机械产品设计的结构优化技术应用研究

毕德胜

(丰诺植保机械制造有限公司，黑龙江 富锦 156100)



机械产品设计的结构优化技术应用研究

毕德胜

(丰诺植保机械制造有限公司，黑龙江 富锦 156100)

主要从结构优化设计的流程、优化类型和优化技术方法几个方面展开论述，探讨了结构优化的特性。

机械产品；设计；结构优化；技术应用

作为系统优化的一个步骤，结构优化设计是其中的重要一环，它需要全方位运用设计方面的技术知识，确定最佳的方法来满足相关的需求。以往传统的设计方法是操作人员选择其他相关产品作为模型，依赖经验和细致的观察来确定方法，在设计后期还要通过测试判断其是否符合要求，此过程不仅会浪费过多的人力物力，并且由于全过程都是人工操作，仍然存在质量等问题的安全隐患，降低了产品的质量。因此，确定结构优化技术，选用拓扑优化技术和尺寸优化技术相结合，并进行理论的计算和设计，确保产品的质量和精细度，才能既提高工作效率，又可以在激烈的市场竞争中占据一席之地。

1 结构优化的流程

第一，首先设定好目标函数。作为结构优化的基础，目标函数能够精准确定机械产品的相关标准，并采用此函数做具体设计的要求设置，同时在确定目标函数时，还应当相应缩小应力以及变形程度的设计。第二，设计函数变量。在设定完目标函数后，需要进行函数变量的设计，主要包括过程中的参数，零部件的长度、宽度、角度，这些是影响机械产品质量和水平的重要原因，如果不能科学合理地确定这些参数的设置，就会在生产时出现不合格品，造成原料的大量浪费，直接增加了经济成本，降低经济收益率。第三，确定约束条件。设计完函数变量后，还有一个重要的工作步骤，就是确定约束条件，这些约束条件就是对函数变量施加束缚和一定的约束，包括极值、临界范围等。第四，确定和评估设计方法。确定设计方法是对机械产品进行设计和优化的最后一步，也是最为重要的一步，由于目前的设计方法种类繁多且各具优势，就需要在众多的方法中选出最适合的一种方法，并根据实际操作情况安排确定性价比最高的方法。在确定好方法后，实质上也就确定了机械产品的一套设计方案，但并不能根据这个方法就进行生产，实际投入使用前，还须经过专业技术人员的评估，从技术角度确定方案的可行性，只有这样才能够做到万无一失，降低错误发生的几率。

2 结构优化的类型

2.1 尺寸优化

尺寸优化是在机械产品外形和拓扑结构不变的情况下，改变设计变量或者进行分析重组，从而优化组合性能的优化方法。

2.2 形状优化

形状优化和尺寸优化相似，是在保证机械产品设计域内拓扑关系不变的情况下，去求解机械的结构边界，通过改变边界组合，组成新的形状，从而使之表现出最好的性能状态。

2.3 拓扑优化

按照机械产品设计优化的特点进行划分，优化方法主要有三种:参数优化、形状优化和拓扑优化，其中拓扑优化的工作原理是按照设定的目标采用合适的计算方法将应力较小区域中的材料进行剔除，能够在设定好的空间中选择最佳的材料种类和分布形式，从而帮助设计工作过程做出结构和性能最佳的零部件、框架结构以及内部加强筋的分布形式，从这里可以看出，拓扑优化不仅保证了产品的外观形貌，并且也获得了最合理的理论概念模型，可以有效促进产品的结构设计，充分发挥设计开发人员的创新理念，增强市场竞争力。

2.4 快速分析方法

提高控制性能函数的计算效率是目前急需克服的重难点问题。加强结构性能的优化才能够有效配合实现综合性能的最优。产品结构的动静结合优化过程在近几年也受到了相关技术人员的关注。采用近似分析技术能够高效提高函数的计算过程，保证工作效率，然而这种方法在使用之前须做好前期的准备分析工作，并且计算过程通常也不够精确。因此，引进新型的计算方法可以有效解决上述问题，实现协同优化。

