机械产品设计的结构优化技术运用探究

310023 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 浙江 杭州|康恺



机械产品设计的结构优化技术运用探究

310023 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 浙江 杭州|康恺

摘要：主要研究结构优化技术在机械产品设计中的应用，分析机械产品结构优化设计的基本思路，并对机械产品设计结构优化方法的具体应用策略进行了讨论。关键词：机械产品；结构；优化

长期以来，机械产品的设计工作都是参照相同产品的估算、经验、类比来确定其基本结构，并通过性能计算检查各项性能指标是否满足设计标准要求。这样的机械设计方法人工试错与类比分析过程比较复杂，会消耗更多的时间，导致设计周期延长，而且设计方案的比选只能局限在几个方案之间，方案优化工作有待加强。

机械产品结构优化设计思路

面对越来越激烈的市场竞争，更多的机械设备制造厂商意识到，只有更快地推出新产品，才能占领更多的市场，因此机械设计工作人员开始关注机械产品设计工作效率的提高。结构优化技术在机械设计工作中的应用能够显著缩短产品开发的周期，尤其是在没有参照物可供参考的全新产品设计工作中，对拓扑优化以及尺寸优化的综合应用，能够让设计员快速设计出满足要求的机械产品。

a设计流程

①目标函数

目标函数往往是机械设计中最受关注的关键因素，在机械设计中如何控制变形或者应力水平是设计者最为关心的问题，所以结构优化设计的目标函数可以设置为变形或应力的最小值。

②设计变量

设计变量是指所有与机械产品结构优化设计有关的参数，在机械产品的结构工程优化过程中，所涉及到的设计变量主要可以分为两大类。一类是描述结构变形的几何参数，如长宽高、直径厚度等，另一类是物理参数，主要包括弹性模量密度屈服极限等。

③约束条件

机械产品结构优化函数的迭代计算中，很多设计变量都存在着一些约束条件，其中最为常见的是位置限制和运动可能性的极值。

④优化分析评估

机械结构优化设计往往是有约束的非线性函数问题，现阶段已经有多种数学工具可供使用，但是在实际工作中选择一种合适的优化方法仍然比较困难，需要根据问题的实际情况灵活选择优化算法，并对结果进行分析评估。

b结构优化的主要内容

根据机械结构设计目标、约束对象、目标函数等条件的不同，选择不同的结构优化算法。根据优化目标层次的不同，机械产品结构优化设计工作可以分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化3个不同的层次，随着优化层次的加深，优化工作的难度也随之增加，但是优化工作带来的效益也更加显著。

①尺寸优化

尺寸优化是指保持产品结构尺寸不变的情况下，通过对设计变量的分析重组，对性能组合关系进行优化。

②形状优化

形状优化是保持设计产品结构关系不变的情况下，利用结构边界获取某种性能最佳状态的优化方法。

③拓扑优化

拓扑优化是指机械产品结构拓扑优化与离散结构拓扑优化的组合，其中连续体结构拓扑优化主要包括孔洞分布数量边界的优化，而拓扑优化主要是指定节点位置以及相互连接关系的优化。

结构优化设计在机械产品设计工作中的应用

计算机技术与仿真技术在机械产品设计中的应用更加普遍，计算机强大的计算以及仿真功能给结构优化设计提供了极大的发挥空间。基于计算机的结构优化技术在机械产品设计中的应用，能够通过对机械产品系统的分析和持续的优化，保证产品的性能满足要求，同时显著缩短机械产品的设计周期，在保证机械产品设计质量的同时，节省了设计工作成本。

a建立优化信息模型

机械产品往往有上千个设计变量和几百个设计函数，设计一个涉及到如此多变量和函数的优化程序是比较困难的，因此可以应用数据挖掘技术建立一个机械产品结构优化设计的信息函数模型。首先分析用户要求，将用户要求分解为多个基本设计参数，之后分别根据用户要求和边界条件建立目标函数与约束函数，进行数据分析处理，根据数据处理结果生成修正函数，代表最终输出。数据输入和处理过程中，设计变量构成目标函数与约束函数的生成通过数据传递系数实现，而数据分析和处理工程依赖数据修正因子建立基于目标函数和约束函数的修正函数，通过该信息模型，能够完成机械产品设计计算流程函数之间调用关系定义，将机械产品设计涉及到的参数关联用计算机语言准确表示出来。

b基于信息模型的结构优化

信息库建立完毕，将根据机械产品设计情况，给出几个优化方案，并将其核心设计参数存入信息函数模型，数据库应用数据离散化方法存储、配置有限元分析结果，使用粗糙集机器学习方法对有限元分析结果进行解释，并提取数据背后的优化设计规则，最后应用优化规则对几个方案的综合性能进行全面对比，获取有约束条件下的最优解。

结语

结构优化技术在机械产品设计中的应用能够显著降低工作人员的设计工作量，应用三维仿真模拟技术能够有效节省产品设计优化工作成本，同时经过多次模拟分析优化，能够获得更好的结构优化效果，满足用户的各种性能需求，及时发现并消除了更多质量隐患，这才是一种优秀的机械产品设计方法。

参考：

［1］胡桂川，刘敬花.基于CAE分析的机械结构优化设计［J］.机械设计与研究，2011（03）.

［2］聂勇军，廖启征.多学科优化设计在工程机械产品开发中的应用展望［J］.起重运输机械，2014（08）.

［3］刘树春，张敬佩，李初晔.机械产品设计的结构优化技术应用［J］.机械设计与制造，2013（08）.

［4］罗忠，柳洪义，田洪海，闻邦椿.现代机械产品智能优化设计方法及其应用［J］.东北大学学报（自然科学版），2014（07）.