机械优化设计范文

前言：我们精心挑选了数篇优质机械优化设计文章，供您阅读参考。期待这些文章能为您带来启发，助您在写作的道路上更上一层楼。

第1篇

机械优化设计概念

机械优化设计是综合性和实用性都很强的理论和技术，为机械设计提供了一种可靠高效的科学设计方法，使设计者由被动地分析、校核进入主动设计，能节约原材料，降低成本，缩短设计周期，提高设计效率和水平，提升企业竞争力、经济效益与社会效益。国内外相关学者和科研人员对优化设计理论方法及其应用研究十分重视，并开展了大量工作，其基本理论和求解手段已逐渐成熟。并且它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上，通过有效的实验数据和科学的评价体系来从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案。该领域的研究和应用进展非常迅速，并且取得了可观的经济效益。那就让我们关注机械优化设计中那些重要的量。

解决优化设计问题的一般步骤

解决优化设计问题的一般步骤如下：

机械设计问题――建立数学模型――选择或设计算法――编码调试――计算结果的分析整理

优化设计中数学模型的建立

a设计变量

在最优化设计过程中需要调整和优选的参数，称为设计变量。设计变量是最优化设计要优选的量。最优化设计的任务，就是确定设计变量的最优值以得到最优设计方案。但是每一次设计对象不同，选取的设计变量也不同。它可以是几何参数，如零件外形尺寸、截面尺寸、机构的运动尺寸等；也可以是某些物理量，如零部件的重量、体积、力与力矩、惯性矩等；还可以是代表工作性能的导出量，如应力、变形等。总之，设计变量必须是对该项设计性能指标优劣有影响的参数。

b约束条件

设计空间是一切设计方案的集合，只要在设计空间确定一个点，就确定了一个设计方案。但是，实际上并不是任何一个设计方案都可行，因为设计变量的取值范围有限制或必须满足一定的条件。在最优化设计中，这种对设计变量取值时限制条件，称为约束条件，而约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件，而优化设计问题大多数是约束的优化问题。针对优化设计数学模型要素的不同情况，可将优化设计方法进行分类，约束条件的形式有显约束和隐约束两种，前者是对某个或某组设计变量的直接限制，后者则是对某个或某组变量的间接限制。等式约束对设计变量的约束严格，起着降低设计变量自由度的作用。优化设计的过程就是在设计变量自由的允许范围内，找出一组优化的设计变量值，使得目标函数达到最优值。

c目标函数

在优化设计过程中，每一个变量之间都存在着一定的相互关系着就是用目标函数来反映。他可以直接用来评价方案的好坏。在优化设计中，可以根据变量的多寡将优化设计分为单目标优化问题和多目标优化问题，而我们最常见的就是多目标函数优化。

一般而言，目标函数越多，设计的综合效果越好，但问题求解复杂。在实际的设计问题中，常常会遇到在多目标函数的某些目标之间存在矛盾的情况，这就要求设计者正确处理各目标函数之间的关系。对这类多目标函数的优化问题的研究，至今还没有单目标函数那样成熟

优化设计理论方法

优化准则法对于不同类型的约束、变量、目标函数等需导出不同的优化准则，通用性较

差，且多为近似最优解；规划法需多次迭代、重复分析，代价昂贵，效率较低，往往还要求目标函数和约束条件连续、可微，这都限制了其在实际工程优化设计中推广应用。因此遗传算法、神经网络、粒子群算法、进化算法等智能优化法于20世纪80年代相继提出，并且不需要目标函数和约束条件的导数信息，就可获得最优解，为机械优化设计提供了新的思路和方法，并在实践中得到成功应用。

a遗传算法

遗传算法起源于20世纪60年代对自然和人工自适应系统的研究，最早由美国密歇根大学Holland教授提出，是模拟生物化过程、高度并行、随机、自适应的全局优化概率搜索算法。它按照获得最大效益的原则进行随机搜索，不需要梯度信息，也不需要函数的凸性和连续性，能够收敛到全局最优解，具有很强的通用性、灵活性和全局性；缺点是不能保证下一代比上一代更好，只是在总趋势上不断优化，运行效率较低，局部寻优能力较差。

b神经网络法

神经网络是一个大规模自适应的非线性动力系统，具有联想、概括、类比、并行处理以

及很强的鲁棒性，且局部损伤不影响整体结果。美国物理学家Hopfield最早发现神经网络具有优化能力，并根据系统动力学和统计学原理，将系统稳态与最优化态相对应，系统能量函数与优化寻优过程相对应，与Tank在1986年提出了第一个求解线性优化问题的TH选型优化神经网络。该方法利用神经网络强大的并行计算、近似分析和非线性建模能力，提高优化计算的效率，其关键是神经网络的构造，多用于求解组合优化、约束优化和复杂优化。近些年，神经网络法有较大发展，Barker等将神经网络用于航空工程结构件的优化设计。

c粒子群算法

Kennedy和Ebehart于1995年提出了模拟鸟群觅食过程的粒子群法，从一个优化解集开始搜索，通用个体间协作与竞争，实现复杂空间中最优解的全局搜索。粒子群法与遗传算法相比，原理简答、容易实现、有记忆性，无须交叉和变异操作，需调整的参数不多，收敛速度快，算法的并行搜索特性不但减小了陷入局部极小的可能性，而且提高了算法性能和效率，是近年被广为关注和研究的一种随机起始、平行搜索、有记忆的智能优化算法。目前，粒子群算法已应用于目标函数优化、动态环境优化、神经网络训练等诸多领域，但用于机械优化设计领域研究还很少。

d多目标优化法

功能、强度和经济性等的优化始终是机械设计的追求目标，实际工程机械优化设计都属于多目标优化设计。多目标优化广泛的存在性与求解的困难性使其一直富有吸引力和挑战性，理论方法还不够完善，主要可分为两大类：①把多目标优化转化成一个或一系列单目标优化，将其优化结果作为目标优化的一个解；②直接求非劣解，然后从中选择较好的解作为最优解。具体有主要目标法、统一目标法、目标分层法和功效系数法。

优化设计方法的评价指标

根据优化设计中所以解决问题的特点，选择适当的优化方案是非常关键的。因为解决同

一个问题可能有多种方法，而每一种方法也有可能会导致不同的结果，而我们需要的是可以更加体现生产目标的最优方案。所以我们在选择方案时一定要考虑一下四个原则：

a效率提高。所谓效率要高就是所采用的优化算法所用的计算时间或计算函数的次数要尽可能地少。

b可靠性要高。可靠性要高是指在一定的精度要求下，在一定迭代次数内或一定计算时间内，求解优化问题的成功率要尽可能地高。

c采用成熟的计算程序。解题过程中要尽可能采用现有的成熟的计算程序，以使解题简便并且不容易出错。

d稳定性要高。稳定性好是指对于高度非线性偏心率大的函数不会因计算机字长截断误差迭代过程正常运行而中断计算过程。

另外选择适当的优化方法时要进行深入的分析优化模型的约束条件、约束函数及目标函

数，根据复杂性、准确性等条件结合个人的经验进行选择。优化设计的选择取决于数学模型的特点，通常认为，对于目标函数和约束函数均为显函数且设计变量个数不太多的问题，采用惩罚函数法较好；对于只含线性约束的非线性规划问题，最适应采用梯度投影法；对于求导非常困难的问题应选用直接解法，例如复合形法；对于高度非线性的函数，则应选用计算稳定性较好的方法，例如BFGS变尺度法和内点惩罚函数相结合的方法。

结论

机械优化设计作为传统机械设计理论基础上结合现代设计方法而出现的一种更科学的

优化设计方法，可使机械产品的质量达到更高的水平。近年来，随着数学规划理论的不断发展和工作站计算能力的不断挖掘，机械优化设计方法和手段都有非常大的突破，且优化设计思路不断的开阔。总之，每一种优化设计方法都是针对某一类问题而产生的，都有各自的特点，都有各自的应用领域，机械优化设计就是在给定的载荷和环境下，在对机械产品的性能、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值得一种新的设计方法，其方法多样依据不同情形选择合理的优化方法才能更简便高效的达到目标。当今的优化正逐步的发展到多学科优化设计，充分利用了先进计算机技术和科学的最新成果。所以机械优化设计的研究必须与工程实践、数学、力学理论、计算机紧密联系起来，才能具有更广阔的发展前景。

参考：

[1]白新理.结构优化设计[M]. 河南：黄河水利出版社，2008.

第2篇

【关键词】机械设计；优化设计；方法

引 言

机械优化设计，所涉及的学科众多。其中包含物理学、材料学、应用数学及化学、应用力学以及计算机程序设计等，系处理较为复杂的设计的有效工具之一。此次研究除去阐述优化设计方法，还总结出归纳出无约束优化设计法、有约束优化设计法、基因遗传算法三类优化设计手段，并对三者的特点进行论述，最后，对选取优化设计手段的几大要素进行阐述。

一、优化设计手段的论述

机械优化领域的设计灵魂即是优化设计方法，伴随计算机技术及数学科学迅速发展，解析法、数值分析法及非数值分析法为其所发展经历的三个阶段。

20世纪的50年代初，解决最优化问题的两种最主要的数学方法是，古典的变分法与微分法。此两种手段具计算精准及概念清晰的主要特征，可是，不足之处是仅限于解决一些小型或是特殊问题，于处理大型的实际问题之时，因过大的计算量，无形中增加了计算的难度。

20世纪50年代末，于优化设计中，其求优方法的理论基础即是数学规划手段。该方法是以数值分析为前提，结合已知的信息及条件，最后通过一连串的迭代过程得出问题最优解。但是其相关的理论还是比较简单的，计算的过程亦相对容易，只是计算的量极其大，可是此亦正是计算机所有工作中最为擅长的一项，当然，计算机也就归为了数值优化措施工具中最关键的那一类。

20世纪80年代末，如模拟退火、进化规划、混沌、人工神经网络、遗传算法及禁忌搜索等一些优化方法层出不穷，上述算法经模拟自然现象及规律而获得某些结论，一步步产生具有特点的优化方法，它的内容涉及到物理学、统计力学、数学、生物学、神经学、人工智能等。

二、设计方法

该设计方法被大量的应用到机械工程中，主要是因为它可以在特定的背景中确保方案最为合理，而且不需要使用太多的人力物力。该方法从最初的数值法到后来的数值分析，最后过渡到非数值分析。最近几年由于电脑技术的广泛应用，在设计的时候可以通过合理的选取设计数值进而得到最为优秀的方案，而且还能够大大的缩短用时。将该方法和电脑科技有效的融会到一起，是时展的产物，必将得到发扬。

三、类型和特征简介

1、无约束优化设计法

具体的说分成两个类型，一种是像共轭梯度法、最速下降法、牛顿法等方法，它是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法。另一种是像单形替换法、坐标轮换法等，利用目标函数值的无约束优化方法。

