機械產品設計中結構優化技術

隨著科學技術的發展，產品更新換代速度加快，對產品的要求越來越高。不僅要求產品質量好，性能可靠，結構先進合理及造型美觀;而且具有國內外市場的竟爭力，取得良好的經濟效果。由于機械產品大致要經過五個階段:設計→調試→制造→銷售→使用。

眾所周知，任何機械產品的優化設計是產品正常生產和投入使用的前提，是工業發展的保證，因此，在設計上給予保證，是后期產品、機械設計參數能夠達到生產要求的必要條件。然而，目前機械產品設計多屬于所謂校核設計，這種以經驗類比為主的設計不但具有一定的盲目性，而且結果往往也不能令人滿意。雖然，近年來在產品的機構和零部件的某些參數設計上開展了優化設計及計算機輔助設計，并取得了一定的效果，但是，這僅局限于機構和零件某些參數的優化，只能使產品達到局部優化的目的。

目前，機械產品綜合質量優化設計的需求導致優化模型復雜度劇增。受制于現有尋優算法和計算機的能力,難以實現一步到位的產品整體優化,所以必須采用系統觀點,將大系統優化問題分解為若干個復雜度較低的子優化問題進行求解。協同優化技術就是在這樣的背景下,隨著計算機技術、網絡技術、并行工程,以及分布式人工智能技術的發展而逐步發展起來的一種新的設計方法。它強調從系統的角度出發,利用分解與協調的方法,以獲得兼顧個體和全局的工程滿意解。

結構優化設計過程的一般步驟

一、目標函數。目標函數根據設計中最關注的因素來定義，機械設計中最關心的是如何減小變形或應力，因此目標函數可以定義為極小化變形或應力。

二、設計變量。參與結構優化設計的參數統稱為設計變量。在工程優化設計中參與的設計變量主要區分為2大類；表征結構外型的幾何參數，如板的長、寬、高尺寸，圓孔半徑等；為物理參數，如材料的彈性模量、密度、屈服極限、安全系數等。

三、約束條件。在優化過程的迭代計算中，設計變量要受到某些條件的限制，這些限制統稱為約束條件，這些約束通常包括裝配位置限制條件，保證運動可能性的極值條件等。

四、選擇優化方法并分析評估。機械優化設計絕大多數是有約束的非線性規劃問題，雖然目前已有很多方法可以采用，但要找出一種普遍適用的有效方法是很困難的，選擇優化方法，必須對具體問題進行具體分析并對優化計算結果分析評估。

產品設計的優化類型

一、拓撲優化。根據機械優化設計的特點，概括起來主要分為3大類（即參數優化、形狀優化、拓撲優化）優化問題。拓撲優化是根據設定的目標通過一定的算法對小應力區域的材料不斷剔除，在預先給定的設計空間中確定最優的材料分布，設計出最優的零件幾何、框架結構或者加強筋的布局，因此通過拓撲優化不但能產生結構的外形輪廓，而且可以得到最佳的加強筋概念模型，這對于全新結構的設計是非常關鍵的，有利于發揮設計員的創新能力，提高產品的市場競爭力。

二、快速分析方法。性能函數的計算效率仍然是迫切需要解決的關鍵技術問題之一。結構性能優化是產品綜合性能優化的一個重要方面,而且結構的動靜態綜合優化越來越受到重視。近似分析技術可以有效縮短性能函數的計算時間,但是近似方法的應用往往需要前期的大量準備工作,而且還存在計算精度問題。積極引入最新的計算技術是有效縮短性能函數計算時間,擴大協同優化應用領域的有效途徑。

機械產品設計中結構優化技術的應用舉例

就上述的優化設計過程和條件舉一個例子：橋式高速數控龍門銑床是在國內推出的新一代航空制造裝備，其中橫梁是很關鍵的結構，設計水平的好壞直接影響整個設備性能，對于橫梁的優化主要從兩方面考慮：在不增加重量的前提下，使橫梁上的最大變形極小化，提高橫梁的靜剛度；優化中初階固有頻率不小于設定值，提高橫梁的動剛度。

展望

優化問題分解與協同優化建模。優化問題分解方法的研究應當與協同優化建模相結合。目前的優化建模過程沒有考慮多學科子問題之間的耦合,不同建模人員缺乏信息交流,給優化問題分解和協同優化求解帶來諸多困難。因此,研究分布式環境下多成員參與的協同優化建模方法,使優化建模過程既易于考慮多學科之間的耦合因素,又易于發揮領域建模專家的技術特長,可望提高建模效率和建模質量。