導(dǎo)語：如何才能寫好一篇機(jī)械優(yōu)化設(shè)計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計概念

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計是綜合性和實用性都很強(qiáng)的理論和技術(shù)，為機(jī)械設(shè)計提供了一種可靠高效的科學(xué)設(shè)計方法，使設(shè)計者由被動地分析、校核進(jìn)入主動設(shè)計，能節(jié)約原材料，降低成本，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率和水平，提升企業(yè)競爭力、經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和科研人員對優(yōu)化設(shè)計理論方法及其應(yīng)用研究十分重視，并開展了大量工作，其基本理論和求解手段已逐漸成熟。并且它建立在數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計算機(jī)程序設(shè)計基礎(chǔ)上，通過有效的實驗數(shù)據(jù)和科學(xué)的評價體系來從眾多的設(shè)計方案中尋到盡可能完善的或最適宜的設(shè)計方案。該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)展非常迅速，并且取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。那就讓我們關(guān)注機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中那些重要的量。

解決優(yōu)化設(shè)計問題的一般步驟

解決優(yōu)化設(shè)計問題的一般步驟如下：

機(jī)械設(shè)計問題――建立數(shù)學(xué)模型――選擇或設(shè)計算法――編碼調(diào)試――計算結(jié)果的分析整理

優(yōu)化設(shè)計中數(shù)學(xué)模型的建立

a設(shè)計變量

在最優(yōu)化設(shè)計過程中需要調(diào)整和優(yōu)選的參數(shù)，稱為設(shè)計變量。設(shè)計變量是最優(yōu)化設(shè)計要優(yōu)選的量。最優(yōu)化設(shè)計的任務(wù)，就是確定設(shè)計變量的最優(yōu)值以得到最優(yōu)設(shè)計方案。但是每一次設(shè)計對象不同，選取的設(shè)計變量也不同。它可以是幾何參數(shù)，如零件外形尺寸、截面尺寸、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動尺寸等；也可以是某些物理量，如零部件的重量、體積、力與力矩、慣性矩等；還可以是代表工作性能的導(dǎo)出量，如應(yīng)力、變形等?？傊O(shè)計變量必須是對該項設(shè)計性能指標(biāo)優(yōu)劣有影響的參數(shù)。

b約束條件

設(shè)計空間是一切設(shè)計方案的集合，只要在設(shè)計空間確定一個點(diǎn)，就確定了一個設(shè)計方案。但是，實際上并不是任何一個設(shè)計方案都可行，因為設(shè)計變量的取值范圍有限制或必須滿足一定的條件。在最優(yōu)化設(shè)計中，這種對設(shè)計變量取值時限制條件，稱為約束條件，而約束條件是設(shè)計變量間或設(shè)計變量本身應(yīng)該遵循的限制條件，而優(yōu)化設(shè)計問題大多數(shù)是約束的優(yōu)化問題。針對優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型要素的不同情況，可將優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行分類，約束條件的形式有顯約束和隱約束兩種，前者是對某個或某組設(shè)計變量的直接限制，后者則是對某個或某組變量的間接限制。等式約束對設(shè)計變量的約束嚴(yán)格，起著降低設(shè)計變量自由度的作用。優(yōu)化設(shè)計的過程就是在設(shè)計變量自由的允許范圍內(nèi)，找出一組優(yōu)化的設(shè)計變量值，使得目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值。

c目標(biāo)函數(shù)

在優(yōu)化設(shè)計過程中，每一個變量之間都存在著一定的相互關(guān)系著就是用目標(biāo)函數(shù)來反映。他可以直接用來評價方案的好壞。在優(yōu)化設(shè)計中，可以根據(jù)變量的多寡將優(yōu)化設(shè)計分為單目標(biāo)優(yōu)化問題和多目標(biāo)優(yōu)化問題，而我們最常見的就是多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化。

一般而言，目標(biāo)函數(shù)越多，設(shè)計的綜合效果越好，但問題求解復(fù)雜。在實際的設(shè)計問題中，常常會遇到在多目標(biāo)函數(shù)的某些目標(biāo)之間存在矛盾的情況，這就要求設(shè)計者正確處理各目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系。對這類多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題的研究，至今還沒有單目標(biāo)函數(shù)那樣成熟

優(yōu)化設(shè)計理論方法

優(yōu)化準(zhǔn)則法對于不同類型的約束、變量、目標(biāo)函數(shù)等需導(dǎo)出不同的優(yōu)化準(zhǔn)則，通用性較

差，且多為近似最優(yōu)解；規(guī)劃法需多次迭代、重復(fù)分析，代價昂貴，效率較低，往往還要求目標(biāo)函數(shù)和約束條件連續(xù)、可微，這都限制了其在實際工程優(yōu)化設(shè)計中推廣應(yīng)用。因此遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群算法、進(jìn)化算法等智能優(yōu)化法于20世紀(jì)80年代相繼提出，并且不需要目標(biāo)函數(shù)和約束條件的導(dǎo)數(shù)信息，就可獲得最優(yōu)解，為機(jī)械優(yōu)化設(shè)計提供了新的思路和方法，并在實踐中得到成功應(yīng)用。

a遺傳算法

遺傳算法起源于20世紀(jì)60年代對自然和人工自適應(yīng)系統(tǒng)的研究，最早由美國密歇根大學(xué)Holland教授提出，是模擬生物化過程、高度并行、隨機(jī)、自適應(yīng)的全局優(yōu)化概率搜索算法。它按照獲得最大效益的原則進(jìn)行隨機(jī)搜索，不需要梯度信息，也不需要函數(shù)的凸性和連續(xù)性，能夠收斂到全局最優(yōu)解，具有很強(qiáng)的通用性、靈活性和全局性；缺點(diǎn)是不能保證下一代比上一代更好，只是在總趨勢上不斷優(yōu)化，運(yùn)行效率較低，局部尋優(yōu)能力較差。

b神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個大規(guī)模自適應(yīng)的非線性動力系統(tǒng)，具有聯(lián)想、概括、類比、并行處理以

及很強(qiáng)的魯棒性，且局部損傷不影響整體結(jié)果。美國物理學(xué)家Hopfield最早發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)化能力，并根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)原理，將系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與最優(yōu)化態(tài)相對應(yīng)，系統(tǒng)能量函數(shù)與優(yōu)化尋優(yōu)過程相對應(yīng)，與Tank在1986年提出了第一個求解線性優(yōu)化問題的TH選型優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的并行計算、近似分析和非線性建模能力，提高優(yōu)化計算的效率，其關(guān)鍵是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造，多用于求解組合優(yōu)化、約束優(yōu)化和復(fù)雜優(yōu)化。近些年，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法有較大發(fā)展，Barker等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于航空工程結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計。

c粒子群算法

Kennedy和Ebehart于1995年提出了模擬鳥群覓食過程的粒子群法，從一個優(yōu)化解集開始搜索，通用個體間協(xié)作與競爭，實現(xiàn)復(fù)雜空間中最優(yōu)解的全局搜索。粒子群法與遺傳算法相比，原理簡答、容易實現(xiàn)、有記憶性，無須交叉和變異操作，需調(diào)整的參數(shù)不多，收斂速度快，算法的并行搜索特性不但減小了陷入局部極小的可能性，而且提高了算法性能和效率，是近年被廣為關(guān)注和研究的一種隨機(jī)起始、平行搜索、有記憶的智能優(yōu)化算法。目前，粒子群算法已應(yīng)用于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化、動態(tài)環(huán)境優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等諸多領(lǐng)域，但用于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域研究還很少。

d多目標(biāo)優(yōu)化法

功能、強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性等的優(yōu)化始終是機(jī)械設(shè)計的追求目標(biāo)，實際工程機(jī)械優(yōu)化設(shè)計都屬于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。多目標(biāo)優(yōu)化廣泛的存在性與求解的困難性使其一直富有吸引力和挑戰(zhàn)性，理論方法還不夠完善，主要可分為兩大類：①把多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化成一個或一系列單目標(biāo)優(yōu)化，將其優(yōu)化結(jié)果作為目標(biāo)優(yōu)化的一個解；②直接求非劣解，然后從中選擇較好的解作為最優(yōu)解。具體有主要目標(biāo)法、統(tǒng)一目標(biāo)法、目標(biāo)分層法和功效系數(shù)法。

優(yōu)化設(shè)計方法的評價指標(biāo)

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計中所以解決問題的特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方案是非常關(guān)鍵的。因為解決同

一個問題可能有多種方法，而每一種方法也有可能會導(dǎo)致不同的結(jié)果，而我們需要的是可以更加體現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)的最優(yōu)方案。所以我們在選擇方案時一定要考慮一下四個原則：

a效率提高。所謂效率要高就是所采用的優(yōu)化算法所用的計算時間或計算函數(shù)的次數(shù)要盡可能地少。

b可靠性要高。可靠性要高是指在一定的精度要求下，在一定迭代次數(shù)內(nèi)或一定計算時間內(nèi)，求解優(yōu)化問題的成功率要盡可能地高。

c采用成熟的計算程序。解題過程中要盡可能采用現(xiàn)有的成熟的計算程序，以使解題簡便并且不容易出錯。

d穩(wěn)定性要高。穩(wěn)定性好是指對于高度非線性偏心率大的函數(shù)不會因計算機(jī)字長截斷誤差迭代過程正常運(yùn)行而中斷計算過程。

另外選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法時要進(jìn)行深入的分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標(biāo)函

