机械产品设计的结构整合

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机械产品设计中结构优化技术

随着科学技术的发展，产品更新换代速度加快，对产品的要求越来越高。不仅要求产品质量好，性能可靠，结构先进合理及造型美观;而且具有国内外市场的竟争力，取得良好的经济效果。由于机械产品大致要经过五个阶段:设计→调试→制造→销售→使用。

众所周知，任何机械产品的优化设计是产品正常生产和投入使用的前提，是工业发展的保证，因此，在设计上给予保证，是后期产品、机械设计参数能够达到生产要求的必要条件。然而，目前机械产品设计多属于所谓校核设计，这种以经验类比为主的设计不但具有一定的盲目性，而且结果往往也不能令人满意。虽然，近年来在产品的机构和零部件的某些参数设计上开展了优化设计及计算机辅助设计，并取得了一定的效果，但是，这仅局限于机构和零件某些参数的优化，只能使产品达到局部优化的目的。

目前，机械产品综合质量优化设计的需求导致优化模型复杂度剧增。受制于现有寻优算法和计算机的能力,难以实现一步到位的产品整体优化,所以必须采用系统观点,将大系统优化问题分解为若干个复杂度较低的子优化问题进行求解。协同优化技术就是在这样的背景下,随着计算机技术、网络技术、并行工程,以及分布式人工智能技术的发展而逐步发展起来的一种新的设计方法。它强调从系统的角度出发,利用分解与协调的方法,以获得兼顾个体和全局的工程满意解。

结构优化设计过程的一般步骤

一、目标函数。目标函数根据设计中最关注的因素来定义，机械设计中最关心的是如何减小变形或应力，因此目标函数可以定义为极小化变形或应力。

二、设计变量。参与结构优化设计的参数统称为设计变量。在工程优化设计中参与的设计变量主要区分为2大类；表征结构外型的几何参数，如板的长、宽、高尺寸，圆孔半径等；为物理参数，如材料的弹性模量、密度、屈服极限、安全系数等。

三、约束条件。在优化过程的迭代计算中，设计变量要受到某些条件的限制，这些限制统称为约束条件，这些约束通常包括装配位置限制条件，保证运动可能性的极值条件等。

四、选择优化方法并分析评估。机械优化设计绝大多数是有约束的非线性规划问题，虽然目前已有很多方法可以采用，但要找出一种普遍适用的有效方法是很困难的，选择优化方法，必须对具体问题进行具体分析并对优化计算结果分析评估。

产品设计的优化类型

一、拓扑优化。根据机械优化设计的特点，概括起来主要分为3大类（即参数优化、形状优化、拓扑优化）优化问题。拓扑优化是根据设定的目标通过一定的算法对小应力区域的材料不断剔除，在预先给定的设计空间中确定最优的材料分布，设计出最优的零件几何、框架结构或者加强筋的布局，因此通过拓扑优化不但能产生结构的外形轮廓，而且可以得到最佳的加强筋概念模型，这对于全新结构的设计是非常关键的，有利于发挥设计员的创新能力，提高产品的市场竞争力。

二、快速分析方法。性能函数的计算效率仍然是迫切需要解决的关键技术问题之一。结构性能优化是产品综合性能优化的一个重要方面,而且结构的动静态综合优化越来越受到重视。近似分析技术可以有效缩短性能函数的计算时间,但是近似方法的应用往往需要前期的大量准备工作,而且还存在计算精度问题。积极引入最新的计算技术是有效缩短性能函数计算时间,扩大协同优化应用领域的有效途径。

机械产品设计中结构优化技术的应用举例

就上述的优化设计过程和条件举一个例子：桥式高速数控龙门铣床是在国内推出的新一代航空制造装备，其中横梁是很关键的结构，设计水平的好坏直接影响整个设备性能，对于横梁的优化主要从两方面考虑：在不增加重量的前提下，使横梁上的最大变形极小化，提高横梁的静刚度；优化中初阶固有频率不小于设定值，提高横梁的动刚度。

展望

优化问题分解与协同优化建模。优化问题分解方法的研究应当与协同优化建模相结合。目前的优化建模过程没有考虑多学科子问题之间的耦合,不同建模人员缺乏信息交流,给优化问题分解和协同优化求解带来诸多困难。因此,研究分布式环境下多成员参与的协同优化建模方法,使优化建模过程既易于考虑多学科之间的耦合因素,又易于发挥领域建模专家的技术特长,可望提高建模效率和建模质量。