2、遗传算法

该方法是对随机群体不断的演变选择，进而获取最为合理的方法。它非常的类似于自然界的淘汰法则，适应社会发展的必然得到发展，而落后的必然会被遗弃。该方法有两大特点，即能够起到优化整体的作用，同时还有很好的适应能力。它被应用到很多领域中，比如问题诊断等等。最近几年它在工程方面也体现出了自身的巨大价值。接下来就具体的展开论述。第一是它能够论述可靠性问题。第二是能够辨别参数。它能够大体的分辨结论数值，明确了大体的区间之后，再通过遗传措施对设定的数值以及结论数值一起优化处理。第三，能够设计机械方案。为了和目前的编码体系保持一致，其设置了一系列的遗传方法，通过这些方法掌控它的搜索活动，而且通过复制等活动不断的迭代，进而得到最为优秀的方案。除此之外，它还可以应用到很多的其他行业中，比如节能设计以及数控加工误差等。上文讲述了很多它的优点，不过它也并非是完美的。比如目前还无法优化其自身的数值，无法通过新的设置来提升效率，目前的操作方法还不是很完善等等的一些问题。一般采用惩罚函数法求解约束优化问题时，其难点是如何选择合适的惩罚因子。该因子太大的话，会使得搜索工作变得困难，但是如果设置得太小的话，可能造成整个惩罚函数的极小解不是原目标函数的极小解。

3、约束优化设计法

根据处理约束条件的方法不同可分为间接法和直接法。间接法常见的有增广乘子法、惩罚函数法。它是将非线性优化问题转化成线性规划问题或是将约束优化问题转化成无约束优化问题来求解。直接法常见的方法有复合形法、网络法和约束坐标轮换法等。它的本质是创造一个迭代的步骤，确保所有的迭代点都能够在可行区间之中，进而不断的降低数值，一直到最为合理为止。

4、蚁群算法

是通过人工模拟蚂蚁搜索食物的过程来求解旅行商问题，在1991年由意大利学者M.Dorigo等人提出。蚁群算法适合非线性问题的求解，避免了导数等数学信息，对系统优化问题的数学模型没有很高的要求。主要应用在：交通建模及规划电信路由控制、集成电路布线设计、有序排列问题、二次分配、车间任务调度等问题的求解。虽然蚁群算法具有并行计算、正反馈选择和群体合作等优点，但也存在着容易出现“停滞”现象和需要较长的搜索时间两个缺陷。吴庆洪等提出了应用改进型蚁群算法解决有序排列问题，运用新的状态转移规则，讨论不同的轨迹更新规则对仿真结果的影响的一种具有变异特征的蚁群算法，并通过统计数据验证了相对于标准的蚁群优化算法中，改进型蚁群算法的优势所在。

5、模拟退火算法

模拟退火算法，最早在1953年由Metropolis提出，1983年Kirkpatrick成功地应用在组合最优化问题。模拟退火算法是一种通用的优化算法，用以求解不同的非线性问题；能够发挥出良好的收敛性特征，而且适应能力很是强大；对不可微甚至不连续的函数优化，能以较大概率求得全局优化解；能处理不同类型的优化设计变量；并且对目标函数和约束函数没有任何要求；不需要任何的辅助信息。目前已经广泛的应用于：神经网络、图像处理、控制工程、数值分析和生产调度等。这个方法虽然有很多的优点，不过它也存在一些缺点，比如它的效果不是很好，而且整个运算活动耗费的时间非常久。通过上文的分析我们得知了这几种算法本身的优点和缺陷，应该尽量的避免其缺陷，将优势结合到一起，对其进行完善。

四、合理选取方法

通过上文中对设计特征的分析，我们得知要想保证设计合理，就要正确的选取优化方法。这主要是因为即使是一个完全相同的内容它也会存在很多不一样的解决措施。然而并非是并存的这几个措施都能够将问题解决得天衣无缝。比如一些措施会使得设计的最终结果和我们当初的设置不符。要想避免这种现象，就需要我们牢牢此遵守四个基础原则。第一，要保证可靠性好，第二要保证使用的计算程序是合理的，第三要确保其稳定，最后要保证效率。除此之外，还需要工作者的工作经验丰富，只有这样才可以分析相关的函数值，结合复杂性等要素对其进行合理的选取判断。优化设计的选择取决于数学模型的特点，对于只含线性约束的非线性规划问题，最适应采用梯度投影法；对于约束函数和目标函数均为显函数且设计变量个数较少的问题，采用惩罚函数法较好；针对那些求导有难度的要使用直接解法；对于高度非线性的函数，就要选取那些较为稳定的措施。

结束语

从机械产品设计的全局来看，目前比较先进的优化设计，大多数还停留在设计方案后参数优化方面，面向产品设计，应将优化设计拓宽到机械设计产品的全生命周期过程，是适应机械产品设计。随着机械技术不断地发展，在现代科学技术支持下，现代机械先进优化设计技术将进行新一轮的发展。

参考文献

[1]李秀昌.浅谈机械制造中数控技术的应用[J].科技致富向导，2013（9）.

第3篇

关键词:优化设计;数学模型;成本;质量;公差

中图分类号:TH122 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2009)020(c)-0098-01

优化设计是指在据产品的设计要求,合理确定各参数,使产品取得较高的经济效益和较好的使用性能。优化设计一般步骤为:

(一)建立优化设计的数学模型;

(二)求出最优设计参数。

优化设计模型是设计问题的数学形式,是反映设计问题各主要因素之间内在联系的一种数学关系。本文主要讨论三种优化设计模型:“成本――公差”模型、“质量――公差”模型、“质量――公差――成本”模型的建立过程及其用适用范围。

一、优化设计模型

(一)成本――公差模型

产品加工成本在机械产品的总成本中占有重要地位,影响加工成本的因素众多,其中零件公差起着重要的作用。一般来说在产品设计时零件公差等级越高就越能保证产品设计要求,但这必然导致产品加工成本提高。“公差―成本”模型是公差优化设计的基础,是建立机械产品优化设计目标函数的依据。但是由于影响产品加工成本的因素很多,因此难以确定一个通用的“成本―公差”关系式。较为常见的模型:

⑴

式中:ci――第i个零件的加工成本; ai――与公差无关的成本常数;

bi――与公差有关的成本系数; ti――第i个零件的公差。

通过选取多个统计样本,对统计样本数据进行回归分析,便可得成本-公差模型参数值如下:

⑵

⑶

(二)质量――公差模型

机械产品的质量在很大程度上是与产品的工作精度等输出性能指标联系在一起的。在一般情况下,产品的输出特性参数都是构成产品的零部件参数的映射。因此,产品的输出特性都可用其零部件参数按照一定得数学关系来描述。同样的道理,产品精度与零件公差之间也可以建立起相应的数学表达式:

T=F(t1,t2,……,t3) ⑷

式中:T――产品输出特性(T)的公差。

为了将产品设计精度T按一定的规则分配给相关零件公差,且使得产品制造成本最少,先确定产品输出特性误差的传递途径,再引入统计公差模型:

⑸

式中:ξi――第i个公差传递系数; Ki――第i个公差相对分布系数;

K――输出特性公差相对分布系数,零件尺寸成正态分布时取1。

由式⑴可知产品总制造费用,用C表示:

⑹

联合⑸、⑹两式,以总成本ΣT最小为公差分配判据,可求得各零件公差计算通式:

⑺

(三)质量――公差――成本模型

田口玄一博士认为:“质量损失是指产品出厂后给社会带来的损失”,质量损失给社会带来的损失的后果,首先反映在用户购买该产品的意愿上,并且直接影响到该产品的市场占有率,最终也要给产品制造企业带来经济损失。田口玄一博士提出的质量损失函数,描述了产品输出特性与质量损失之间的定量关系:产品输出特性值偏离目标值越大,损失越大,即质量越差,反之,质量就越好。质量损失函数如下:

L(T)=N(T-M)2 ⑻

式中:M――产品输出特性的目标值; N――质量损失系数。

由于产品输出特性公差T=|T-M|,故有:

L(T)=N(T)2 ⑼

根据田口玄一质量理论,产品总损失为产品成本与产品质量损失的总和,用L表示,则

L=L(T)+C ⑽

将⑺带入⑹式,得到:

⑾

由⑵、⑶、⑹、⑾四式可得“质量―公差―成本”优化模型:

⑿

二、结论与推广

本文探讨了优化设计的重要内容:优化模型的建立。介绍了三种常见的机械产品优化设计的模型:“成本――公差模型”、“质量――公差模型”,“质量――公差―成本”。“成本――公差模型”常用于零件优化设计,常用于优化单个零件的成本和公差。“质量―公差模型”常用于产品优化设计,用于优化产品组成零件的公差优化问题。“质量―公差―成本模型”常用于产品可靠性设计和成本控制,使产品的制造成本、经济效益和合格率达到预期指标。

作者单位:重庆大学机械工程学院

参考文献:

[1]韩之俊.三次设计[M].北京,机械工业出版社,1992

[2]孙国正.优化设计及应用[M].北京,人民交通出版社,2000

[3]林秀雄.田口方法实战技术[M].广东,海天出版社,2008

[4]田福祥.机械优化设计理论及应用[M].北京,冶金工业出版社,1998

第4篇

[关键词]机械结构;优化设计;趋势

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0121-01

机械产品应用范围相对较广，为确保机械产品在我国日常生活及企业从生产中得到有效应用，实施优化设计十分必要。目前我国已经针对机械结构优化设计进行了研究，并取得一定成果，主要表现在船舶行业、焊工航天以及汽车行业等[1]。机械结构的优化设计可有效提高其产品性能并增加其自身市场竞争力，对其市场发展起重要作用。

1 机械结构优化设计

随着科学技术的发展进步，加快了机械产品更新的速度，以往在制造机械产品时主要采用大批量生产的方法进行，产品相对单一，目前在实施机械产品加工时多采用小批量加工模式，可确保产品的多样性。为确保生产企业的利润，在生产机械产品时需注意将其生产周期缩短，最大限度在确保至质量的前提下降低生产成本。通过实施优化设计可满足上述目标，在一定程度上缩短生产时间并降低成本，通过效率抢占市场。机械结构优化设计目前已在船舶制造、交通工具、航空航天、冶金、纺织、建筑等多领域应用。

机械结构优化设计流程主要包括：（1）针对所优化机械产品尽心目标函数优化设计，可确保机械产品相关技术指标符合优化要求。（2）设计机械产品优化函数变量，变量设计包括机械产品长度、厚度以及弧度等相关结构参数。（3）对机械产品优化设计约束条件进行设定，对计算过程中各项变量浮动范围进行限定。（4）通过以上步骤得出多种优化设计方案，分别对不同方案进行评价，根据机械结构优化设计需求选择最佳方案实施。

2 机械产品优化设计应用分析

2.1 尺寸优化设计

机械产品实施优化设计过程中对尺寸数据有精准的要求。因此实施优化设计汇总需确保各零件尺寸与实际工作需求相符，若产品为多个零件组成结构，若其中一个零件尺寸存在误差均会对零件连接效果造成极大影响，甚至加剧机械磨损导致产品报废。因此机械产品零件越多及机械结构复杂程度越高，对各零件精细度的要求也有所提高。开展机械产品尺寸优化的前提条件机械产品拓扑关系及形状不发生改变，通过计算机技术的应用对具体尺寸变化进行有效调整，可确保机械产品性能的增强。