數(shù)，根據(jù)復(fù)雜性、準(zhǔn)確性等條件結(jié)合個人的經(jīng)驗進(jìn)行選擇。優(yōu)化設(shè)計的選擇取決于數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，通常認(rèn)為，對于目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計變量個數(shù)不太多的問題，采用懲罰函數(shù)法較好；對于只含線性約束的非線性規(guī)劃問題，最適應(yīng)采用梯度投影法；對于求導(dǎo)非常困難的問題應(yīng)選用直接解法，例如復(fù)合形法；對于高度非線性的函數(shù)，則應(yīng)選用計算穩(wěn)定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內(nèi)點(diǎn)懲罰函數(shù)相結(jié)合的方法。

結(jié)論

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計作為傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計理論基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計方法而出現(xiàn)的一種更科學(xué)的

優(yōu)化設(shè)計方法，可使機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到更高的水平。近年來，隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論的不斷發(fā)展和工作站計算能力的不斷挖掘，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計方法和手段都有非常大的突破，且優(yōu)化設(shè)計思路不斷的開闊?？傊?，每一種優(yōu)化設(shè)計方法都是針對某一類問題而產(chǎn)生的，都有各自的特點(diǎn)，都有各自的應(yīng)用領(lǐng)域，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計就是在給定的載荷和環(huán)境下，在對機(jī)械產(chǎn)品的性能、幾何尺寸關(guān)系或其它因素的限制范圍內(nèi)，選取設(shè)計變量，建立目標(biāo)函數(shù)并使其獲得最優(yōu)值得一種新的設(shè)計方法，其方法多樣依據(jù)不同情形選擇合理的優(yōu)化方法才能更簡便高效的達(dá)到目標(biāo)。當(dāng)今的優(yōu)化正逐步的發(fā)展到多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，充分利用了先進(jìn)計算機(jī)技術(shù)和科學(xué)的最新成果。所以機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的研究必須與工程實踐、數(shù)學(xué)、力學(xué)理論、計算機(jī)緊密聯(lián)系起來，才能具有更廣闊的發(fā)展前景。

參考：

[1]白新理.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[M]. 河南：黃河水利出版社，2008.

篇2

[關(guān)鍵詞]機(jī)械結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計;趨勢

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0121-01

機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用范圍相對較廣，為確保機(jī)械產(chǎn)品在我國日常生活及企業(yè)從生產(chǎn)中得到有效應(yīng)用，實施優(yōu)化設(shè)計十分必要。目前我國已經(jīng)針對機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了研究，并取得一定成果，主要表現(xiàn)在船舶行業(yè)、焊工航天以及汽車行業(yè)等[1]。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可有效提高其產(chǎn)品性能并增加其自身市場競爭力，對其市場發(fā)展起重要作用。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，加快了機(jī)械產(chǎn)品更新的速度，以往在制造機(jī)械產(chǎn)品時主要采用大批量生產(chǎn)的方法進(jìn)行，產(chǎn)品相對單一，目前在實施機(jī)械產(chǎn)品加工時多采用小批量加工模式，可確保產(chǎn)品的多樣性。為確保生產(chǎn)企業(yè)的利潤，在生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品時需注意將其生產(chǎn)周期縮短，最大限度在確保至質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本。通過實施優(yōu)化設(shè)計可滿足上述目標(biāo)，在一定程度上縮短生產(chǎn)時間并降低成本，通過效率搶占市場。機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目前已在船舶制造、交通工具、航空航天、冶金、紡織、建筑等多領(lǐng)域應(yīng)用。

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程主要包括：（1）針對所優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品盡心目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化設(shè)計，可確保機(jī)械產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合優(yōu)化要求。（2）設(shè)計機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化函數(shù)變量，變量設(shè)計包括機(jī)械產(chǎn)品長度、厚度以及弧度等相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。（3）對機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計約束條件進(jìn)行設(shè)定，對計算過程中各項變量浮動范圍進(jìn)行限定。（4）通過以上步驟得出多種優(yōu)化設(shè)計方案，分別對不同方案進(jìn)行評價，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計需求選擇最佳方案實施。

2 機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用分析

2.1 尺寸優(yōu)化設(shè)計

機(jī)械產(chǎn)品實施優(yōu)化設(shè)計過程中對尺寸數(shù)據(jù)有精準(zhǔn)的要求。因此實施優(yōu)化設(shè)計匯總需確保各零件尺寸與實際工作需求相符，若產(chǎn)品為多個零件組成結(jié)構(gòu)，若其中一個零件尺寸存在誤差均會對零件連接效果造成極大影響，甚至加劇機(jī)械磨損導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。因此機(jī)械產(chǎn)品零件越多及機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越高，對各零件精細(xì)度的要求也有所提高。開展機(jī)械產(chǎn)品尺寸優(yōu)化的前提條件機(jī)械產(chǎn)品拓?fù)潢P(guān)系及形狀不發(fā)生改變，通過計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用對具體尺寸變化進(jìn)行有效調(diào)整，可確保機(jī)械產(chǎn)品性能的增強(qiáng)。

2.2 形狀優(yōu)化

為確保機(jī)械產(chǎn)品性能的全面提升，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時也可從機(jī)械產(chǎn)品形狀入手開展優(yōu)化。因多數(shù)大型機(jī)械設(shè)備自身結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，各部件形狀也具有多樣化，很難進(jìn)行分析，為優(yōu)化設(shè)計進(jìn)展帶來一定困難。我國目前已經(jīng)針對結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面出現(xiàn)研究成果，如田方針對軸對稱機(jī)械零件開展的優(yōu)化設(shè)計以及王世軍針對機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

以往在實施機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中多側(cè)重于進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，未針對機(jī)械零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實施優(yōu)化設(shè)計。隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計意識的提高，優(yōu)化中心開始向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方向轉(zhuǎn)換。拓?fù)湓O(shè)計優(yōu)化主要在離散結(jié)構(gòu)以及連續(xù)結(jié)構(gòu)方面體現(xiàn)，其中離散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要是通過對多個關(guān)鍵點(diǎn)連接方式方面入手，改優(yōu)化前提是確保上述關(guān)鍵點(diǎn)位置的確定。連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計主要針對孔洞形狀、數(shù)量、分布情況、部分結(jié)構(gòu)邊界開展的優(yōu)化。

2.4 動態(tài)性能優(yōu)化

機(jī)械產(chǎn)品動態(tài)性能主要指的是機(jī)械結(jié)構(gòu)受外界作用下顯示出外型變化規(guī)律，包括相關(guān)運(yùn)動參數(shù)等[2]。機(jī)械產(chǎn)品實施動態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計可明顯反應(yīng)出改產(chǎn)品工作強(qiáng)度及壽命情況。因此對機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)性能開展優(yōu)化設(shè)計不僅能減輕機(jī)械工作負(fù)擔(dān)還可在同等工作強(qiáng)度條件下對其使用壽命進(jìn)行延長。

2.5 多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

開展機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中需應(yīng)用多科學(xué)角度入手，單獨(dú)使用某科學(xué)角度無法得出理想優(yōu)化結(jié)果，應(yīng)從多學(xué)科角度進(jìn)行，確保優(yōu)化設(shè)計的多學(xué)科化、總體化及系統(tǒng)化，確保優(yōu)化設(shè)計程度符合實際需求或超出預(yù)期目標(biāo)。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計趨勢

隨著時展進(jìn)步及行業(yè)前景變化發(fā)展處機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，通過近年機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的開展已經(jīng)從簡單化優(yōu)化設(shè)計想結(jié)構(gòu)系統(tǒng)大型化及復(fù)雜化機(jī)械發(fā)展[3]。通過產(chǎn)品設(shè)計變量的不斷增加，造成結(jié)構(gòu)分析推到以及計算數(shù)值方面難度均有所提高，特別是進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)優(yōu)化時無相應(yīng)數(shù)據(jù)及公式進(jìn)行應(yīng)用。在針對大型機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，需將復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，逐步對各子結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中若設(shè)計多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計也可分科學(xué)進(jìn)行優(yōu)化。通過對計算機(jī)技術(shù)的有效利用，確保機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計多方向發(fā)展。該技術(shù)主要代表包括模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的人工算法，該算法適合在連續(xù)混合機(jī)離散變量全局優(yōu)化中應(yīng)用，可對產(chǎn)品準(zhǔn)確度及應(yīng)用質(zhì)量進(jìn)行提高。針對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計時目前開展機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究的主要方向，因?qū)嵤┩負(fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化可謂機(jī)械結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化方案的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，確保尋找出最佳設(shè)計方案，該方法多在大型機(jī)械優(yōu)化上應(yīng)用，可通過較復(fù)雜的計算實施優(yōu)化，對大型機(jī)械尺寸、形狀進(jìn)行優(yōu)化，提高其產(chǎn)品性能。

4 小結(jié)

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的開展可幫助提升機(jī)械產(chǎn)品性能及質(zhì)量，為機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了方向及機(jī)遇。優(yōu)化設(shè)計的實施可縮短機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)周期并提高機(jī)械制造行業(yè)競爭力，推動機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

