趙爽

摘要：為了更好把機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)踐工作中，優(yōu)化設(shè)計(jì)起著重要作用。優(yōu)化設(shè)計(jì)把機(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和方法相結(jié)合，借助電子計(jì)算機(jī)，在滿足多種設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件下，尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)和最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)使機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用效率提高，使實(shí)際工作中的難題變得迎刃而解。因此優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與優(yōu)化，將極大的提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì);機(jī)械設(shè)計(jì);應(yīng)用;實(shí)踐

1機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只能得到有限的候選方案，并不能得到一切可能方案的“最佳方案”。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，是一種全新的概念，它是為了讓機(jī)械的設(shè)計(jì)質(zhì)量更高，效率更高而產(chǎn)生的。想要讓機(jī)械設(shè)計(jì)得到優(yōu)化，首先要認(rèn)識(shí)到機(jī)械設(shè)計(jì)存在的客觀規(guī)律，然后將物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，選擇設(shè)計(jì)變量，列出約束條件，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)募s束方法來(lái)求解數(shù)學(xué)模型，分析優(yōu)化結(jié)果，選出最為適合的方案[1]。

2機(jī)械設(shè)計(jì)原則

2.1 整體性原則

在開(kāi)展機(jī)械設(shè)計(jì)工作的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員應(yīng)站在整體層面上，依照機(jī)械的各項(xiàng)參數(shù)和對(duì)零部件的實(shí)際要求及標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)整體精確度的有效提高，確保每個(gè)零件和機(jī)構(gòu)能進(jìn)行合理配合，并完成最終的設(shè)計(jì)工作[2]。

2.2綜合性原則

機(jī)械制造需要人們進(jìn)行實(shí)踐和實(shí)際操作，機(jī)械設(shè)計(jì)工作則是更注重于理論研究。根據(jù)這一點(diǎn)，在開(kāi)展機(jī)械設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中，需要將實(shí)踐和理論進(jìn)行有效結(jié)合，在遵循綜合性原則的基礎(chǔ)上，合理進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)能提高其自身的科學(xué)性和可行性。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員要將實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和機(jī)械具體應(yīng)用情況進(jìn)行聯(lián)系，在保證機(jī)械符合生產(chǎn)要求的同時(shí)，盡可能地提高機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量[3]。

3優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1突出環(huán)保的設(shè)計(jì)理念

現(xiàn)階段，人們對(duì)產(chǎn)品的綠色環(huán)保指標(biāo)和要求變得更加嚴(yán)格，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)更加關(guān)注產(chǎn)品本身的環(huán)保性能和水平，因此機(jī)械制造企業(yè)需要在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中加入綠色環(huán)保的理念和意識(shí)，在機(jī)械制造工藝中實(shí)現(xiàn)材料利用率的顯著提高。在機(jī)械制造中，應(yīng)對(duì)產(chǎn)品制造的應(yīng)用場(chǎng)景和性能水平進(jìn)行綜合分析，結(jié)合綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，做好原材料的選擇和控制工作，避免造成原材料的浪費(fèi)情況。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還要盡可能減少機(jī)械制造中的各種污染物的生成，保證機(jī)械制造過(guò)程的環(huán)保。隨著人們?cè)诓牧项I(lǐng)域的深入研究和探索，制造出許多如可降解材料、無(wú)污染材料等具有環(huán)保效果的生產(chǎn)制造基礎(chǔ)材料，在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造工藝中充分利用這些材料能增強(qiáng)機(jī)械的環(huán)保效果，促進(jìn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[4]。

3.2采用遺傳算法有效提升機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量

機(jī)械設(shè)計(jì)方案具有一個(gè)短板，那就是每個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)，都必須有不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，即使有些優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有一定的相似性，這些方案也不可能完全兼容所有的設(shè)計(jì)方案，因此，每個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，必須根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)常采用遺傳算法來(lái)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，遺傳算法是一種概率算法，是模仿生物進(jìn)化過(guò)程的一種算法，這種算法是隨機(jī)的，該算法不需要很多的信息作為支持，它可以直接設(shè)計(jì)出比較完美的設(shè)計(jì)方案，而且可以保障機(jī)械設(shè)計(jì)的最大收益，這種算法設(shè)計(jì)出的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，比較的全面，而且保證了方案的優(yōu)勢(shì)。但是，這種算法也不是萬(wàn)能的，具有一定的缺陷，因?yàn)橄乱淮脑O(shè)計(jì)方案，不一定比上一代的設(shè)計(jì)方案好，有可能還不如上一代機(jī)械設(shè)計(jì)方案，因此，設(shè)計(jì)師必須對(duì)每一代的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行篩選，以確定最優(yōu)的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，即使遺傳算法不是完美的，這種算法對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化還是要比傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化要好，因此在我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化中得到了廣泛應(yīng)用。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械工程也日趨復(fù)雜，必須采用全新的機(jī)械設(shè)計(jì)理念，對(duì)機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此，針對(duì)遺傳算法，也必須有一定的優(yōu)化，才能讓遺傳算法更加適應(yīng)新時(shí)代的機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化[2]。

