机械结构优化设计应用与趋势研究

郭振标

广东美的安川服务机器人有限公司

机械结构优化设计应用与趋势研究

郭振标

广东美的安川服务机器人有限公司

机械市场领域的发展必要前提是开展机械结构动态化设计，通过将以往传统机械设计模式的突破，提高机械产品动态设计能力。通过分析目前机械行业情况发现，如何开展机械结构动态设计十分重要，应根据机械结构的整体需求对动态设计过程进行优化，确保机械产品符合市场需求，突出动态设计的优势及结构设计要求。为此，本文将着重分析我国机械制造技术的发展现状，并对其发展趋势加以分析，以资借鉴。

机械结构；优化设计；应用与趋势

随着科学技术的迅猛发展，全球市场竞争日益激烈，产品品种换代加快，复杂性不断增加。产品生产逐步以小批量﹑多品种的生产方式代替以前的单一品种大批量生产方式。在这种小批量的生产方式下，必须缩短产品的生产周期，降低产品的成本，才能提高市场的竞争力和占有率。因此，运用现代设计方法可以适应市场剧烈竞争的需要，提高设计质量和缩短设计周期。优化设计是现代设计方法的重要内容之一，它是以数学规划为理论基础，以计算机为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下，寻求满足预定目标的最佳设计方案，从而获得最优的技术经济效果。

1 机械结构动态设计概述

机械产品结构的动态设计主要是通过对机械产品特性进行分析，对动力模型进行建构，并在机床设计中应用的流程。动态化机械结构产品设计，可对产品设计过程中存在较薄弱的项目进行查找，根据模型自身模拟状态进行改进。在动态设计过程中应选择性使用有效变量信息，对初始参数及修改后参数信息进行完善并投入使用，确保机械产品结构动态设计状态最佳化，对机械产品时间设计进行强化。为确保机械产品动态设计符合当下精细化产品设计要求，应确保设计模型稳定，对设计方法及产品设计进行规范。通过对机械结构动态设计进行分析，认为与传统静态设计相比其设计质量全面提升，并对结构的动态性能进行保证，在降低设计成本的基础上对设计效率进行提高。

2 机械结构优化设计应用

2.1 遗传算法

遗传算法的哲学基础是达尔文的进化论：物从天降，适者生存。遗传算法放弃了传统优化算法的单个计算点的优化追踪过程，而是同时对多个计算点进行操作，也就是把操作对象看成一个生物群体，所以优化后的结果是作为对象系统或全局的最优解。罗志军等用遗传算法对雷达天线罩进行结构壁各层厚度的优化。于华男等利用遗传算法对水下机器人模糊控制器进行优化设计，对模糊规则和隶属函数采用了实数编码策略，并讨论了复制﹑交叉﹑变异等遗传操作在模糊控制器设计非线性寻优中的应用，优化得到的模糊控制器与传统的模糊控制器相比具有响应快﹑超调小的特点。陈艳秋等利用遗传算法对航空发动机管路进行优化设计，以有限元计算为基础，采用遗传算法为优化方法，在通用有限元软件 NASTRAN 的平台上开发了管路振动设计优化程序，快速高效地获得最优解。实际生产中，大量的例子利用数学规划方法和遗传算法。尤其是遗传算法在实际机械结构优化设计中有大量的应用。

2.2 设计过程综合各个学科

由于机械产品的设计过程是一个非常复杂的过程，因此会涉及到多个学科的专业知识，如数学算法﹑数据的分析﹑查找策略，以及计算机技术等。因此在设计过程中，一定要注意要从多个学科的角度对设计方案进行考虑。首先需要从工程整体的角度，将整个设计系统分解成为多个设计不同内容的板块，然后运用相应的知识对其进行目标函数的确定，函数变量和优化方法的设定，把每一个独立的板块设计好，其次，要根据每个板块之间的内在联系将它们重新连接在一起，有机地组合在一起，最终形成完整的设计方案。

2.3 进行结构优化设计的工作人员要提高综合能力

机械产品的结构设计不单单需要工程人员对机械行业的专业知识有所了解，还需要掌握以下 3 个方面的能力：①数学建模能力，工程设计人员所设计出来的方案需要规范，并且需要被其他人所理解，所以需要设计人员掌握一定的数学建模能力，用数学语言规范的将实际问题和设计内容描述出来，建立一套能够解决实际问题的模型。②问题求解能力，设计人员不仅要会建模，还要会求解模型中的一些参数变量，掌握不同类型模型的参数变量，以便在求解过程中，更快更好地得出答案，例如应用随机变量模型时，为了能够更好地确定随机变量的变量值和目标函数，就需要对随机变量模型进行求解，以便能够更好的应用。③处理问题能力，设计方案完成后还需要对方案进行可行性评价，后期将投入加工制造过程，这一系列的过程需要经过很多人的共同配合，难免会出现差错，如果这个过程有一个人能够全程跟踪，那么就会降低错误的出现几率。

3 机械设计技术的发展趋势

具体来说现代设计技术的发展趋势主要有： 一是，产品质量的高成本压力给设计竞争带来了严峻的考验。二是，环境和生态功能属性逐渐与产品功能属性并驾齐驱； 三是，设计的经营管理和制造与设计需求的内容并重； 四是，设计的独立性逐渐转型了工作的协同作业，甚至是并行的状态； 五是，能够挖掘人的潜力的创造性使得人们对高科技的数字化工作更为重视。在这一系列趋势的推动下，现代机械制造的主要研究方向有： 设计方法学﹑稳定性设计﹑优化设计﹑动态化设计﹑摩擦学设计﹑计算机技术设计﹑创新设计﹑三次设计﹑价值工程设计﹑智能工程设计﹑反求工程设计﹑有限元设计﹑并行工程﹑工业产品造型设计等等。

以上，我们就机械设计技术的发展现状与发展趋势展开了研究。在当代社会，机械设计技术关系到了机械制造业的发展，因此值得我们加以研究，发现其发展现状，推测其发展趋势，从而把握好机械设计技术的发展方向。

[1] 段兰兰，谌玮.校企协同共建机械设计与制造专业人才培养模式的研究与实践[J].科学家，2016(11).

[2] 杨帅，焦禹萃.机械工程学科的研究现状及进展[J].科技资讯，2014(28).

[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，2011，(8).

[4] 房灿.机械结构优化设计应用与趋势研究[J].科技创新与应用，2016(18)：137.