篇3

【關(guān)鍵詞】 機(jī)械 優(yōu)化設(shè)計 理論 方法

1 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計理論概述

1.1 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的概念

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計是指最優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域的移植和應(yīng)用，是以最低成本獲得最高效益。其根據(jù)機(jī)械設(shè)計理論、方法與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等建立能夠正確反映實際工程設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)手段和計算機(jī)計算技術(shù)，在眾多的方法中快速找出最優(yōu)方案。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計通過把機(jī)械問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，加以計算機(jī)輔助設(shè)計，優(yōu)選設(shè)計參數(shù)，在滿足眾多設(shè)計目的和約束條件的情況下，獲得最令人滿意、經(jīng)濟(jì)效益最高的方案。目前，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計已成為解決機(jī)械設(shè)計問題的有效方法。

1.2 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計研究的內(nèi)容

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計主要研究的是其建模和求解兩部分內(nèi)容。 如何選擇設(shè)計變量、列出約束條件、確定目標(biāo)函數(shù)。其中，設(shè)計變量是指在設(shè)計過程中經(jīng)過逐步調(diào)整，最后達(dá)到最優(yōu)值的獨(dú)立參數(shù)。設(shè)計變量的數(shù)目確定優(yōu)化設(shè)計的維數(shù)，維數(shù)越大，優(yōu)化設(shè)計工作越復(fù)雜，但效益越高，所以選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量顯得尤為重要。約束條件即是對約束變量的限制條件，起著降低設(shè)計變量自由度的作用。目標(biāo)函數(shù)即是指各個設(shè)計變量的函數(shù)表達(dá)式，工程中的優(yōu)化過程即是指找出目標(biāo)函數(shù)的最小值（最大值）的過程。一般而言，目標(biāo)函數(shù)的確定相對容易，但約束條件的選取顯得比較困難。

2 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的一般思路與常見方法

2.1 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的一般思路

2.1.1 分析問題，建立優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型

在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的過程中，首先需要通過對實際問題的分析，選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量，確定優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，從而建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。

2.1.2 選擇優(yōu)化設(shè)計方法，編寫程序

在設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)三大要素已經(jīng)確定，構(gòu)建好數(shù)學(xué)模型的情況下，編寫計算機(jī)語言程序。

2.1.3 分析結(jié)果，找到最優(yōu)方案

準(zhǔn)備必須的初始化數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)數(shù)值計算，對比計算結(jié)果，在眾多的設(shè)計方案中選擇最完善或者最適宜的設(shè)計方案，使其期望的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到最高。

2.2 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中的常見方法

2.2.1 傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論方法

傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計方法的種類有很多，按求解方法的特點(diǎn)可分為準(zhǔn)則優(yōu)化法、線性規(guī)劃法和非線性規(guī)劃法。準(zhǔn)則優(yōu)化法是指不應(yīng)用數(shù)學(xué)極值原理而是采用力學(xué)、物理中的一些手段來謀求最優(yōu)解的方法。常見的準(zhǔn)則優(yōu)化法有迭代法中的滿應(yīng)力準(zhǔn)則法等，其主要特點(diǎn)是直接簡單效率高，缺點(diǎn)是只能處理簡單的工程問題。線性規(guī)劃法是指應(yīng)用數(shù)學(xué)極值原理，選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量和約束條件，求解目標(biāo)函數(shù)的一種方法。常見的有單純形法、序列線性規(guī)劃法。其優(yōu)點(diǎn)是通過把實際工程問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)極值問題的求解，使其直接、有效、精度系數(shù)高，缺點(diǎn)是工作量大。非線性規(guī)劃法同樣根據(jù)數(shù)學(xué)極值原理求最優(yōu)問題，可分為無約束直接法、無約束間接法。有約束直接法和有約束間接法。其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣，可應(yīng)用于大、中、小型工程問題，且都相對簡單方便、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高。

2.2.2 現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計理論方法

現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計方法不同于傳統(tǒng)優(yōu)化方法，其無需通過選取設(shè)計變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)等因素，便可獲得全局最優(yōu)解，大大地減少了傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法花費(fèi)的人力與財力，在日今復(fù)雜的工程問題中，提出了全新的思路與方法。常見的現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計方法有遺傳方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模擬退火法、粒子群算法等。

3 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)狀與前景

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計是最優(yōu)化理論、電子計算機(jī)技術(shù)和機(jī)械工程相結(jié)合的一門學(xué)科，包括機(jī)械優(yōu)化設(shè)計、機(jī)械零部件優(yōu)化設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀優(yōu)化設(shè)計等。二十世紀(jì)五十年代以前，用于解決最優(yōu)問題的數(shù)學(xué)方法僅限于古典的微分法與變分法，在處理現(xiàn)實問題時，計算量非常大。直到四十年代前后，大型線性規(guī)劃技術(shù)的提出，數(shù)學(xué)方法首次被運(yùn)用到結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，使得計算過程不再復(fù)雜，有效的解決了數(shù)值最優(yōu)化計算。近年來，隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，許多新興優(yōu)化算法，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等相繼被提出，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計廣泛地被應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)、化工、航天航空等諸多領(lǐng)域并取得飛速發(fā)展。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計具有廣闊的發(fā)展前景。

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計給機(jī)械工程界帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的，但其工程效應(yīng)比起預(yù)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小得多。歸結(jié)其原因，主要有以下兩點(diǎn)：（1）建模難度大。（2）最優(yōu)方法的選取難度大。

雖然有以上不足之處，但是機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)現(xiàn)前景仍是非常廣大的，且各領(lǐng)域也在積極做出相關(guān)的研究探索，并已取得一定的成就。

4 結(jié)語

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計即是指從眾多設(shè)計方案中需找最優(yōu)方案的過程，一般包括建立數(shù)學(xué)模型、選擇優(yōu)化方法、分析計算結(jié)果選擇出最優(yōu)方案三個過程。根據(jù)不同的分類方式，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的方法有很多，從傳統(tǒng)角度，最常用到的有線性規(guī)則法中的序列線性規(guī)則法等等，由于現(xiàn)在各技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展以及工程問題對優(yōu)化設(shè)計的需求，衍生了很多與傳統(tǒng)方法原理完全不同的新興方法，最常見到的有遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。縱觀幾十年來機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展歷程，其發(fā)展是非常迅速且令人可喜的，雖然仍存在建模困難、優(yōu)化方法選取等等方面的一些挑戰(zhàn)，但是其前景仍舊是非常廣闊的。研究機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的理論與方法無論是學(xué)術(shù)領(lǐng)域還是實際經(jīng)濟(jì)效益方面都具有研究意義。

參考文獻(xiàn)：

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篇4

關(guān)鍵詞：三維建模；車床刀架轉(zhuǎn)盤；機(jī)械加工；設(shè)計；優(yōu)化

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國在機(jī)械制造行業(yè)所取得的成就也越來越多，車床刀架轉(zhuǎn)盤作為普通的車床刀架的核心零件，它具有造價成本高以及圖紙設(shè)計構(gòu)成的體系非常復(fù)雜，而且對于這種零件的加工精度非常高，需要的工序也很多等特點(diǎn)。加工車床刀架轉(zhuǎn)盤的設(shè)備主要是車床，但是使用的大多數(shù)還是傳統(tǒng)的二維紙質(zhì)工藝，在生產(chǎn)的加工階段，操作的工需反復(fù)的查閱相關(guān)的資料以及車床刀架轉(zhuǎn)盤的圖紙，而且對于車床刀架轉(zhuǎn)盤的操作熟練的人員也非常的少，因此做好對加工轉(zhuǎn)盤的工序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的工作就很有必要，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1對于車床刀架轉(zhuǎn)盤零件進(jìn)行三維建模

對于車床刀架轉(zhuǎn)盤的三維立體建模是通過度對各種方法的結(jié)合，制作出不同類型的三維物體形狀以及真實環(huán)境的過程。對于三維數(shù)字化工藝的設(shè)計是通過以車床刀架轉(zhuǎn)盤的模型為載體，在進(jìn)行綜合的考慮制造資源以及對產(chǎn)品的制造工藝流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行定義，用來控制以及實現(xiàn)可視化表達(dá)零件的整個制造過程的數(shù)字化模型，從車床刀架轉(zhuǎn)盤的特征角度看，所有的產(chǎn)品零件都可以看成是通過一系列的簡單特征所以組成。對車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的三維建模的過程中，也就是對很多特征進(jìn)行疊加，或者是相交和切割的過程，三維工藝的建模過程就是對加工特征以及特征之間的關(guān)系進(jìn)行組織的控制過程。通過對車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的圖紙進(jìn)行分析，運(yùn)用相關(guān)的轉(zhuǎn)盤三維模型進(jìn)行具體的繪制工作。通過打開三維模型的軟件，新建對話框進(jìn)入車床刀架轉(zhuǎn)盤建模環(huán)境，再插入車床刀架轉(zhuǎn)盤的圖紙，進(jìn)入草圖的環(huán)境進(jìn)行相關(guān)的繪制工作，在進(jìn)行回轉(zhuǎn)命令，進(jìn)行對回轉(zhuǎn)特征的創(chuàng)建工作，再進(jìn)行相似的方法繪制其他的零件草圖，然后進(jìn)行零件相關(guān)的拉伸特征的設(shè)置，除了這些之外還要注意對車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的細(xì)節(jié)特征創(chuàng)建。

2對于車床刀架轉(zhuǎn)盤的機(jī)械加工工藝規(guī)程的設(shè)計

2.1對車床刀架轉(zhuǎn)盤加工的要求進(jìn)行分析

對車床刀架轉(zhuǎn)盤的零件圖進(jìn)行詳細(xì)的分析，對相關(guān)的零件的尺寸精度以及位置精度的要求進(jìn)行充分的了解，比如零件的表面粗糙度和燕尾導(dǎo)軌面以及對稱度等，相關(guān)的精度要求非常高，對相關(guān)的零件部位的精度要求分析可以看出導(dǎo)軌面是轉(zhuǎn)盤零件最為關(guān)鍵的加工表面。

