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优化设计在机械设计中的应用实践吴洪微

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：吴洪微

[导读] 摘要：优化技术是指通过一定的方法提高机械设计的性能，从而提高生产效率的技术。

        哈尔滨博实自动化股份有限公司黑龙江哈尔滨 150078
        摘要：优化技术是指通过一定的方法提高机械设计的性能，从而提高生产效率的技术。而数字化设计和动态优化方法，对机械工程设计有很好地借鉴和促进作用。其中数字化设计提供现代化建模分析，而动态优化方法提供数值分析。
        关键词：优化设计；机械设计；应用分析
        1机械设计中的优化设计概述
        传统的设计方法只能得到有限的候选方案，并不能得到一切可能方案的“最佳方案”。机械优化设计，相比于传统的机械设计来说，是一种全新的概念，它是为了让机械的设计质量更高，效率更高而产生的。想要让机械设计得到优化，首先要认识到机械设计存在的客观规律，然后将物理模型转化为数学模型，选择设计变量，列出约束条件，然后通过适当的约束方法来求解数学模型，分析优化结果，选出最为适合的方案。
        2优化设计在机械工程设计中的运用
        2.1缩短机械设计时间
        在传统的设计技术中，往往要分为众多不同的阶段，而且在每个不同的阶段都有一个特定的模型设计，那么看来过多设计的模型，必定会导致在最终阶段时候难做选择，从而降低设计效率，甚至出现设计数据不足等情况。而反观优化设计模式，在设计方式上并没有若干阶段性建模操作，只需在设计初始时，通过详细分析判定将来设计的情况，进而只建立一种恒定的模型。这样不仅使得机械工程设计时间得到了有效利用，而且还避免造成设计数据缺失的情况。
        2.2将并行设计运用到机械设计中
        并行设计是一种三合一产品设计方式，是从宏观上来看待机械的整个生命周期，通过并行计算机、现代通信、管理三种技术，来设计某一机械、工程或建筑等模型。由此可看出，并行设计不仅设计目标较为长远，而且在计算机技术的数据保障下，可实时分析到机械工程设计的每一环节，并且提高其智能化程度，最终使得机械工程设计的向前创新发展。
        2.3有利于提高机械建模的准确性
        对比传统的设计方式，从开始到最终都需要在每一个环节，设置参与的人及需要的物料等。那么从整个设计过程来看，传统设计消耗了大量的人、财、物力，而且设计方法还不一定符合实际需求。而反观优化设计，通过现代计算技术先模拟出一个与实物相近的数据模型，在对其进行各方面的调试匹配，可以在较短的时间内完成正确数据的组装，再将最后组装的模型数据应用到实物投产当中。因此，优化设计一方面降低了大量的生产成本，另一方面也提高了机械建模的准确性。
        3优化设计在机械设计中的应用分析
        3.1遗传算法的应用
        机械设计方案具有一个短板，那就是每个机械设计，都必须有不同的优化设计方案，即使有些优化设计方案有一定的相似性，这些方案也不可能完全兼容所有的设计方案，因此，每个优化设计方案，必须根据机械设计的实际情况进行优化。我国机械设计经常采用遗传算法来对机械设计方案进行优化，遗传算法是一种概率算法，是模仿生物进化过程的一种算法，这种算法是随机的，该算法不需要很多的信息作为支持，它可以直接设计出比较完美的设计方案，而且可以保障机械设计的最大收益，这种算法设计出的机械设计方案，比较的全面，而且保证了方案的优势。
        但是，这种算法也不是万能的，具有一定的缺陷，因为下一代的设计方案，不一定比上一代的设计方案好，有可能还不如上一代机械设计方案，因此，设计师必须对每一代的设计方案进行筛选，以确定最优的机械设计方案，即使遗传算法不是完美的，这种算法对于机械设计的优化还是要比传统的机械设计优化要好，因此在我国机械设计的优化中得到了广泛应用。但是，随着科学技术的发展，机械工程也日趋复杂，必须采用全新的机械设计理念，对机械进行优化设计，因此，针对遗传算法，也必须有一定的优化，才能让遗传算法更加适应新时代的机械设计优化。

