机械工程设计的形状优化探索

摘要：对于机械工程设计的过程中，形状优化设计具有显著提升机械产品承载能力的作用，进而减少产品发生裂损的可能性，进而提升机械产品的应力集中状况。所以，形状优化逐渐成为机械设计工作当中的重点内容，关注度明显提升。本文将对机械工程设计中的形状优化的设计状况进行简要的分析。

关键词：机械工程；设计；形状优化

0引言

伴随着社会经济的快速发展，科学技术也在快速进步，传统的机械工程设计工作无法继续为当前机械生产服务，更无法适应当前快速发展的经济需要的机械产品，所以要对机械设计的方式以及手段进行更加合理的修改与优化。其中，对于机械各零部件的形状设计的优化工作能更好的改善机械产品受力的情况以及结构特征，逐渐变成目前机械工程设计工作当中需要关注的问题。

1建立形状优化模型

机械工程设计的过程，是漫长的、要经过多次重复计算、求解并进行验证的过程，所以为了提升机械工程设计的工作效率，并保证计算结构具有科学的准确性，就需要在常规设计的基础上再次进行形状的优化设计工作，这个过程被称为尺寸优化，也即机械工程的形状优化。形状设计优化是依照机械产品所规定的设计准则与使用规范标准作为基础，进而明确对应的目标函数的。其中包含机械工程中零部件的体积、使用寿命、重量、产品设计的成本、可靠性、运动误差等。对于机械工程设计的过程，变量指数一般都利用常规设计中的独立参数作为参考，参数包含：梁侧面的面积与角度、杆件的长度。函数的约束条件是依照机械产品实际的设计需求以及使用功能作为规范进行确定的，起重包含各类工艺、装配、性能（强度要求、刚度要求、稳定性要求）、费用等几个方面内容。机械工程形状优化所使用的目标函数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≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤这个公式内，F是表示目标函数的数值，m则是用来表示设计中会出现变量的个数，利用qc与qe表示其中的约束条件中不等式与等式的个数。机械工程设计中的形状优化设计工作，大都是对区域的各个边界的几何形状作出改变，进而减少机械产品结构所展示的特性，以及应力集中的状况。所以在进行形状优化设计的过程中，要依照设计目标和机械产品实际需求使用情况来确定结构的体积、疲劳使命、面积、应力集中系数等各项因素是最大值或是最小值。在对于机械工程设计形状优化的过程中，约束条件一般包含：材料许用的应力、结构振动的限制条件、边界位移的范围以及设计变量的变化数据等。在进行设计的过程中，设计人员要保证区域边界的相对连续性，保证产品能够满足产品生产与使用的要求。

2形状优化设计程序

机械工程设计中的形状优化设计的过程当中，设计人员要依照结构应力的有关分析技术，使用有限单元分析法对所优化的机械结构中应力集中情况作出全面的、准确的、详细的分析。之后依照机械设计中涉及的设计变量与目标函数之间所产生的隐式函数的详细情况，加强设计变量与目标函数中非线性关系的控制与约束。科学技术在不断进步与发展的过程中，当前的机械工程设计形状优化设计的工作当中，也要用商业性的软件，比如NASTRAN、MSC等软件，对以上的重点问题侧重的分析与计算，进而保证机械工程设计形状优化工作朝着信息化、现代化发展。机械工程设计形状优化迭代设计：在进行机械工程设计形状优化的工作当中，迭代程序主要表现为：其一，迭代次数需要进行设定，即k=2，并使用G作为当前机械产品所产生的形状作为替代展示。其二，在改变与移动边界形状产生的曲线时，要对敏感的系数计算出来。对于机械产品形状优化的工作当中，要利用需要约束函数与目标函数之间产品的偏导数。这类函数的变量基本都是因为位移数据与面力数据结合组成的，所以在明确其应力的发展情况下，就要对有关的位移数据与面力数据做分析与计算。设计人员要利用机械形状应力的计算公式，计算出形状设计变量中所包含了敏感性系统。其中，形状设计中所包含的敏感系数即设计人员要结合有关的非线性数学规划的方法，依照各部分得出的敏感性系数对各项数据进行对比分析。最后分析结果要能满足可行性条件与下降性条件时方可继续进行实施，如果结果无法满足可行性条件与下降性条件，则要返回第二个公式继续分析与计算。设计人员依照分析结果，利用有关的计算设计方式就会形成新的机械产品的具体形状优化结构。最后计算出满意的形状结构数据，就可以对机械产品的设计步骤进行终止，退出软件。如果计算出形状结构数据无法满足有关机械产品的需求，就要利用K+1，再次利用第二个公式进行计算。

3机械工程形状优化的发展趋势

机械工程形状优化影响着机械工程界的经济效益，有限元研究与应用都在不断进步，计算机进一步普及与完善，都推动人们对于机械工程形状优化设计的进一步研究，国内外对于机械工程形状优化的需求越来越高。随着科学技术的不断发展，机械设计技术也在不断更新，产品的竞争环境越来越激烈，机械工程形状优化设计发展前景更广阔。机械工程形状设计需要具备几项解决问题的能力。其一，建模能力，可以利用数学法进行描述的、不可用数学法进行描述只能利用经验与知识进行描述的、介于两者之间的三种能力。其二，求解能力，要具有各类设计模型的求解能力，例如随机变量的优化设计，需要考虑实际机械工程形状优化设计过程中无法避免的随机因素，进而采用随机变量法进行优化设计。随机变量的优化设计包含确定性随机设计变量、建立起随机性目标函数、对随机模型求解等。多学科协同对机械工程形状优化进行设计，这种方法是将算法、数据分析、寻优搜索策略、管理等各项因素整合起来，利用互相左右或者耦合形成的子系统进行组合的系统优化设计方案。其中包含，其一分解与分析。工程系统是利用哪些子系统进行构成的、可以分解为哪些子系统，每个子系统中存在的变量、设计函数的详细构成，子系统之间进行求解的顺序，耦合程度以及相互输出与输入的灵敏程度等等。其二综合和协调。依照各个子系统之间的相互关系以及计算情况，利用人工参与的方式对系统进行求解的进程实施调控。

4结束语

机械工程形状优化是新型的设计方式，为机械形状优化设计提供了广阔的发展空间以及上升空间，使得机械产品具有更高的市场竞争力。此外，机械工程所使用的各种零部件都是各种几何形状要不同尺寸进行组成的，这就导致形状的设计与优化设计更加的重要。传统的机械设计过程中，缺少对于机械零部件形状的优化设计工作，也没有认真将其影响因素加入设计工作当中去，导致设计出的各种机械零部件都存在某些问题或者缺陷。所以，未来的机械设计过程，要重点将机械零部件的形状进行优化和设计工作，利用对零部件局部形状的调整与完善，完善机械沿边界的整体应力分布的情况，进而使得沿边界的应力能力更均匀，减少零件应力的居中问题，推动机械设计工作更科学、更现代化、更合理。

参考文献：

[1]郑大素.新单纯形法与机械零件形状优化[J].中国机械工程，2010（02）：86.

[2]吴志学.机械零件形状优化设计的仿生学方法[J].中国机械工程，2012（06）：98.

[3]李泉永.机械结构优化设计的回顾与展望[J].桂林电子工业学院学报，2012（12）：88.