2.2對車床刀架轉(zhuǎn)盤的零件圖的檢查

車床刀架轉(zhuǎn)盤的零件圖包括主視圖和俯視圖以及側(cè)視圖，通過采用局部剖視或者半剖視的方法，可以對轉(zhuǎn)盤零件結(jié)構(gòu)表達(dá)的更加清晰以及對轉(zhuǎn)盤零件的布局更加的合理，注意對轉(zhuǎn)盤的有關(guān)尺寸進(jìn)行標(biāo)注，注意對相關(guān)的形狀精度以及位置精度進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)注，而且要保證標(biāo)注的統(tǒng)一性以及完整性，確保轉(zhuǎn)盤零件符合國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通過對轉(zhuǎn)盤零件的各項技術(shù)要求的可行性進(jìn)行確定，保證了轉(zhuǎn)盤零件設(shè)計的合理性，從而為轉(zhuǎn)盤零件的組織生產(chǎn)以及機(jī)械加工工藝技術(shù)做好充分的準(zhǔn)備工作。

2.3對轉(zhuǎn)盤零件生產(chǎn)類型的分析

根據(jù)相關(guān)的公式以及企業(yè)的生產(chǎn)條件進(jìn)行確定車床刀架轉(zhuǎn)盤的年生產(chǎn)量，結(jié)合車床刀架轉(zhuǎn)盤質(zhì)量的分析，以及對加工工作各種零件的生產(chǎn)類型的數(shù)量和工藝的特征進(jìn)行考慮，從而可以確定出車床刀架轉(zhuǎn)盤的生產(chǎn)類型為中批生產(chǎn)。

2.4確定轉(zhuǎn)盤零件機(jī)械加工的工藝流程

通過對轉(zhuǎn)盤零件的零件圖進(jìn)行分析可以得出，轉(zhuǎn)盤長度以及寬度等的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，還有轉(zhuǎn)盤高度的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及燕尾面的粗基準(zhǔn)，對各端面根據(jù)相關(guān)的基準(zhǔn)進(jìn)行加工，再采用一面兩孔的定位方式進(jìn)行加工其他的表面，從而確定出車床刀架轉(zhuǎn)盤的機(jī)械加工工藝的設(shè)計流程。

2.5確定相關(guān)的設(shè)計設(shè)備

通過對車床刀架轉(zhuǎn)盤的機(jī)械加工工藝的方案以及各種方面加工的方法進(jìn)行分析，結(jié)合對車床刀架轉(zhuǎn)盤的最大輪廓尺寸和加工精度的考慮，進(jìn)行對加工機(jī)床的選擇，以及對各種刀具和量具以及夾具的選擇。

2.6制定零件機(jī)械加工工藝的規(guī)程

通過對上文的論述結(jié)果的分析，進(jìn)行車床刀架轉(zhuǎn)盤的機(jī)械加工工藝各項要求的制定，制定的車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的機(jī)械加工工藝的規(guī)程是企業(yè)組織車床刀架轉(zhuǎn)盤進(jìn)行生產(chǎn)工作的標(biāo)準(zhǔn)，是整個車床刀架轉(zhuǎn)盤機(jī)械加工工藝規(guī)程優(yōu)化設(shè)計工作的重要環(huán)節(jié)之一。

3結(jié)束語

車床刀架轉(zhuǎn)盤的三維工藝項目能夠大大降低企業(yè)的成本，從而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)的精益化生產(chǎn)才符合現(xiàn)階段時代的發(fā)展，才能夠緊緊跟隨智能化制造的步伐。在對車床刀架轉(zhuǎn)盤的機(jī)械加工工藝規(guī)程的優(yōu)化設(shè)計過程中，要做好對于零件的分析以及研究工作，通過對車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的機(jī)械加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，制定好相關(guān)的零件機(jī)械加工工藝規(guī)程，才能縮短零件的生產(chǎn)周期，從而降低制造的成本以及提高了零件的精密度，對提高企業(yè)的勞動生產(chǎn)率以及降低勞動的強(qiáng)度都有著重要的作用。

作者:張克盛 單位:甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

參考文獻(xiàn)：

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關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；機(jī)械優(yōu)化設(shè)計；優(yōu)化方法

機(jī)械設(shè)計的發(fā)展歷程，其實是社會生產(chǎn)力進(jìn)步的過程，也是設(shè)計者謀求設(shè)計最優(yōu)化的過程。在此過程中，各種機(jī)械設(shè)計的技術(shù)、技能和技藝會隨著科學(xué)技術(shù)、經(jīng)驗、理論的提升而提升，這其實是一種必然的邏輯關(guān)系。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計其實指的就是運(yùn)營數(shù)學(xué)模型方法和計算機(jī)技術(shù)找到最佳設(shè)計方案和路徑的過程，也是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在新時期，對機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的重要性和意義進(jìn)行探討，并剖析其實現(xiàn)的路徑和辦法，極為必要。

1 機(jī)械設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計的重要性

所謂的優(yōu)化設(shè)計，其實不僅僅存在于機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，而是存在于各種學(xué)科和應(yīng)用中。優(yōu)化設(shè)計的本質(zhì)就是透過多種科學(xué)手段和研究步驟，篩選出多種解決問題的方案和措施，然后“優(yōu)中選優(yōu)”，找到最佳的路線和策略。之于機(jī)械設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計的功能性作用是毋庸置疑的，具體可以從如下方面考量。

1.1優(yōu)化設(shè)計可以保證機(jī)械設(shè)計的工藝與質(zhì)量

在機(jī)械設(shè)計的過程中，設(shè)計師不僅要考慮設(shè)計流程、設(shè)計時間和成本、功效等問題，更重要的是必須考慮設(shè)計產(chǎn)品的工藝水準(zhǔn)和實用價值，也可以理解為設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量。要知道，機(jī)械產(chǎn)品往往用于工業(yè)生產(chǎn)及大型的工程項目，其質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系重大，絕對不能兒戲視之。簡言之，機(jī)械設(shè)計的質(zhì)量是第一位，倘若失去了優(yōu)質(zhì)的保證，那么這樣的機(jī)械設(shè)計毫無價值。所以，找到更好的設(shè)計路徑和策略，維持設(shè)計的質(zhì)量和工藝，就成為了整個機(jī)械設(shè)計的關(guān)鍵。這里，優(yōu)化設(shè)計雖然也不能從設(shè)計流程和細(xì)節(jié)上保證機(jī)械設(shè)計的質(zhì)量高低，但是優(yōu)化設(shè)計最起碼可以提供多種設(shè)計方案和選擇，為設(shè)計師的路線選擇提供了豐富的內(nèi)容。在現(xiàn)實操作中，設(shè)計者往往利用數(shù)學(xué)函數(shù)及相關(guān)模型對各種設(shè)計方案進(jìn)行綜合評估，做出最佳的選擇。諸多設(shè)計方案中的最佳方案，往往具備這樣幾個特點(diǎn)。首先，該方案應(yīng)該是效率最快的，成本最省的；其次，該方案要具備現(xiàn)實的操作可能，要能實現(xiàn)設(shè)計的規(guī)劃。

總之，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的過程其實是篩查最佳設(shè)計方案的過程，這個過程中的方案選擇是最符合機(jī)械設(shè)計實際需求的，也是最具質(zhì)量保證的。

1.2優(yōu)化設(shè)計可以最大限度的節(jié)約設(shè)計開支和成本

機(jī)械設(shè)計是一項繁瑣、浩大的工程，往往需要很久的時間才能完全，不存在所謂的捷徑和“小道”。所以，在維系長時間設(shè)計流程的同時，必須做好高額開支和成本支出的準(zhǔn)備。事實證明，機(jī)械設(shè)計的成本開支往往令主管單位“不堪重負(fù)”。誠然，隨著機(jī)械設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步以及管理流程的簡化，新時期的機(jī)械設(shè)計成本開支以及有所降低，但是仍然有壓縮的空間。要清楚的是，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計的方法對機(jī)械設(shè)計的成本開支進(jìn)行削減，完全要基于保障設(shè)計質(zhì)量的前提；倘若成本的控制要以犧牲質(zhì)量為代價，那么這樣的控制手法必須果斷舍棄。

在機(jī)械設(shè)計中采取優(yōu)化設(shè)計路線，能夠減輕前期和設(shè)計過程中的成本開支，為設(shè)計單位節(jié)省一筆不小的資金。之所以這樣說，是因為優(yōu)化設(shè)計的最佳方案往往是符合設(shè)計流程的，是可以發(fā)揮出現(xiàn)有材料、設(shè)備和人員最大能量的，所以不需要額外耗費(fèi)多余的人力、財力和物力。因此，優(yōu)化設(shè)計能夠節(jié)約機(jī)械設(shè)計的開支成本是有科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)的。

