1、1机械结构优化设计与应用趋势研究摘 要：基于最优化原理和计算技术的机械结构优化设计，能从众多的设计方案中找出最佳方案，从而大大提高了设计效率和质量。为此，本文对机械结构优化设计的方法和结构优化设计的几点措施以及机械结构优化的应用趋势进行分析。 关键词：机械结构；优化设计；应用趋势 随着现代科学技术的发展，市场产品竞争也越来越激烈，产品品种的换代速度加快，产品的复杂性在不断增加。所以产品生产正在以小批量、多品种的生产方式取代过去的单一品种大批量生产方式1。而这种生产方式，肯定会缩短产品的生产周期，产品的成本也会降低，产品提高市场的占有率和竞争力也会提高。所以在机械结构设计中采用优化设计是满足市场
2、竞争的需要。 1 机械结构优化设计方法 目前，机械结构优化设计的应用已经应用到各个领域，很多的机械产品在设计中都会采用优化设计，才用优化设计能解决结构重量扩展到降低应力水平，还还能改进结构性能以及提高产品安全寿命等问题。 对机械结构的尺寸优化设计的应用方法有：用遗传算法对空间杆桁架的杆截面进行尺寸优化，从而得到空间桁架较好的结构。对一些结构的形状优化设计方法有：用数值解法计算机械产品的形状优化，并采用数学规划的方法进行形状优化设计。下面介绍下在振动机械优化设计中2的对比分析 ： 筋板在连接结构的内壁，能提高其抗弯和抗扭刚度；对开式截面的结构，作用很明显；而对闭式结构作用影响不大。筋板作为壁板加
3、强时，刚度作用增强，能抵抗局部变形。 无论采用何种优化方法，在迭代过程中求解目标函数和约束函数的值是必不可少的，在一些方法中，需要求解目标函数和约束函数的 1 阶甚至 2 阶偏导数。这些约束函数往往是结构的性能要求，如结构的应力、位移、频率、稳定性、可靠性等，这些性能经常是设计变量的高阶非线性函数。如果采用经典的力学公式能获得满足工程要求的结果，则在优化过程中，不断调用这些公式计算当前函数值或导数值，就可以完成优化迭代。在这样的方法中，由于函数最终表达为显式，因而计算所化的时间和存储量以当前的计算机技术看来是不难做到的。但是，对于复杂的机械结构来说，采用力学公式求解往往就不能胜任了。在有限元等
4、数值方法快速发展的今天，自然被用在机械结构优化的分析中。由于这些数值方法应用广泛，可以求解结构的各类问题，包括静力、动力、弹塑性、热传导等，因此，随着计算机的软件和硬件技术快速发展，在过去经常被视作瓶颈的计算速度和存储量，对于一般的机械结构优化已经不是太大的问题时，机械结构优化中越来越多地采用数学规划+数值计算的模式。这种模式最大的优点是适应性好，使用方便，适合各类机械结构优化问题，包括大型杆系结构、三维连续体和板壳结构以及各种载荷和约束条件下的优化设计。但是，随着优化迭代次数的增加，重分析次数也大幅度上升，尤其对于大规模的结构问题，特别是涉及动力、可靠性3问题，如果单次有限元分析的时间就很长
5、，再加上求偏导数时的重分析时间将可能使求解变得过于耗时，以致不可行。 2 机械结构优化的应用趋势 结构优化设计随着最优化方法的不断发展和改善， 已逐渐得以发展。近些年来， 在结构优化结构算法的方面，结构优化设计偏向于采用接近实际的复杂结构模型来模拟一些大型结构系统， 由于设计的变量数目比较大，所以研究新的准则优化方法非常受到重视，但是如何去针对一些特殊的结构才设计相应的公式，解决在数值计算与推导实现的相关问题，同时还可以使用一些机械系统的分解与优化方法， 在机械结构优化中，可以按优化多级分解或进行子结构分解，对于一些多学科的较为复杂的系统可以采用学科分解优化的方法。分解的算法关键在于如何去建立
6、各个子问题之间的耦合关系，比如可以通过采用线性分解和使用最优解对参数的灵敏度等方法来建立起耦合关系，让一些子问题的解相容，从而确保迭代收敛，但是问题是怎样保证一定能求解。并采用计算技术应用到结构优化设计中去。像人工神经网络， 遗传算法等方法， 在最近十余年来被机械结构优化设计的发展很快。它们对连续混合与离散变量的全局优化， 这对发展结构近似重分析的专家系统有重要的作用。现在的问题就是该如何去提高优化精度、质量、加快收敛， 增加方法的通用性2。形状优化、拓扑优化和材料优化的集成在机械结构优化中具有非常重要的价值，是并行结构优化的重要组成部分，也是以后的研究重点。 拓扑优化在结构优化中是重要的参考
7、依据， 让复杂部件和结构在概念设计阶段即可理性地、灵活地优选方案，并有可能解决一些大型实际4结构优化设计。拓扑优化在研究中所提出的均匀化等方法，可以将形状优化、布局优化和材料选择集成一体，为机械设计结构、工艺和材料提供科学的手段。但是如果要处理一些庞大的优化模型和有限元的计算量非常大，应力需要约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失有可能会引起计算模型病态等问题。 机械结构优化技术在工程机械设计中的具有非常重要的实用价值，如要解决优化设计中有限元模型的庞大性问题、多学科设计与解决结构优化问题交叉问题。对于机械设备、结构和机构的健壮性与可靠性是机械设计时非常关心的问题， 综合考虑健壮性、可
8、靠性及成本的全性能优化设计方法、理论及其应用，则会给出更加接近实际的结果，应当应予重视3。在研究这类问题中，对包括随机性和模糊性的不确定因素也应当应予注意。为增强优化设计尽可能的为工程实际所服务， 进一步开展设计的实用性。所以开发和完善通用性的结构化设计软件已经变得十分迫切。 从近几年来国家自然科学基金所资助的项目来看，单就机械学科相关的优化设计的项目就有将近 20 项，其中包括广义优化设计，模糊优化，全性能优化设计，分解优化设计，可靠性优化，人机一体化设计与光机电一体化，有机械传动系统性能优化也有基于人工神经网络的复杂结构优化研究，复杂机电耦合设计理论与方法与系统解耦研究以及机电产品的绿色设计方法与理论等，在今年还提出的轧制件模具的现代设计方法，面向产品的创新的概念设计等课题， 这些方面的研究充分反映出我国已经非常重视机械设计的研究工作和机械机构优化设计的发展方向4。 5参考文献 1 张红友.优化结构设计减少建筑投资成本J.陕西建筑，2008（11）. 2 秦东晨，陈江义等.机械结构优化设计的综述与展望J.工程论坛，2005， （9）： 3 史凤兰.机械结构优化设计发展综述J.中国科技信息.2010（22） 4 秦东晨，陈江义等.机械结构优化设计的综述与展望J.工程论坛，2005， （9）：
