機械結構優(yōu)化設計的應用與展望

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1機械結構優(yōu)化設計的應用與展望摘要：所謂優(yōu)化設計就是在規(guī)定的各種設計限制條件下，將實際設計問題首先為最優(yōu)化問題，然后運用最優(yōu)化理論和方法，在電子計算機上進行自動調優(yōu)計算，滿足各種設計要求及限制條件的全部可行方案中，選定出最優(yōu)設計方案，本文從機械結構優(yōu)化設計的發(fā)展出發(fā)，簡述了機械結構優(yōu)化設計的主要關鍵技術與理論．介紹機械結構優(yōu)化設計的應用，同時還展望機械結構優(yōu)化方法的發(fā)展動向關鍵詞：優(yōu)化，結構，應用，設計 一、機械結構優(yōu)化設計的關鍵技術與理論機械結構優(yōu)化設計中有許多的關鍵技術與理論，它們對機械結構優(yōu)化設計的發(fā)展和應用起著十分重要的作用。歸結起來，其中的主要關鍵技術與理論有以下幾個方面：機械結構優(yōu)化設計的思想和理論；優(yōu)化方法；建模技術；結構分析技術；結構重分析技術；敏度分析技術；軟件開發(fā)技術。機械結構優(yōu)化設計的研究與開發(fā)主要集中在這幾個方面，不斷有新的理論、方法與技術出現(xiàn)，也有一些其他學科的相關知識和新理論被引入結構優(yōu)化設計，并且大大拓寬了該方法的應用領域和范圍，為機械結構優(yōu)化設計的發(fā)展注入了新的活力。二、機械結構優(yōu)化設計的應用1.航空航天航空航天技術代表著一個國家科學技術的綜合水平與實力，大2量的先進科學技術首先在航空航天領域推廣應用或發(fā)明、開發(fā)，而機械結構優(yōu)化設計發(fā)展最快、應用最廣和作用最大的領域也在航空航天。由于該領域的特殊地位，機械結構優(yōu)化設計得到了廣泛的應用和充分的重視。目前，結構優(yōu)化設計的大量研究集中在航空航天領域，同時也發(fā)表了大量的研究論文和研究報告。國內進行了有關飛機機身、飛機翼面、飛機結構整體、火箭發(fā)動機殼體、航空發(fā)動機輪盤、機身承力框架等結構優(yōu)化設計方面的研究，發(fā)表了許多論文。而在國外，有關結構優(yōu)化設計在航空航天工業(yè)中應用的研究更是層出不窮，發(fā)表了大量的研究報告和論文，一些著名的結構優(yōu)化設計專家學者都在從事該領域的研究等。我國的航空航天工業(yè)已經取得了巨大的成功，其中機械結構優(yōu)化設計應用是其重要的因素之一，而且必將成為越來越大的角色之一，為我國航?？蘸教焓聵I(yè)的發(fā)展做出很大的貢獻。2.船舶工業(yè)船舶結構優(yōu)化設計方法的研究相對起步較晚，我國開始研究船舶結構優(yōu)化設計比國外晚了近十年。但是，我國的船舶結構優(yōu)化設計也取得了較大的成果，在潛艇結構、中小型集裝箱結構、油船剖面、潛艇外部液壓艙等結構優(yōu)化設計方面進行了研究，提高了相關研究對象的性能，為船舶設計提供了一種可靠、精確的設計方法。3.通用機械和機床通用機械和機床的結構優(yōu)化設計也是一個機械結構優(yōu)化設計成功應用的領域，把有限元技術與優(yōu)化技術結合起來，機械結構優(yōu)化3設計對大型復雜機械結構件的設計是一種有效、精確的方法。由于一般的機械零部件都是連續(xù)體結構，結構分析非常復雜，進行結構優(yōu)化設計比較困難。