結構設計形狀優化

機械產品的形狀與性能關系密切，通過優化機械結構、形狀可有效提升機械設備性能，不過優化機械結構形狀具有一定難度，特別是制造業當中，大型機械設備的內部結構較為復雜，并且不同型號、不同性能的設備，其構架形狀也存在差異，難以統一劃分，增大了機械結構優化設計難度。20世紀80年代開始，我國機械結構優化設計開始興起，有專家對機器人結構進行形狀優化設計，并分析了裝校機器人關鍵件結構，使得產品質量顯著提升。

2.3多學科結構的優化設計

近年來機械結構優化設計當中，對多學科結構優化設計進行了大量分析，尤其是在信息技術飛速發展的背景下，學科之間的融合不斷加強，如果采取單一的學科進行產品設計難以確保產品結構優化設計達到既定目標，所以今后的機械結構優化設計需要實現多學科的融合，促進數學、物理學、計算機等學科的結合，發揮不同學科優勢，由此提升機械結構設計效果，推動機械制造業發展。

2.4結構設計拓撲優化

在以往的機械結構優化設計期間，將重點放在優化結構參數方面，對拓撲優化的研究偏少。隨著機械制造技術的更新，研究人員開始對拓撲結構進行深入分析，并取得一定科研成果。目前拓撲結構優化集中在連續結構以及離散結構的研究當中。具體為，在連續的拓撲結構當中主要是結合孔洞的個數、形狀以及分布特點優化和升級對等邊界；離散結構的優化主要是結合不同連接方式特征。從關鍵點的角度優化和升級，在操作過程中需要確定不同關鍵點位置，由此增強機械產品性能。

2.5機械結構設計動態性能優化

對于機械產品動態性能來講，就是機械結構受外力作用影響下產生的外形變化規律和運動參數。在機械產品動態性能下可體現承受的工作強度和使用壽命，要求在實際設計和生產過程中，基于相同工況下優化機械結構的動態性能設計，進而降低工作負擔，提升可承受工作強度，最終延長使用壽命。

2.6MOD理論的應用

在科技發展的背景下，機械結構優化設計開始對多學科設計優化理論進行研究，可以對機械結構優化設計提供理論支持，讓機械結構優化效果接近預期目標，提升產品質量，促進結構優化設計工作向著理論化、系統化以及科學化方向發展。

3機械結構優化設計趨勢

社會經濟的發展需要科學技術作為保障，機械生產是重要的生產力，同樣對機械制造行業發展以及社會發展起到了重要作用。近年來相關學者和專家加強了機械結構優化設計的研究，通過有限元分析法并結合計算機技術實現了機械產品的優化升級，讓產品性能得到顯著提升，相關產品在市場中具有良好競爭力，部分產品已銷往國外，進一步增加了企業收入。結構模型的復雜化以及結構系統大型化是機械結構優化設計的主要特點，在優化機械結構過程中設計變量顯著提升，并且對結構分析難度數值計算都產生了影響，這是由于復雜產品設計過程中需要相關公式作為依據，所以在復雜的或者大型結構系統升級過程中需要分解成子系統，并且根據不同學科特征有效提升機械結構優化設計水平[2]。隨著信息技術的發展，可以和不同產業規劃與目標結合，進一步提升產品生產效率與性能。從應用原理講，主要是對遺傳算法以及模仿神經網絡人工算法進行利用，進而有效提升生產水平。今后拓撲結構優化設計依舊是重要內容，通過設計模型可以為機械結構優化設計方案提供科學基礎，有效提升產品設計科學性。在實際過程中也需要合理調整產品性能，并結合設計方案的重點，合理選擇結構模型，根據不同機械產品形狀、尺寸之間的差異優化拓撲結構設計。在當前的機械結構優化設計過程中會受到應力約束的影響，并且存在著計算機模型病態和多孔狀材料問題，需要根據拓撲結構優勢，優化機械結構。如今，我國將拓撲結構研究作為今后的重點，技術人員也要在政府要求和市場需求下加強研究，將重點放在全能性廣義角度和模糊優化等方面，并且在設計過程中提升建模能力求解能力和設計后處理能力，在多學科協同優化設計過程中關注分解分析以及綜合協調。

4結語

隨著社會經濟的飛速發展，對機械產品需求也在增加，而機械產品的更新換代速度也在加快，要求機械制造企業在今后設計和生產過程中縮短生產周期，不斷實現機械結構的優化升級，這樣才能提升自身的市場競爭力。

參考文獻

[1]林高峰.機械結構優化設計的應用及趨勢探究[J].百科論壇電子雜志，2019，11（24）：631.

[2]劉云娟.基于機械結構優化設計應用與趨勢研究[J].數字化用戶，2019，25（12）：271.

作者:吳金燈 單位:縱目科技（廈門）有限公司