淺談結構優(yōu)化設計與機械產(chǎn)品設計

　摘 要:結構優(yōu)化設計是在系統優(yōu)化的概念上發(fā)展而來(lái)的新學(xué)科,其目的是在考慮節省材料、簡(jiǎn)化工藝流程的基礎上實(shí)現產(chǎn)品的形態(tài)結構以及功能創(chuàng )新。以結構的優(yōu)化設計作為機械產(chǎn)品的設計創(chuàng )新的思路,結合產(chǎn)品生命周期概念,引入機械產(chǎn)品的次生型優(yōu)化創(chuàng )新方法,探討基于產(chǎn)品結構優(yōu)化的機械產(chǎn)品創(chuàng )新方法。
　　關(guān)鍵詞:結構優(yōu)化;產(chǎn)品設計;創(chuàng )新方法
　　
　　一、結構優(yōu)化的層次與分類(lèi)
　　不同的結構優(yōu)化的方法是在研究對象、目標函數、約束對象、變量和尋優(yōu)策略的不同要求上派生出來(lái)的日。由優(yōu)化目標的深淺將結構優(yōu)化劃分為三個(gè)不同層次:尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、布局優(yōu)化和結構選型優(yōu)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(yōu)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(guò)對設計變量的分析重組,尋求最佳的性能組合關(guān)系的優(yōu)化方法。
　　(二)形狀優(yōu)化
　　形狀的優(yōu)化設計是指在設計域內的拓撲關(guān)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(shí)現某種性能的最佳表現。
　　(三)拓撲優(yōu)化
　　結構拓撲優(yōu)化包括了連續結構和離散結構的拓撲優(yōu)化。連續體結構拓撲優(yōu)化,包括孔洞個(gè)數及形狀分布的優(yōu)化,以及結構的邊界形狀的優(yōu)化:離散結構的拓撲優(yōu)化,就是在給定節點(diǎn)位置情況下,確定各節點(diǎn)的最佳聯(lián)結關(guān)系Ⅲ。
　　二、產(chǎn)品生命周期的設計制造環(huán)節
　　產(chǎn)品生命周期(Product Ljfecycle,PLC)的概念源于生產(chǎn)管理領(lǐng)域的產(chǎn)品的市場(chǎng)戰略。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀的發(fā)展,產(chǎn)品生命周期的概念和內涵也在不斷發(fā)展變化H。并行工程概念提出促使產(chǎn)品生命周期的概念逐漸從經(jīng)濟管理領(lǐng)域擴展到了工程制造領(lǐng)域,將產(chǎn)品命周期的范圍從市場(chǎng)階段擴展到了研制階段,覆蓋了包括需求分析、產(chǎn)品設計、原料采購、制造裝配以及銷(xiāo)售維護階段。20世紀90年代以來(lái),全球機械產(chǎn)品市場(chǎng)進(jìn)入了大規模定制與個(gè)性化需求并舉的時(shí)代。在這種情況下,規�；�的生產(chǎn)能力與機械產(chǎn)品的可靠性固然重要,而能否根據潛在客戶(hù)需求做出快速響應,已經(jīng)成為未來(lái)裝備制造企業(yè)在激烈競爭中取勝的關(guān)鍵。這里我們將規�；瘷C械產(chǎn)品的設計與生產(chǎn)過(guò)程加以分離,重點(diǎn)研究在結構優(yōu)化的基礎上尋求創(chuàng )新產(chǎn)品的設計的思路,以期快速響應客戶(hù)需求。
　　三、基于結構優(yōu)化的產(chǎn)品創(chuàng )新設計方法
　　產(chǎn)品的創(chuàng )新設計方法是指設計人員根據創(chuàng )造性思維的發(fā)展規律,在優(yōu)化產(chǎn)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(chuàng )造、創(chuàng )新過(guò)程中得到借鑒,同時(shí)提高人們的創(chuàng )造、創(chuàng )新思維的能力和促進(jìn)產(chǎn)品設計創(chuàng )新成果的實(shí)現效率。產(chǎn)品設計創(chuàng )新的方法對創(chuàng )新有十分重要的作用,它既能產(chǎn)生直接的創(chuàng )新成果提高創(chuàng )新概念到產(chǎn)品實(shí)現的效率,同時(shí)也可啟發(fā)設計人員的創(chuàng )新思維,提高創(chuàng )新的能力。機械產(chǎn)品的市場(chǎng)需求是進(jìn)行產(chǎn)品設計創(chuàng )新的基礎,要把產(chǎn)品需求轉化為產(chǎn)品的創(chuàng )新設計成果,必須經(jīng)過(guò)在原有的外形、尺寸及拓撲結構的基礎上通過(guò)創(chuàng )新設計方法來(lái)實(shí)現產(chǎn)品的創(chuàng )新功能。