2.2 形状优化

为确保机械产品性能的全面提升，在进行优化设计时也可从机械产品形状入手开展优化。因多数大型机械设备自身结构相对复杂，各部件形状也具有多样化，很难进行分析，为优化设计进展带来一定困难。我国目前已经针对结构优化方面出现研究成果，如田方针对轴对称机械零件开展的优化设计以及王世军针对机器人结构的优化等。

2.3 拓扑优化

以往在实施机械结构优化设计中多侧重于进行结构参数优化，未针对机械零件拓扑结构实施优化设计。随着机械结构设计意识的提高，优化中心开始向拓扑结构优化方向转换。拓扑设计优化主要在离散结构以及连续结构方面体现，其中离散结构优化设计主要是通过对多个关键点连接方式方面入手，改优化前提是确保上述关键点位置的确定。连续拓扑优化设计主要针对孔洞形状、数量、分布情况、部分结构边界开展的优化。

2.4 动态性能优化

机械产品动态性能主要指的是机械结构受外界作用下显示出外型变化规律，包括相关运动参数等[2]。机械产品实施动态性能的优化设计可明显反应出改产品工作强度及寿命情况。因此对机械结构动态性能开展优化设计不仅能减轻机械工作负担还可在同等工作强度条件下对其使用寿命进行延长。

2.5 多学科结构优化设计

开展机械结构优化设计中需应用多科学角度入手，单独使用某科学角度无法得出理想优化结果，应从多学科角度进行，确保优化设计的多学科化、总体化及系统化，确保优化设计程度符合实际需求或超出预期目标。

3 机械结构优化设计趋势

随着时展进步及行业前景变化发展处机械结构的优化设计，通过近年机械结构优化设计的开展已经从简单化优化设计想结构系统大型化及复杂化机械发展[3]。通过产品设计变量的不断增加，造成结构分析推到以及计算数值方面难度均有所提高，特别是进行特殊结构优化时无相应数据及公式进行应用。在针对大型机械结构进行优化设计时，需将复杂结构进行分解，逐步对各子结构分别进行优化，在优化过程中若设计多学科优化设计也可分科学进行优化。通过对计算机技术的有效利用，确保机械结构优化设计多方向发展。该技术主要代表包括模仿神经网络和遗传算法的人工算法，该算法适合在连续混合机离散变量全局优化中应用，可对产品准确度及应用质量进行提高。针对拓扑结构的优化设计时目前开展机械结构优化设计研究的主要方向，因实施拓扑结构优化可谓机械结构整体优化方案的设计提供科学依据，确保寻找出最佳设计方案，该方法多在大型机械优化上应用，可通过较复杂的计算实施优化，对大型机械尺寸、形状进行优化，提高其产品性能。

4 小结

机械结构优化设计的开展可帮助提升机械产品性能及质量，为机械产业的发展提供了方向及机遇。优化设计的实施可缩短机械产品生产周期并提高机械制造行业竞争力，推动机械产品优化发展。

参考文献

[1]张钟文. 试析机械结构优化设计的应用及趋势[J]. 装备制造技术，2016，07：270-271.

[2]曾文忠. 机械产品设计的结构优化技术应用策略探究[J]. 湖南农机，2014，09：44-45.

[3]周继瑶. 论现代机械中的结构优化设计[J]. 企业科技与发展，2013，09：19-21.

作者简介：

第5篇

关键词：机械；优化设计；参数化；数学规划；可靠性设计。

一、优化设计的基本理论

优化设计是现代化设计方法的重要内容之一。它以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下，需求满足预定目标的最佳设计。优化设计能比较好的把现代设计理论和经过长期实践验证的设计内容结合起来。这种技术在设计领域中具有巨大的应用潜力，它的推广应用，对促进我国设计工作现代化，起到良好的作用。

优化设计能够成功的解决解析等其他方法难以解决的复杂问题，为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，大大提高了设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面：一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型，建立数学模型包括：选取适当的设计变量，建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标和设计变量之间的函数关系式，约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系；二是如何求得该数学模型的最优解；可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值问题。机械优化设计就是在给定载荷或环境下，在机械产品的形态、几何尺寸关系或其他因素的限制范围内，以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象，选取设计变量，建立目标函数和约束条件，并使目标函数获得最优值一种现代设计方法，目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。

二、机械优化设计特点

传统设计者采用的是经验类比的设计方法。其设计过程可概括为“设计―分析―再设计”的过程，即首先根据设计任务及要求进行调查，研究和搜集有关资料，参照相同或类比现有的、已完成的较为成熟的设计方案，凭借设计者的经验，辅以必要的分析及计算，确定一个合适的设计方案，并通过估算，初步确定有关参数；然后对初定方案进行必要的分析及校核计算；如果某些设计要求得不到满足，则可进行设计方案的修改，并再一次进行分析及较和计算，如此反复，直到获得满意的设计方案为止。这个设计过程是人工试凑与类比分析的过程，不仅需要花费较多的设计时间，增长设计周期，而且只限于在少数几个候选方案中进行比较。

机械优化设计具备常规设计不具备的特点，主要表现两个方面：

1）优化设计能使各种设计参数自动向更优的方向进行调整，直至找到一个尽可能完善的或最合适的设计方案。

2）优化设计的手段是采用电子计算机，在较短的时间内从大量的方案中选出最优的设计方案。

机械优化设计采用数学规划的方法，并借助于计算机寻求优化参数，获得较好的经济效果。可以降低机械产品成本，提高它的性能；优化过程中获得的大量数据可以帮助我们获得数据的变化趋势，有利于对今后设计结果作出正确的判断，从而不断提高系列产品的性能；

用优化设计方可合理解决多参数、多目标的复杂产品设计问题。

三、可靠性优化设计

机械优化设计能保证产品具有最佳的工作性能和参数匹配，最小的结构尺寸和质量，但不能确保可靠性指标的实现。可靠性设计可以确保或预测所设计的机械产品在规定的使用条件下和规定的使用时间内完成规定的功能的概率，确保产品的可靠性指标实现，但它不能保证产品具有最佳的工作性能和参数匹配，最小的结构尺寸和质量，最低成本和最大效益。因此，要是产品既有可靠性要求，又有最优的设计结果，就必须将可靠性设计理论与最优化技术结合起来，即采用可靠性优化设计。按这种方法进行设计，既能定量的给出产品在使用中的可靠性，又能得到产品在功能、参数匹配、结构尺寸与质量、成本等方面的参数的最优解。另外，在可靠性设计中也常采用最优方法进行系统的可靠性分配。

四、优化设计的发展

随着科学发展的需要， 机械产品设计质量的不断提高， 设计周期的白益缩短， 要求设计者考虑的因素也愈来愈多， 其计算方法的复杂性和精确性都是二般传统设计难以完成的。面对这种技术发展的现状， 设计者便开始求助于新的理论和新的设计方法。机械优化设计就是在这种情况下， 发展起来的一种现代设计方法。

机构运动参数的优化设计是机械优化设计中发展较早的领域，不仅研究了连杆机构，凸轮机构等再现函数和轨迹的优化设计问题，而且还提出一些标准化程序。机构动力学优化设计方面也有很大进展，如惯性力的最优平衡，主动件力矩的最小波动等的优化设计。机械零部件的优化设计，最近20多年也有很大发展，主要是研究各种减速器的优化设计，滑动轴承和滚动轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的机构参数优化。除此之外，在机床、锻压设备、压延设备、起重运输设备，汽车等的基本参数、基本工作机构和猪蹄机构方面也进行了优化设计工作。

结束语

现实生活中，优化问题存在于很多方面，已经受到科研机构、政府部门和产业部门的高度重视。随着市场经济的发展，产品市场经济日趋激烈，工矿企业迫切期望提高产品性能，减少原材料消耗，降低生产成本，增强产品的竞争力，这使得机械优化设计的应用范围越来越广，收到的效益也愈来愈显著。

参考文献

第6篇

关键词：机械设计；优化；先进技术

中图分类号：TD402 文献标识码：A

现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。工程实际中还逐渐出现了许多新的设计思想和设计方法。随着社会的发展、人们思想观念的更新和科学技术的发展而提出，对节能、环保、改进产品性能和增加产品市场竞争能力等方面的重要性而受到越来越多的重视。传统的设计运用力学和数学形成经验作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。我们熟悉的优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元法等,这些设计方法已经较为成熟,形成了完整的设计体系。机械优化设计是在进行某种机械产品设计时，根据规定的约束条件，优选设计参数，使某项或几项设计指标获得最优值。

它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的统称，提高设计质量和缩短设计周期，是为了适应市场剧烈竞争的需要，以及计算机在设计中的广泛应用。60年代以来，在设计领域相继诞生与发展的一系列新兴学科的集成。产品设计的“最优值”或“最佳值”，系指在满足多种设计目标和约束条件下所获得的最令人满意和最适宜的值。最优值的概念是相对的，随着科学技术的发展及设计条件的变动，最优化的标准也将发生变化。这种选择不仅保证多参数的组合方案满足各种设计要求，而且又使设计指标达到最优值。由于传统设计所用的计算方法和参考数据偏重于经验的概括和总结，往往忽略了一些难解或非主要因素。在信息处理、参量统计和选取、经验或状态的存储和调用等还没有一个理想的有效方法，解算和绘图也多用手工完成，这不仅影响设计速度和设计质量的提高，也难以做到精确和优化的效果。因此，求解优化设计问题就是一种用数学规划理论和计算机自动选优技术来求解最优化的问题。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化，它要求人们根据事物的客观规律，在一定的物质基础和技术条件下，得出最优的设计方案。机械优化设计可解决设计方案参数的最佳选择问题。

1 现代设计方法

1.1 创新设计

创新是设计的本质，随着科学技术突飞猛进的发展，产品的市场竞争也日益激烈。们消费观念不断变化，产品的创新性，创新产品能满足甚至创造出新的需求宜人性等因素愈来愈受到重视，大量科技成果转化为生产力，在竞争中占据着突出地位。在这种形势下，创新设计是产品适应新的市场形势的最好途径，因而必然有较强的市场竞争力。

1.2 智能设计

为了提高制造业对市场变化，在CIMS环境下，设计正在向集成化、自动化等方向发展。就必须大大加强设计专家与计算机工具，使计算机能在更大范围内，这一人机结合的设计系统中机器的智能，更高水平上帮助或代替人类专家处理数据、信息与知识，大幅度提高设计自动化的水平。智能设计就是要研究如何提高人机系统中计算机的智能水平， 做出各种设计决策，使计算机更好地承担设计中各种复杂任务，智能化是设计活动的显著特点，也是走向设计自动化的重要途径。

1.3 响应设计

随着市场竞争的加剧，使得产品的更新换代不断加快，市场寿命周期不断缩短。现代科技的日新月异，建立快速捕捉市场动态需求信息的决策机制。实施快速响应设计技术，适应市场环境的变化，面对瞬息万变的市场环境，用户需求的转移，增强企业市场竞争的有效途径。更要求企业具有高度的灵敏性，不断地迅速开发新产品，能抓稍纵即逝的机遇，变被动适应用户，这样才能保证企业在竞争中立于不败之地。在这种时代背景下，市场竞争的焦点就转移到速度上来，快速提高更高的性能/价格比产品的企业，将具有更高的竞争力。为提高快速响应能力，企业首先应当能迅速捕捉复杂多变的市场动态信息，并及时作出正确的预测和决策。

