機械工程設計的形狀優化探索論文

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

關鍵詞：機械工程；設計；形狀優化

引言

伴隨着社會經濟的快速發展，科學技術也在快速進步，傳統的機械工程設計工作無法繼續為當前機械生產服務，更無法適應當前快速發展的經濟需要的機械產品，所以要對機械設計的方式以及手段進行更加合理的修改與優化。其中，對於機械各零部件的形狀設計的優化工作能更好的改善機械產品受力的情況以及結構特徵，逐漸變成目前機械工程設計工作當中需要關注的問題。

1建立形狀優化模型

機械工程設計的過程，是漫長的、要經過多次重複計算、求解並進行驗證的過程，所以為了提升機械工程設計的工作效率，並保證計算結構具有科學的準確性，就需要在常規設計的基礎上再次進行形狀的優化設計工作，這個過程被稱為尺寸優化，也即機械工程的形狀優化。形狀設計優化是依照機械產品所規定的設計準則與使用規範標準作為基礎，進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、產品設計的成本、可靠性、運動誤差等。對於機械工程設計的過程，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：樑側面的面積與角度、杆件的長度。函數的約束條件是依照機械產品實際的設計需求以及使用功能作為規範進行確定的，起重包含各類工藝、裝配、性能（強度要求、剛度要求、穩定性要求）、費用等幾個方面內容。機械工程形狀優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≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤這個公式內，F是表示目標函數的數值，m則是用來表示設計中會出現變量的個數，利用qc與qe表示其中的約束條件中不等式與等式的個數。機械工程設計中的形狀優化設計工作，大都是對區域的各個邊界的幾何形狀作出改變，進而減少機械產品結構所展示的特性，以及應力集中的狀況。所以在進行形狀優化設計的過程中，要依照設計目標和機械產品實際需求使用情況來確定結構的體積、疲勞使命、面積、應力集中係數等各項因素是最大值或是最小值。在對於機械工程設計形狀優化的過程中，約束條件一般包含：材料許用的應力、結構振動的限制條件、邊界位移的範圍以及設計變量的變化數據等。在進行設計的過程中，設計人員要保證區域邊界的相對連續性，保證產品能夠滿足產品生產與使用的要求。

2形狀優化設計程序

機械工程設計中的形狀優化設計的過程當中，設計人員要依照結構應力的有關分析技術，使用有限單元分析法對所優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。之後依照機械設計中涉及的設計變量與目標函數之間所產生的隱式函數的，加強設計變量與目標函數中非線性關係的控制與約束。科學技術在不斷進步與發展的過程中，當前的機械工程設計形狀優化設計的工作當中，也要用商業性的軟件，比如NASTRAN、MSC等軟件，對以上的重點問題側重的分析與計算，進而保證機械工程設計形狀優化工作朝着信息化、現代化發展。機械工程設計形狀優化迭代設計：在進行機械工程設計形狀優化的工作當中，迭代程序主要表現為：其一，迭代次數需要進行設定，即k=2，並使用G作為當前機械產品所產生的形狀作為替代展示。其二，在改變與移動邊界形狀產生的曲線時，要對敏感的係數計算出來。對於機械產品形狀優化的工作當中，要利用需要約束函數與目標函數之間產品的偏導數。這類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展情況下，就要對有關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係數即設計人員要結合有關的非線性數學規劃的方法，依照各部分得出的敏感性係數對各項數據進行對比分析。最後分析結果要能滿足可行性條件與下降性條件時方可繼續進行實施，如果結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分析與計算。設計人員依照分析結果，利用有關的計算設計方式就會形成新的機械產品的具體形狀優化結構。最後計算出滿意的形狀結構數據，就可以對機械產品的設計步驟進行終止，退出軟件。如果計算出形狀結構數據無法滿足有關機械產品的需求，就要利用K+1，再次利用第二個公式進行計算。

3機械工程形狀優化的發展趨勢

機械工程形狀優化影響着機械工程界的經濟效益，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，都推動人們對於機械工程形狀優化設計的進一步研究，國內外對於機械工程形狀優化的需求越來越高。隨着科學技術的不斷髮展，機械設計技術也在不斷更新，產品的競爭環境越來越激烈，機械工程形狀優化設計發展前景更廣闊。機械工程形狀設計需要具備幾項解決問題的能力。其一，建模能力，可以利用數學法進行描述的、不可用數學法進行描述只能利用經驗與知識進行描述的、介於兩者之間的三種能力。其二，求解能力，要具有各類設計模型的求解能力，例如隨機變量的優化設計，需要考慮實際機械工程形狀優化設計過程中無法避免的隨機因素，進而採用隨機變量法進行優化設計。隨機變量的優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。多學科協同對機械工程形狀優化進行設計，這種方法是將算法、數據分析、尋優搜索策略、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進行組合的系統優化設計方案。其中包含，其一分解與分析。工程系統是利用哪些子系統進行構成的、可以分解為哪些子系統，每個子系統中存在的變量、設計函數的詳細構成，子系統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。其二綜合和協調。依照各個子系統之間的相互關係以及計算情況，利用人工參與的方式對系統進行求解的進程實施調控。

4結束語

機械工程形狀優化是新型的設計方式，為機械形狀優化設計提供了廣闊的發展空間以及上升空間，使得機械產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，這就導致形狀的設計與優化設計更加的重要。傳統的機械設計過程中，缺少對於機械零部件形狀的優化設計工作，也沒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題或者缺陷。所以，未來的機械設計過程，要重點將機械零部件的形狀進行優化和設計工作，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佈的情況，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，推動機械設計工作更科學、更現代化、更合理。

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