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        3.2动态优化方法的应用
        目前，主流的动态优化方法是指通过机械本身具有物理性质，分析得出的具体数值作为安全、实用效果的验证标准，并且将这些数值作为机械生产的设置指标。但随着经济的不断发展，现代城市化建设水平也在不断提高，导致机械性能要求也日渐增大。因此传统机械已很难适应现代化发展，需要使用动态优化方法来为机械设计提供更为精确的数值。而动态优化方法中主要包括两个步骤，一是根据实物的实际情况建模，二是分析数据后，选取合适数据进行建模。
        ①有限元法
        该方法主要是利用弹性力学的原理，根据机械的物理特征，将其分为若干个可计算的模块，分别导入相应求值公式推导算出数值，最终将这些数值与实物分析比对，如果出现差值那么就是找出问题所在，然后再进行研究分析。但不足之处是，物理公式一般是在恒定的条件下计算，而机械作业的环境总是不恒定的，那么计算出的数值是带有偏差的。因此，对于有限元法的数值需要进行多次比对改正，才可以确定最终数值。
        ②实验模态分析法
        在机械结构中，其中有种物质叫做模态，通过对模态的固定频率等数值分析，会对机械出现的故障、辐射噪声等都有一定的诊断、控制或其他作用。另外，如果将模态分析法与有限元法综合并用，那么得出的数值将更为准确，因此建造的机械结构就更为科学合理。
        3.3柔性化应用
        柔性化应用是指优化设计与机械设计原理相结合，逐渐构建起智能化、专业化、自动化的机械设计体系，从而不断满足客户对于机械设计和设计的生产要求，提升机械企业的机械设计水平和质量。人工与自动化、智能化的有效配合，可以显著提升优化设计在机械设计行业中的柔性化运用效果。将机械设计的各个环节和流程进行紧密连接，形成有效的连锁反应，从而不断推动自动化系统的升级创新和改造。
        3.4智能化应用
        优化设计在机械设计中的智能化应用，能够为相关行业及领域带来全新的发展契机，引发技术变革。智能化生产应用模式能够实现对机械设计各个环节的智能监督与管理，配合相应的传感器，可以感应和分析设备运行中的相关数据信息，并将其传输到数据处理中心，由信息控制中心结合数据处理后结果发布命令，智能化系统控制设备自动运行，相比较人工生产，具有非常明显的优越性，在解放人工的同时，也能够实现对于安全事故的预测、规避和解决，以最短时间做出最佳调整，有助于促进机械设计行业自动化生产水平的提高，帮助缓解日渐增长的生产压力。
        3.5网络化应用
        优化设计能够在机械设计中实现网络化应用。随着互联网技术的不断发展，越来越多的优化设计的实际应用过程需要借助互联网进行，尤其针对其机械设计的便捷化、高效化要求。新形势下，越来越多的领域积极应用网络技术与优化设计，通过对专业机械设计网络的布置和设计，提高网络在机械设计信息传递中的应用优势，从而促进机械设计控制系统的不断优化创新，为企业的良性发展提供保障。
        4结束语
        综上所述，优化设计不同于静态分析近似计算的传统设计，它可以让机械设计的功能更强大，而且也会让机械设计的准确度和效率变得更高，在劳动量减少的同时，周期变短，废品率降低。在具体的设计时，应该针对设计的具体要求，建立正确的数学模型、选择合适的算法和合适的计算机软件，以设计出最优的设计方案。
        参考文献
        [1] 许佳妮.浅谈优化设计在机械设计中的应用实践[J].科技风,2018(17).
        [2] 孙占伟.优化设计在机械设计中的应用浅析[J].名城绘,2018(4):96-96.
        [3] 吴莹.浅谈机械优化设计方法及其应用[J].中国金属通报,2018,999(12):145-146.
        [4] 王俊锋.浅谈机械工程的可靠性优化设计[J].建筑工程技术与设计,2018,000(008):1146.