机械结构优化设计发展应用综述

机械结构优化设计发展应用综述

摘要：随着计算机技术的飞速发展和数值计算方法的广泛应用，工程设计领域在设计方法和技术创新方面有了巨大的发展和进步。这也大大推动了现代工程领域的技术进步和创新。优化设计就是其中发展最快的设计方法之一。

关键词：机械结构;优化设计;发展

引言

机械优化设计是最优化理论、电子计算机技术与机械工程相结合的一门学科。早在二十世纪五十年代以前，工程设计问题的最佳决策还只是限于古典数学中的微分法和变分法，或用拉格朗日乘子法解决等式约束问题。

1.机械结构优化设计的应用概况

1.1通用机械和机床通用机械和机床的结构优化设计也是一个机械结构优化设计成功应用的领域，把有限元技术与优化技术结合，机械结构优化设计对大型复杂机械结构的设计是一种有效、精确的方法。由于一般的机械零部件都是连续体结构，结构分析非常复杂，进行结构优化设计比较困难。国内的相关研究比较突出，发表了大量的研究论文和报告。通过这些研究工作的开展，机械和机床的设计有了一种快速，有效、可靠的设计方法，提高了机械产品的设计水平。

1.2汽车工业是一个不断创新，发展的重要行业，各个国家和地区都十分重视汽车工业的发展。因此，先进的机械结构优化设计方法也就在此行业得到推广和应用，国内外出现了大量的研究成果。隋允康等研究了把DDDU-2软件包应用于汽车的结构优化设计：冯振东等进行了万向节传动布局的支承动态结果优化设计;田振中研究了特种汽车车身的结构设计;冯国胜对汽车加工的结构优化设计进行了研究。目前汽车工业已经成为机械结构优化设计广泛应用的一个领域。

1.3船舶工业船舶结构优化设计方法研究相对起步较晚，我国自20世纪70年代末开始研究船舶结构优化设计，比国外差不多晚了10年。但是，我国的船舶结构优化设计也取得了较大的成果，在潜艇结构、中小型集装箱结构、游船剖面、潜艇外部液压舱等结构优化设计方面进行了研究，提高了相关研究对象的性能，为船舶设计提供了一种可靠、精确的设计方法。

1.4航空航天技术代表着一个国家科学技术的综合水平与实力，大量的先进科学技术首先在航空航天领域推广应用或发明、开发，而机械结构优化设计发展最快、应用最广和作用最大的领域也在航空航天。由于该领域的特殊地位，机械结构优化设计得到了广泛的应用和充分的重视。

1.5其它机械结构优化设计在其它工业领域也有许多应用的实例。宋天霞等开展并完成了大型水轮机结构优化设计的研究;刘扬等进行了石油钻井井架的结

构优化设计;陈树勋等对双模轮台硫化机横梁进行了结构优化设计;赵洪激等进行了高压往复泵维形阀结构优化设计的研究，等等。

2.机械结构动态设计的内容及关键技术

2.1机械结构动态设计的内容

2.1.1建立一个切合实际的动力学模型

机械结构的动力学模型有着极其重要的作用。在机床设计阶段，建立动力学模型，可以进行动态分析和设计;预估机床结构的动态特性，分析薄弱环节，寻求改进措施;用数字仿真方法，比较各种设计方案和结构，并为设计自动化打下基础。建模的方法有：有限元法、传递矩阵法、实验模态法、混合建模法、利用人工神经网络理论建模。

2.1.2选择有效的结构动态优化设计方法

结构动态优化设计是对系统设计变量的初始参数，通过计算，作出必要的修改，使机械机构的动态性能在规定的约束条件下达到最优。目前，动态设计的优化正处于发展与完善阶段，从现有的资料来看，系统的动态优化设计方法可分为3类：基于模态柔度和能量平衡的动态优化设计、基于变分原理的动态优化设计和基于最小值原理的动态优化。

根据优化设计问题的特点（如约束问题），选择适当的优化方法是非常关键的，因为同一个问题可以有多种方法，而有的方法可能会导致优化设计的结果不符合要求。选择优化方法有四个基本原则：效率要高、可靠性要高、采用成熟的计算程序、稳定性要好。另外选择适当的优化方法还需要个人经验，深入分析优化模型的约束条件、约束函数及目标函数，根据复杂性、准确性等条件对它们进行正确的选择和建立

2.2机械结构动态设计的关键技术

机械结构动态设计的关键技术有：结构结合部参数的辨识;系统中阻尼矩阵的确定;模型的修正方法;以设计变量直接作为优化变量，实现结构动力学的求解方法;寻求更快速、更准确的结构动态特性重分析模型与方法。结构动态设计的发展主要集中在对关键技术的研究上，结合面在整机性能研究中的主要作用，世界各国的众多学者对其进行了大量的研究，也取得了大量的研究成果。随着人工神经网络技术和模糊设计技术的发展，国、内外许多研究人员把神经网络技术和模糊设计技术引人动态设计过程中，为结构动态设计提供了全新的思路。

3.机械结构优化的发展

3.1机械结构的拓扑优化过去一般机械结构优化设计主要集中在结构参数的优化和设计，面对于机械零部件的拓扑结构很少涉及。但是随着人们对机械产品

设计创新意识的提高，特别是机械产品概念设计的提出和应用。人们对结构优化设计提出了更高的要求——机械产品的结构拓扑优化设计。

3.2机械结构的形状优化在机械零部件中，连续体结构非常多，形状比较复杂;结构分析存在一定难度，而结构形状对机械零部件的性能影响很大。因此，机械零部件的形状优化可以大大提高其性能。机械结构的形状优化也是提高零部件机械性能的重要方法之一。

3.3机械系统结构动态优化设计机械产品的动态性能对其强度、寿命等影响很大，机械结构的动态性优化设计是结构优化设计的一个重要方向。由于结构的动态特性分析非常复杂，特别是大型复杂结构，对其进行动态优化设计将极富研究价值和应用价值。

4.结束语

总之，机械结构的动态设计是以计算机仿真、建模为基础，集计算机技术、机械动力学、有限元和优化设计方法为一体，由多学科知识组成的综合系统技术，是机械结构动力学设计与分析在计算机环境中数字化、图象化的映射，通过虚拟动态环境，进行虚拟产品开发，对产品的动态特性做出分析，大大提高了机床的整机性能。

参考文献：

[1]张文元，吴知丰.遗传算法在建筑结构优化设计中的应用[J].哈尔滨建筑大学学报，1999年04期

[2]秦东晨，陈江义，胡滨生，王丽霞.机械结构优化设计的综述与展望[J].中国科技信息，2005年09期

[3]龙慧.论机械产品的现代设计方法[J].稀有金属与硬质合金，2001年03期