机械结构优化设计的应用趋势

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机械产品与人们的生活以及生产活动的开展紧密相连，但是随着社会的快速发展，市场经济成为主导，机械生产企业之间竞争加剧，很多企业遭遇到越来越多的挑战，比如居高不下的生产成本以及较长的生产周期，都成为这些企业急需突破的关键要点。越来越多的机械生产企业在通过应用结构优化设计方法以后，发现能够在保证质量的前提下实现成本的下降与生产周期的缩短，大大提升了企业的上产效率以及经济效益。本文就将借用《机械结构优化设计（第2版）》一书，重点挖掘下机械结构优化设计的应用以及探讨其发展趋势，以供大家参考。

由北京理工大学出版社出版、姚寿文，崔红伟所著的《机械结构优化设计（第2版）》一书共有八个章节的内容。第一章是本书的绪论部分，主要讲解了结构优化的基本思想、结构设计基本过程、结构优化问题的通用数学描述、三种类型的结构优化问题以及离散和分布参数系统；第二章是有关离散结构优化建模与分析的内容，该章重点讲解了何时应力约束两杆桁架质量最小、应力和稳定约束两杆桁架质量最小、应力和位移约束两杆桁架质量最小、应力约束三杆桁架质量最小、刚度约束三杆桁架质量最小；第三章是有关凸规划基本理论的内容，主要涉及优化设计问题的极值、局部极值和全局极值、函数的凸性、KKT条件、拉格朗日对偶法；第四章介绍了序列显式凸近似方法，该章主要内容有嵌套问题的一般求解过程、序列线性规划、序列二次规划方法、凸线性化、移动渐近线法；第五章介绍了离散结构柔度优化问题，主要讲解了问题描述的方法、嵌套方程及其特性以及嵌套方程数值解；第六章是灵敏度分析的基本方法讲解，具体有数值法与解析法，同时也指导了如何对虚载荷进行解析计算第七章是二维形状优化的讲解，该章主要内容有形状表达方法、几何设计约束的处理、网格划分和结点灵敏度计算以及二维形状优化的灵敏度分析总结；第八章是对二维连续体拓扑优化的讲解，该章具体内容有二维弹性体、优化设计问题、99行拓扑优化MATLAB程序。

本书结构简单，内容安排合理，适合作为机械类专业高年级本科生、研究生的教材使用，也可供相关研究人员或技术人员参考。针对当下机械机构优化设计的应用方法，结合《机械结构优化设计（第2版）》一书，笔者将从以下几点阐述机械结构优化设计的应用及趋势研宄。第一，机械结构优化设计的应用。机械结构优化设计的初衷是为了提升机械产品的性能，降低生产成本以及缩短生产周期，而机械结构作为实物，具有形状、尺寸、材质等天然特性，因此机械结构优化方向也会以其特性调整作为优化基础，甚至会配以相互间的整合，实现优化效果的完成。具体的优化方法有：结构设计形状优化、结构设计尺寸优化、结构设计拓扑优化、结构设计动态性能优化、多学科结构的优化设计等等。但是选用那种优化方法，或者是否进行多元优化方法的融合，则是需要遵循一定的科学步骤才行。

首先需要确定机械结构优化设计的目标函数，以作为优化设计的技术指标要求；其次需要确认好设计函数变量，这些变量一般取值于产品的弧度、长度、厚度等；再者设定好优化条件，确保优化设计可控、可实现；最后再进行方案评定，对多个设计方案进行评价分析，以确定最佳方案。第二，机械结构优化设计的发展趋势。随着计算机技术的快速发展，机械结构优化设计将计算机技术做为设计辅助将能够获得很好的助力。比如借助计算机的建模能力，能够更加全面且直观地获得产品优化设计中的各类参数，从而能够更为快速的发现设计中的局部不足，从而能够进行调整和替换，进一步提升优化设计的效率；比如借助计算机机的计算能力，将设计优化限定条件、优化函数方程导入计算机，能够准确快速地获得设计函数的值，并且在此过程中，通过对比，能够快速获得最优解，实现劳动力的释放，提升设计优化工作效率以及成本的控制。同时随着科学的发展，人们越来越注重多学科的知识叠加，以实现处理能力的提升。

机械产品本身涉及物理、化学、数学等多学科领域的知识，产品的生产涉及经济学等，因此需要设计者进一步提升自身多学科协同优化设计的能力，能够在不同的阶段，结合产品需求、外围环境，制定机械结构设计优化的多元化、协调化方案，从而真正实现结构设计优化设计的最大价值，提升机械企业的核心竞争力。

作者：滕硕 吴小平