機械工程設(shè)計的形狀優(yōu)化探索

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摘要：對于機械工程設(shè)計的過程中，形狀優(yōu)化設(shè)計具有顯著提升機械產(chǎn)品承載能力的作用，進而減少產(chǎn)品發(fā)生裂損的可能性，進而提升機械產(chǎn)品的應力集中狀況。所以，形狀優(yōu)化逐漸成為機械設(shè)計工作當中的重點內(nèi)容，關(guān)注度明顯提升。本文將對機械工程設(shè)計中的形狀優(yōu)化的設(shè)計狀況進行簡要的分析。

關(guān)鍵詞：機械工程；設(shè)計；形狀優(yōu)化

0引言

伴隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，科學技術(shù)也在快速進步，傳統(tǒng)的機械工程設(shè)計工作無法繼續(xù)為當前機械生產(chǎn)服務，更無法適應當前快速發(fā)展的經(jīng)濟需要的機械產(chǎn)品，所以要對機械設(shè)計的方式以及手段進行更加合理的修改與優(yōu)化。其中，對于機械各零部件的形狀設(shè)計的優(yōu)化工作能更好的改善機械產(chǎn)品受力的情況以及結(jié)構(gòu)特征，逐漸變成目前機械工程設(shè)計工作當中需要關(guān)注的問題。

1建立形狀優(yōu)化模型

機械工程設(shè)計的過程，是漫長的、要經(jīng)過多次重復計算、求解并進行驗證的過程，所以為了提升機械工程設(shè)計的工作效率，并保證計算結(jié)構(gòu)具有科學的準確性，就需要在常規(guī)設(shè)計的基礎(chǔ)上再次進行形狀的優(yōu)化設(shè)計工作，這個過程被稱為尺寸優(yōu)化，也即機械工程的形狀優(yōu)化。形狀設(shè)計優(yōu)化是依照機械產(chǎn)品所規(guī)定的設(shè)計準則與使用規(guī)范標準作為基礎(chǔ)，進而明確對應的目標函數(shù)的。其中包含機械工程中零部件的體積、使用壽命、重量、產(chǎn)品設(shè)計的成本、可靠性、運動誤差等。對于機械工程設(shè)計的過程，變量指數(shù)一般都利用常規(guī)設(shè)計中的獨立參數(shù)作為參考，參數(shù)包含：梁側(cè)面的面積與角度、桿件的長度。函數(shù)的約束條件是依照機械產(chǎn)品實際的設(shè)計需求以及使用功能作為規(guī)范進行確定的，起重包含各類工藝、裝配、性能（強度要求、剛度要求、穩(wěn)定性要求）、費用等幾個方面內(nèi)容。機械工程形狀優(yōu)化所使用的目標函數(shù)一般都使用下面的公式表示。MinimizeF（X）X=[x1，x2…xm]Ts1t1gt（X）=0hj（X）≤0（i=1，2，…，qc＜m，j=1，2，…，qe≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤這個公式內(nèi)，F(xiàn)是表示目標函數(shù)的數(shù)值，m則是用來表示設(shè)計中會出現(xiàn)變量的個數(shù)，利用qc與qe表示其中的約束條件中不等式與等式的個數(shù)。機械工程設(shè)計中的形狀優(yōu)化設(shè)計工作，大都是對區(qū)域的各個邊界的幾何形狀作出改變，進而減少機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所展示的特性，以及應力集中的狀況。所以在進行形狀優(yōu)化設(shè)計的過程中，要依照設(shè)計目標和機械產(chǎn)品實際需求使用情況來確定結(jié)構(gòu)的體積、疲勞使命、面積、應力集中系數(shù)等各項因素是最大值或是最小值。在對于機械工程設(shè)計形狀優(yōu)化的過程中，約束條件一般包含：材料許用的應力、結(jié)構(gòu)振動的限制條件、邊界位移的范圍以及設(shè)計變量的變化數(shù)據(jù)等。在進行設(shè)計的過程中，設(shè)計人員要保證區(qū)域邊界的相對連續(xù)性，保證產(chǎn)品能夠滿足產(chǎn)品生產(chǎn)與使用的要求。