1.3優(yōu)化設(shè)計可以提高機(jī)械產(chǎn)品的科技附加值

機(jī)械設(shè)計的產(chǎn)品是一種自然屬性但是具備商業(yè)價值的“商品”，這就必然要與市場發(fā)生關(guān)聯(lián)。同時，優(yōu)化設(shè)計方法在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用，能夠增加機(jī)械產(chǎn)品的科技含量和技術(shù)附加值，大大提高產(chǎn)品的市場競爭力，這對機(jī)械設(shè)計企業(yè)而言無疑是一大利好。例如，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及相互之間融合度越來越高，機(jī)械設(shè)計的產(chǎn)業(yè)化正在形成，即機(jī)械設(shè)計可以作為一個單獨(dú)的工程鏈條存在。如果我們把機(jī)械設(shè)計的產(chǎn)品作為一個普通商品看待，那么這種商品必須是價格最低、質(zhì)量最好、科技含量最高的，唯有此，該產(chǎn)品才能在市場中取得占有率，企業(yè)才能因此獲取利益最大化。所以，所有的機(jī)械設(shè)計企業(yè)都在努力的追求“這樣的機(jī)械產(chǎn)品”，而這樣的產(chǎn)品往往需要透過優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)。

所以，優(yōu)化設(shè)計為機(jī)械設(shè)計產(chǎn)品的技藝提升、附加值增大提供了全新的路徑，也為機(jī)械設(shè)計單位和企業(yè)的發(fā)展增添了新的利潤增長點(diǎn)。例如，隨著信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、材料技術(shù)、液壓技術(shù)、加工制造工藝的不斷發(fā)展和成熟，機(jī)械設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)都會有一種或多種新技術(shù)的注入，最終的機(jī)械產(chǎn)品往往“飽含科技”，其技術(shù)附加值自然可以達(dá)到一個高位。類似這樣的高附加值機(jī)械產(chǎn)品，在市場中的價格是可以想見的，企業(yè)因此帶來的收益也是很高的。所以，如果把機(jī)械設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計作為一種生產(chǎn)選擇方式來衡量，那么優(yōu)化設(shè)計為產(chǎn)品的開發(fā)和流動，為設(shè)計單位、企業(yè)的利益最大化帶來的貢獻(xiàn)是很難估量。由此可見，優(yōu)化設(shè)計對于當(dāng)今的機(jī)械設(shè)計是多么的重要。

2 機(jī)械設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計的實現(xiàn)路徑

既然優(yōu)化設(shè)計可以為機(jī)械設(shè)計提供質(zhì)量和效益的保證，那么就必須引入科學(xué)有序的優(yōu)化設(shè)計方案，使之產(chǎn)生明顯的效果。從當(dāng)前的情況看，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計可以從如下角度考量。

首先，機(jī)械設(shè)計的一維搜索優(yōu)化方法，這種方法也是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計優(yōu)化方法的最典型代表，以數(shù)學(xué)函數(shù)為理論基礎(chǔ)，透過搜索區(qū)間的確定，來保證優(yōu)化方案的有效性。一維搜索方法是一維問題的最基本方法，也是多維機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)方法。眾所周知，機(jī)械設(shè)計大都是多維的，很少有一維的情況，但是這恰恰說明了一維的重要性和基礎(chǔ)。就好比數(shù)學(xué)中的從0到9的10個數(shù)字，它們構(gòu)筑了數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，成為數(shù)學(xué)的理論“細(xì)胞”。所以，一維搜索方法在機(jī)械設(shè)計的應(yīng)用，往往直接影響優(yōu)化設(shè)計問題的求解速度。其次，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計會用到約束優(yōu)化方法和無約束優(yōu)化方法。在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中，經(jīng)常使用的是約束優(yōu)化的方法。

除此之外，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計還可以通過線性規(guī)劃方法、多目標(biāo)及離散變量優(yōu)化方法來實現(xiàn)。總之，諸多優(yōu)化方法的存在和操作為機(jī)械優(yōu)化設(shè)計提供了多元化的路徑，這是我們所樂見的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李劍峰. 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的研究與實踐[J]. 煤礦機(jī)械. 2011（01）

[2] 張運(yùn)節(jié). 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計綜述與展望[J]. 科技信息. 2009（06）

篇6

關(guān)鍵詞：人因工程，采煤機(jī)械，優(yōu)化

【分類號】TD421.6

1.引言

隨著社會的不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)全球化不可逆轉(zhuǎn)，相應(yīng)的采礦技術(shù)也在不斷向前進(jìn)步，機(jī)械化作業(yè)在煤礦企業(yè)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都得到了廣泛的運(yùn)用。如今的煤礦企業(yè)正朝著自動化、智能化方向邁進(jìn)。機(jī)械化采煤機(jī)械的普及，大大提高了煤炭的生產(chǎn)效率。然而，隨著社會對煤炭資源需求量的持續(xù)增大，各企業(yè)必須加大采礦生產(chǎn)的數(shù)量，機(jī)械設(shè)備同時面臨著超負(fù)荷作業(yè)狀態(tài)。運(yùn)用人因工程學(xué)對采煤設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，必須借助于心理學(xué)、生理學(xué)等多項科研理論，全面均衡，最后設(shè)計出人性化的采煤機(jī)械。這不僅可以提升煤礦生產(chǎn)的效率，同時使采煤機(jī)械的操作環(huán)境更加安全、穩(wěn)定。

2.現(xiàn)有采煤機(jī)械設(shè)備存在的問題

2.1 操作者作業(yè)強(qiáng)度繁重

在人-機(jī)-環(huán)境這個生產(chǎn)系統(tǒng)中，人是人因工程學(xué)研究的核心目標(biāo)。隨著采煤設(shè)備形態(tài)的日趨多樣化，機(jī)械的功率和運(yùn)行速度也在不斷的提高，操作者的工作強(qiáng)度越來越繁重而復(fù)雜，僅憑現(xiàn)在的采煤設(shè)備已經(jīng)不能滿足采煤作業(yè)的需要，對作業(yè)條件的改善也變得越來越迫切，這就突出了運(yùn)用人因工程學(xué)對采煤機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的重要性。

2.2采煤機(jī)械的使用條件惡劣

在采煤機(jī)械超負(fù)荷運(yùn)行時，同時要保證采煤設(shè)備的作業(yè)安全性，這必定會增加作業(yè)工人生理和心理上的負(fù)擔(dān)。在井下曲折且不平的地表上作業(yè)，也會加重操作者的工作難度，它一方面易使操作者感到疲勞，降低工作效率以致引起事故；另一方面，可能危害到作業(yè)工人的身心健康，導(dǎo)致一些職業(yè)病。在各種不同的環(huán)境條件下，采運(yùn)設(shè)備如果直接受到寒冷、悶熱、礦塵等的侵襲，也會使操作工人遭到惡劣環(huán)境因素的傷害。另外，長時間的噪聲會損害操作者的聽力，嚴(yán)重時還會造成操作工人聽力下降甚至損傷，或引發(fā)其它職業(yè)疾病。

3. 人因工程指導(dǎo)采煤機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的流程

3.1 選定功能

功能模塊是實現(xiàn)人因工程學(xué)價值的標(biāo)志。在設(shè)計采煤設(shè)備時應(yīng)考慮人因工程所具有的功能和特點(diǎn)，然后研究采煤設(shè)備能否滿足生產(chǎn)的作業(yè)需要。加大設(shè)備功能與操作者之間的配合程度，保證作業(yè)者操作機(jī)器時在心理上感到良好的舒適度和適應(yīng)性。

3.2 系統(tǒng)分配

人因工程研究的系統(tǒng)十分復(fù)雜，采煤設(shè)備的初步設(shè)計應(yīng)當(dāng)做好系統(tǒng)分配工作。通常情況下，人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)分配需要根據(jù)3大因素的具體特點(diǎn)，從整體到局部來完善采煤機(jī)械整體的運(yùn)行性能。同時，分配系統(tǒng)功能還要以人為中心，不能太過于依賴設(shè)備的機(jī)械化。

3.3 設(shè)置參數(shù)

參數(shù)是人機(jī)操作系統(tǒng)的硬性指標(biāo)，參數(shù)設(shè)置的大小需根據(jù)采礦設(shè)備的工作情況，以及機(jī)械在實際工作流程中發(fā)揮的相關(guān)功能而定。通常用人因工程學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計采煤設(shè)備時，先要設(shè)置 “人機(jī)界面”。具體參數(shù)有：一是尺寸參數(shù)，需要結(jié)合人體的特征，使設(shè)計的尺寸，能夠保證操作者有足夠的操作空間；二是設(shè)備參數(shù)，設(shè)置的顯示器、控制器等參數(shù)，應(yīng)保證系統(tǒng)操作的合理性。

4. 采煤機(jī)械設(shè)計的評價方法

人因工程學(xué)是研究人、機(jī)、環(huán)境三者組成的系統(tǒng)之間相互配合的學(xué)科。它通過統(tǒng)籌系統(tǒng)諸要素之間的相互關(guān)系，來確保整個系統(tǒng)效能的最優(yōu)化。那么，怎樣來評價用人因工程學(xué)指導(dǎo)設(shè)計的采煤機(jī)械是否符合宜人、安全、高效的設(shè)計原則呢？我們可以通過下述的方面來評價：

（1）產(chǎn)品的尺寸與人體的尺寸及作業(yè)方式是否適應(yīng)；

（2）產(chǎn)品是否可以防止工人操作時造成意外傷害和危險，以及是否設(shè)有保障機(jī)制；

（3）機(jī)械各操作單元是否簡單實用，安裝的元件能否快速的被作業(yè)者辨識；

（4）產(chǎn)品是否便于清潔、保養(yǎng)及維護(hù)。

從這4項設(shè)計基本原則可以看出，采煤機(jī)械的設(shè)計要以正確面向操作者、適應(yīng)操作者、尊重作業(yè)者為基本點(diǎn)。只有在造型尺寸設(shè)計方面符合作業(yè)者的生理和心理需要，才能真正體現(xiàn)出該設(shè)計產(chǎn)品對人的尊重和關(guān)心。