2 现代设计优化技术方法

2.1 现代方法与传统方法比较

整个传统设计的过程，参照同类产品，通过估算、经验类比或试验等方法来确定产品的初步设计方案，是人工试凑和定性分析比较的过程。机械产品的设计，一般需要经过需求分析、方案设计、分析计算、市场调查、结构设计、工程绘图和编制技术文件等一系列工作过程。传统设计方法通常是在调查分析的基础上，优化设计理论的研究和应用实践，从经验、感性和类比为主的传统设计方法过渡到科学、理性和立足于计算分析的现代设计方法，又能满足生产的工艺性、使用的可靠性和安全性要求，使传统设计方法发生了根本变革，机械产品设计正在逐步向自动化、集成化和智能化方向发展，按照传统方法得出的设计方案，可能存在有较大改进和提高的余地。机械产品设计工作的任务就是使设计的产品既具有优良的技术性能指标，且消耗和成本最低等。根据经验或直观判断对设计参数进行修改。但是由于传统设计方法受到计算方法和手段等条件的限制，设计人员可以在有限的几种合格设计方案中，这是很难找出最优设计方案的。

2.2 优化设计

随着计算机及其计算技术的迅速发展，对结构的参数化模型进行加载与求解。工程设计中较复杂的一些优化问题取得了较好的技术和经济效果，把状态变量提取出来供优化处理器进行优化参数评价。促进了工程优化设计理论和方法的发展，并结合工程优化设计的特点，为以后软件修正模型提供可能。如果最优，完成迭代，退出优化循环圈。利用CAE软件的参数化建模功能，将要参与优化的数据定义为模型参数，重新投入循环，与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小。在多目标优化，混合离散变量优化、模糊优化以及人工智能、神经网络及遗传算法，应用于优化设计等方面都获得一些显著的成果，已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，逐步形成以计算机和优化技术为基础的近代优化设计。

结论

从机械产品设计的全局来看，目前比较先进的优化设计，大多数还停留在设计方案后参数优化方面，面向产品设计，应将优化设计拓宽到机械设计产品的全生命周期过程，是适应机械产品设计。随着CAD技术不断地发展，现代科学技术支持下，现代机械先进优化设计技术将进行新一轮的发展。

参考文献

[1]现代设计方法[M].武汉:武汉理工大学出版社，2001.

[2]先进制造技术[M].北京:机械工业出版社，2000.

第7篇

【关键词】 机械 优化设计 理论 方法

1 机械优化设计理论概述

1.1 机械优化设计的概念

机械优化设计是指最优化技术在机械设计领域的移植和应用，是以最低成本获得最高效益。其根据机械设计理论、方法与标准规范等建立能够正确反映实际工程设计的数学模型，利用数学手段和计算机计算技术，在众多的方法中快速找出最优方案。机械优化设计通过把机械问题转化为数学问题，加以计算机辅助设计，优选设计参数，在满足众多设计目的和约束条件的情况下，获得最令人满意、经济效益最高的方案。目前，机械优化设计已成为解决机械设计问题的有效方法。

1.2 机械优化设计研究的内容

机械优化设计主要研究的是其建模和求解两部分内容。 如何选择设计变量、列出约束条件、确定目标函数。其中，设计变量是指在设计过程中经过逐步调整，最后达到最优值的独立参数。设计变量的数目确定优化设计的维数，维数越大，优化设计工作越复杂，但效益越高，所以选取适当的设计变量显得尤为重要。约束条件即是对约束变量的限制条件，起着降低设计变量自由度的作用。目标函数即是指各个设计变量的函数表达式，工程中的优化过程即是指找出目标函数的最小值（最大值）的过程。一般而言，目标函数的确定相对容易，但约束条件的选取显得比较困难。

2 机械优化设计的一般思路与常见方法

2.1 机械优化设计的一般思路

2.1.1 分析问题，建立优化设计数学模型

在机械优化设计的过程中，首先需要通过对实际问题的分析，选取适当的设计变量，确定优化问题的目标函数和约束条件，从而建立优化设计的数学模型。

2.1.2 选择优化设计方法，编写程序

在设计变量、约束条件和目标函数三大要素已经确定，构建好数学模型的情况下，编写计算机语言程序。

2.1.3 分析结果，找到最优方案

准备必须的初始化数据，通过计算机数值计算，对比计算结果，在众多的设计方案中选择最完善或者最适宜的设计方案，使其期望的经济指标达到最高。

2.2 机械优化设计中的常见方法

2.2.1 传统优化设计理论方法

传统机械优化设计方法的种类有很多，按求解方法的特点可分为准则优化法、线性规划法和非线性规划法。准则优化法是指不应用数学极值原理而是采用力学、物理中的一些手段来谋求最优解的方法。常见的准则优化法有迭代法中的满应力准则法等，其主要特点是直接简单效率高，缺点是只能处理简单的工程问题。线性规划法是指应用数学极值原理，选取适当的设计变量和约束条件，求解目标函数的一种方法。常见的有单纯形法、序列线性规划法。其优点是通过把实际工程问题转化为数学极值问题的求解，使其直接、有效、精度系数高，缺点是工作量大。非线性规划法同样根据数学极值原理求最优问题，可分为无约束直接法、无约束间接法。有约束直接法和有约束间接法。其优点是应用范围广，可应用于大、中、小型工程问题，且都相对简单方便、可靠性高、稳定性强、精度高。

2.2.2 现代优化设计理论方法

现代优化设计方法不同于传统优化方法，其无需通过选取设计变量、约束条件、目标函数等因素，便可获得全局最优解，大大地减少了传统优化设计方法花费的人力与财力，在日今复杂的工程问题中，提出了全新的思路与方法。常见的现代优化设计方法有遗传方法、神经网络法、模拟退火法、粒子群算法等。

3 机械优化设计的现状与前景

机械优化设计是最优化理论、电子计算机技术和机械工程相结合的一门学科，包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状优化设计等。二十世纪五十年代以前，用于解决最优问题的数学方法仅限于古典的微分法与变分法，在处理现实问题时，计算量非常大。直到四十年代前后，大型线性规划技术的提出，数学方法首次被运用到结构最优化，使得计算过程不再复杂，有效的解决了数值最优化计算。近年来，随着数学规划理论与计算机技术的飞速发展及广泛应用，许多新兴优化算法，如遗传算法、神经网络法等相继被提出，机械优化设计广泛地被应用到建筑结构、化工、航天航空等诸多领域并取得飞速发展。机械优化设计具有广阔的发展前景。

机械优化设计给机械工程界带来的巨大经济效益是显而易见的，但其工程效应比起预期远远小得多。归结其原因，主要有以下两点：（1）建模难度大。（2）最优方法的选取难度大。

虽然有以上不足之处，但是机械优化设计的发现前景仍是非常广大的，且各领域也在积极做出相关的研究探索，并已取得一定的成就。

4 结语

机械优化设计即是指从众多设计方案中需找最优方案的过程，一般包括建立数学模型、选择优化方法、分析计算结果选择出最优方案三个过程。根据不同的分类方式，机械优化设计的方法有很多，从传统角度，最常用到的有线性规则法中的序列线性规则法等等，由于现在各技术领域的发展以及工程问题对优化设计的需求，衍生了很多与传统方法原理完全不同的新兴方法，最常见到的有遗传算法、神经网络法等。纵观几十年来机械优化设计的发展历程，其发展是非常迅速且令人可喜的，虽然仍存在建模困难、优化方法选取等等方面的一些挑战，但是其前景仍旧是非常广阔的。研究机械优化设计的理论与方法无论是学术领域还是实际经济效益方面都具有研究意义。

参考文献：

[1]刘惟信.机械最优化设计[M].北京：清华大学出版社，1993.

[2]陈立周.机械优化设计技术的发展现状及其新问题.2000年中国机械科学部份研究的征文，1984.

[3]秦东晨，陈江义，胡滨生等.机械结构优化设计的综述与展望[J].中国科技信息，2005（9）.

[4]高卫华，谢剑英.动态模糊神经网络及其在非线性系统中的应用[J].电气自动化，2000.

第8篇

关键词：现代机械；可视化；优化设计

可视化（Visual）程序设计是一种全新的程序设计方法，避免许多繁琐的代码语句。它主要是让程序设计人员利用软件本身所提供的各种控件，像搭积木式地构造应用程序的各种界面。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。科学计算可视化能够把科学数据，包括测量获得的数值、图像或是计算中涉及、产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察、模拟和计算。

1、视优化设计的内容

对机械产品进行可视优化设计，通常包括以下3个方面，即加工装配过程可视化、运动学设计可视化、控制过程可视化。可视优化设计法从研究内容上主要体现两方面：一是“检验”；二是“优化”。“检验”是指应用可视优化设计法，在设计阶段就能完成对可加工性、可装配性、运动形态、动态性能、工作状况、控制方案的全面检验。“优化”是指在可视优化设计中，可以通过优化理论寻优或方案对比寻优，达到在设计阶段优化加工工艺、装配工艺、运动参数、动态特性、工作参数、控制策略的目的。

2、机械可视优化设计平台设计

搭建设计平台是一种将设计系统化与集成化的思想，设计平台可以很好地将设计理念实施到具体的产品设计中去。因此，国内外在进行与可视优化相关研究时通常创建相应的应用平台。机械实施可视优化设计法也有必要搭建设计平台来实现，搭建振动机械可视优化设计平台可从其功能要求、功能模块组成、软件系统结构以及各模块的具体实现方法等环节来实现。

2.1平台功能模块

振动机械不同于普通机械，其动态性能是影响其最终质量的关键因素，在振动机械的方案设计和详细设计阶段一般都要对其进行运动学和动力学计算、分析、仿真实验等操作。此外，作为一种机械设备，设计过程中自然也要考虑各零件间的可装配性问题、具体的设计计算等问题。

2.2平台软件系统

可视优化设计平台必须具有功能强大的软件系统支持方能实现预定的功能目标，可喜的是目前已有众多的商业性软件可用于机械产品的可视优化设计，这些软件按其主要功能可分为三维建模类、工程模拟类、控制仿真类、有限元计算类、软件开发编程类等。产品研发部门应该考虑平台的功能模块结构、软件的功能与价格、本单位人员的基本素质等多方面因素，选择合适的软件搭建软件集成平台，搭建振动机械可视优化设计平台选择的软件系统包括：三维建模类，常见的有So1idworks、Pro/E、UG等；工程模拟类ADAMS、DADS、SIMPACK等；有限元计算类ANSYS，NASTRAN，MARC等；软件开发与编程类VB、VC++、Delphi、Visual Fortran等。

3、功能模块实现技术

3.1装配过程的模块实现方法

装配质量对振动机械工作性能的影响很大，在设计中必须给予重点考虑，对振动机械进行装配过程可视化研究的目标是考虑设计的零件能否实现预期的装配，以及确定合理的装配顺序。此外，装配过程可视化模块也负责向其他模块提供零部件及整机的实体模型。因此如何快速实现模型的创建也是此模块重点考虑的问题，在实现方法上可考虑用编程软件对三维建模软件进行二次开发创建某类振动机械的快速建模及装配系统。一般的编程类软件都可以编制上述可视化计算程序，因为对振动的求解涉及大量的矩阵运算，因此考虑用可视化编程能力强的VB软件与矩阵计算能力强的Matrix VB结合可快速实现该模块的研发。振动机械工作过程可视优化研究目标就是通过创建的振动机械数字样机模型进行各种试验，从而确保机械设备各方面性能满足要求，各运行参数得到相应的优化。其实现方法上与运动可视化研究相似，可采用三维建模软件与工程模拟软件结合起来进行研究。

