机械结构优化设计的应用与展望

摘 要：所谓优化设计就是在规定的各种设计限制条件下，将实际设计问题首先转为最优化问题，然后运用最优化理论和方法，在电子计算机上进行自动调优计算，从满足各种设计要求及限制条件的全部可行方案中，选定出最优设计方案。本文从机械结构优化设计的发展出发，简述了机械结构优化设计的主要关键技术与理论，介绍了机械结构优化设计的应用，同时还展望机械结构优化方法的发展动向。

关键词：机械结构；优化设计；应用；展望

一、机械结构优化设计的关键技术与理论

机械结构优化设计中有许多的关键技术与理论，它们对机械结构优化设计的发展和应用起着十分重要的作用。归结起来，其中的主要关键技术与理论有以下几个方面：

机械结构优化设计的思想和理论；优化方法；建模技术；结构分析技术；结构重分析技术；敏度分析技术；软件开发技术。机械结构优化设计的研究与开发主要集中在这几个方面，不断有新的理论、方法与技术出现，也有一些其他学科的相关知识和新理论被引入结构优化设计，并且大大拓宽了该方法的应用领域和范围，为机械结构优化设计的发展注入了新的活力。

二、机械结构优化设计的应用

1.航空航天

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。目前，结构优化设计的大量研究集中在航空航天领域，同时也发表了大量的研究论文和研究报告。国内进行了有关飞机机身、飞机翼面、飞机结构整体、火箭发动机壳体、航空发动机轮盘、机身承力框架等结构优化设计方面的研究，发表了许多论文。而在国外，有关结构优化设计在航空航天工业中应用的研究更是层出不穷，发表了大量的研究报告和论文，一些著名的结构优化设计专家学者都在从事该领域的研究等。我国的航空航天工业已经取得了巨大的成功，其中机械结构优化设计应用是其重要的因素之一，而且必将成为越来越大的角色之一，为我国航海空航天事业的发展做出很大的贡献。

2.船舶工业

船舶结构优化设计方法的研究相对起步较晚，我国开始研究船舶结构优化设计比国外晚了近十年。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、油船剖面、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。

3.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起来，机械结构优化设计对大型复杂机械结构件的设计是一种有效、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，陈立周、孙焕纯等根据机械设计中离散设计变量较多的情况，提出了离散设计变量结构优化设计方法；孙靖民、米成秋对机床床身等部件进行了结构优化设计；周济等研究了圆柱拉压弹簧动载下的结构优化设计；钟毅芳、唐增宝等进行了液力传动系和双级齿轮减速器的结构优化设计研究；方宗德等完成了斜齿轮三维修形的优化设计；秦东晨、方刚等完成了复杂箱形梁的结构优化设计研究等。通过这些研究工作的开展，通用机械和机床的设计有了一种快速、有效、可靠的设计方法，提高机械产品的设计水平。

4.汽车工业

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。冯振东等进行了万向节传动布局的支承动态结构优化设计；田振中研究了特种汽车车身的结构优化设计；冯国胜对汽车车架的结构优化设计进行了研究；章一鸣等研究了汽车悬挂系统的优化设计；上官文斌等进行了发动机悬置系统的优化设计；秦东晨等对汽车车身进行了结构优化设计等。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。

三、机械结构优化设计的展望

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。

拓扑优化、材料优化和形状优化的集成在机械结构和部件设计中具有重要的实用价值，是近年来出现的并行设计的重要组成部分，仍将是下一步研究工作的重点。拓扑优化能够为结构的方案设计提供科学的依据，使复杂结构和部件在概念设计阶段即可灵活地、理性地优选方案，有望用于大型实际结构优化设计求解。拓扑优化研究中提出的均匀化方法等，可以将材料选择，布局优化和形状优化集成一体，为并行地设计材料、工艺和结构提供科学的手段，有关方法的研究，实用化软件开发及应用是有意义的。但是要处理庞大的有限元和优化模型计算量增大，应力约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失可能会对计算模型造成病态等问题。

动态特性优化是机械系统和结构设计应用研究的一个重要方向。特征向量、动力响应量的灵敏度分析、高度密集频率的动力学问题的分析和优化设计，大型动力优化问题的建模和求解方法，非线性分析在优化中的应用，使优化技术的作用从对设计方案的优化延伸到加工工艺过程的优化，仍是极富有研究和应用价值。

结构优化技术在工程设计中的进一步推广应用仍具实用价值，要解决优化设计的有限元模型的庞大性，解决结构优化与多学科设计问题交叉问题。对于机构、结构和机械设备的可靠性与健壮性是大型工业装备设计时十分关心的问题，综合考虑可靠度，健壮性及成本的全性能优化设计理论、方法及其应用，将给出更为接近实际的结果，应予重视。在这类问题的研究中，对包括模糊性和随机性的不确定因素应予注意。为促进优化设计为工程实际服务，进一步开展实用性，通用性的结构化设计软件的开发和完善工作也是十分迫切的。

参考文献：

[1]史凤兰.机械结构优化设计发展综述[J].中国科技信息，2010，No.41122：134+129.

[2]王丽敏，计小辈，李颖芝.机械结构优化设计应用与趋势研究[J].邢台职业技术学院学报，2008，No.7203：46-48.

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