機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高。不僅要求產(chǎn)品質(zhì)量好，性能可靠，結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理及造型美觀;而且具有國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的竟?fàn)幜Γ〉昧己玫慕?jīng)濟(jì)效果。由于機(jī)械產(chǎn)品大致要經(jīng)過(guò)五個(gè)階段:設(shè)計(jì)→調(diào)試→制造→銷售→使用。

眾所周知，任何機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)是產(chǎn)品正常生產(chǎn)和投入使用的前提，是工業(yè)發(fā)展的保證，因此，在設(shè)計(jì)上給予保證，是后期產(chǎn)品、機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)能夠達(dá)到生產(chǎn)要求的必要條件。然而，目前機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)多屬于所謂校核設(shè)計(jì)，這種以經(jīng)驗(yàn)類比為主的設(shè)計(jì)不但具有一定的盲目性，而且結(jié)果往往也不能令人滿意。雖然，近年來(lái)在產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)和零部件的某些參數(shù)設(shè)計(jì)上開展了優(yōu)化設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并取得了一定的效果，但是，這僅局限于機(jī)構(gòu)和零件某些參數(shù)的優(yōu)化，只能使產(chǎn)品達(dá)到局部?jī)?yōu)化的目的。

目前，機(jī)械產(chǎn)品綜合質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的需求導(dǎo)致優(yōu)化模型復(fù)雜度劇增。受制于現(xiàn)有尋優(yōu)算法和計(jì)算機(jī)的能力,難以實(shí)現(xiàn)一步到位的產(chǎn)品整體優(yōu)化,所以必須采用系統(tǒng)觀點(diǎn),將大系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題分解為若干個(gè)復(fù)雜度較低的子優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。協(xié)同優(yōu)化技術(shù)就是在這樣的背景下,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行工程,以及分布式人工智能技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的一種新的設(shè)計(jì)方法。它強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的角度出發(fā),利用分解與協(xié)調(diào)的方法,以獲得兼顧個(gè)體和全局的工程滿意解。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程的一般步驟

一、目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)中最關(guān)注的因素來(lái)定義，機(jī)械設(shè)計(jì)中最關(guān)心的是如何減小變形或應(yīng)力，因此目標(biāo)函數(shù)可以定義為極小化變形或應(yīng)力。

二、設(shè)計(jì)變量。參與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)統(tǒng)稱為設(shè)計(jì)變量。在工程優(yōu)化設(shè)計(jì)中參與的設(shè)計(jì)變量主要區(qū)分為2大類；表征結(jié)構(gòu)外型的幾何參數(shù)，如板的長(zhǎng)、寬、高尺寸，圓孔半徑等；為物理參數(shù)，如材料的彈性模量、密度、屈服極限、安全系數(shù)等。

三、約束條件。在優(yōu)化過(guò)程的迭代計(jì)算中，設(shè)計(jì)變量要受到某些條件的限制，這些限制統(tǒng)稱為約束條件，這些約束通常包括裝配位置限制條件，保證運(yùn)動(dòng)可能性的極值條件等。

四、選擇優(yōu)化方法并分析評(píng)估。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)絕大多數(shù)是有約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題，雖然目前已有很多方法可以采用，但要找出一種普遍適用的有效方法是很困難的，選擇優(yōu)化方法，必須對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行具體分析并對(duì)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果分析評(píng)估。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化類型

一、拓?fù)鋬?yōu)化。根據(jù)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，概括起來(lái)主要分為3大類（即參數(shù)優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化）優(yōu)化問(wèn)題。拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)通過(guò)一定的算法對(duì)小應(yīng)力區(qū)域的材料不斷剔除，在預(yù)先給定的設(shè)計(jì)空間中確定最優(yōu)的材料分布，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的零件幾何、框架結(jié)構(gòu)或者加強(qiáng)筋的布局，因此通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化不但能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的外形輪廓，而且可以得到最佳的加強(qiáng)筋概念模型，這對(duì)于全新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，有利于發(fā)揮設(shè)計(jì)員的創(chuàng)新能力，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

二、快速分析方法。性能函數(shù)的計(jì)算效率仍然是迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化是產(chǎn)品綜合性能優(yōu)化的一個(gè)重要方面,而且結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)綜合優(yōu)化越來(lái)越受到重視。近似分析技術(shù)可以有效縮短性能函數(shù)的計(jì)算時(shí)間,但是近似方法的應(yīng)用往往需要前期的大量準(zhǔn)備工作,而且還存在計(jì)算精度問(wèn)題。積極引入最新的計(jì)算技術(shù)是有效縮短性能函數(shù)計(jì)算時(shí)間,擴(kuò)大協(xié)同優(yōu)化應(yīng)用領(lǐng)域的有效途徑。

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用舉例

就上述的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程和條件舉一個(gè)例子：橋式高速數(shù)控龍門銑床是在國(guó)內(nèi)推出的新一代航空制造裝備，其中橫梁是很關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水平的好壞直接影響整個(gè)設(shè)備性能，對(duì)于橫梁的優(yōu)化主要從兩方面考慮：在不增加重量的前提下，使橫梁上的最大變形極小化，提高橫梁的靜剛度；優(yōu)化中初階固有頻率不小于設(shè)定值，提高橫梁的動(dòng)剛度。

展望

優(yōu)化問(wèn)題分解與協(xié)同優(yōu)化建模。優(yōu)化問(wèn)題分解方法的研究應(yīng)當(dāng)與協(xié)同優(yōu)化建模相結(jié)合。目前的優(yōu)化建模過(guò)程沒有考慮多學(xué)科子問(wèn)題之間的耦合,不同建模人員缺乏信息交流,給優(yōu)化問(wèn)題分解和協(xié)同優(yōu)化求解帶來(lái)諸多困難。因此,研究分布式環(huán)境下多成員參與的協(xié)同優(yōu)化建模方法,使優(yōu)化建模過(guò)程既易于考慮多學(xué)科之間的耦合因素,又易于發(fā)揮領(lǐng)域建模專家的技術(shù)特長(zhǎng),可望提高建模效率和建模質(zhì)量。