當(dāng)然，對于一名設(shè)計師來說，他所設(shè)計的產(chǎn)品還要符合人們的審美需要。他對美的理解和感悟應(yīng)是相當(dāng)深刻的，我們可以把它簡單地分為視覺上、聽覺上、觸覺上和感覺上四個方面。視覺設(shè)計體現(xiàn)在采煤設(shè)備的造型和顏色等方面，它是作業(yè)者對產(chǎn)品最直觀、最簡單的了解方法。聽覺設(shè)計主要是指聲音，設(shè)計不當(dāng)?shù)脑O(shè)備可能會產(chǎn)生持續(xù)的噪聲，它能分散工人的注意力，損害井下人員的聽力，嚴(yán)重時還會造成操作工人聽力下降甚至損傷，或引發(fā)其它職業(yè)疾病。觸覺設(shè)計主要包括機(jī)械材料的應(yīng)用、質(zhì)地好壞等。最后就是通過上述三個方面綜合起來給作業(yè)者的整體感覺，它從整體上對采煤機(jī)械提出了要求，這不僅包括設(shè)備在外觀上能令人賞心悅目，更能適應(yīng)人生理和心理的要求，給作業(yè)人員帶來歸屬感。

5.結(jié)語

隨著采煤設(shè)備機(jī)械化程度的提高， 井下作業(yè)環(huán)境也日趨復(fù)雜， 對作業(yè)者操縱控制設(shè)備的能力提出了挑戰(zhàn)。 同時，許多采煤設(shè)備在研制時沒有全面考慮操作人員的人體因素，使設(shè)備的功能不能完全發(fā)揮出來。因此，有必要用人因工程學(xué)的理論來研究采煤機(jī)械的設(shè)計與優(yōu)化。從人因工程學(xué)角度出發(fā)， 對煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行合理的改進(jìn)設(shè)計， 使操作者處于最佳的工作狀態(tài)， 一方面可以減少煤礦安全事故， 另一方面可以提高生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]王建軍.人機(jī)工程學(xué)在人性化煤礦機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械管理開發(fā).2010（02）

[2]趙宏梅，程彬.采煤機(jī)操作臺面的人機(jī)工程學(xué)研究[J].煤礦機(jī)電.2007（06）

[3]段春平.礦山機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計[J].中國礦業(yè).1999（S2）

篇7

（河北龍人凱立建筑工程有限公司河北邯鄲056000）

【摘要】對變速箱開關(guān)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計， 提升了變速箱開關(guān)的使用壽命， 同時也提升了整車的性能。

關(guān)鍵詞 變速箱；開關(guān)；優(yōu)化設(shè)計

Transmission mechanical switching performance optimization design ideas analysis

Jia Gui-jun

(Hebei dragon people KaiLi construction engineering co., LTDHandanHebei056000)

【Abstract】The structure of the gearbox switches are optimized to enhance the service life of the gearbox switch, but also enhance the vehicle´s performance.

【Key words】Transmission;Switches;Optimum design

1. 引言

重型汽車變速箱的開關(guān)通常為機(jī)械式壓力開關(guān)，該類開關(guān)作用原理為在額定的外力作用下通過開關(guān)頂桿的直線運(yùn)動，推動開關(guān)觸點(diǎn)實現(xiàn)開關(guān)的閉合或斷開，使汽車電路接通和斷開，從而實現(xiàn)信號的輸出。在外力解除時開關(guān)通過內(nèi)部彈簧的彈力作用實現(xiàn)自動復(fù)位，使開關(guān)保持原有的狀態(tài)。開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)見圖1 。

2. 開關(guān)的工作原理

接通右端的兩接線柱，左端開關(guān)頂桿組件受到外力時，經(jīng)外力傳到橡膠墊圈右的壓縮彈簧，同時帶動動態(tài)接線片向右運(yùn)動，兩觸點(diǎn)與靜態(tài)接線片斷開，開關(guān)由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)；當(dāng)外力消失時，在壓縮彈簧回彈力的作用下，動態(tài)接線片與頂桿斷開，開關(guān)由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)。

3. 開關(guān)的失效分析

從市場反饋的信息可知，開關(guān)的失效模式可以分為常開、常閉以及信號不穩(wěn)定等故障形態(tài)。根據(jù)失效模式可知導(dǎo)致此失效現(xiàn)象發(fā)生的原因有觸點(diǎn)焊接不可靠造成信號不穩(wěn)定、墊片的可靠性差造成早期失效出現(xiàn)常開或常閉的情況。針對此失效原因可以做以下優(yōu)化設(shè)計來提高開關(guān)的使用壽命。

4. 開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上述失效模式的分析，重點(diǎn)通過以下幾個方面的優(yōu)化設(shè)計來提高開關(guān)的使用壽命。

4.1開關(guān)焊接觸點(diǎn)開裂導(dǎo)致的失效。 開關(guān)的接線柱如果焊接不可靠可直接導(dǎo)致工作失效或者信號不穩(wěn)定。早期使用的開關(guān)一般都是用銅板直接焊接，容易造成焊接不可靠或早期失效。優(yōu)化設(shè)計后將開關(guān)接線柱由原厚度0.8mm銅板更改為直徑4mm 圓棒，同時接線處由直接焊接改為先鉚接后焊接工藝來提高焊接的可靠性。下頁圖2、圖3分別為改進(jìn)前后的接線柱。

4.2開關(guān)封裝鉚壓不緊導(dǎo)致的失效。 開關(guān)在所有部件加工完成后要完成整體填膠封裝，如果填膠封裝不可靠可能會出現(xiàn)開關(guān)在使用過程中出現(xiàn)內(nèi)部松動，從而導(dǎo)致開關(guān)行程增大失效。針對此情況對開關(guān)的封裝結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計從而提高封裝的可靠性。將開關(guān)頭部鉚接位置直徑減小4mm，然后進(jìn)行折邊鉚壓。折邊鉚壓后的開關(guān)在填膠封裝時不僅在膠的黏合力作用下可以保證開關(guān)內(nèi)部不松動，同時折邊后可以對凝固后的膠起到限位作用。在雙重保護(hù)的作用下可以保證封裝鉚壓可靠，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖4。

4.3開關(guān)行程超差失效。 開關(guān)內(nèi)部橡膠密封墊的作用是為了防止變速箱內(nèi)腔的氣體泄壓，從而保證變速箱氣動件的正常工作，同時橡膠密封墊的早期失效形成的凹陷直接導(dǎo)致開關(guān)頂桿的行程，開關(guān)行程超差會導(dǎo)致開關(guān)靈敏度下降從而影響開關(guān)的性能。針對此情況對開關(guān)的橡膠密封墊的材料進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，由普通的橡膠密封墊改為硅膠密封墊，同時將密封墊厚度由2mm 變更為1mm，增加了其可靠性。

5. 結(jié)語

經(jīng)過以上對開關(guān)的結(jié)構(gòu)、加工工藝以及部件材料的優(yōu)化設(shè)計提高了開關(guān)的可靠性，延長了開關(guān)的使用壽命。改進(jìn)后的開關(guān)已經(jīng)在變速箱進(jìn)行了匹配。通過市場跟蹤分析，優(yōu)化后的開關(guān)故障率下降40％以上，滿足了客戶的使用要求。

參考文獻(xiàn)

篇8

關(guān)鍵詞 汽車機(jī)械式變速器；傳動機(jī)構(gòu)；可靠性優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號U463 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2014）122-0195-02

0引言

汽車作為目前我國最重要的交通工具之一，對人們的生活、工作帶來了較大的便利。從汽車采用內(nèi)燃機(jī)作為動力裝置以來，變速器成為了汽車傳動機(jī)構(gòu)最重要的組成部分。變速器不僅能改變汽車的傳動比，擴(kuò)大車輪距和轉(zhuǎn)速的范圍，還可以使發(fā)動機(jī)工作在最有利的工況范圍內(nèi)，對汽車整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及實用性能有著不可或缺的作用。機(jī)械式變速器具有壽命長、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)勢，且得到了廣泛的應(yīng)用，但是其也具有體積大、換擋沖擊大等劣勢，如何改善機(jī)械式變速器的結(jié)構(gòu)與使用性能，提高其傳動的可靠性，成為了汽車設(shè)計人員和技術(shù)人員共同關(guān)注的熱點(diǎn)。

1汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計模型

對于汽車來講，變速器對汽車的操控性、安全性有著直接的影響，變速器的可靠性設(shè)計，不僅要實現(xiàn)換擋傳動的作用，還應(yīng)該確保汽車行駛過程中的穩(wěn)定安全性。基于汽車機(jī)械式變速器，對變換器零件的尺寸、材料以及載荷等進(jìn)行分析，通過多次試驗確定優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。

