機械產(chǎn)品設(shè)計中結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，對產(chǎn)品的要求越來越高。不僅要求產(chǎn)品質(zhì)量好，性能可靠，結(jié)構(gòu)先進合理及造型美觀;而且具有國內(nèi)外市場的竟爭力，取得良好的經(jīng)濟效果。由于機械產(chǎn)品大致要經(jīng)過五個階段:設(shè)計→調(diào)試→制造→銷售→使用。

眾所周知，任何機械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計是產(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)計上給予保證，是后期產(chǎn)品、機械設(shè)計參數(shù)能夠達到生產(chǎn)要求的必要條件。然而，目前機械產(chǎn)品設(shè)計多屬于所謂校核設(shè)計，這種以經(jīng)驗類比為主的設(shè)計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，近年來在產(chǎn)品的機構(gòu)和零部件的某些參數(shù)設(shè)計上開展了優(yōu)化設(shè)計及計算機輔助設(shè)計，并取得了一定的效果，但是，這僅局限于機構(gòu)和零件某些參數(shù)的優(yōu)化，只能使產(chǎn)品達到局部優(yōu)化的目的。

目前，機械產(chǎn)品綜合質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計的需求導致優(yōu)化模型復雜度劇增。受制于現(xiàn)有尋優(yōu)算法和計算機的能力,難以實現(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,將大系統(tǒng)優(yōu)化問題分解為若干個復雜度較低的子優(yōu)化問題進行求解。協(xié)同優(yōu)化技術(shù)就是在這樣的背景下,隨著計算機技術(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)展起來的一種新的設(shè)計方法。它強調(diào)從系統(tǒng)的角度出發(fā),利用分解與協(xié)調(diào)的方法,以獲得兼顧個體和全局的工程滿意解。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程的一般步驟

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

二、設(shè)計變量。參與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的參數(shù)統(tǒng)稱為設(shè)計變量。在工程優(yōu)化設(shè)計中參與的設(shè)計變量主要區(qū)分為2大類；表征結(jié)構(gòu)外型的幾何參數(shù)，如板的長、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)化過程的迭代計算中，設(shè)計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，保證運動可能性的極值條件等。

四、選擇優(yōu)化方法并分析評估。機械優(yōu)化設(shè)計絕大多數(shù)是有約束的非線性規(guī)劃問題，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，必須對具體問題進行具體分析并對優(yōu)化計算結(jié)果分析評估。

產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)化類型

一、拓撲優(yōu)化。根據(jù)機械優(yōu)化設(shè)計的特點，概括起來主要分為3大類（即參數(shù)優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化）優(yōu)化問題。拓撲優(yōu)化是根據(jù)設(shè)定的目標通過一定的算法對小應(yīng)力區(qū)域的材料不斷剔除，在預先給定的設(shè)計空間中確定最優(yōu)的材料分布，設(shè)計出最優(yōu)的零件幾何、框架結(jié)構(gòu)或者加強筋的布局，因此通過拓撲優(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筋概念模型，這對于全新結(jié)構(gòu)的設(shè)計是非常關(guān)鍵的，有利于發(fā)揮設(shè)計員的創(chuàng)新能力，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

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

機械產(chǎn)品設(shè)計中結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用舉例

就上述的優(yōu)化設(shè)計過程和條件舉一個例子：橋式高速數(shù)控龍門銑床是在國內(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)計水平的好壞直接影響整個設(shè)備性能，對于橫梁的優(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，提高橫梁的動剛度。

展望

優(yōu)化問題分解與協(xié)同優(yōu)化建模。優(yōu)化問題分解方法的研究應(yīng)當與協(xié)同優(yōu)化建模相結(jié)合。目前的優(yōu)化建模過程沒有考慮多學科子問題之間的耦合,不同建模人員缺乏信息交流,給優(yōu)化問題分解和協(xié)同優(yōu)化求解帶來諸多困難。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)化建模過程既易于考慮多學科之間的耦合因素,又易于發(fā)揮領(lǐng)域建模專家的技術(shù)特長,可望提高建模效率和建模質(zhì)量。