李璐

天津市德安石油工程有限公司 天津 300457

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及設(shè)計要素

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計具有以下特點：①一體化設(shè)計。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計思考、繪圖、計算等工作是統(tǒng)一的、緊密相連的。這就意味著機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作量比較大，出現(xiàn)的問題比較多，設(shè)計人員若想保證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量，就要深入探討整個機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，盡可能地保證每一個設(shè)計環(huán)節(jié)都能準(zhǔn)確、完善。②涉及的問題比較多，且具有復(fù)雜、多解的特征。比如，對于同一個設(shè)計，可以制定多個設(shè)計方案。作為設(shè)計人員，應(yīng)充分發(fā)揮自身的主導(dǎo)作用，從中選擇最佳的設(shè)計方案，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量。③活躍性最強(qiáng)。在機(jī)械設(shè)計中，需要對方案不斷地修改、優(yōu)化、完善，以滿足設(shè)計要求。這一過程是非常繁瑣、復(fù)雜的。

1.2 設(shè)計要素

首先，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮幾何要素。相對來說，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項非常精密的工作，各部分之間的咬合、位置、距離都需要經(jīng)過精心設(shè)計。在這一過程中，必須要考慮幾何要素、科學(xué)設(shè)計機(jī)械零部件的面，并充分考量各零部件的接觸設(shè)計。其次，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中要充分考慮聯(lián)結(jié)要素。設(shè)計人員不僅要對單個零件的設(shè)計進(jìn)行分析，更要充分考慮不同零件之間的聯(lián)接問題，尤其要科學(xué)地設(shè)計不同零部件之間的功能面聯(lián)接方法。另外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不同零部件之間的聯(lián)接包括直接聯(lián)接、間接聯(lián)接兩種。在直接聯(lián)接的設(shè)計中要充分考慮其功能面之間的縫隙問題，確保功能面之間的摩擦力最小，在間接聯(lián)接中則要充分考慮聯(lián)動軸設(shè)計[1]。最后，材料要素。材料選擇對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響非常大，尤其是在一些易磨損的部位，必須要選擇耐磨損、質(zhì)量好的零件，保證機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀研究

隨著社會發(fā)展需求變化以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展，市場對產(chǎn)品的需求種類和質(zhì)量要求有很大提升，各個企業(yè)都在加強(qiáng)自主創(chuàng)新，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度較快，多品種化的生產(chǎn)模式成為了市場主流。企業(yè)為了能提升市場占有率，不僅需考慮產(chǎn)品制作成本，還需考慮生產(chǎn)周期，因此，需從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面著手，提升生產(chǎn)效率?？茖W(xué)優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過改變結(jié)構(gòu)形式增強(qiáng)機(jī)械功能，可以幫助企業(yè)快速的攻占市場，縮短生產(chǎn)周期，提升產(chǎn)品質(zhì)量，滿足市場的需求。機(jī)械功能優(yōu)化設(shè)計從上世紀(jì)就已經(jīng)被提出，其屬于一種新型的學(xué)科，是將優(yōu)化理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，結(jié)合生產(chǎn)實際在多個方案中選擇最為科學(xué)合理的設(shè)計方案，保障機(jī)械結(jié)構(gòu)質(zhì)量有所提升[2]。在我國建筑行業(yè)、交通、冶金以及航空等領(lǐng)域中優(yōu)化設(shè)計被廣泛應(yīng)用，其社會經(jīng)濟(jì)效益顯而易見。因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用具有廣闊的前景，需要專業(yè)人員加強(qiáng)技術(shù)研究和掌握。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的創(chuàng)新設(shè)計

3.1 變元法創(chuàng)新設(shè)計

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，不同的材料的性能各不相同。往往要考慮材料的硬度、表面處理方式、加工性能、價格、原材料、耐磨性、熔點、耐腐蝕性及其他眾多物理、化學(xué)性能。往往會針對不同的客戶需求，因交期、價格、性能等因素，需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)、創(chuàng)新，而材料變元法往往是優(yōu)化的主要方法之一。隨著我國工業(yè)的發(fā)展，常見金屬和非金屬材料的普及化，更多的應(yīng)用場合可以有多種材料相互替代。通過對各種金屬材料和非金屬材料的特性對比與分析，選取合適的材料達(dá)到創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新優(yōu)化過程中，往往通過改變一個特征或者零件的位置，能達(dá)到很好的優(yōu)化設(shè)計。通過零部件或特征的位置變元，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化，可以得到更好的結(jié)構(gòu)空間。位置變元也可以改變受力產(chǎn)品的受力情況，使得產(chǎn)品達(dá)到更優(yōu)化的方案。在產(chǎn)品零件的選用過程中，成本設(shè)計也是每個機(jī)械設(shè)計師要考慮的重要因素之一。低成本部件的數(shù)量的增加可以增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，通過低成本零部件數(shù)量的增加提高產(chǎn)品的性能，可以降低其他配套高成本零部件的數(shù)量。在裝配設(shè)計過程中，螺栓的選用是設(shè)計工作的一個重要部分，可以通過優(yōu)化螺栓的種類的數(shù)量，達(dá)到裝配的創(chuàng)新。為了裝配的便捷性，提高裝配工人的裝配效率，機(jī)械設(shè)計師往往會通過減少螺栓種類數(shù)量的方法，減少安裝工具種類數(shù)量，減少螺栓統(tǒng)一安裝螺栓預(yù)緊力數(shù)值。與此同時，品類的數(shù)量變元，還會在原材料的采購、物料的倉儲運(yùn)輸、產(chǎn)品的維護(hù)等方面起到至關(guān)重要的作用。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計

機(jī)械產(chǎn)品的性能動態(tài)會對結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度以及機(jī)械壽命產(chǎn)生一定影響，因此，需優(yōu)化結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，從而實現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化設(shè)計。結(jié)合對機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)性能過程的分析和研究，對于大型機(jī)械結(jié)構(gòu)來講，動態(tài)結(jié)構(gòu)分析作用較大，需全面搜集機(jī)械相關(guān)信息，了解生產(chǎn)需求，從而使設(shè)計更加科學(xué)合理。

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不僅需要對優(yōu)化預(yù)期結(jié)果進(jìn)行評判，還需要明確優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，從整體上構(gòu)思機(jī)械結(jié)構(gòu)，促進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)化發(fā)展。MDO 理論為一種新型結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論，其被廣泛應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、衛(wèi)星總體設(shè)計、機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計等領(lǐng)域中，為優(yōu)化設(shè)計提供了理論保障和基礎(chǔ)，使產(chǎn)品質(zhì)量大大提升，生產(chǎn)效率也有所提升，在機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中發(fā)揮重要作用[3]。

4 結(jié)語

機(jī)械產(chǎn)品從需求、使用到維護(hù)的各環(huán)節(jié)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計起到了非常關(guān)鍵的作用?，F(xiàn)階段，部分產(chǎn)品的設(shè)計存在或多或少的不足。這就要求機(jī)械設(shè)計師要不斷提高自身的專業(yè)技能，拓寬設(shè)計思路，學(xué)習(xí)先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量。使企業(yè)產(chǎn)品做強(qiáng)，推動機(jī)械制造業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，提高機(jī)械行業(yè)水平，實現(xiàn)強(qiáng)國夢想。