机械结构优化设计应用及趋势探析

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摘要：机械结构优化设计影响了机械制造业发展，需要科研人员继续对该方面加强研究。基于此，从机械结构优化设计应用现状入手，讨论机械结构优化设计内容，最后提出机械结构优化设计趋势，希望对相关研究提供一定的参考。

关键词：机械结构优化设计应用趋势

引言

对于机械生产企业来讲，要想提升自身市场竞争力必须对产品设计研发加以重视，全面提升产品性能，从单一化生产模式向着多样化生产模式转变。优化机械结构设计之后可以全面提升生产效率，让产品更有市场竞争力，促进企业的长远发展，最终推动我国工业经济发展。

1机械结构优化设计应用现状

在社会经济和科学技术飞速发展的背景下，产品更新换代速度开始提升，而机械制造领域当中，机械生产规模也在扩大，使得传统的小规模生产方式无法适应社会发展需求。从机械制造企业的角度讲，为了全面提升产品性能，扩大市场份额，需要重视产品的优化设计，调整产品结构，由此增强机械产品的生产性能，延长产业链。20世纪60年代起我国机械制造开始发展，随着机械结构设计和制造的进步以及方案的优化，有效提升了产品质量和生产效率。如今我国机械制造优化设计推动了建筑、冶金、汽车和航空航天等产业发展，并且为今后的机械结构优化设计积累了一定经验。在市场经济大背景下，产品结构优化设计作为一种全新的生产模式，为企业发展带来了巨大帮助。新时期需要从缩短生产周期、降低生产成本出发，积极利用工程设计学，加强与其他学科的结合，然后优化设计方案。在具体应用过程中，需要考虑以下三个方面：确定目标函数，在设计过程中根据函数开展设计工作，以此达到技术指标；调整变量，产品设计期间结合实际需求调整产品的厚度、长度、弧度等变量，并且在前期设计环节明确超出变量的浮动范围；评价方案完成相关设计之后对不同方案评价，将最佳方案用于产品生产[1]。

2机械结构优化设计内容

随着市政、机场、港口、水利水电等基础设施建设规模越来越大，汽车起重机市场的需求也增加。该背景下纵目科技近年来加强了对倒车雷达传感器结构的研究，并且加强了对超声波谐振机械结构的优化设计，这一过程中改良结构工艺十分关键，为此技术人员优化了产品的振膜尺寸、形状、固定结构等方面设计（如图1、图2），大大改善了产品性能，迎合了机械工业发展的趋势。

2.1机械结构尺寸优化

在工业技术不断进步的背景下，机械产品的生产性能得到提升。新时期对机械生产质量要求更高，所以在机械结构设计期间要充分考虑产品设计尺寸带来的影响，传统的机械产品设计环节主要是采用零部件组合的方法进行设计，如果某个部件未满足生产规格或者尺寸未达到相关要求，将对整个产品性能产生影响。此外，机械产品运行期间会出现不同程度磨损，而当前的机械生产环节诸多机械产品尺寸精度要求较高，为达到技术规定必须挖掘计算机技术优势，将机械设备的尺寸和性能参数等数据记录其中，为后续的优化工作开展打下良好基础。

2.2结构设计形状优化

机械产品的形状与性能关系密切，通过优化机械结构、形状可有效提升机械设备性能，不过优化机械结构形状具有一定难度，特别是制造业当中，大型机械设备的内部结构较为复杂，并且不同型号、不同性能的设备，其构架形状也存在差异，难以统一划分，增大了机械结构优化设计难度。20世纪80年代开始，我国机械结构优化设计开始兴起，有专家对机器人结构进行形状优化设计，并分析了装校机器人关键件结构，使得产品质量显著提升。

2.3多学科结构的优化设计

近年来机械结构优化设计当中，对多学科结构优化设计进行了大量分析，尤其是在信息技术飞速发展的背景下，学科之间的融合不断加强，如果采取单一的学科进行产品设计难以确保产品结构优化设计达到既定目标，所以今后的机械结构优化设计需要实现多学科的融合，促进数学、物理学、计算机等学科的结合，发挥不同学科优势，由此提升机械结构设计效果，推动机械制造业发展。

