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機械工程設計的形狀優(yōu)化探索論文
摘要：對于機械工程設計的過(guò)程中，形狀優(yōu)化設計具有顯著(zhù)提升機械產(chǎn)品承載能力的作用，進(jìn)而減少產(chǎn)品發(fā)生裂損的可能性，進(jìn)而提升機械產(chǎn)品的應力集中狀況。所以，形狀優(yōu)化逐漸成為機械設計工作當中的重點(diǎn)內容，關(guān)注度明顯提升。本文將對機械工程設計中的形狀優(yōu)化的設計狀況進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。
關(guān)鍵詞：機械工程；設計；形狀優(yōu)化
引言
伴隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在快速進(jìn)步，傳統的機械工程設計工作無(wú)法繼續為當前機械生產(chǎn)服務(wù)，更無(wú)法適應當前快速發(fā)展的經(jīng)濟需要的機械產(chǎn)品，所以要對機械設計的方式以及手段進(jìn)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構特征，逐漸變成目前機械工程設計工作當中需要關(guān)注的問(wèn)題。
1建立形狀優(yōu)化模型
機械工程設計的過(guò)程，是漫長(cháng)的、要經(jīng)過(guò)多次重復計算、求解并進(jìn)行驗證的過(guò)程，所以為了提升機械工程設計的工作效率，并保證計算結構具有科學(xué)的準確性，就需要在常規設計的基礎上再次進(jìn)行形狀的優(yōu)化設計工作，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為尺寸優(yōu)化，也即機械工程的形狀優(yōu)化。形狀設計優(yōu)化是依照機械產(chǎn)品所規定的設計準則與使用規范標準作為基礎，進(jìn)而明確對應的目標函數的。其中包含機械工程中零部件的體積、使用壽命、重量、產(chǎn)品設計的成本、可靠性、運動(dòng)誤差等。對于機械工程設計的過(guò)程，變量指數一般都利用常規設計中的獨立參數作為參考，參數包含：梁側面的面積與角度、桿件的長(cháng)度。函數的約束條件是依照機械產(chǎn)品實(shí)際的設計需求以及使用功能作為規范進(jìn)行確定的，起重包含各類(lèi)工藝、裝配、性能（強度要求、剛度要求、穩定性要求）、費用等幾個(gè)方面內容。機械工程形狀優(yōu)化所使用的目標函數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(gè)公式內，F是表示目標函數的數值，m則是用來(lái)表示設計中會(huì )出現變量的個(gè)數，利用qc與qe表示其中的約束條件中不等式與等式的個(gè)數。機械工程設計中的形狀優(yōu)化設計工作，大都是對區域的各個(gè)邊界的幾何形狀作出改變，進(jìn)而減少機械產(chǎn)品結構所展示的特性，以及應力集中的狀況。所以在進(jìn)行形狀優(yōu)化設計的過(guò)程中，要依照設計目標和機械產(chǎn)品實(shí)際需求使用情況來(lái)確定結構的體積、疲勞使命、面積、應力集中系數等各項因素是最大值或是最小值。在對于機械工程設計形狀優(yōu)化的過(guò)程中，約束條件一般包含：材料許用的應力、結構振動(dòng)的限制條件、邊界位移的范圍以及設計變量的變化數據等。在進(jìn)行設計的過(guò)程中，設計人員要保證區域邊界的相對連續性，保證產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)與使用的要求。
2形狀優(yōu)化設計程序
機械工程設計中的形狀優(yōu)化設計的過(guò)程當中，設計人員要依照結構應力的有關(guān)分析技術(shù)，使用有限單元分析法對所優(yōu)化的機械結構中應力集中情況作出全面的、準確的、詳細的分析。之后依照機械設計中涉及的設計變量與目標函數之間所產(chǎn)生的隱式函數的，加強設計變量與目標函數中非線(xiàn)性關(guān)系的控制與約束�？茖W(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步與發(fā)展的過(guò)程中，當前的機械工程設計形狀優(yōu)化設計的工作當中，也要用商業(yè)性的軟件，比如NASTRAN、MSC等軟件，對以上的重點(diǎn)問(wèn)題側重的分析與計算，進(jìn)而保證機械工程設計形狀優(yōu)化工作朝著(zhù)信息化、現代化發(fā)展。