機械產(chǎn)品的設計創(chuàng )新分為兩個(gè)層次:一是運用工業(yè)設計的技術(shù)以及方法,以產(chǎn)品需求為基礎,開(kāi)發(fā)出全新的產(chǎn)品,成為原創(chuàng )型設計創(chuàng )新:二是運用現代工業(yè)的設計方法對原有產(chǎn)品進(jìn)行外觀(guān)以及內部結構的優(yōu)化與改進(jìn),實(shí)現局部改進(jìn)創(chuàng )新,稱(chēng)為次生型設計創(chuàng )新。實(shí)際上,人類(lèi)數百年的工業(yè)發(fā)展史中,開(kāi)創(chuàng )性的原創(chuàng )型設計創(chuàng )新產(chǎn)品所占的比例微乎其微,大量實(shí)用性高的創(chuàng )新產(chǎn)品都是次生型設計創(chuàng )新的產(chǎn)物。同時(shí),由于無(wú)需進(jìn)行原創(chuàng )型設計創(chuàng )新所需要進(jìn)行的大量原型設計,因而能夠有效提高機械產(chǎn)品的設計效率,減少設計環(huán)節所占用的時(shí)間。本文所介紹的基于結構優(yōu)化的產(chǎn)品創(chuàng )新設計方法屬于次生型設計創(chuàng )新的范疇。
　　四、機械產(chǎn)品的次生型優(yōu)化創(chuàng )新方法
　　針對機械產(chǎn)品的次生型優(yōu)化設計創(chuàng )新是指以在原有產(chǎn)品設計的結構基礎上,在保留原有產(chǎn)品設計的核心功能與產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),對該產(chǎn)品外形、拓撲結構等進(jìn)行優(yōu)化和再設計,使得新產(chǎn)品具備原有產(chǎn)品所不具備的 新功能和特征。產(chǎn)品的次生型優(yōu)化設計創(chuàng )新是建立在產(chǎn)品的結構優(yōu)化層次分類(lèi)基礎上的創(chuàng )新活動(dòng),機械結構的布局包括尺寸、形狀、拓撲三個(gè)方面的信息,而尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化體現了結構優(yōu)化中三個(gè)不同層次的問(wèn)題月。針對機械產(chǎn)品尺寸、形狀、拓撲結構的優(yōu)化創(chuàng )新設計,以產(chǎn)品基本架構組成零件之間的裝配關(guān) 系為前提,結構優(yōu)化的關(guān)注點(diǎn)是有待改進(jìn)或者進(jìn)一步開(kāi)發(fā)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(tài)之中,只有通過(guò)對多變的市場(chǎng)需求、多方面的用戶(hù)期望以及現有同類(lèi)產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行深入分析,才能找出最具創(chuàng )新價(jià)值的結構優(yōu)化要素。成功地選擇結構優(yōu)化關(guān)注要素,為機械產(chǎn)品的創(chuàng )新思考確定清晰的方向。對機械產(chǎn)品的創(chuàng )新問(wèn)題包含了優(yōu)化問(wèn)題的三個(gè)要素,即設計變量、目標函數以及約束條件,機械產(chǎn)品的次生型優(yōu)化創(chuàng )新方法是TRJz。
　　發(fā)明解決理論中最常用的創(chuàng )新工具,也是全工程化的解決問(wèn)題方式,對于創(chuàng )新思考的要素與方向難于把握的產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng )新設計而言,這種高效率的創(chuàng )新解決方法不僅能夠提供明確的創(chuàng )新方向,而且能夠使創(chuàng )新設計人員準確把握創(chuàng )新要素,從而降低了創(chuàng )新思考的盲目性。
　　結構的關(guān)注點(diǎn)是創(chuàng )新思考的起點(diǎn),借助于一般創(chuàng )新的方法分析與產(chǎn)品結構關(guān)注點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的各種技術(shù)參數(即設計變量、目標函數以及約束條件),將彼此關(guān)聯(lián)的技術(shù)參數對于相應的功能與外形需求,利用從優(yōu)化創(chuàng )新的方法找尋對應的發(fā)明原理,然后根據發(fā)明原理的創(chuàng )新方向進(jìn)行結構優(yōu)化的創(chuàng )意方向。綜合考慮市場(chǎng)需求及實(shí)際的生產(chǎn)條件,選擇一到兩個(gè)有利于結構功能屬性創(chuàng )新的沖突因素,實(shí)現機械產(chǎn)品的創(chuàng )新思考。
　　(作者 身份證號:332601660227291)
本文選自yjbys原創(chuàng )論文網(wǎng)代寫(xiě)畢業(yè)論文

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