國內的相關研究比較突出，發(fā)表了大量的研究論文和報告，陳立周、孫煥純等根據(jù)機械設計中離散設計變量較多的情況，提出了離散設計變量結構優(yōu)化設計方法；孫靖民、米成秋對機床床身等部件進行了結構優(yōu)化設計；周濟等研究了圓柱拉壓彈簧動載下的結構優(yōu)化設計；鐘毅芳、唐增寶等進行了液力傳動系和雙級齒輪減速器的結構優(yōu)化設計研究；方宗德等完成了斜齒輪三維修形的優(yōu)化設計；秦東晨、方剛等完成了復雜箱形梁的結構優(yōu)化設計研究等。通過這些研究工作的開展，通用機械和機床的設計有了一種快速、有效、可靠的設計方法，提高機械產品的設計水平。4.汽車工業(yè)汽車工業(yè)是一個不斷創(chuàng)新、發(fā)展的重要行業(yè)，各個國家和地區(qū)都十分重視汽車工業(yè)的發(fā)展。因此，先進的機械結構優(yōu)化設計方法也就在此行業(yè)得到推廣和應用，國內外出現(xiàn)了大量的研究成果。馮振東等進行了萬向節(jié)傳動布局的支承動態(tài)結構優(yōu)化設計；田振中研究了特種汽車車身的結構優(yōu)化設計；馮國勝對汽車車架的結構優(yōu)化設計進行了研究；章一鳴等研究了汽車懸掛系統(tǒng)的優(yōu)化設計；上官文斌等進行了發(fā)動機懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設計；秦東晨等對汽車車身進行了結構優(yōu)化設計等。汽車工業(yè)已經成為機械結構優(yōu)化設計廣泛應用的一個領域。三、機械結構優(yōu)化設計的展望4結構優(yōu)化設計隨著最優(yōu)化方法的不斷發(fā)展和改善，已逐漸得以發(fā)展。拓撲優(yōu)化、材料優(yōu)化和形狀優(yōu)化的集成在機械結構和部件設計中具有重要的實用價值，是近年來出現(xiàn)的并行設計的重要組成部分，仍將是下一步研究工作的重點。拓撲優(yōu)化能夠為結構的方案設計提供科學的依據(jù)，使復雜結構和部件在概念設計階段即可靈活地、理性地優(yōu)選方案，有望用于大型實際結構優(yōu)化設計求解。拓撲優(yōu)化研究中提出的均勻化方法等，可以將材料選擇，布局優(yōu)化和形狀優(yōu)化集成一體，為并行地設計材料、工藝和結構提供科學的手段，有關方法的研究，實用化軟件開發(fā)及應用是有意義的。但是要處理龐大的有限元和優(yōu)化模型計算量增大，應力約束處理、對“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失可能會對計算模型造成病態(tài)等問題。動態(tài)特性優(yōu)化是機械系統(tǒng)和結構設計應用研究的一個重要方向。特征向量、動力響應量的靈敏度分析、高度密集頻率的動力學問題的分析和優(yōu)化設計，大型動力優(yōu)化問題的建模和求解方法，非線性分析在優(yōu)化中的應用，使優(yōu)化技術的作用從對設計方案的優(yōu)化延伸到加工工藝過程的優(yōu)化，仍是極富有研究和應用價值。結構優(yōu)化技術在工程設計中的進一步推廣應用仍具實用價值，要解決優(yōu)化設計的有限元模型的龐大性，解決結構優(yōu)化與多學科設計問題交叉問題。對于機構、結構和機械設備的可靠性與健壯性是大型工業(yè)裝備設計時十分關心的問題，綜合考慮可靠度，健壯性及成本的全性能優(yōu)化設計理論、方法及其應用，將給出更為接近實際5的結果，應予重視。在這類問題的研究中，對包括模糊性和隨機性的不確定因素應予注意。為促進優(yōu)化設計為工程實際服務，進一步開展實用性，通用性的結構化設計軟件的開發(fā)和完善工作也是十分迫切的。參考文獻：１. 史鳳蘭，機械結構化設計發(fā)展綜述，[Ｊ]２０１５２. 王小非，機械結構優(yōu)化設計應用[Ｊ]２０１５