机械结构优化设计应用与趋势研究

　　摘要：本文从机械结构优化设计出发，基于最优化原理从大量设计方案中寻求最佳方案，可以使设计质量和设计效率得到大幅度提高。本文在论述优化结构类型及机械结构优化设计实际应用的基础上，对机械结构优化设计的发展趋势进行了探索研究，该研究进一步推进了机械结构优化设计的发展进程。

　　关键词：机械结构；优化设计；应用；发展趋势

　　引言

　　随着科技的蓬勃发展，全球市场的竞争也随之加剧，产品更新换代的速度越来越快，其复杂程度也有所增加。传统的产品生产具有品种单一、批量较大的特点，该方式已无法满足时代的发展需求，产品生产逐步转化成了小批量、多品种的生产方式。为有效提高产品市场的占有率及竞争力在采用小批量新型生产方式时必须尽可能的降低产品生产成本并有效提高产品的生产频率。所以说现代设计方法的运用可以有效缩短产品的设计周期并能提高产品的设计质量，满足了市场竞争的发展需要。优化设计是现代设计方法的一个重要组成部分，数学规划是优化设计的主要理论基础。

　　1 分析机械结构优化设计的应用

　　机械结构优化设计被应用到了船舶、汽车、桥梁、机械、水利、建筑、航空航天等多种应用领域，可以有效减轻产品结构重量、改进产品结构性能、降低产品应力水平、提高产品安全寿命等。

　　1.1 结构优化设计在航空航天中的应用

　　一个国家科学技术的综合实力和综合水平可以由该国家的航空航天技术体现出来，很多先进科学技术都是从航空航天领域进行尝试、开发、试验、应用、推广的，机械结构优化设计在该领域是应用最广、发展最快、规模最大的。结构优化设计在航天航空这一特殊领域得到了广泛应用和高度重视，促进了航空航天事业的发展。

　　1.2 结构优化设计在汽车工业中的应用

　　随着社会经济的发展，汽车行业也随之发展起来，各个国家对汽车行业的发展都十分重视。在汽车行业先进的机械结构优化设计方式得到了极大地推广与应用，并取得了大量研究成果。黄俊等人研究了面向行人下肢碰撞保护的优化设计，李毅等人对客车车身轻量化设计进行了优化设计，王源邵等人对汽车车身安全性的优化设计进行了深入研究，候敏枫等人则对汽车车身形态仿生的优化设计进行了探索研究。机械结构优化设计在汽车行业的应用越来越广泛，在汽车行业的地位也越来越重要。

　　1.3 结构优化设计在船舶行业中的应用

　　我国船舶的优化设计研究工作是从20世纪70年代末开始的，起步较晚，与国外相比晚了近十年左右。虽然我国船舶行业的优化设计起步较晚，取得的成果却很显著，船舶行业的优化设计涉及到了潜艇外部液压舱、潜艇结构、油船剖面等结构内容的设计，船舶的性能得到了极大的提高，为船舶设计提供了可靠的设计方法和设计数据。

　　2 结构优化设计的主要分类

　　机械优化设计经过多年的应用及发展已成为一种较为可靠、成熟、高效的现代设计方法，机械优化设计具有广泛的应用领域，本文对机械优化设计领域的几个热点问题进行了论述分析。

　　2.1 机械结构的形状优化

　　通过优化机械零部件的结构可以提高机械零部件的性能，机械零部件的形状较为复杂、连续体结构较多、结构分析较为困难，采用结构优化方式可以达到很好的设计效果。机械行业是从20世纪80年代初开始兴起结构形状优化研究的，我国取得了显著研究成果，田方进行了轴对称机械零件形状优化设计研究，王世军对机器人结构形状进行了优化设计，孙玉对装校机器人关键件结构形状进行了优化设计。通过机械结构的形状优化设计可以有效提高机械零部件的性能，是优化设计的重要组成部分。

　　2.2 机械结构的拓扑优化

　　之前人们常常将机械结构优化设计的焦点集中在机械结构参数的设计及优化上，对机械零件的拓扑结构设计及优化问题较为忽视。随着科技的发展，人们对机械产品的设计创新意识也随之增强，在机械产品概念设计提出与应用之后，人们对结构优化设计提出了更高要求，结构拓扑的优化设计也得到了进一步发展。

　　2.3 对机械系统结构的动态优化设计

　　机械产品的性能及产品寿命都会受产品动态性能的影响，实施结构优化设计的一个重要前提就是机械结构动态性能的优化设计。机械产品结构的动态特性分析是一个复杂的分析过程，其动态结构设计具有很高的研究价值，对今后产品的实际应用具有重大影响。

　　2.4 机械结构优化设计软件

　　当前，市场上较为流行的结构优化商用软件较多，如ANSYS、ANSTARN(美国大型有限元分析软件)、DDDU（大连理工大学开发的结构优化软件）等，是功能十分强大的结构优化软件。

　　3 对机械结构优化设计发展趋势的分析

　　随着产品竞争的加剧和设计技术的更新变革，机械结构优化设计迎来了更大的发展空间，优化设计的发展动态主要包括以下几方面。

　　3.1 机械结构优化设计在处理问题过程中所应具备的能力

　　机械结构优化设计的建模能力主要发展趋势包括以下三大类：可以用数学方法进行机械产品设计描述的、无法用数学方法描述只能凭借知识和经验进行机械产品设计描述的以及居于二者之间的。此外，机械结构优化设计过程中还应该具备求解各类设计模型的能力和对设计决策及结果进行评估的设计后处理能力，设计人员应该完成从方案设计到图形输出的整体设计任务。

　　3.2 多学科协同优化设计发展趋势

　　近些年来，我国自然科学基金所资助的机械学科优化设计项目多达二十多项，主要包括广义优化设计、模糊优化设计、全性能优化设计、可靠性优化设计、分解优化设计等内容。此外还包括人机一体化设计与光机电一体化设计，基于人工神经网络的复杂结构优化、复杂机电系统耦合和解耦设计方法和理论的研究、机械传动系统性能优化、机电产品的绿色设计方法理论等，以及最近开展的轧制件模具的现代设计方法、面向产品的创新概念设计等课题，无一不体现着我国的科技发展动向。

　　4 总结

　　机械结构优化设计是一种新型的设计方法，机械结构优化设计的运用使设计质量和设计效率得到大幅度提高，满足了市场剧烈竞争的发展需要，有效缩短了产品的设计周期，具有重要意义。

　　参考文献

　　[1]王丽敏，计小辈，李颖芝.机械结构优化设计应用与趋势研究[J].邢台职业技术学院学报，2008，03：46-48.

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　　孙晓玲