3.2动态性能模块实现方法

振动机械动态性能直接影响着机器的最终质量性能和运转的可靠性，因此设计中必须给予重点考虑。对振动机械进行动力学可视化研究，目标是通过三维实体模型，判断振动机械的精确模态特性和在特定激励作用下的响应情况。此外，动力学可视化研究还用于求解振动机械正常运转及停机时应力、应变变化情况。在实现方法上可考虑用三维建模软件创建实体模型，接着导入到有限元分析软件进行动态性能可视化仿真研究。振动机械的运动形态直接影响着该类机械设备的工艺效果，因此在设计过程要保证其运动形式符合相关设计要求。对振动机械进行运动可视化研究，目标就是检验振动机的主运动参数是否满足要求，运动是否发生干涉等问题。在实现方法上可考虑用三维建模软件创建实体模型，接着导入到工程模拟类软件进行运动状态可视化仿真研究。

3.3数据存储模块实现方法

振动机械可视优化设计平台研究环节众多，且很多情况下需要反复运行，相关的数据量较大。另外，平台涉及的数据类型也很多，常见的有文字信息、数据、二维或三维图形、结果报表、音频及视频多媒体数据等。因此，有效的管理和利用这些数据同样是成功实施可视优化设计法的关键，该模块的实现方法可考虑创建功能相对齐全的中心数据库管理系统对相关数据进行有效管理。

4、结束语

可视优化设计相关方法在生产振动机械企业中的应用还处于起步阶段，相关的理论方法，如平台的搭建策略、设计的协同性、试验验证方法等问题还有待进一步研究。

参考文献：

第9篇

关键词：协同设计 优化设计 MATLAB

中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（a）-0034-03

网络协同设计是一种先进的联合设计手段，可以将不同的设计主体（专业技术人员）通过共享的网络平系起来，设计人员之间可以使用功能各异（异构）的工具设计远程协作，在这个共享平台中阶段性优化已有方案、模块化分析、并行修改，以远超出非协同条件下设计的效率和质量完成产品设计。其使用到的工具可以包括且不仅限于SolidWorks、PRT（Pro/E）、PRT（UG）、DWG、CATIA等，同时在产品的优化设计阶段也会用到各种计算软件工具如MATLAB等，在使用中可采用两种方式实现产品的协同化设计，其一是采用数据格式转换，该方式是实现异构平台条件下同一产品数据集成与共享的主要方式。其所采用的主要数据转化手段包括利用XML技术、IGES标准以及STEP标准。XML（即系统基于可扩展标记语言）技术，IGES标准（即利用图形数据交换标准）和STEP标准（即产品模型数据交换标准），使用商业化或编制数据转换接口，从而实现产品的几何特征提取和数据格式转换。其二是对三维建模软件进行二次开发，在工作端嵌入相应开发模块，以实现对产品设计节点所产生数据的三维建模，基于Web的产品协同设计原型系统原理见图1。

1 产品协同设计

1.1 产品协同设计概述

产品设计包括多种设计项目内容，譬如确定产品规格、技术规范、性能解析、采取多种计算手段分析建模，初步制定制造计划和概算等。通常状况下，这阶段工作必须通过设计方案、确认架构、设计优化、仿真和样机测试性能、效果等过程对方案的可行性、有效性进行最终检验。此阶段工作涉及诸多不同类型资源，譬如产品市场情况和开发此产品相关的理论，譬如文本阐述、图表图形、城市、数据库、仿真设计（数字化）、物理及样机模型实验和实验实施所需诸多设施、装置等[1]，不过上述资源多数散布于多处。

利用远程MATLAB优化分析系统与CAD软件融合利用，不仅加速系统研发工作，使得系统更为可靠，并且非常有益于产品设计阶段中MATLAB优化解析方法的推广利用。在特殊条件下，运用MATLAB优化分析方法远程优化设计方案的前提要件是确定模型参数，通过增加产品性能、模型设计和优化的多个参数，辅助改进设计，必然有益于系统功能的扩展，还能够扩大系统运用范畴。此外，把散布的分析和优化工作所需资源有效归集，对于持有此资源的主体来说，能够提升利用此资源的整体效率，提高利润水平，另外利用此资源主体所需费用较少，因此整个研发设计过程中所耗成本也更低，产品在市场上自然具备更强竞争力。

1.2 产品协同设计过程

产品协同设计过程可以简单描述如下。

（1）方案设计。此阶段工作主要包含下述两个内容：第一，企业根据顾客要求设计完产品；第二，企业能够依据市调结果，自主研发推出新产品。两种产品设计方案均需交换许多不同类型数据和资料，最终必然能够确定最优设计方案。

（2）参数优化分析。为确保研发产品性能可靠，满足设计需要，运用MATLAB优化研究软件优化产品，令其更为可靠。

（3）产品结构设计。设计人员根据已经优化确定的产品方案，运用CAD程序完成建模，并协同完成装配过程。

（4）样机实验。在车间内产出样机，对踊进行性能测试，研究验证产品性能，保证性能满足设计要求。

2 优化设计方法分析

许多机械产品设计中需要进行优化，优化过程可分为3个部分：合成和分析、评价以及更改参数3个部分组成。其中，合成和分析部分的功能主要是建立产品设计参数和设计性能以及设计要求之间的关系，这是对设计产品进行建立数学模型的处理。产品的性能和设计要求的分析，相当于评估目标函数是否改善或达到最佳，即测试数学模型中的约束每一条都满足。选择参数部分是利用不同优化方法，使该目标函数（数学模型）求解，并根据该优化方法来求得最佳设计参数。优化设计的前提是选择最优的设计方法。而哪一种方法最优，主要根据具体设计优化的问题情况、特点和具体设计来定。通常来讲，可以有下述几点评价方案。

（1）可靠性。（2）精度。（3）效率。（4）通用性。（5）稳定。（6）全局收敛方法。（7）初始条件灵敏度。（8）多变量灵敏度。（9）约束灵敏度。

3 齿轮传动系统的优化设计案例

机械层面的设计优化视为协同设计工作平台内节点之一，通过传送输入/出文件，可以在异地完成计算并运用结果，下面以齿轮减速器为案例说明基于Web的协同设计下的优化设计过程，案例中所选择的优化算法为遗传算法（Genetic Algorithm，简称GA）。这是一个模拟达尔文生物遗传进化选择历程检索获取最优结果的方法[2]。在机械层面的设计优化问题中，运用这一方法，能够有效避免产生局部最优解，最终获得对整个系统方案都最优的更好解。该研究运用遗传算法用作齿轮优化方法，再结合Matlab遗传工具箱完成优化，不仅简单而且高效。

优化分析系统一般能够划分成处置数据、设计优化、输入/输出、造型产出4个主体模块。其中第一个模块的主要任务是：完成齿轮设计过程线图、处置数据，根据各种条件、状况，能够灵活选择查表、插值、拟合曲线、数据库和BP神经网络映射等多种手段完成工作。其中第二个模块主要应用Matlab语言，根据从第三个模块获取的转速、传递功率、负载性质以及传动比等数个已经确定的参数数据，运用Matlab神经网络、遗传算法两大工具箱，优化齿轮设计[3]。其中第三个模块主要负责：运用完成VB、Matlab、 SolidWorks API多个软件中数据的流转改用。其中第四个模块的主要任务是，依据前一模块产出结果，在优化设计的协同工作端自动完成齿轮的三维参数化造型。

3.1 建立数学模型

选择目标函数为齿轮减速器体积最小，同时，在选择齿轮强度的影响参数时使用以下4个参数，分别是法向模数mn、小齿轮齿数z1、齿宽系数φd以及螺旋角β，以上4个参数为设计变量建立数学模型。

（1）设计变量。

（2）目标函数。

（3）约束条件。

①模数约束：1.5≤χ1≤20。

②根切约束：g1≤0。

③齿宽系数约束条件：0.2≤χ4≤1.2。

④螺旋角约束：8≤c3≤25。

⑤齿面接触应力约束：g2≤0。

⑥齿根弯曲应力约束：g3≤0，g4≤0。

其中：

斜齿齿轮接触疲劳应力为：。

斜齿齿轮弯曲疲劳应力为：。

3.2 BP神经网络映射程序的实现

神经网络BP（Back Propagation），是目前在多学科领域应用范围最为普及和成熟的人工神经网络，其组成经过主要包含信息正向传播与误差的反向传播两个过程。BP人工神经网络在模式识别、函数逼近和数据压缩方面都显示出较强的映射能力[4]。下面是齿形系数YFa计算关系映射的实现步骤（使用Matlab7.1神经网络工具箱，共4步）。

第一步，读入训练样本数据。

第二步，初始化网络，利用网络初始化函数newff实现。

第三步，训练网络。利用训练函数train实现。

。

第四步，函数逼近。

利用上步训练好的网络代替原有的

函数关系，计算任意齿数zv0时的齿形系数YFa0，通过sim函数实现。

对比样本数据和映射之后产出数据，发现变差的最高值为0.006，证明此人工神经网络辨识精度达到很高水平，满足要求。

3.3 遗传算法程序实现

该文运用遗传算法来计算优化齿轮设计，结合运用Matlab软件中的遗传工具箱完成优化，整个过程不仅简单而且高效，其中遗传算法优化步骤如下。

（1）将数学模型转化成如下适用于Matlab的形式。

①设计变量。

②目标函数。

③约束条件。

（2）建立目标函数的m文件FitnessFcn.m文件内容如下。

（3）建立非线性约束的m文件nonlconfun.m；文件内容如下。

（4）把线性约束所对应的向量与系数矩阵赋予下述变量A、b、Aeq、beq，将边界（上/下）值分别赋予下述变量LB、UB。

（5）调用。

3.4 VB与Matlab混合编程

VB、Matlab结合完成编程过程中，还能够运用动态DLL链接库、DDE数据和ActiveX自动化3种技术手段，具体详见文献[4]。该研究运用ActiveX技术，利用VB编程时调取Matlab优化齿轮设计程序的部分代码如下：

当齿轮优化分析计算完毕，齿轮优化分析结果上传并存储到数据库中，但此时非优化设计客户端用户只能浏览及下d计算数据文本，如果客户端没有安装二次开发模块，仍然无法对数据进行建模处理，所以在优化设计工作端需要对软件进行二次开发，以SolidWorks软件为例，可以运用ActiveX技术和API函数，结合VB语言二次开发SolidWorks，运用优化所得结果实现齿轮的三维参数化造型在所开发的VB程序内增加下述代码，将完成的程序编辑产出*.dll文件，在SolidWorks中打开，在菜单栏中就能够加入“齿轮”“斜齿圆柱齿轮”菜单和下拉菜单选项。

…

4 结语

该文探讨了基于Web的网络协同设计框架下，产品的优化设计部分作为协同设计网络的重要组成部分（工作端）的优化过程，并以齿轮优化分析作为具体案例进行分析，文中融合了编程开发软件：VB、Matlab，结合BP神经网络、遗传算法（人工智能领域），成功完成了存在离散（或连续）设计变量时，设计的优化，使得优化齿轮设计工作效率得到提升，继而实现了整体设计协同作业效率的提升，并获得了最佳方案。下一步可考虑在诸个工作端进行有效的数据转换最终将此优化实现和三维参数化造型结合融于一体，在诸个工作端所用CAD/CAM软件条件下，也能够完成有限元分析并产出NC代码，有效提升设计齿轮工作效率和品质，加快系统制造速度。

参考文献

[1] 周伟.基于网络的协同设计系统数据交换及管理关键技术研究[D].重庆：重庆大学，2007.