3.3優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)加工工序

機(jī)械加工環(huán)節(jié)是所有產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的步驟，理應(yīng)引起企業(yè)的重視。對(duì)此，作為企業(yè)管理部門，應(yīng)該及時(shí)更新工序的操作系統(tǒng)，確保加工產(chǎn)品的步驟置身于透明化的管理中，同時(shí)高性能的加工工序不僅能夠較少產(chǎn)品資金流向，還能夠最大限度地為企業(yè)營(yíng)銷打開(kāi)市場(chǎng)。因此，還需要管理者建立監(jiān)督管理制度，嚴(yán)格按照規(guī)則說(shuō)明的加工標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行加工，確保產(chǎn)品的質(zhì)量，提高加工效率。在加工工具的選擇上，能選擇最合適的，就不選擇較合適的，較少返工次數(shù)，較少因?yàn)榭陀^因素造成的產(chǎn)品損失。

3.4完善機(jī)械行業(yè)規(guī)范

現(xiàn)階段，機(jī)械制造加工行業(yè)規(guī)范是由國(guó)家強(qiáng)制規(guī)定的，其整體的可操作性不高，所以人們首先應(yīng)在現(xiàn)有規(guī)范基礎(chǔ)上對(duì)其展開(kāi)進(jìn)一步的完善和細(xì)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所有機(jī)械制造加工作業(yè)都有規(guī)范要求，從而產(chǎn)生約束的作用。與此同時(shí)，為了盡可能降低應(yīng)操作失誤而造成產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題的概率，應(yīng)建立健全質(zhì)量安全監(jiān)督管理機(jī)制，安排專門的監(jiān)督人員對(duì)機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)實(shí)施監(jiān)督和管理，在發(fā)生質(zhì)量安全問(wèn)題的時(shí)候及時(shí)解決。其次是要對(duì)操作人員進(jìn)行強(qiáng)化管理工作，幫助其樹(shù)立正確的安全質(zhì)量觀念和意識(shí)，確保機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)能按照規(guī)范要求進(jìn)行，并提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率。最后要做好產(chǎn)品的質(zhì)量審核工作，根據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和要求對(duì)產(chǎn)品展開(kāi)詳細(xì)的檢查，避免不合格的產(chǎn)品被銷售和使用出去。

3.5采用先進(jìn)的軟件技術(shù)協(xié)助優(yōu)化設(shè)計(jì)

因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化就是建模的過(guò)程，因此，現(xiàn)在世界上針對(duì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般都會(huì)采用 MATLAB。MATLAB 主要用于算法開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)分析及數(shù)值運(yùn)算的高級(jí)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。它最主要的功能就是建模并自帶多種內(nèi)置函數(shù)，供使用者在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中直接利用，高效的數(shù)值運(yùn)算和符號(hào)計(jì)算功能，使用戶從復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析中解脫出來(lái)。并且通過(guò)這些函數(shù)，使用者可以得到最優(yōu)的數(shù)字解答，然后經(jīng)過(guò)一些篩選，獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。該軟件還有一種強(qiáng)大的功能，就是具有完備的圖像處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化，即以數(shù)學(xué)曲線和圖表的形式展現(xiàn)在使用者面前[4]。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分使用該軟件的功能，以設(shè)計(jì)出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。除此之外，MATLAB 還具有功能豐富的應(yīng)用工具箱，例如信號(hào)處理工具箱，優(yōu)化設(shè)計(jì)工具箱等，為使用者提供了實(shí)用處理工具。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)中，只需建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用 MATLAB 進(jìn)行編制優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，就能夠得出優(yōu)化結(jié)果，最終經(jīng)過(guò)分析與篩選，得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化設(shè)計(jì)不同于靜態(tài)分析近似計(jì)算的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，它可以讓機(jī)械設(shè)計(jì)的功能更強(qiáng)大，而且也會(huì)讓機(jī)械設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度和效率變得更高，在勞動(dòng)量減少的同時(shí)，周期變短，廢品率降低。在具體的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該針對(duì)設(shè)計(jì)的具體要求，建立正確的數(shù)學(xué)模型、選擇合適的算法和合適的計(jì)算機(jī)軟件，以設(shè)計(jì)出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

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（作者單位：博思特能源裝備（天津）股份有限公司）