3 机械产品设计优化的方法策略

3.1 提高设计人员的素质水平

首先要提高机械技术知识水平，只有熟练掌握机械相关知识，才能够灵活运用，实现产品设计的优化。但除了机械知识以外，还应当加强其他知识的修养，主要有:第一，数学建模能力。这是最基本的工作内容。设计工作人员在进行方案设计时，不仅要规范，还要保证方案能够被他人理解，只有具备一定数学建模能力的人员才能够使用规范标准的数学语言将问题和设计方案表达出来，并在此基础上确定模型，保证模型的实用性。第二，解答问题的能力。仅仅会建模还不够，还应当能够求解所建立模型的变量以及参数，这样才能够高效得出结果。比如对于随机变量模型，一定要能够快速求解随机变量模型，才能够计算出随机变量的目标函数以及变量的数值。第三，对问题的处理能力。这是因为在确定完设计方案后，一个极其重要的步骤就是评价方案，一旦方案投入生产，就需有更多的人共同配合完成，而参与的人越多，就越容易造成大家对问题本身都一知半解，出现问题后也难以找到明确的责任人。这个时候，如果有一个能够全程负责的人去追踪过程，会在很大程度上降低问题的发生概率。

3.2 综合运用所有学科的知识

设计的过程需要综合运用所有学科的知识点，因为机械产品的结构设计不仅需要机械的专业知识，还附带数学算法、数据分析、计算机等多个其他学科的知识，只有将这些所学的知识综合运用，才能设计出合理、方便的机械产品。在进行学科知识总结运用过程中，首先要放眼全局，从整体角度出发，综合考虑。然后再将设计的产品系统逐步分解，按照知识板块分解成若干个单元，按照相对应的知识体系进行相应目标函数的确定，再按照理论知识的原理进行函数变量和优化方法的设定。分别设计好后，按照它们之间的联系，一个一个地将它们连接起来，这样就组成了一个完整的设计方案，最后可以根据整体设计的需求进行轻微地调试变动。

3.3 创新思维，杜绝重复

在设计过程中必须要做到自主创新，坚决避免重复，从现实角度出发，一定要有创新才能有广阔的市场空间，重复的、没有创意的东西很难赢得市场的青睐，也就是说，一个公司要想成长和进步，就必须推旧出新，避免墨守成规，最终导致被市场大环境所淘汰。因此，作为一个出色的企业，就要不断创新，不断保持市场活力，但在创新过程中要防止抄袭、重复等，作为设计研发人员，要不断转变思路，积极对产品进行改造，在推出新产品的同时，也要对原有产品进行改造，最终目的都是为了适应市场需求，使企业具有一定的竞争力。

4 结语

随着行业的发展，技术的进步，机械设计的难度越来越大，很容易让设计研发人员陷入到无休止且烦琐、混乱的工作中，机械设计优化方法的出现，解放了设计人员，特别是近年来，优化方法和CAE分析技术的结合，大大降低了设计人员的工作强度。随着各种CAE软件，如:ANSYS、MARC、ABAQUS等的投入应用，利用现代化的手段进行新产品的开发设计，满足了越来越多的客户需求。通过优化设计，在降低产品重量、提高产品性能的同时，把设计人员从繁重的工作中解放出来，激发了他们设计创新的热情与积极创新的设计思路。机械制造工业正经历一次深刻地变革。

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Research on structural optimization technology of mechanical product design

BI De-sheng

(Fengnuo Plant Protection Machinery Manufacturing Co., Ltd., Fujin 156100, China)

This paper mainly discusses the process of structural optimization design, optimization type and optimization technology method, and discusses the characteristics of structural optimization.

Mechanical products; Design; Structural optimization; Technical application

2017-02-18

毕德胜(1985-)，男，本科,助理工程师。

TH122

B

1674-8646(2017)08-0080-02