[2] 余海威，田福庆，冯昌林.基于遗传算法的火炮齿轮传动优化设计[J].舰船电子工程，2008，28（10）：56-59.

第10篇

关键词：三维建模；车床刀架转盘；机械加工；设计；优化

随着我国科学技术的不断进步，我国在机械制造行业所取得的成就也越来越多，车床刀架转盘作为普通的车床刀架的核心零件，它具有造价成本高以及图纸设计构成的体系非常复杂，而且对于这种零件的加工精度非常高，需要的工序也很多等特点。加工车床刀架转盘的设备主要是车床，但是使用的大多数还是传统的二维纸质工艺，在生产的加工阶段，操作的工需反复的查阅相关的资料以及车床刀架转盘的图纸，而且对于车床刀架转盘的操作熟练的人员也非常的少，因此做好对加工转盘的工序进行优化设计的工作就很有必要，从而提高企业的经济效益。

1对于车床刀架转盘零件进行三维建模

对于车床刀架转盘的三维立体建模是通过度对各种方法的结合，制作出不同类型的三维物体形状以及真实环境的过程。对于三维数字化工艺的设计是通过以车床刀架转盘的模型为载体，在进行综合的考虑制造资源以及对产品的制造工艺流程的基础上进行定义，用来控制以及实现可视化表达零件的整个制造过程的数字化模型，从车床刀架转盘的特征角度看，所有的产品零件都可以看成是通过一系列的简单特征所以组成。对车床刀架转盘零件的三维建模的过程中，也就是对很多特征进行叠加，或者是相交和切割的过程，三维工艺的建模过程就是对加工特征以及特征之间的关系进行组织的控制过程。通过对车床刀架转盘零件的图纸进行分析，运用相关的转盘三维模型进行具体的绘制工作。通过打开三维模型的软件，新建对话框进入车床刀架转盘建模环境，再插入车床刀架转盘的图纸，进入草图的环境进行相关的绘制工作，在进行回转命令，进行对回转特征的创建工作，再进行相似的方法绘制其他的零件草图，然后进行零件相关的拉伸特征的设置，除了这些之外还要注意对车床刀架转盘零件的细节特征创建。

2对于车床刀架转盘的机械加工工艺规程的设计

2.1对车床刀架转盘加工的要求进行分析

对车床刀架转盘的零件图进行详细的分析，对相关的零件的尺寸精度以及位置精度的要求进行充分的了解，比如零件的表面粗糙度和燕尾导轨面以及对称度等，相关的精度要求非常高，对相关的零件部位的精度要求分析可以看出导轨面是转盘零件最为关键的加工表面。

2.2对车床刀架转盘的零件图的检查

车床刀架转盘的零件图包括主视图和俯视图以及侧视图，通过采用局部剖视或者半剖视的方法，可以对转盘零件结构表达的更加清晰以及对转盘零件的布局更加的合理，注意对转盘的有关尺寸进行标注，注意对相关的形状精度以及位置精度进行详细的标注，而且要保证标注的统一性以及完整性，确保转盘零件符合国家的相关标准规定，通过对转盘零件的各项技术要求的可行性进行确定，保证了转盘零件设计的合理性，从而为转盘零件的组织生产以及机械加工工艺技术做好充分的准备工作。

2.3对转盘零件生产类型的分析

根据相关的公式以及企业的生产条件进行确定车床刀架转盘的年生产量，结合车床刀架转盘质量的分析，以及对加工工作各种零件的生产类型的数量和工艺的特征进行考虑，从而可以确定出车床刀架转盘的生产类型为中批生产。

2.4确定转盘零件机械加工的工艺流程

通过对转盘零件的零件图进行分析可以得出，转盘长度以及宽度等的设计标准，还有转盘高度的设计标准以及燕尾面的粗基准，对各端面根据相关的基准进行加工，再采用一面两孔的定位方式进行加工其他的表面，从而确定出车床刀架转盘的机械加工工艺的设计流程。

2.5确定相关的设计设备

通过对车床刀架转盘的机械加工工艺的方案以及各种方面加工的方法进行分析，结合对车床刀架转盘的最大轮廓尺寸和加工精度的考虑，进行对加工机床的选择，以及对各种刀具和量具以及夹具的选择。

2.6制定零件机械加工工艺的规程

通过对上文的论述结果的分析，进行车床刀架转盘的机械加工工艺各项要求的制定，制定的车床刀架转盘零件的机械加工工艺的规程是企业组织车床刀架转盘进行生产工作的标准，是整个车床刀架转盘机械加工工艺规程优化设计工作的重要环节之一。

3结束语

车床刀架转盘的三维工艺项目能够大大降低企业的成本，从而增加企业的经济效益。企业的精益化生产才符合现阶段时代的发展，才能够紧紧跟随智能化制造的步伐。在对车床刀架转盘的机械加工工艺规程的优化设计过程中，要做好对于零件的分析以及研究工作，通过对车床刀架转盘零件的机械加工工艺进行优化设计，制定好相关的零件机械加工工艺规程，才能缩短零件的生产周期，从而降低制造的成本以及提高了零件的精密度，对提高企业的劳动生产率以及降低劳动的强度都有着重要的作用。

作者:张克盛 单位:甘肃畜牧工程职业技术学院

参考文献：

第11篇

    现有工程机械一体化监测系统常见的问题

    现有的工程机械一体化监测系统和设备由于不具有通用性,因此经常出现各种问题,导致工程机械一体化监测系统的功能得不到良好的发挥,效率得不到提升。因此有必要认识到目前监测系统存在的各种问题,然后采取针对性的措施加以解决,目前工程机械监测系统及设备存在的问题主要表现在以下几个方面。系统监测项目不够齐全由于应用到工程机械一体化监测系统的各种配件不够齐全,型号不一,类型不同,因此各种测量型的仪表组合并不能完全满足工程机械的监测要求,从而造成对工程机械的一体化监测无法发挥拥有的功能,存在诸多问题,其中一个突出表现就是监测的项目不齐全。工程机械一体化监测项目涉及的范围和领域非常丰富,常见的监测项目包含了电流、气压、电流、气压、油压、油温、水温、转速等,而对于这些项目仅仅依靠一个设备或者不同类型的设备组合是不行的,因此在系统监测项目不够齐全,直接影响了工程机械一体化监测的效果和质量,例如关于电压的监测设备就一般具有对油压的监测功能,无法计算相应的流量和工作时间数等。监测设备质量不过关,无法实现系统的正常化多数用于工程机械一体化监测的设备在质量上由于无法匹配工程机械的性能和操作系统,因此其监测的仪表过多而且比较复杂,其面板的布置也相当不方便。现有的监测仪表大多是很多厂家外购的产品,其种类型号都是不同的,因此用于工程机械一体化监测的仪表种类繁多,质量上无法完全达到工程机械一体化工作的要求,而且由于大小,样式存在差异,导致工程机械一体化的仪盘表看起来十分混乱,不容易观察和监测到数据,直接影响到了工程机械系统运行的正常化,影响工程机械一体化的工作效率和质量。工程机械一体化监测设备容易损坏而出现故障在工程机械一体化监测设备运行过程中,由于种类、型号繁多,生产厂家不同导致其在工作中无法正常运行。再加上在运行中,如果工程机械的操作使用人员对于某个型号的设备的工作原理不能理解,或者理解不透,都会带来种种问题。此外受到生产厂家技术水平的影响,监测设备由于工作环境不合理,不恰当,导致这些设备容易损坏和失效。如果工程机械在使用与操作过程中,一些监测系统的设备不能经常性的使用,就会导致这些设备在工程机械操作过程中失去作用,而操作人员只能在工程机械监测设备出现故障的情况下,完全依靠自身的经验去判断和操作,直接影响了工程机械的使用效率和质量。2.4工程机械一体化监测系统复杂不容易操作对于工程机械一体化的监测来说,提高其系统的操作性将是一个关键环节。目前很多机械上的监测系统都是安装比较复杂的设备,在信息的传递上效率不高,传递所使用的方式也比较落后。例如有些监测设备的信息传递主要依靠管路传递,这些管路的使用不但增强了监测系统难度而且对于安全性以及信息传递的可靠性也造成影响。因此优化工程机械一体化的监测系统是十分必要的。

    工程机械一体化监测系统的优化设计的内容

    中央处理器可采用目前比较成熟的单片机处理种功能的软、硬件技术。以日本东芝公司生产的单片机TMP87CH46N/47U为例,其ROM为16kB,RAM为512kB,有8个8位A/D转换器,2个8位计时器和2个16位计时器等,且具有功能强大的指令系统,其RAM可实时采集并存贮机械在一定时间内的测量参数,需要时可通过处理器的输出接口输入到计算机内进行处理。显示装置可采用目前较为流行的彩色图文液晶显示屏,由于采用全固体器件,工作可靠,便于适应工程机械的使用要求。目前常见的此种显示屏可具有内置国标汉字库、串行通讯速率20k/s、指令代码编程、16种颜色、单一电源供电等功能,而且可以以模拟与数字共同显示方式显示所测数据,即直观,又准确,完全可以适应工程机械监测的显示之用。控制装置可随时控制显示模式,选定显示参数,各测量参数即可固定显示,也可按控制装置的设定自动轮流显示。系统开始工作后,各个传感器直接将收集的信号进行转换然后发送至处理器,处理器通过专家系统来进行数据分析并进行判断,如果经过分析判断系统为正常状态,那么则继续监测工作,如果判断系统为异常,则开始报警。然后系统会自行开始对出现的故障和问题进行诊断,以发现其故障原因,并提示出可以采取的维修方式和方法。如果通过诊断发现不了原因,则需要将发生故障时的各种技术参数记录下来,然后借助专家系统数据库将这些故障记录下来,从而形成知识库。系统软件设计系统软件利用中央处理器自身的控制指令,用汇编语言编写,通过编程器输入CPU,机械启动后,该系统自动加电启动,经对各端口及寄存器进行初始化后,开始接收各传感器传来的数据,并对各数据进行处理,经端口检验,将接收到的数据与该端口测量参数的故障极限数据进行比较,若超出正常数据值,则经声光方式给予报警,若所测数据在正常范围内,则不予报警,并将数据存入RAM,然后将数据送入显示模块进行显示。为有效利用该系统的功能,各测量数据由软件设计自动存入其RAM内,需要时可通过系统的输出接口输入到外部计算机内,在计算机上对数据进行详细分析,以进一步了解其工作状况及故障发生时的情况。从以上分析来看,关于工程机械一体化监测系统的优化与设计应该根据工程机械自身的特点来进行,系统的优化设计的一个基本目标是要注重监测系统的可靠性有稳定性,要在注重经济性的同时,采取一些相对简单而又能应付恶劣工作环境的设备,从而提高监测系统的整体性能。

