机械工程设计中的形状优化探讨.pdf

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1、机械工程设计中的形状优化探讨柴文彬(装甲兵工程学院，北京100072)摘要：随着我国工业技术的不断发展．工业企业对于机械工程中的形状设计要求越来越高，如何缩短设计周期、提高设计质量已经成为机械工程设计方领域的重要研究课题之一，本文对机械工程设计中形状优化的有关方案进行了详细的阐述。关键词：形状优化：设计；机械工程提高机械设计方案的科学性与合理性离不开优化设计方案的支持，运用先进的设计方案对复杂问题进行分析，能够进一步提高设计效率与设计质量。同时，在数字化技术的大力推动下，形状优化设计的手段与方法也得到了极大的丰富。1结构优化设计思路优化结构设计首先要设计出一套基于可选设计空间、先决条件以

2、及载荷的原型结构。所生成的初始设计方案一方面要能够符合频率、刚度以及强度等方面的要求，以成本最优与重量最轻为优化目标。在概念设计阶段需要通过拓扑优化技术对基本结构形状进行判定，拓扑优化可以在现有的设计空间内，依照特定的边界条件对初始设计方案参数进行计算，根据计算结果所生成的设计样机既要与产品设计要求相符合，也需要利用形状优化技术对结构重量与生成成本进行控制。由此可知，形状优化与拓扑优化是提升结构方案设计的重要手段，能够对比较复杂的部件与结构设计方案进行理性、灵活的设计。各项结构优化设计方法所涉及到的优化结构判断、优化分析与算法各不相同。具体的优化思路与步骤如下：第一，划分最大设计区域；第

3、二，利用有限元网格技术对设计区域进行划分；第三，设定运动约束与指定载荷；第四，指定支持与载荷之间所需要的最少材料以及合理的材料分布；第五，进行应力分析；第六，对优化结果进行合理性分析。在优化设计程序方面，设计人员需要综合运用各种手段对结构应力进行分析，准确、全面并且详细地计算结构的集中应力情况。依照机械设计中日标函数与设计变量之间的隐式函数，计算并分析目标函数的敏感性，强化对目标函数与设计变量之间非线性关系的约束与控制。随着计算机技术与形状优化理论的不断发展，应用于形状设计的有限元软件种类也越来越多，当前我国工业企业所广泛使用的有限元软件主要包含ANSYS、NASTRAN以及MSC等，利

4、用专业的有限元软件能够大幅提升数据处理效率，使优化设计工作的信息化程度与科学化水平越来越高。2机械结构优化设计方法与应用结构优化设计广泛应用于建筑、水利、汽车以及船舶等领域，该技术能够有效降低结构应力与结构重量，进而实现提高安全寿命与改进结构性能两方面的目标。具体的优化设计手段主要包含三种类型。2．1准则法准则法能够利用工程经验与力学概念生成最优设计准则，这种优化设计方法在应用方面的优势主要体现在该技术具有明确的物理意义与简便的应用方法，降低重分析次数并且具有较快的收敛速度。准则法通常应用于形状优化设计的应力集中控制方面。由于结构拓扑优化技术所需要处理的数据量十分庞大，因此准则法在优化算

5、法中的地位不可替代。2_2数学规划方法数学规划方法基于规划理论，该方法也是当前优化设计工作的主要方法，许多设计问题都可以通常相关的软件与技术进行处理，设计人员需要依照不同问题所体现出来的特点对具体的规划方案进行有针对性的设计。2．3遗传算法遗传算法以达尔文进化论为基础，用新型的多点计算技术替代传统的单点计算，从生物群体的角度对对象系统进行分析，所得到的结果可以直接看作是全局或系统的最优解。在现实的生产环节中，许多问题都可以通过遗传算法与数学规划来得出解决方案，遗传算法主要应用于机械结构优化设计领域。3机械结构优化设计发展趋势随着机械结构优化设计技术的不断成熟，该技术为工业企业创造的经济效

6、益也越来越多，在有限元技术不断发展的过程中，计算机技术与有限元技术相结合成为可能，使得结构优化设计在国内外工业企业的应用前景越来越广阔。未来一段时期优化技术的发展趋势可以概括为以下几个方面。第一，机械结构优化设计的建模能力越来越强。新型的结构优化设计离不开建模技术的支持，所谓建模能力指的是能够通过数学方法进行描述的，不能够凭借数学方法而只能够利用知识与经验来进行描述的第三大类；第二，求解能力越来越强，求解能力指的是对于不同种类设计模型的求解能力。若在优化设计过程中采用随机变量优化手段，设计人员需要对结构设计中所必然遇到的各种随机因素进行综合性考虑，进而从优化设计的角度对随机变量进行处理。

7、随机变量优化设计的具体工作环节主要包含模型求解、建立目标函数以及确定随机变量等；第三，多学科协同设计。该设计手段是将数据分析管理、寻优级搜索以及算法等技术有机结合起来所形成的一种新型优化技术。具体包含综合与协调、分解与分析两个部分。其中综合与协调指的是依照不同子系统的计算情况与相互之间的关系，以人工操作为辅助手段来调控整体求解过程。分解与分析指的是对构成工程系统的子系统进行确认，根本目的在于明确求解次序、分解设计函数以及确定系统变量