2形狀優(yōu)化設(shè)計程序

機械工程設(shè)計中的形狀優(yōu)化設(shè)計的過程當中，設(shè)計人員要依照結(jié)構(gòu)應力的有關(guān)分析技術(shù)，使用有限單元分析法對所優(yōu)化的機械結(jié)構(gòu)中應力集中情況作出全面的、準確的、詳細的分析。之后依照機械設(shè)計中涉及的設(shè)計變量與目標函數(shù)之間所產(chǎn)生的隱式函數(shù)的詳細情況，加強設(shè)計變量與目標函數(shù)中非線性關(guān)系的控制與約束?？茖W技術(shù)在不斷進步與發(fā)展的過程中，當前的機械工程設(shè)計形狀優(yōu)化設(shè)計的工作當中，也要用商業(yè)性的軟件，比如NASTRAN、MSC等軟件，對以上的重點問題側(cè)重的分析與計算，進而保證機械工程設(shè)計形狀優(yōu)化工作朝著信息化、現(xiàn)代化發(fā)展。機械工程設(shè)計形狀優(yōu)化迭代設(shè)計：在進行機械工程設(shè)計形狀優(yōu)化的工作當中，迭代程序主要表現(xiàn)為：其一，迭代次數(shù)需要進行設(shè)定，即k=2，并使用G作為當前機械產(chǎn)品所產(chǎn)生的形狀作為替代展示。其二，在改變與移動邊界形狀產(chǎn)生的曲線時，要對敏感的系數(shù)計算出來。對于機械產(chǎn)品形狀優(yōu)化的工作當中，要利用需要約束函數(shù)與目標函數(shù)之間產(chǎn)品的偏導數(shù)。這類函數(shù)的變量基本都是因為位移數(shù)據(jù)與面力數(shù)據(jù)結(jié)合組成的，所以在明確其應力的發(fā)展情況下，就要對有關(guān)的位移數(shù)據(jù)與面力數(shù)據(jù)做分析與計算。設(shè)計人員要利用機械形狀應力的計算公式，計算出形狀設(shè)計變量中所包含了敏感性系統(tǒng)。其中，形狀設(shè)計中所包含的敏感系數(shù)即設(shè)計人員要結(jié)合有關(guān)的非線性數(shù)學規(guī)劃的方法，依照各部分得出的敏感性系數(shù)對各項數(shù)據(jù)進行對比分析。最后分析結(jié)果要能滿足可行性條件與下降性條件時方可繼續(xù)進行實施，如果結(jié)果無法滿足可行性條件與下降性條件，則要返回第二個公式繼續(xù)分析與計算。設(shè)計人員依照分析結(jié)果，利用有關(guān)的計算設(shè)計方式就會形成新的機械產(chǎn)品的具體形狀優(yōu)化結(jié)構(gòu)。最后計算出滿意的形狀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，就可以對機械產(chǎn)品的設(shè)計步驟進行終止，退出軟件。如果計算出形狀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)無法滿足有關(guān)機械產(chǎn)品的需求，就要利用K+1，再次利用第二個公式進行計算。

3機械工程形狀優(yōu)化的發(fā)展趨勢

機械工程形狀優(yōu)化影響著機械工程界的經(jīng)濟效益，有限元研究與應用都在不斷進步，計算機進一步普及與完善，都推動人們對于機械工程形狀優(yōu)化設(shè)計的進一步研究，國內(nèi)外對于機械工程形狀優(yōu)化的需求越來越高。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，機械設(shè)計技術(shù)也在不斷更新，產(chǎn)品的競爭環(huán)境越來越激烈，機械工程形狀優(yōu)化設(shè)計發(fā)展前景更廣闊。機械工程形狀設(shè)計需要具備幾項解決問題的能力。其一，建模能力，可以利用數(shù)學法進行描述的、不可用數(shù)學法進行描述只能利用經(jīng)驗與知識進行描述的、介于兩者之間的三種能力。其二，求解能力，要具有各類設(shè)計模型的求解能力，例如隨機變量的優(yōu)化設(shè)計，需要考慮實際機械工程形狀優(yōu)化設(shè)計過程中無法避免的隨機因素，進而采用隨機變量法進行優(yōu)化設(shè)計。隨機變量的優(yōu)化設(shè)計包含確定性隨機設(shè)計變量、建立起隨機性目標函數(shù)、對隨機模型求解等。多學科協(xié)同對機械工程形狀優(yōu)化進行設(shè)計，這種方法是將算法、數(shù)據(jù)分析、尋優(yōu)搜索策略、管理等各項因素整合起來，利用互相左右或者耦合形成的子系統(tǒng)進行組合的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案。其中包含，其一分解與分析。工程系統(tǒng)是利用哪些子系統(tǒng)進行構(gòu)成的、可以分解為哪些子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)中存在的變量、設(shè)計函數(shù)的詳細構(gòu)成，子系統(tǒng)之間進行求解的順序，耦合程度以及相互輸出與輸入的靈敏程度等等。其二綜合和協(xié)調(diào)。依照各個子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系以及計算情況，利用人工參與的方式對系統(tǒng)進行求解的進程實施調(diào)控。

4結(jié)束語

機械工程形狀優(yōu)化是新型的設(shè)計方式，為機械形狀優(yōu)化設(shè)計提供了廣闊的發(fā)展空間以及上升空間，使得機械產(chǎn)品具有更高的市場競爭力。此外，機械工程所使用的各種零部件都是各種幾何形狀要不同尺寸進行組成的，這就導致形狀的設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計更加的重要。傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程中，缺少對于機械零部件形狀的優(yōu)化設(shè)計工作，也沒有認真將其影響因素加入設(shè)計工作當中去，導致設(shè)計出的各種機械零部件都存在某些問題或者缺陷。所以，未來的機械設(shè)計過程，要重點將機械零部件的形狀進行優(yōu)化和設(shè)計工作，利用對零部件局部形狀的調(diào)整與完善，完善機械沿邊界的整體應力分布的情況，進而使得沿邊界的應力能力更均勻，減少零件應力的居中問題，推動機械設(shè)計工作更科學、更現(xiàn)代化、更合理。

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