    加强工程机械一体化的监测系统的优化设计,已经成为改善工程机械一体化作业精确度和效率的重要途径。针对目前监测设备容易出现各种问题的实际情况,本文对于工程机械一体化监测系统的设计与优化,可以在某种程度上解决当前工程机械一体化操作带来的问题,从而提高工程机械一体化运行的效率和质量。总之,随着现代信息技术的发展,尤其是计算机技术的发展,将微电子控制技术作为核心的机电一体化监测技术必将在工程机械使用以及操作、改造中发挥重要的作用,极大推动工程机械自身性能的改进和技术的创新,这对于推动工程机械技术的发展,提高工程机械的使用效率,将产生重要的影响和价值。相信未来机电一体化技术在工程机械应用的领域和范围将会更加的广泛和深入,因此工程机械一体化监测系统的优化与设计作为一个理论与实践相结合的研究课题具有深远的意义。

第12篇

现有的工程机械一体化监测系统和设备由于不具有通用性，因此经常出现各种问题，导致工程机械一体化监测系统的功能得不到良好的发挥，效率得不到提升。因此有必要认识到目前监测系统存在的各种问题，然后采取针对性的措施加以解决，目前工程机械监测系统及设备存在的问题主要表现在以下几个方面。系统监测项目不够齐全由于应用到工程机械一体化监测系统的各种配件不够齐全，型号不一，类型不同，因此各种测量型的仪表组合并不能完全满足工程机械的监测要求，从而造成对工程机械的一体化监测无法发挥拥有的功能，存在诸多问题，其中一个突出表现就是监测的项目不齐全。工程机械一体化监测项目涉及的范围和领域非常丰富，常见的监测项目包含了电流、气压、电流、气压、油压、油温、水温、转速等,而对于这些项目仅仅依靠一个设备或者不同类型的设备组合是不行的，因此在系统监测项目不够齐全，直接影响了工程机械一体化监测的效果和质量，例如关于电压的监测设备就一般具有对油压的监测功能，无法计算相应的流量和工作时间数等。监测设备质量不过关，无法实现系统的正常化多数用于工程机械一体化监测的设备在质量上由于无法匹配工程机械的性能和操作系统，因此其监测的仪表过多而且比较复杂，其面板的布置也相当不方便。现有的监测仪表大多是很多厂家外购的产品，其种类型号都是不同的，因此用于工程机械一体化监测的仪表种类繁多，质量上无法完全达到工程机械一体化工作的要求，而且由于大小，样式存在差异，导致工程机械一体化的仪盘表看起来十分混乱，不容易观察和监测到数据，直接影响到了工程机械系统运行的正常化，影响工程机械一体化的工作效率和质量。工程机械一体化监测设备容易损坏而出现故障在工程机械一体化监测设备运行过程中，由于种类、型号繁多，生产厂家不同导致其在工作中无法正常运行。再加上在运行中，如果工程机械的操作使用人员对于某个型号的设备的工作原理不能理解，或者理解不透，都会带来种种问题。此外受到生产厂家技术水平的影响，监测设备由于工作环境不合理，不恰当，导致这些设备容易损坏和失效。如果工程机械在使用与操作过程中，一些监测系统的设备不能经常性的使用，就会导致这些设备在工程机械操作过程中失去作用，而操作人员只能在工程机械监测设备出现故障的情况下，完全依靠自身的经验去判断和操作，直接影响了工程机械的使用效率和质量。2.4工程机械一体化监测系统复杂不容易操作对于工程机械一体化的监测来说，提高其系统的操作性将是一个关键环节。目前很多机械上的监测系统都是安装比较复杂的设备，在信息的传递上效率不高，传递所使用的方式也比较落后。例如有些监测设备的信息传递主要依靠管路传递，这些管路的使用不但增强了监测系统难度而且对于安全性以及信息传递的可靠性也造成影响。因此优化工程机械一体化的监测系统是十分必要的。

工程机械一体化监测系统的优化设计的内容

中央处理器可采用目前比较成熟的单片机处理种功能的软、硬件技术。以日本东芝公司生产的单片机TMP87CH46N/47U为例，其ROM为16kB，RAM为512kB，有8个8位A/D转换器，2个8位计时器和2个16位计时器等，且具有功能强大的指令系统，其RAM可实时采集并存贮机械在一定时间内的测量参数，需要时可通过处理器的输出接口输入到计算机内进行处理。显示装置可采用目前较为流行的彩色图文液晶显示屏，由于采用全固体器件，工作可靠，便于适应工程机械的使用要求。目前常见的此种显示屏可具有内置国标汉字库、串行通讯速率20k/s、指令代码编程、16种颜色、单一电源供电等功能，而且可以以模拟与数字共同显示方式显示所测数据，即直观，又准确，完全可以适应工程机械监测的显示之用。控制装置可随时控制显示模式，选定显示参数，各测量参数即可固定显示，也可按控制装置的设定自动轮流显示。系统开始工作后，各个传感器直接将收集的信号进行转换然后发送至处理器，处理器通过专家系统来进行数据分析并进行判断，如果经过分析判断系统为正常状态，那么则继续监测工作，如果判断系统为异常，则开始报警。然后系统会自行开始对出现的故障和问题进行诊断，以发现其故障原因，并提示出可以采取的维修方式和方法。如果通过诊断发现不了原因，则需要将发生故障时的各种技术参数记录下来，然后借助专家系统数据库将这些故障记录下来，从而形成知识库。系统软件设计系统软件利用中央处理器自身的控制指令，用汇编语言编写，通过编程器输入CPU，机械启动后，该系统自动加电启动，经对各端口及寄存器进行初始化后，开始接收各传感器传来的数据，并对各数据进行处理，经端口检验，将接收到的数据与该端口测量参数的故障极限数据进行比较，若超出正常数据值，则经声光方式给予报警，若所测数据在正常范围内，则不予报警，并将数据存入RAM，然后将数据送入显示模块进行显示。为有效利用该系统的功能，各测量数据由软件设计自动存入其RAM内，需要时可通过系统的输出接口输入到外部计算机内，在计算机上对数据进行详细分析，以进一步了解其工作状况及故障发生时的情况。从以上分析来看，关于工程机械一体化监测系统的优化与设计应该根据工程机械自身的特点来进行，系统的优化设计的一个基本目标是要注重监测系统的可靠性有稳定性，要在注重经济性的同时，采取一些相对简单而又能应付恶劣工作环境的设备，从而提高监测系统的整体性能。

第13篇

关键词：机械设计；优化设计；机械优化设计；优化方法

机械设计的发展历程，其实是社会生产力进步的过程，也是设计者谋求设计最优化的过程。在此过程中，各种机械设计的技术、技能和技艺会随着科学技术、经验、理论的提升而提升，这其实是一种必然的逻辑关系。机械优化设计其实指的就是运营数学模型方法和计算机技术找到最佳设计方案和路径的过程，也是当前机械设计领域的研究热点。在新时期，对机械优化设计的重要性和意义进行探讨，并剖析其实现的路径和办法，极为必要。

1 机械设计中优化设计的重要性

所谓的优化设计，其实不仅仅存在于机械设计领域，而是存在于各种学科和应用中。优化设计的本质就是透过多种科学手段和研究步骤，筛选出多种解决问题的方案和措施，然后“优中选优”，找到最佳的路线和策略。之于机械设计，优化设计的功能性作用是毋庸置疑的，具体可以从如下方面考量。

1.1优化设计可以保证机械设计的工艺与质量

在机械设计的过程中，设计师不仅要考虑设计流程、设计时间和成本、功效等问题，更重要的是必须考虑设计产品的工艺水准和实用价值，也可以理解为设计产品的质量。要知道，机械产品往往用于工业生产及大型的工程项目，其质量的优劣关系重大，绝对不能儿戏视之。简言之，机械设计的质量是第一位，倘若失去了优质的保证，那么这样的机械设计毫无价值。所以，找到更好的设计路径和策略，维持设计的质量和工艺，就成为了整个机械设计的关键。这里，优化设计虽然也不能从设计流程和细节上保证机械设计的质量高低，但是优化设计最起码可以提供多种设计方案和选择，为设计师的路线选择提供了丰富的内容。在现实操作中，设计者往往利用数学函数及相关模型对各种设计方案进行综合评估，做出最佳的选择。诸多设计方案中的最佳方案，往往具备这样几个特点。首先，该方案应该是效率最快的，成本最省的；其次，该方案要具备现实的操作可能，要能实现设计的规划。

总之，机械优化设计的过程其实是筛查最佳设计方案的过程，这个过程中的方案选择是最符合机械设计实际需求的，也是最具质量保证的。

1.2优化设计可以最大限度的节约设计开支和成本

机械设计是一项繁琐、浩大的工程，往往需要很久的时间才能完全，不存在所谓的捷径和“小道”。所以，在维系长时间设计流程的同时，必须做好高额开支和成本支出的准备。事实证明，机械设计的成本开支往往令主管单位“不堪重负”。诚然，随着机械设计技术的进步以及管理流程的简化，新时期的机械设计成本开支以及有所降低，但是仍然有压缩的空间。要清楚的是，运用优化设计的方法对机械设计的成本开支进行削减，完全要基于保障设计质量的前提；倘若成本的控制要以牺牲质量为代价，那么这样的控制手法必须果断舍弃。

在机械设计中采取优化设计路线，能够减轻前期和设计过程中的成本开支，为设计单位节省一笔不小的资金。之所以这样说，是因为优化设计的最佳方案往往是符合设计流程的，是可以发挥出现有材料、设备和人员最大能量的，所以不需要额外耗费多余的人力、财力和物力。因此，优化设计能够节约机械设计的开支成本是有科学依据和理论基础的。

1.3优化设计可以提高机械产品的科技附加值

机械设计的产品是一种自然属性但是具备商业价值的“商品”，这就必然要与市场发生关联。同时，优化设计方法在机械设计中的应用，能够增加机械产品的科技含量和技术附加值，大大提高产品的市场竞争力，这对机械设计企业而言无疑是一大利好。例如，随着现代科技的发展以及相互之间融合度越来越高，机械设计的产业化正在形成，即机械设计可以作为一个单独的工程链条存在。如果我们把机械设计的产品作为一个普通商品看待，那么这种商品必须是价格最低、质量最好、科技含量最高的，唯有此，该产品才能在市场中取得占有率，企业才能因此获取利益最大化。所以，所有的机械设计企业都在努力的追求“这样的机械产品”，而这样的产品往往需要透过优化设计来实现。