1.1可靠度的分配

為了確保汽車傳動結(jié)構(gòu)中機(jī)械式變速器變速的可靠性，需要對其可靠度進(jìn)行分配，往往分配工作需要在技術(shù)水平、復(fù)雜程度、費(fèi)用情況以及工作環(huán)境等因素的深入考慮下進(jìn)行。首先需要假設(shè)零部件故障是相對獨(dú)立的，其壽命服從指數(shù)分布，其次是把機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)可靠度分配給變速器軸、變速齒輪、花鍵以及軸承。其中變速器軸可靠度分解為疲勞剛度（Rs剛）和軸疲勞強(qiáng)度（Rs強(qiáng)），變速齒輪可靠度分解為齒輪接觸疲勞強(qiáng)度（Rc接）和齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度（Rc彎），花鍵可靠度分解為疲勞強(qiáng)度（Rj強(qiáng)），那么機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)可靠度分配模型為：Rs=Rs剛*Rs強(qiáng)*Rc接*Rc彎*Rj強(qiáng)。

1.2 變速器齒輪系多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型

1）建立目標(biāo)函數(shù)

變速器齒輪系多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型往往是以變速器體積最大和齒輪傳動復(fù)合度最大化為目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)然此目標(biāo)函數(shù)的確定是變速器滿足汽車動力安全性和穩(wěn)定性基礎(chǔ)上進(jìn)行的。變速器體積越小，越節(jié)省制造原材料，產(chǎn)品制造成本相對較低。齒輪傳動重合度越大，傳動就越平穩(wěn)，噪音就越小，有利于傳動中動載荷量的降低。

2）選取設(shè)計變量

汽車機(jī)械式變速器齒輪系統(tǒng)設(shè)計涉及到多個參數(shù)，本文只選取5個參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計中的設(shè)計變量，即常嚙合齒輪齒數(shù)、嚙合齒輪模數(shù)、各檔變速比、螺旋角以及齒寬。

3）確定約束條件

在此優(yōu)化設(shè)計中，確定的約束條件有以下幾個方面：（1）變速齒輪可靠性約束；（2）變速器各檔傳動比比值約束；（3）變速器最大傳動比約束；（4）邊界約束；（5）變速器中心距約束；（6）中間軸軸向力平衡約束。

1.3 變速器軸的可靠性設(shè)計

汽車機(jī)械式變速器軸主要包括軸肩、軸頸、退刀槽過渡段以及齒輪段，變速器的軸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在對其可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計必須滿足軸強(qiáng)度的可靠性，盡量節(jié)省設(shè)計制造材料。為了更大程度提高軸承、花鍵的工作性能，應(yīng)該盡量減少軸徑。在汽車變速器的軸系統(tǒng)中，往往第二軸的結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，工況最為惡劣。

1）動力輸出軸剛度可靠性設(shè)計

變速器動力輸出軸剛度可靠性設(shè)計通過由軸扭轉(zhuǎn)角、撓度以及軸截面偏轉(zhuǎn)角組成，軸剛度可靠度分配是：Rc剛=Rc扭*Rc撓*Rc偏。同時可以假設(shè)三者都是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量。

2）動力輸出軸靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計

變速器軸的結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，可以將簡化階梯軸，逐漸被等截面軸所取代。由于軸在危險截面強(qiáng)度分布和應(yīng)力分布往往呈現(xiàn)正態(tài)分布，那么動力輸出軸靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計應(yīng)該首先畫出軸的結(jié)構(gòu)示意簡圖，然后對軸的各部位進(jìn)行受力分析，即各齒輪受力分析，得出相應(yīng)的受力和力矩，繪制彎矩、轉(zhuǎn)矩圖，確定軸在危險截面的強(qiáng)度分布情況，按照規(guī)定的可靠度計算出軸徑。

3 基于MATLAB多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計

3.1 MATLAB工具箱

MATLAB可以對線性、非線性、半無限等問題進(jìn)行準(zhǔn)確有效的求解，具有強(qiáng)大的優(yōu)化工具箱。對汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，先對單目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計算，得到體積與重合度最優(yōu)值，再進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化計算，其結(jié)果表明斜齒輪多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計是最科學(xué)、最高效的設(shè)計方法。

3.2 齒輪參數(shù)圓整

斜齒輪齒數(shù)必須為整數(shù)，使得選取的齒輪法向模數(shù)必須符合國際標(biāo)準(zhǔn)值，同時一對嚙合的齒輪的齒數(shù)不能含有公因數(shù)，并且大齒輪齒數(shù)不能是小齒輪的整數(shù)倍，因此需要進(jìn)行齒輪參數(shù)圓整的優(yōu)化處理。為了避免齒輪參數(shù)圓整引起的一些問題，即齒輪彎曲強(qiáng)度不足、接觸強(qiáng)度不夠等，可以通過齒輪變位進(jìn)行處理。

3.3 程序調(diào)試的優(yōu)化

對程序進(jìn)行調(diào)試的過程為：通常對約束條件、變量以及目標(biāo)函數(shù)不做改變，只改變初始值，然后對比分析不同初始值下優(yōu)化結(jié)果是否相同。另外，不改變變量和目標(biāo)函數(shù)，去掉某個約束條件，對比該約束條件存在與否的優(yōu)化結(jié)果，明確優(yōu)化分析對約束條件的敏感程度。通過對程序調(diào)試的優(yōu)化，可以發(fā)現(xiàn)對優(yōu)化結(jié)果的影響最大的是一檔齒輪小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度。

4 結(jié)論

變速器作為汽車最關(guān)鍵的零件之一，對汽車整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及使用安全性能有著決定性的作用，必須對機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)的可靠性進(jìn)行研究，構(gòu)建相關(guān)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB優(yōu)化工具對結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，從而提高汽車機(jī)械式變速器可靠性設(shè)計應(yīng)用水平，促進(jìn)我國汽車市場更好更快的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2]鮑俊峰.高速插秧機(jī)機(jī)械式變速器的設(shè)計及優(yōu)化[D].浙江理工大學(xué)，2013.

篇9

關(guān)健詞：科技創(chuàng)新訓(xùn)練；智能小車；Proe建模；教學(xué)效果

一、科技創(chuàng)新訓(xùn)練選修課目前教學(xué)方法存在的問題

1.傳統(tǒng)的教學(xué)方法影響課堂教學(xué)效果

科技創(chuàng)新訓(xùn)練智能小車的設(shè)計與制作，是機(jī)電綜合的一個訓(xùn)練項目。小車機(jī)械主體結(jié)構(gòu)有車體、前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（四桿機(jī)構(gòu)）、后輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)（差速器）等機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)，以及軸承、軸、彈簧、卡簧、車輪等標(biāo)準(zhǔn)件和通用零部件。在項目設(shè)計與制作中要研究相應(yīng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本設(shè)計原理和計算方法。課前學(xué)生往往對機(jī)械設(shè)計、機(jī)械設(shè)備、機(jī)械加工等相關(guān)知識知之甚少，甚至不知，尤其是對四桿機(jī)構(gòu)和差速器部分既沒有理性認(rèn)識也沒有感性認(rèn)識。

以前的教學(xué)方法是采用成品小車模型和PPT講解，PPT也只是cad二維圖和圖片展示，缺乏直觀性。教師無法在課堂上進(jìn)行演示，也不能隨意進(jìn)行反轉(zhuǎn)、拆卸、讓學(xué)生觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系，更不能充分展示動態(tài)變化過程。這樣，給上課帶來諸多不便，直接影響教學(xué)效果。

2.學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高

科技創(chuàng)新智能小車設(shè)計與制作機(jī)械知識內(nèi)容較多，而大二的學(xué)生剛接觸機(jī)械專業(yè)知識，有的經(jīng)過了金工實習(xí)訓(xùn)練，有的還沒有經(jīng)過這一過程，因此，對于這些學(xué)生既缺少理論知識又缺乏實踐經(jīng)驗，對實際制作中的一些零件及機(jī)構(gòu)都很陌生，訓(xùn)練中學(xué)生對部分較難的內(nèi)容不能很好理解，難以掌握。對于大一的學(xué)生來說，就更是難上加難了，學(xué)生們對這些機(jī)構(gòu)、零件有些連聽說都沒有聽說過。因而有的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性受到挫傷，感覺到很難完成，有的甚至放棄。

二、proe輔助教學(xué)的重要性

為了克服以往教學(xué)中的不足，提高教學(xué)效果，教學(xué)部組織教師多次在學(xué)生中進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果顯示學(xué)生對一些機(jī)械工藝基礎(chǔ)知識只是簡單的記憶，沒有真正理解，比如平面四桿機(jī)構(gòu)，由于學(xué)生空間想象能力不足和缺乏工程實踐經(jīng)驗，面對二維的圖紙學(xué)生無法想象出各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方式，似懂非懂，遇到具體問題不會分析，還有的同學(xué)甚至不明白齒輪是如何傳動的。為此，我們結(jié)合學(xué)校教學(xué)改革立項，從教學(xué)方法、教學(xué)手段方面進(jìn)行了探索，提出了應(yīng)用proe軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真輔助教學(xué)。我們將智能小車的機(jī)構(gòu)、零件用proe軟件做成模型并進(jìn)行仿真。

這種教學(xué)方法具有很大的優(yōu)點(diǎn)。首先，教師在proe環(huán)境中可以隨意裝拆、放大，有利于加深學(xué)生對小車整體空間結(jié)構(gòu)及組成的理解，同時可根據(jù)實際情況隨意旋轉(zhuǎn)、改變對模型的觀察方向，其真實感完全與成品中的零件一樣，最為重要的是proe軟件能進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真，可以把各種復(fù)雜的機(jī)構(gòu)通過形象、生動、逼真的動畫演示，以三維的形式直接展示給學(xué)生，克服了采用PPT教學(xué)中平面圖形的不足，從而使學(xué)生建立起良好的感性認(rèn)識。

