试析机械结构优化设计的应用及趋势

张钟文

（中国船舶重工集团公司第七一五研究所，浙江 杭州310023）

试析机械结构优化设计的应用及趋势

张钟文

（中国船舶重工集团公司第七一五研究所，浙江 杭州310023）

现代设计中优化设计是最重要的，主要就是依据计算机为基本工具，理论基础为数学规划，在分析多种约束条件下来设计符合情况的最佳方案，以便于提高设计质量和效率。机械设计过程中优化设计能够合理解决很多复杂问题，是科学设计机械结构的方式。本文主要分析了机械结构优化设计的发展趋势，应用情况，为以后进一步研究机械结构提供参考和依据。

机械结构；优化设计；应用；趋势

随着不断发展科学技术，逐渐提高市场竞争力，加快产品更新换代、增加产品复杂性。传统单一生产方式逐渐被多品种、小批量方式取代，在这种生产模式下，需要尽可能降低成本，缩短周期，以便于提高企业占有率和竞争力。所以依据现代科学技术和设计方式来不断满足市场实际需求，缩短设计周期以及提高设计质量。

1　机械优化设计发展现状

随着不断发展科学技术和社会经济，越来越迅速的更新换代产品，多品种、小批量生产方式逐渐取代传统大批量单一生产模式。为了能够有效增加市场占有率和竞争率，依据降低成本和缩短周期来体现小批量生产［1］。所以，从机械设计方面来说，优化设计属于科学的一种设计形式，依据优化设计方式能够迅速抢占市场，满足市场实际发展需求，从而缩短设计周期和提高机械设计质量，保证能够整体提高生产率。上世纪六十年代的时候，优化设计属于新兴学科，是有机结合工程设计和优化理论的一种设计方式，在众多方案中发现最适合的机械设计方案，保证有效提高设计质量和效率。现阶段，已经在冶金、建筑、纺织、机械、交通、航空航天等方面大量应用优化设计，并且具备一定社会效益和经济效益。二十一世纪以后开始更加重视优化设计技术，需要相关人员充分了解和掌握这种技术。

2　结构优化设计的类型

2.1优化机械结构拓扑

一般情况下传统的机械优化设计基本上都是设计以及优化结构参数，但是不注重机械零件拓扑结构。随着不断提高设计和优化机械产品的意识，逐渐应用机械产品设计理念，人们更加严格规范优化结构的需求，也越来越多的优化设计结构拓扑［2］。

2.2优化机械结构形状

为了能够合理增加机械的性能，一般都需要优化设计机械零件结构，但是经常会形成很多设计难题，如，连续体形状复杂、结构多、分析结构困难等，因此，优化结构是可行的。上世纪八十年代，机械行业开始研究优化结构形状，并且国外也综述分析优化结构形状。国内优化设计机器人结构形状、优化设计轴对称机械零件形状、优化设计机械人重要结构形状。在分析提高机械零件性能的过程中，优化机械结构形状就变得十分重要。图1所示。

图1　优化设轴对称结构形状

2.3优化设计机械系统结构动态

机械产品动态性能会严重影响设计的寿命和强度，实现优化设计结构的基础就是优化设计机械结构动态性能。分析结构动态性能属于复杂过程，特别是对于一些大型结构来说，但是分析动态结构的时候会具备一定价值，以便于全面收集相关材料，影响产品后期应用效果。

2.4优化设计多科学结构

优化设计机械结构的时候如果仅仅只是分析一方面影响往往会导致出现不符合预期的优化结果，因此为了具备更好的优化设计目标，需要总体性、系统性发展优化设计结构。MDO理论是新兴的优化结构理论，不少专家都开始研究上述理论，为以后进一步研究机械结构提供基础和保障，以便于全面提高优化产品的程度。

3　机械结构优化设计发展趋势

机械结构优化设计能够为机械设计提供更高的经济效益。近年来随着不断发展和应用有限元分析法，逐渐普及和改变计算机应用条件和结构，相关学者和专家更加重视机械结构的优化设计。不管是国外还是国内，都是在不断尝试优化设计这种现代技术。随着不断加剧市场竞争和更新产品，优化设计机械结构具备很大优势。可以从以下方面分析优化设计。第一，优化设计机械结构的过程中需要分析以下问题，不能用数学方式描述的、能用数学方式描述的、介于知识描述和经验描述之间的方式。求解能力实际上就是具备对设计模型求解的能力。如优化设计随机变量，在充分分析实际情况以后难免会出现随机因素，以至于需要优化设计随机变量。优化设计随机变量的根本实际上就是对随机变量进行确定，然后建立随机目标函数，最后合理求解随机模型。优化设计模糊变量，优化设计过程中合理分析模糊现象。优化设计非光滑问题，工程项目设计中会出现很多非光滑现象，如不可微的目标函数和一些约束函数相比较经典优化方式来说，不可微优化求解是比较困难的，可以把优化设计非光滑问题分为一般非光滑设计优化和特殊优化设计两方面。设计后处理能力实际上就会能够评估设计决策和结果处理能力，能够全部完成设计方案、输出图形等相关任务。第二，多学科共同进行结构优化设计，实际上就是集成寻优搜索、算法、管理数据、数据分析等的一种耦合子系统、相互左右的优化系统结构的技术。

4　结束语

综上，随着不断发展科学技术和社会经济，优化设计已经逐渐成为现代设计的重要构成部分，机械结构优化设计作为新兴第一种设计形式，能够为机械结构设计提供良好空间和竞争力，以便于能够全面保障优化设计的质量和优势，为进一步研究提供参考。

［1］刘宪访，林密叶.机械结构优化设计与应用趋势研究［J］.卷宗，2013，（6）：185，183.

［2］孙晓玲.机械结构优化设计应用与趋势研究［J］.环球人文地理，2015，（2）：186-186.

Wkche Machinery Application and Trend of Structure Optimization Design

ZHANG Zhong-wen
（China Shipbuilding Industry Corp No.Seven one five Research Institute，Hangzhou Zhenjiang 310023，China）

Modern design optimization design is the most important and works mainly on the basis of the computer，the theoretical basis for planning，in the analysis of multiple constraints down design with the best solution，in order to improve the design quality and efficiency.In the process of mechanical design，the optimal design can solve many complex problems，and it is a scientific design of mechanical structure.This paper mainly analyzes the development trend of the optimization design of the mechanical structure，the application of the situation，to provide reference and basis for further study of the mechanical structure.

mechanical；structure；optimization；design application trend

TH122

A

1672-545X（2016）07-0270-02

2016-04-25

张钟文（1990-），男，湖北黄冈人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：结构优化设计。