所以，优化设计为机械设计产品的技艺提升、附加值增大提供了全新的路径，也为机械设计单位和企业的发展增添了新的利润增长点。例如，随着信息技术、计算机技术、材料技术、液压技术、加工制造工艺的不断发展和成熟，机械设计的每一个环节都会有一种或多种新技术的注入，最终的机械产品往往“饱含科技”，其技术附加值自然可以达到一个高位。类似这样的高附加值机械产品，在市场中的价格是可以想见的，企业因此带来的收益也是很高的。所以，如果把机械设计中优化设计作为一种生产选择方式来衡量，那么优化设计为产品的开发和流动，为设计单位、企业的利益最大化带来的贡献是很难估量。由此可见，优化设计对于当今的机械设计是多么的重要。

2 机械设计中优化设计的实现路径

既然优化设计可以为机械设计提供质量和效益的保证，那么就必须引入科学有序的优化设计方案，使之产生明显的效果。从当前的情况看，机械优化设计可以从如下角度考量。

首先，机械设计的一维搜索优化方法，这种方法也是当前机械设计优化方法的最典型代表，以数学函数为理论基础，透过搜索区间的确定，来保证优化方案的有效性。一维搜索方法是一维问题的最基本方法，也是多维机械设计的基础方法。众所周知，机械设计大都是多维的，很少有一维的情况，但是这恰恰说明了一维的重要性和基础。就好比数学中的从0到9的10个数字，它们构筑了数学的基础，成为数学的理论“细胞”。所以，一维搜索方法在机械设计的应用，往往直接影响优化设计问题的求解速度。其次，机械优化设计会用到约束优化方法和无约束优化方法。在机械优化设计中，经常使用的是约束优化的方法。

除此之外，机械优化设计还可以通过线性规划方法、多目标及离散变量优化方法来实现。总之，诸多优化方法的存在和操作为机械优化设计提供了多元化的路径，这是我们所乐见的。

参考文献：

[1] 李剑峰. 机械优化设计的研究与实践[J]. 煤矿机械. 2011（01）

[2] 张运节. 机械优化设计综述与展望[J]. 科技信息. 2009（06）

第14篇

关键词 带式输送机；物料转载；胶带跑偏；磨损；优化设计

中图分类号 TB21 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）011-0169-01

带式输送机可对松散密度为0.5～2.5 t/m3的各种散状物料进行长距离连续输送，相比汽车，机车等运输方式，带式输送机具有运量大，动力能耗低，运输线路灵活，易于实现联锁控制等优点，是煤炭，冶金，化工等部门广泛使用的运输设备。为确保带式输送机连续可靠的运转，需严格控制及减少胶带跑偏，磨损等不利因素的出现。在机械化运输过程中存在着较多的物料转载，在每一处转载点，下落料流的冲击、物料在下层胶带面上的不均匀分布，是造成胶带磨损，跑偏的重要因素，极大地影响了带式输送机的正常工作，因此，针对以上问题，需要在设计阶段采取相应的设计优化。

1 物料转载导致的胶带磨损

转载点处两条带式输送机中心线在水平面的投影一般成垂直或共线两种情况，相应的转载形式分别为垂直转载与直线转载。对于两种转载形式，当两条带式输送机相对高度较大时，应考虑减小落料对胶带的冲击与磨损，应将溜槽下部做成倾斜折段，使物料与溜槽壁接触后再落至胶带上，以缓冲物料冲击。溜槽下部倾斜角度因输送物料粒度不同而有差异，一般运输粒度细小的粉状物料时，为确保不堵料，溜槽下部折段相对水平面的倾角应≥60°，粒度较大的块状物料由于堆积角相对较小，因此运输粒度较大的块状物料时，溜槽下部折段相对水平面的倾角一般可取较小值（≥45°）。通过选择合适的溜槽倾斜角度，可控制物料下落速度，以物料落至胶带时，沿带式输送机运行方向的速度与带速相近为最好：减少了胶带对物料的加速环节，降低了物料与胶带间因相对滑动而引起的动摩擦，从而减少落料对胶带的磨损，同时也令转载过程更加平稳。

另外，由于块状物料如块矿，成品烧结矿等重量、硬度较大，当大量块状料流落下时，会对承载的胶带及落料处带式输送机头部溜槽造成比粉状物料更大的冲击与磨损，严重缩短了胶带的使用寿命，影响物料转载的正常进行。对于此类情况，可将落料处带式输送机头部溜槽做进一步的修改，将溜槽做成积料式溜槽，如图1所示。除外形含倾斜折段外，积料式溜槽将受物料冲击部位做成台阶状，块状料落至台阶时会不断累积形成带倾斜面的小堆，当斜面角度大于块状料的动堆积角时，随后打在累积料堆上的物料会沿斜面向下滑落。通过将溜槽做成积料式，物料在转载过程中，料流在溜槽内的冲击一般发生在积料与落料之间，较好地保护了溜槽，同时由于块状料间的相互碰击，摩擦等作用，吸收了下落物料的动能，可减小对下层胶带的冲击，因而减少胶带磨损。

2 物料转载导致的胶带跑偏

相比于直线转载，垂直转载情形下，物料下落时往往对下层带式输送机胶带具有垂直于胶带面的侧向冲击，另外，下落的料流也很难落于下层带式输送机胶带中部，物料在胶带横截面上的分布发生偏斜，以上情况使垂直转载的下层带式输送机较易发生胶带跑偏。对于此类情况，可通过合理布置，使上层带式输送机落料中心与下层带式输送机中心线重合，或采用带调节挡板的头部漏斗使料流居中。当两条带式输送机相对高度较大时，将溜槽下部做成倾斜折段，改变料流下落方向，可避免物料对胶带的侧向冲击，垂直转载工况下减少胶带跑偏的合理布置如图2所示；当两条带式输送机相对高度较小（如同层转载），物料落至胶带面造成的侧向冲击为胶带跑偏的重要因素，可通过调节下层带式输送机导料槽位置及大小（一般取导料槽内壁宽度为胶带宽度的2/3），或增设调偏托辊等方式应对胶带的跑偏。

3 结束语

本文对带式输送机物料转载过程中可能出现的胶带磨损，跑偏等问题进行了探讨：物料转载为散状料机械化运输工艺中必不可少的环节，在设计过程中，应根据转载形式（垂直转载或直线转载），运输物料种类（粉料或块状料）等具体条件，对物料转载进行优化配置，降低胶带磨损、跑偏等不利因素的出现概率。

第15篇

关键词 ANSYS；结构优化设计；机械设计

中图分类号TH122 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）89-0169-02

0 引言

机械结构的优化是机械设计中的一个重要环节和内容。为了寻找机械结构的最优设计方案，多年来许多学者从不同的角度提出了遗传算法、极大熵法以及模拟退火法等。但是，这些方法的求解过程繁琐复杂，在实践中往往难以实现。而随着计算机技术的飞速发展，各种仿真分析软件功能日渐成熟和完善，使得结构优化设计的过程程序化，分析结果可视化，给机械设计中的结构优化设计注入了新的力量。基于有限元分析的ANSYS软优化软件正是这其中的佼佼者。利用ANSYS的APDL语言，结合结构优化设计常用的优化准则法，可以方便快捷的编制程序进行数值分析，提高了结构优化设计的效率和准确性。

1 ANSYS结构优化设计

作为大型通用有限元分析软件，ANSYS可以用来分析结构、流体以及电、磁场和声场，可以实现与较多CAD软件的接口，是目前常用的高级CAE软件。软件可以分为前处理模块、分析计算模块和后处理模块三个功能模块。前处理模块用于方便用户建立待分析实体模型并将模型进行网格划分，生成有限元模型。分析计算模块则主要是用来模拟分析结构的各物理量之间的耦合作用。分析计算的结构可以利用后处理模块以用户希望看到的方式显示出来。利用ANSYS的APDL语言对于有限元模型的各种参数进行修改和调整，可以快捷地对于不同参数条件下的模型进行分析，大大提高了结构优化分析和设计的效率。

1）结构优化设计的模型建立。解决实际工程中的结构优化问题的首要步骤就是建立相应的数学模型。也就是选择合适的设计变量，使得目标函数在现有约束条件下取得最优值。

其中，即为所求目标函数，是设计变量，而和则是约束条件。

利用ANSYS进行结构优化设计也必须要先建立数学模型，但与传统优化设计过程不同的是，ANSYS采用参数设定的方式来表述其数学模型。传统数学模型的三要素（设计变量、约束条件和目标函数）体现在ANSYS中则分别是设计变量、状态变量和目标函数。在一次分析中，ANSYS所允许的设计变量上限为60个，状态变量的上限则是100个，以及一个目标函数。对于多目标函数的结构优化设计问题，可以采用统一目标函数法将其转化一个，再进行求解；

2）ANSYS优化设计分析方法。基于用户对于软件熟悉程度的不同，ANSYS提供批处理和图形交互式两种方法来生成分析文件。批处理方式适用于熟悉ANSYS软件命令的专业人士，或者较为复杂的结构分析设计中，可以有效的提高优化设计的效率。对于一般的用户来说，可以采用图形交互式。另外，ANSYS给用户提供了多种优化工具和优化方法，分别使用不同的优化设计问题。用户在应用ANSYS进行优化设计时，必须要充分了解待分析问题的特点，采用相应的工具和方法进行优化分析。其中常用的优化方法是零阶方法和一阶方法。对于大多数的工程优化设计问题，采用零阶方法即可实现优化分析。其分析的原理是直接采用曲线拟合的方式，在调整了设计变量的前提下，去逼近目标函数和状态变量，以求得最优值。而一阶方法则相对复杂，采用了迭代法在梯度方向进行搜索最优解。由于产生了一系列的迭代，其分析计算的过程相对繁琐，但求解的精度也随之提高。

2 优化设计实例分析

由于有限元分析上 的极大优势，ANSYS已经在机械设计中的结构优化设计领域得到了广泛的应用。下面以机械中常用接头的结构分析为例，讨论ANSYS在机械设计中的应用。

如图所示接头在实际机械中随处可见，其结构需要满足实际工况条件下的强度和刚度等要求，同时也要达到实际生产中的成本最低的要求。

接头材料的弹性模量为210GPa，泊松比0.3。合理设置接触对以实现对于接头实际装配的真实模拟。在条件允许的情况下，尽量采用映射划分网格的方式以提高模拟精度。其余不规则区域则采用自然网格的形式进行划分。在ANSYS中采用参数化设计语言建立接头结构的有限元模型。在设定初始条件和各参数后，得出的接头应力分布如图2所示。

在本例中，由于结构优化设计的目标是追求成本最低。由于结构的形式基本确定，成本最低就体现在接头用料最少，即结构的提价最小。于是笔者选取耳片的厚度T和半径R作为设计变量，设定初值R=20，T=10。状态变量则是选用接头内部的最大应力，以保证接头具有足够的强度。目标函数即是追求接头结构的体积最小，采用零阶方法进行优化分析，可得如下优化结果。

3 结论

机械结构的优化设计是现代机械设计过程中必不可少的重要部分，对于整个机械结构的性能有着极大的影响。传统的优化设计方法计算繁琐，求解复杂，优化设计的效率低，精度也难以满足要求。基于有限元分析法的ANSYS给从事机械设计的科研人员提供了一个有力的工具，将人们从繁琐的数学计算中解脱出来。充分利用ANSYS在复杂结构的有限元分析上的优势，有助于提高结构优化设计的效率，缩短产品研发周期，是未来机械设计中结构优化设计的必然趋势。

表1 目标函数优化曲线

参考文献