機械工程設計形狀優(yōu)化迭代設計：在進(jìn)行機械工程設計形狀優(yōu)化的工作當中，迭代程序主要表現為：其一，迭代次數需要進(jìn)行設定，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(dòng)邊界形狀產(chǎn)生的曲線(xiàn)時(shí)，要對敏感的系數計算出來(lái)。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與目標函數之間產(chǎn)品的偏導數。這類(lèi)函數的變量基本都是因為位移數據與面力數據結合組成的，所以在明確其應力的發(fā)展情況下，就要對有關(guān)的位移數據與面力數據做分析與計算。設計人員要利用機械形狀應力的計算公式，計算出形狀設計變量中所包含了敏感性系統。其中，形狀設計中所包含的敏感系數即設計人員要結合有關(guān)的非線(xiàn)性數學(xué)規劃的方法，依照各部分得出的敏感性系數對各項數據進(jìn)行對比分析。最后分析結果要能滿(mǎn)足可行性條件與下降性條件時(shí)方可繼續進(jìn)行實(shí)施，如果結果無(wú)法滿(mǎn)足可行性條件與下降性條件，則要返回第二個(gè)公式繼續分析與計算。設計人員依照分析結果，利用有關(guān)的計算設計方式就會(huì )形成新的機械產(chǎn)品的具體形狀優(yōu)化結構。最后計算出滿(mǎn)意的形狀結構數據，就可以對機械產(chǎn)品的設計步驟進(jìn)行終止，退出軟件。如果計算出形狀結構數據無(wú)法滿(mǎn)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(gè)公式進(jìn)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(zhù)機械工程界的經(jīng)濟效益，有限元研究與應用都在不斷進(jìn)步，計算機進(jìn)一步普及與完善，都推動(dòng)人們對于機械工程形狀優(yōu)化設計的進(jìn)一步研究，國內外對于機械工程形狀優(yōu)化的需求越來(lái)越高。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機械設計技術(shù)也在不斷更新，產(chǎn)品的競爭環(huán)境越來(lái)越激烈，機械工程形狀優(yōu)化設計發(fā)展前景更廣闊。機械工程形狀設計需要具備幾項解決問(wèn)題的能力。其一，建模能力，可以利用數學(xué)法進(jìn)行描述的、不可用數學(xué)法進(jìn)行描述只能利用經(jīng)驗與知識進(jìn)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(lèi)設計模型的求解能力，例如隨機變量的優(yōu)化設計，需要考慮實(shí)際機械工程形狀優(yōu)化設計過(guò)程中無(wú)法避免的隨機因素，進(jìn)而采用隨機變量法進(jìn)行優(yōu)化設計。隨機變量的優(yōu)化設計包含確定性隨機設計變量、建立起隨機性目標函數、對隨機模型求解等。多學(xué)科協(xié)同對機械工程形狀優(yōu)化進(jìn)行設計，這種方法是將算法、數據分析、尋優(yōu)搜索策略、管理等各項因素整合起來(lái)，利用互相左右或者耦合形成的子系統進(jìn)行組合的系統優(yōu)化設計方案。其中包含，其一分解與分析。工程系統是利用哪些子系統進(jìn)行構成的、可以分解為哪些子系統，每個(gè)子系統中存在的變量、設計函數的詳細構成，子系統之間進(jìn)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。依照各個(gè)子系統之間的相互關(guān)系以及計算情況，利用人工參與的方式對系統進(jìn)行求解的進(jìn)程實(shí)施調控。
4結束語(yǔ)
機械工程形狀優(yōu)化是新型的設計方式，為機械形狀優(yōu)化設計提供了廣闊的發(fā)展空間以及上升空間，使得機械產(chǎn)品具有更高的市場(chǎng)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(jìn)行組成的，這就導致形狀的設計與優(yōu)化設計更加的重要。傳統的機械設計過(guò)程中，缺少對于機械零部件形狀的優(yōu)化設計工作，也沒(méi)有認真將其影響因素加入設計工作當中去，導致設計出的各種機械零部件都存在某些問(wèn)題或者缺陷。所以，未來(lái)的機械設計過(guò)程，要重點(diǎn)將機械零部件的形狀進(jìn)行優(yōu)化和設計工作，利用對零部件局部形狀的調整與完善，完善機械沿邊界的整體應力分布的情況，進(jìn)而使得沿邊界的應力能力更均勻，減少零件應力的居中問(wèn)題，推動(dòng)機械設計工作更科學(xué)、更現代化、更合理。
參考文獻：
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