机械结构优化设计应用与趋势研究

李香,杨秀丽,陈淑清

摘要：在机械加工过程中，机械结构优化设计非常重要，应用的面也较广泛，提高机械结构优化设计质量具有现实的意义。本文对机械结构优化设计的概念进行了论述，从航空航天工程、船舶工业设计、机床工业设计及汽车工业设计四个方面对机械结构优化设计应用进行了说明，最后指出拓扑和材料优化、动态特性设计是未来机械结构优化设计的发展方向。

关键词：机械结构；优化设计；发展趋势

随着我国机械工业的不断发展，对于高性能、高智能机械的需求量越来越大，研究机械结构优化设计应用和趋势就显得非常重要。机械结构优化设计从广义上讲指的是结构尺寸、结构形式、拓扑优化和布局优化，从优化性能上来讲是指可靠性指标、材料性能、动力性能及控制结构等的优化。机械结构优化设计可以看作是一种研究结构设计理论和方法的过程。到了现代，机械结构参数优化的理论不断完善，形式和拓扑优化等开始应用于实际工程问题解决中，拓宽了机械结构优化设计应用领域。本文对机械机构设计应用方面及趋势进行分析，希望对机械结构优化设计提供帮助借鉴。

一、机械结构优化设计应用

1.在航空航天工程设计中应用

航空航天属于我国战略产业，对于机械零件质量要求很高，同时一套精密化的机械结构设计方式也能提高飞行器的运行质量。目前，普通的制造业已经满足不了航空航天科技需求，需要一套新型的机械机构优化理论和设计方法。涡轮盘是飞行器发动机的重要零部件，是发动机承压部件，如果遇到不好飞行环境，涡轮盘在高速旋转中会产生受力不匀情况，造成对涡轮盘的影响。在结构优化设计中，一般是从材料强度大小方面入手，通过优化设计，让安装节内真正受压部位的压力得到分散，从而减少对涡轮盘的损伤。同时在飞机机身、机翼、火箭发动机壳体等方面很多研究者也可以通过对结构形式和控制系统进行优化，使得飞行器飞行更稳，减少了安全事故的发生。

2.在船舶工业设计中应用

我国船舶制造工业一直非常强大，各种大体积和高动力型船舶提高了远航能力，但是随着国外船舶技术的不断发展，我们也应该从机械机构优化设计方面入手，提高船舶设计的精密度。船舶结构优化设计主要采用准则设计方法和数学规划设计方法。准则设计主要是从船舶结构力学角度出发，规定一些优化必须满足的准则，最后通过这些准则达到优化设计的迭代公式方法，这种设计的优点为收敛速度快，与优化问题的规模关系不大，非常适合船舶工业这种材料使用面积大、能耗高，允许偏差小的工业产品。数学规划设计可以提高船舶机械结构设计的灵敏度，通过单目标排序法、函数评价法等，科学合理的实现船舶目标设计。通过这些方法可实现在追求船舶重量和目标基础上，满足信息化对船舶行驶精度的要求，满足新型船舶发展要求。

3.机床工业设计中的应用

机床尤其是数控机床在传统机械工业中具有重要的作用，随着新型机床技术的出现，完善数控机床机械结构设计水平非常重要。我国数控机床技术与日本、德国等制造业发达国家还有一定的差距，主要体现在机械结构优化设计方面。数控机床结构设计需要遵循一定的流程，首先要运用人工神经网络、实验模态法、矩阵传递法等来建模；其次要对设计方法进行优化，根据数控机床的应用环境、精密性要求等选用以最小值为基础的优化设计、以变分为原理的优化设计以及以能量和模态柔度平衡优化进行设计。随着机床结构优化设计技术不断发展，目前，有限元建模法、Ansys软件等已经应用在设计过程中，进一步提高了数控机床结构设计的质量。

4.汽车工业结构设计应用

我国的汽车工业蓬勃发展，国产自主研发汽车的能力逐渐提高，但是一些重要部件仍需进口，同时汽车机械结构设计与发达国家也有一些差距。汽车工业机械结构设计应该着眼于未来，重点以概念设计、汽车总布置、结构设计和优化为主。在新概念汽车设计中，要考虑新材料、新工艺和新装备与汽车结构的适应性，具备整车创新设计能力；在汽车结构总布置中，可以利用计算机动态协调机制，构建参数化整车和车身几何特征模型，实现结构设计与车身装备的一体化；在车设结构优化设计中，可以融入强度与疲劳分析方法、多目标优化法与不确定优化等现代车身设计方法，从结构上减少零部件的数量，最终实现轻量化和安全性要求。

二、机械结构优化设计应用趋势分析

1.拓扑和材料优化发挥重要价值

在机械结构优化设计中，不管是航天领域还是汽车制造等领域，拓扑和材料优化结构设计都将会受到重视。拓扑优化通过给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化，可为机械结构设计方案提供更科学的数据，复杂结构和部件在概念设计初期就能灵活的找到设计方案，提高设计灵敏度。材料优化结构设计通过对机械组成各个部位的材料进行重新匹配，可以让不同种类材料得到均匀分布，提高机械强度，降低成本。因此，拓扑和材料优化提高了机械结构优化设计质量，需要引起我们的注意。

2.

动态特性优化成为研究重要方向

动态特性优化是机械结构优化设计中的重要方法，通过对机械结构静态和动态问题进行分析，采用变法法和最优控制论能建立动态规划模型，使得机械结构设计少走弯路，可解决机械结构优化与多学科设计问题中的交叉问题，从而提高机械结构设计精密度。在应用动态特性优化时，设计人员要结合机械使用环境、需要达到的性能以及运行指标等随机调整动态特性参数，实现从设计方案的优化到加工工艺过程优化思路转变，最终满足机械工业发展的各种要求。

结语

综上所述，机械结构优化设计对于提升我国机械设计质量具有重要的意义，也是我国迈向机械大国的必经路线。在以往的机械结构优化设计中，很多设计人员忽视结构优化设计方法的应用，往往凭借设计经验进行机械结构优化，使得机械结构发挥不出应有的效果，最终影响了机械性能。下一步，在机械结构设计优化中，设计人员要创新机械结构设计理念，将拓扑技术、动态特性优化等应用在结构设计中，使我国机械结构设计水平迈向世界前列。

参考文献

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