其次，proe設(shè)計過程可以實現(xiàn)真正的相關(guān)比，任何修改都會自動反映到所有的相關(guān)對象；比如在講四連桿機(jī)構(gòu)時，利用模型仿真不僅可以驗證所設(shè)計的機(jī)構(gòu)是否滿足要求，同時還可以改變相應(yīng)的參數(shù)改變不同長度的連桿進(jìn)行裝配，來觀察克服搖桿死點(diǎn)問題，讓學(xué)生參與設(shè)計并對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場演示加以驗證，改變了以往單純的教學(xué)方式，在課堂上真正實現(xiàn)教學(xué)的互動，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣又加深了印象?；趐roe軟件的輔助教學(xué)，通過模擬、仿真、動畫技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以使一些在普通條件下無法實現(xiàn)或無法觀察的過程生動地顯示出來，還能增強(qiáng)學(xué)生對抽象事物的理解，拓寬學(xué)生的知識面，同時也使教學(xué)過程更為生動，課堂氣氛活躍，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、教學(xué)實踐經(jīng)驗與啟示

針對proe軟件的輔助教學(xué)方法，我們在2010-2011第二學(xué)期科技創(chuàng)新訓(xùn)練選修課教學(xué)實踐中進(jìn)行了嘗試和驗證，并得到了一些經(jīng)驗和啟示:

1.教學(xué)方法與手段改革是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，通過現(xiàn)代化技術(shù)手段的應(yīng)用，可以提高課堂的信息量和教學(xué)效率，應(yīng)用Proe軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)虛擬裝配和運(yùn)動仿真演示，提高了教學(xué)的直觀性，有利于在教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的主體作用，智能小車成品完成率較高。

2.學(xué)生對機(jī)械設(shè)計與機(jī)械加工的過程有了更完整更全面的了解，同時把學(xué)到的知識與生產(chǎn)實際結(jié)合起來，大大激發(fā)了學(xué)生的求知欲，從成品完成質(zhì)量上看，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目的和教學(xué)效果。

3.基于Proe軟件輔助教學(xué)方法有別與以往的教學(xué)方法，在科技創(chuàng)新訓(xùn)練課堂教學(xué)中加人了虛擬的機(jī)構(gòu)動畫，對于一般從沒接觸過工程實踐的學(xué)生來說，可大大增強(qiáng)對各種常用機(jī)構(gòu)和機(jī)械零件的感性認(rèn)識，對于學(xué)生快速掌握各種常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有非常重要的促進(jìn)作用。

四、結(jié)論

通過分析科技創(chuàng)新訓(xùn)練課程傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，并結(jié)合科技創(chuàng)新訓(xùn)練課程的特點(diǎn)，在教學(xué)中應(yīng)用Proe軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真輔助教學(xué)，教學(xué)實踐證明，該教學(xué)方法、教學(xué)手段改革的舉措，可以激發(fā)學(xué)生的觀察力和想象力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性；減輕了教師教學(xué)工作強(qiáng)度，提高了教學(xué)效率，保證了教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了教學(xué)預(yù)期的效果。

【參考文獻(xiàn)】

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關(guān)鍵詞 優(yōu)化方法 特點(diǎn) 選擇

中圖分類號：THl65.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1機(jī)械設(shè)計優(yōu)化方法的介紹

優(yōu)化方法是隨著計算機(jī)的應(yīng)用而迅速發(fā)展起來，較早應(yīng)用于機(jī)械工程等領(lǐng)域的設(shè)計。采用優(yōu)化方法，既可以使方案在規(guī)定的設(shè)計要求下達(dá)到某些優(yōu)化的結(jié)果，又不必耗費(fèi)過多的計算工作量，因而得到廣泛的重視，其應(yīng)用也越來越廣。優(yōu)化方法的發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)值法、數(shù)值分析法和非數(shù)值分析法三個階段。近年來發(fā)展起來的計算機(jī)輔助設(shè)計，在引入優(yōu)化設(shè)計方法后，使得在設(shè)計工程中既能夠不斷選擇設(shè)計參數(shù)并評選出最優(yōu)設(shè)計方案，又可加快設(shè)計速度，縮短設(shè)計周期。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展要求機(jī)械產(chǎn)品日益更新的今天，把優(yōu)化設(shè)計方法與計算機(jī)輔助設(shè)計結(jié)合起來，使設(shè)計工程完全自動化，已成為設(shè)計方法的一個重要發(fā)展趨勢。

2機(jī)械設(shè)計優(yōu)化方法的分類及特點(diǎn)

2.1無約束優(yōu)化設(shè)計法

無約束優(yōu)化設(shè)計是沒有約束函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。無約束可以分為兩類，一類是利用目標(biāo)函數(shù)的一階或二階導(dǎo)數(shù)的無約束優(yōu)化方法；另一類是只利用目標(biāo)函數(shù)值的無約束優(yōu)化方法。

2.2約束優(yōu)化設(shè)計法

優(yōu)化設(shè)計問題大多數(shù)是約束的優(yōu)化問題，根據(jù)處理約束條件方法的不同可分為直接法和間接法。直接法常見的方法有復(fù)合形法、約束坐標(biāo)輪換法和網(wǎng)絡(luò)法等。其內(nèi)涵是構(gòu)造一個迭代過程，使每次的迭代點(diǎn)都在可行域中，同時逐步降低目標(biāo)函數(shù)值，直到求得最優(yōu)解。間接法常見的有懲罰函數(shù)法、增廣乘子法。它是將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成無約束優(yōu)化問題，再通過無約束優(yōu)化方法來求解，或者非線性優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成線性規(guī)劃問題來處理。

2.3遺傳算法

遺傳算法是一種非確定性的擬自然算法，它仿造自然界生物進(jìn)化的規(guī)律，對一個隨機(jī)產(chǎn)生的群體進(jìn)行繁殖演變和自然選擇，適者生存，不適者淘汰，如此循環(huán)往復(fù)，使群體素質(zhì)和群體中個體的素質(zhì)不斷演化，最終收斂于全局最優(yōu)解。最近幾年中遺傳算法在機(jī)械工程領(lǐng)域也開展了多方面的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在：機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；可靠性分析；故障診斷；參數(shù)辨識；機(jī)械方案設(shè)計。遺傳算法盡管已解決了許多難題，但還存在許多問題，如算法本身的參數(shù)優(yōu)化問題、如何避免過早收斂、如何改進(jìn)操作手段或引入新的操作來提高算法的效率、遺傳算法與其它優(yōu)化算法的結(jié)合問題等。

2.4 蟻群算法

蟻群算法是受自然界中真實蟻群的集體行為的啟發(fā)而提出的一種基于群體的模擬進(jìn)化算法。蟻群算法對系統(tǒng)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型沒有很高的要求，只要可以顯式表達(dá)即可，避免了導(dǎo)數(shù)等數(shù)學(xué)信息，使得優(yōu)化過程更加簡單，遍歷性更好，適合非線性問題的求解。

2.5模擬退火算法

模擬退火算法是一個全局最優(yōu)算法，以優(yōu)化問題的求解與物理系統(tǒng)退火過程的相似性為基礎(chǔ)，適當(dāng)?shù)目刂茰囟鹊南陆颠^程實現(xiàn)模擬退火，從而達(dá)到求解全局優(yōu)化問題的目的。模擬退火算法是一種通用的優(yōu)化算法，用以求解不同的非線性問題；對不可微甚至不連續(xù)的函數(shù)優(yōu)化，能以較大概率求得全局優(yōu)化解；并且能處理不同類型的優(yōu)化設(shè)計變量（離散的、連續(xù)的和混合型的）；不需要任何的輔助信息，對目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)沒有任何要求。

3機(jī)械設(shè)計優(yōu)化方法的選擇

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計問題的特點(diǎn)（如約束問題），選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法是非常關(guān)鍵的，因為同一個問題可以有多種方法，而有的方法可能會導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果不符合要求。選擇優(yōu)化方法有四個基本原則：效率要高、可靠性要高、采用成熟的計算程序、穩(wěn)定性要好。另外選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法還需要個人經(jīng)驗，深入分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)復(fù)雜性、準(zhǔn)確性等條件對它們進(jìn)行正確的選擇和建立。優(yōu)化設(shè)計的選擇取決于數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，通常認(rèn)為，對于目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計變量個數(shù)不太多的問題，采用懲罰函數(shù)法較好；對于只含線性約束的非線性規(guī)劃問題，最適應(yīng)采用梯度投影法；對于求導(dǎo)非常困難的問題應(yīng)選用直接解法；對于高度非線性的函數(shù)，則應(yīng)選用計算穩(wěn)定性較好的方法。

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計作為傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計理論基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計方法而出現(xiàn)的一種更科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計方法，可使機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到更高的水平。近年來，隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論的不斷發(fā)展和工作站計算能力的不斷挖掘，機(jī)械設(shè)計優(yōu)化方法和手段都有非常大的突破。且優(yōu)化設(shè)計思路不斷的開闊，仿生學(xué)理論、基因遺傳學(xué)理論和人工智能優(yōu)化等現(xiàn)代設(shè)計理論的引入，都大大促進(jìn)優(yōu)化設(shè)計方法的更新和完善。機(jī)械設(shè)計優(yōu)化給機(jī)械工程界帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益，隨著技術(shù)更新和產(chǎn)品競爭的加劇，優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展前景非常的廣闊。

參考文獻(xiàn)

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