2.4结构设计拓扑优化

在以往的机械结构优化设计期间，将重点放在优化结构参数方面，对拓扑优化的研究偏少。随着机械制造技术的更新，研究人员开始对拓扑结构进行深入分析，并取得一定科研成果。目前拓扑结构优化集中在连续结构以及离散结构的研究当中。具体为，在连续的拓扑结构当中主要是结合孔洞的个数、形状以及分布特点优化和升级对等边界；离散结构的优化主要是结合不同连接方式特征。从关键点的角度优化和升级，在操作过程中需要确定不同关键点位置，由此增强机械产品性能。

2.5机械结构设计动态性能优化

对于机械产品动态性能来讲，就是机械结构受外力作用影响下产生的外形变化规律和运动参数。在机械产品动态性能下可体现承受的工作强度和使用寿命，要求在实际设计和生产过程中，基于相同工况下优化机械结构的动态性能设计，进而降低工作负担，提升可承受工作强度，最终延长使用寿命。

2.6MOD理论的应用

在科技发展的背景下，机械结构优化设计开始对多学科设计优化理论进行研究，可以对机械结构优化设计提供理论支持，让机械结构优化效果接近预期目标，提升产品质量，促进结构优化设计工作向着理论化、系统化以及科学化方向发展。

3机械结构优化设计趋势

社会经济的发展需要科学技术作为保障，机械生产是重要的生产力，同样对机械制造行业发展以及社会发展起到了重要作用。近年来相关学者和专家加强了机械结构优化设计的研究，通过有限元分析法并结合计算机技术实现了机械产品的优化升级，让产品性能得到显著提升，相关产品在市场中具有良好竞争力，部分产品已销往国外，进一步增加了企业收入。结构模型的复杂化以及结构系统大型化是机械结构优化设计的主要特点，在优化机械结构过程中设计变量显著提升，并且对结构分析难度数值计算都产生了影响，这是由于复杂产品设计过程中需要相关公式作为依据，所以在复杂的或者大型结构系统升级过程中需要分解成子系统，并且根据不同学科特征有效提升机械结构优化设计水平[2]。随着信息技术的发展，可以和不同产业规划与目标结合，进一步提升产品生产效率与性能。从应用原理讲，主要是对遗传算法以及模仿神经网络人工算法进行利用，进而有效提升生产水平。今后拓扑结构优化设计依旧是重要内容，通过设计模型可以为机械结构优化设计方案提供科学基础，有效提升产品设计科学性。在实际过程中也需要合理调整产品性能，并结合设计方案的重点，合理选择结构模型，根据不同机械产品形状、尺寸之间的差异优化拓扑结构设计。在当前的机械结构优化设计过程中会受到应力约束的影响，并且存在着计算机模型病态和多孔状材料问题，需要根据拓扑结构优势，优化机械结构。如今，我国将拓扑结构研究作为今后的重点，技术人员也要在政府要求和市场需求下加强研究，将重点放在全能性广义角度和模糊优化等方面，并且在设计过程中提升建模能力求解能力和设计后处理能力，在多学科协同优化设计过程中关注分解分析以及综合协调。

4结语

随着社会经济的飞速发展，对机械产品需求也在增加，而机械产品的更新换代速度也在加快，要求机械制造企业在今后设计和生产过程中缩短生产周期，不断实现机械结构的优化升级，这样才能提升自身的市场竞争力。

参考文献

[1]林高峰.机械结构优化设计的应用及趋势探究[J].百科论坛电子杂志，2019，11（24）：631.

[2]刘云娟.基于机械结构优化设计应用与趋势研究[J].数字化用户，2019，25（12）：271.

作者:吴金灯 单位:纵目科技（厦门）有限公司