李朋陽(yáng) 張曠齊 王子樂(lè)

摘 要：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種非常重要的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，能從眾多的設(shè)計(jì)方案中找出最佳方案，從而大大提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量?，F(xiàn)代工程裝備的復(fù)雜性使得機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)變得越來(lái)越困難，利用新的科學(xué)理論探索新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是該研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方面。綜述了優(yōu)化設(shè)計(jì)這一現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在我國(guó)機(jī)械工業(yè)中的研究和應(yīng)用進(jìn)展。本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展出發(fā)，簡(jiǎn)述了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史，以及應(yīng)用和主要關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的重要組成部分，是決定機(jī)械性能最主要的因素。從工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和目標(biāo)上可將設(shè)計(jì)分為：新型設(shè)計(jì)（開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)）、繼承設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)（基于標(biāo)準(zhǔn)型的修改）。所謂新型設(shè)計(jì)，即應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明可行的新技術(shù)，設(shè)計(jì)未曾有過(guò)的新型機(jī)械，主要包括功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的方向所在，然而貫穿其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即是設(shè)計(jì)的方法和實(shí)現(xiàn)的手段。這也大大推動(dòng)了現(xiàn)代工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新。優(yōu)化設(shè)計(jì)就是其中發(fā)展最快的設(shè)計(jì)方法之一。最優(yōu)化技術(shù)進(jìn)人了蓬勃發(fā)展的時(shí)期，主要是近代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的迅速發(fā)展，提出了許多用經(jīng)典最優(yōu)化技術(shù)無(wú)法解決的最優(yōu)化問(wèn)題。為了取得重大的解決與軍事效果，又必將解決這些問(wèn)題，這種客觀需要極大地推動(dòng)了最優(yōu)化的研究與應(yīng)用。

1 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門(mén)綜合性的學(xué)科，既涉及到數(shù)學(xué)、物理學(xué)知識(shí)，又涉及到應(yīng)用化學(xué)、應(yīng)用力學(xué)和材料學(xué)知識(shí)，具有理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，是非常有發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科。是一種現(xiàn)代、科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，集思考、繪圖、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)于一體，其結(jié)果不僅“可行”，而且“最優(yōu)”。該“最優(yōu)”是相對(duì)的，隨著科技的發(fā)展以及設(shè)計(jì)條件的改變，最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)也將發(fā)生變化。優(yōu)化設(shè)計(jì)反映了人們對(duì)客觀世界認(rèn)識(shí)的深化，要求人們根據(jù)事物的客觀規(guī)律，在一定的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件下充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性，得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)總追求最優(yōu)結(jié)果，通常在調(diào)查分析基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參考類(lèi)似工程設(shè)計(jì)，通過(guò)估算、經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比、試驗(yàn)，以及構(gòu)思、評(píng)價(jià)、再構(gòu)思、再評(píng)價(jià)的尋優(yōu)過(guò)程來(lái)確定設(shè)計(jì)方案，再進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，不但要求提高機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，而且要求縮短設(shè)計(jì)周期和降低原材料消耗和制造成本，還要求盡量少或無(wú)環(huán)境污染，提高可回收利用，具有綠色設(shè)計(jì)的理念。近年來(lái)，隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論的不斷發(fā)展和工作站計(jì)算能力的不斷挖掘，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和手段都有非常大的突破。且優(yōu)化設(shè)計(jì)思路不斷的開(kāi)闊，仿生學(xué)理論、基因遺傳學(xué)理論和人工智能優(yōu)化等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的引入，都大大促進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的更新和完善。

2 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

現(xiàn)代設(shè)計(jì)都是面向市場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)功能及產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法備受?chē)?guó)內(nèi)外機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)注。而機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)和機(jī)械強(qiáng)度評(píng)價(jià)共同組成了機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是建立在近代應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、應(yīng)用力學(xué)和材料學(xué)和計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)之上的，是解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題的一種有效工具。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是把機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化理論及方法密切結(jié)合起來(lái)去處理機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，工程實(shí)用價(jià)值大。但應(yīng)該看到，現(xiàn)代的設(shè)計(jì)不僅僅是單一的完成給定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，而應(yīng)該要將產(chǎn)品使用及設(shè)備維修等因素統(tǒng)一進(jìn)行考慮。所以，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)在強(qiáng)調(diào)環(huán)保設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等考慮綜合性因素的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用工作更為活躍，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

目前，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空航天、造船、工程機(jī)械、通用機(jī)械與機(jī)床、化工機(jī)械、汽車(chē)工業(yè)、建筑機(jī)械等行業(yè)，取得了大量的研究成果。同時(shí)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)正以微電子、信息、新材料為代表的新一代工程科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)。所以，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)一方面極大地拓展了制造領(lǐng)域的深度和廣度，另一方面改變了現(xiàn)代制造過(guò)程的設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

3 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)展望

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展和應(yīng)用，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種比較成熟、可靠、高效的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一，應(yīng)用范圍和領(lǐng)域日益廣闊。它對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短研發(fā)周期起到非常關(guān)鍵的作用，有著廣闊的應(yīng)用前景，必將成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必要步驟和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)。但我們?nèi)孕桕P(guān)注的是，在優(yōu)化技術(shù)水平得到了提高的同時(shí)，國(guó)內(nèi)機(jī)械加工或工藝水平、加工手段和制造技術(shù)也應(yīng)配套提升才行，否則整體機(jī)械水平將仍然停滯不前。這不僅要加工技術(shù)的引進(jìn)，更重要的是加工設(shè)備的性能提升，尤其是數(shù)控機(jī)床的加工水平。加強(qiáng)與國(guó)際技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的合作和交流，軟硬件技術(shù)共同提升，以期達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)——加工一體化的目標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介

李朋陽(yáng)（1995-），鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)。