淺談結構優化設計與機械產品設計

淺談結構優化設計與機械產品設計

　摘 要:結構優化設計是在系統優化的概念上發展而來的新學科,其目的是在考慮節省材料、簡化工藝流程的基礎上實現產品的形態結構以及功能創新。以結構的優化設計作為機械產品的設計創新的思路,結合產品生命周期概念,引入機械產品的次生型優化創新方法,探討基于產品結構優化的機械產品創新方法。
　　關鍵詞:結構優化;產品設計;創新方法
　　
　　一、結構優化的層次與分類
　　不同的結構優化的方法是在研究對象、目標函數、約束對象、變量和尋優策略的不同要求上派生出來的日。由優化目標的深淺將結構優化劃分為三個不同層次:尺寸優化、形狀優化、拓撲優化、布局優化和結構選型優化。以上各層次按順序難度依次增加,收益依次增大。
　　(一)尺寸優化
　　在保持組件原有的結構形狀與拓撲結構不變的情況下,通過對設計變量的分析重組,尋求最佳的性能組合關系的優化方法。
　　(二)形狀優化
　　形狀的優化設計是指在設計域內的拓撲關系保持不變的情況下求得結構的邊界,使得這些邊界構成的結構組件達到理想的幾何形狀,并實現某種性能的最佳表現。
　　(三)拓撲優化
　　結構拓撲優化包括了連續結構和離散結構的拓撲優化。連續體結構拓撲優化,包括孔洞個數及形狀分布的優化,以及結構的邊界形狀的優化:離散結構的拓撲優化,就是在給定節點位置情況下,確定各節點的最佳聯結關系Ⅲ。
　　二、產品生命周期的設計制造環節
　　產品生命周期(Product Ljfecycle,PLC)的概念源于生產管理領域的產品的市場戰略。經過半個多世紀的發展,產品生命周期的概念和內涵也在不斷發展變化H。并行工程概念提出促使產品生命周期的概念逐漸從經濟管理領域擴展到了工程制造領域,將產品命周期的范圍從市場階段擴展到了研制階段,覆蓋了包括需求分析、產品設計、原料采購、制造裝配以及銷售維護階段。20世紀90年代以來,全球機械產品市場進入了大規模定制與個性化需求并舉的時代。在這種情況下,規�；�的生產能力與機械產品的可靠性固然重要,而能否根據潛在客戶需求做出快速響應,已經成為未來裝備制造企業在激烈競爭中取勝的關鍵。這里我們將規�；瘷C械產品的設計與生產過程加以分離,重點研究在結構優化的基礎上尋求創新產品的設計的思路,以期快速響應客戶需求。
　　三、基于結構優化的產品創新設計方法
　　產品的創新設計方法是指設計人員根據創造性思維的發展規律,在優化產品結構的基礎上總結的一系列的原理、技巧以及方法。這些方法或技巧,可以在各種創造、創新過程中得到借鑒,同時提高人們的創造、創新思維的能力和促進產品設計創新成果的實現效率。產品設計創新的方法對創新有十分重要的作用,它既能產生直接的創新成果提高創新概念到產品實現的效率,同時也可啟發設計人員的創新思維,提高創新的能力。機械產品的市場需求是進行產品設計創新的基礎,要把產品需求轉化為產品的創新設計成果,必須經過在原有的外形、尺寸及拓撲結構的基礎上通過創新設計方法來實現產品的創新功能。機械產品的設計創新分為兩個層次:一是運用工業設計的技術以及方法,以產品需求為基礎,開發出全新的產品,成為原創型設計創新:二是運用現代工業的設計方法對原有產品進行外觀以及內部結構的優化與改進,實現局部改進創新,稱為次生型設計創新。實際上,人類數百年的工業發展史中,開創性的原創型設計創新產品所占的比例微乎其微,大量實用性高的創新產品都是次生型設計創新的產物。同時,由于無需進行原創型設計創新所需要進行的大量原型設計,因而能夠有效提高機械產品的設計效率,減少設計環節所占用的時間。本文所介紹的基于結構優化的產品創新設計方法屬于次生型設計創新的范疇。
　　四、機械產品的次生型優化創新方法
　　針對機械產品的次生型優化設計創新是指以在原有產品設計的結構基礎上,在保留原有產品設計的核心功能與產品優點的同時,對該產品外形、拓撲結構等進行優化和再設計,使得新產品具備原有產品所不具備的 新功能和特征。產品的次生型優化設計創新是建立在產品的結構優化層次分類基礎上的創新活動,機械結構的布局包括尺寸、形狀、拓撲三個方面的信息,而尺寸優化、形狀優化和拓撲優化體現了結構優化中三個不同層次的問題月。針對機械產品尺寸、形狀、拓撲結構的優化創新設計,以產品基本架構組成零件之間的裝配關 系為前提,結構優化的關注點是有待改進或者進一步開發的結構要素。通常,這些結構要素在設計之初并不明確,隱藏在復雜的形狀、色彩以及結構形態之中,只有通過對多變的市場需求、多方面的用戶期望以及現有同類產品的優缺點進行深入分析,才能找出最具創新價值的結構優化要素。成功地選擇結構優化關注要素,為機械產品的創新思考確定清晰的方向。對機械產品的創新問題包含了優化問題的三個要素,即設計變量、目標函數以及約束條件,機械產品的次生型優化創新方法是TRJz。
　　發明解決理論中最常用的創新工具,也是全工程化的解決問題方式,對于創新思考的要素與方向難于把握的產品形態創新設計而言,這種高效率的創新解決方法不僅能夠提供明確的創新方向,而且能夠使創新設計人員準確把握創新要素,從而降低了創新思考的盲目性。
　　結構的關注點是創新思考的起點,借助于一般創新的方法分析與產品結構關注點相關聯的各種技術參數(即設計變量、目標函數以及約束條件),將彼此關聯的技術參數對于相應的功能與外形需求,利用從優化創新的方法找尋對應的發明原理,然后根據發明原理的創新方向進行結構優化的創意方向。綜合考慮市場需求及實際的生產條件,選擇一到兩個有利于結構功能屬性創新的沖突因素,實現機械產品的創新思考。
　　(作者 身份證號:332601660227291)
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