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機械優(yōu)化設計概念

機械優(yōu)化設計是綜合性和實用性都很強的理論和技術，為機械設計提供了一種可靠高效的科學設計方法，使設計者由被動地分析、校核進入主動設計，能節(jié)約原材料，降低成本，縮短設計周期，提高設計效率和水平，提升企業(yè)競爭力、經(jīng)濟效益與社會效益。國內(nèi)外相關學者和科研人員對優(yōu)化設計理論方法及其應用研究十分重視，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)學規(guī)劃理論和計算機程序設計基礎上，通過有效的實驗數(shù)據(jù)和科學的評價體系來從眾多的設計方案中尋到盡可能完善的或最適宜的設計方案。該領域的研究和應用進展非常迅速，并且取得了可觀的經(jīng)濟效益。那就讓我們關注機械優(yōu)化設計中那些重要的量。

解決優(yōu)化設計問題的一般步驟

解決優(yōu)化設計問題的一般步驟如下：

機械設計問題――建立數(shù)學模型――選擇或設計算法――編碼調(diào)試――計算結(jié)果的分析整理

優(yōu)化設計中數(shù)學模型的建立

a設計變量

在最優(yōu)化設計過程中需要調(diào)整和優(yōu)選的參數(shù)，稱為設計變量。設計變量是最優(yōu)化設計要優(yōu)選的量。最優(yōu)化設計的任務，就是確定設計變量的最優(yōu)值以得到最優(yōu)設計方案。但是每一次設計對象不同，選取的設計變量也不同。它可以是幾何參數(shù)，如零件外形尺寸、截面尺寸、機構(gòu)的運動尺寸等；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出量，如應力、變形等?？傊?，設計變量必須是對該項設計性能指標優(yōu)劣有影響的參數(shù)。

b約束條件

設計空間是一切設計方案的集合，只要在設計空間確定一個點，就確定了一個設計方案。但是，實際上并不是任何一個設計方案都可行，因為設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)化設計中，這種對設計變量取值時限制條件，稱為約束條件，而約束條件是設計變量間或設計變量本身應該遵循的限制條件，而優(yōu)化設計問題大多數(shù)是約束的優(yōu)化問題。針對優(yōu)化設計數(shù)學模型要素的不同情況，可將優(yōu)化設計方法進行分類，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。等式約束對設計變量的約束嚴格，起著降低設計變量自由度的作用。優(yōu)化設計的過程就是在設計變量自由的允許范圍內(nèi)，找出一組優(yōu)化的設計變量值，使得目標函數(shù)達到最優(yōu)值。

c目標函數(shù)

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

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

優(yōu)化設計理論方法

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

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

a遺傳算法

遺傳算法起源于20世紀60年代對自然和人工自適應系統(tǒng)的研究，最早由美國密歇根大學Holland教授提出，是模擬生物化過程、高度并行、隨機、自適應的全局優(yōu)化概率搜索算法。它按照獲得最大效益的原則進行隨機搜索，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，具有很強的通用性、靈活性和全局性；缺點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，運行效率較低，局部尋優(yōu)能力較差。

b神經(jīng)網(wǎng)絡法

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

及很強的魯棒性，且局部損傷不影響整體結(jié)果。美國物理學家Hopfield最早發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡具有優(yōu)化能力，并根據(jù)系統(tǒng)動力學和統(tǒng)計學原理，將系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與最優(yōu)化態(tài)相對應，系統(tǒng)能量函數(shù)與優(yōu)化尋優(yōu)過程相對應，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。該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡強大的并行計算、近似分析和非線性建模能力，提高優(yōu)化計算的效率，其關鍵是神經(jīng)網(wǎng)絡的構(gòu)造，多用于求解組合優(yōu)化、約束優(yōu)化和復雜優(yōu)化。近些年，神經(jīng)網(wǎng)絡法有較大發(fā)展，Barker等將神經(jīng)網(wǎng)絡用于航空工程結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設計。

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，是近年被廣為關注和研究的一種隨機起始、平行搜索、有記憶的智能優(yōu)化算法。目前，粒子群算法已應用于目標函數(shù)優(yōu)化、動態(tài)環(huán)境優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡訓練等諸多領域，但用于機械優(yōu)化設計領域研究還很少。

d多目標優(yōu)化法

功能、強度和經(jīng)濟性等的優(yōu)化始終是機械設計的追求目標，實際工程機械優(yōu)化設計都屬于多目標優(yōu)化設計。多目標優(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把多目標優(yōu)化轉(zhuǎn)化成一個或一系列單目標優(yōu)化，將其優(yōu)化結(jié)果作為目標優(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。具體有主要目標法、統(tǒng)一目標法、目標分層法和功效系數(shù)法。

優(yōu)化設計方法的評價指標

根據(jù)優(yōu)化設計中所以解決問題的特點，選擇適當?shù)膬?yōu)化方案是非常關鍵的。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)不會因計算機字長截斷誤差迭代過程正常運行而中斷計算過程。

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

數(shù)，根據(jù)復雜性、準確性等條件結(jié)合個人的經(jīng)驗進行選擇。優(yōu)化設計的選擇取決于數(shù)學模型的特點，通常認為，對于目標函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設計變量個數(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，最適應采用梯度投影法；對于求導非常困難的問題應選用直接解法，例如復合形法；對于高度非線性的函數(shù)，則應選用計算穩(wěn)定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內(nèi)點懲罰函數(shù)相結(jié)合的方法。

結(jié)論

機械優(yōu)化設計作為傳統(tǒng)機械設計理論基礎上結(jié)合現(xiàn)代設計方法而出現(xiàn)的一種更科學的

優(yōu)化設計方法，可使機械產(chǎn)品的質(zhì)量達到更高的水平。近年來，隨著數(shù)學規(guī)劃理論的不斷發(fā)展和工作站計算能力的不斷挖掘，機械優(yōu)化設計方法和手段都有非常大的突破，且優(yōu)化設計思路不斷的開闊?？傊恳环N優(yōu)化設計方法都是針對某一類問題而產(chǎn)生的，都有各自的特點，都有各自的應用領域，機械優(yōu)化設計就是在給定的載荷和環(huán)境下，在對機械產(chǎn)品的性能、幾何尺寸關系或其它因素的限制范圍內(nèi)，選取設計變量，建立目標函數(shù)并使其獲得最優(yōu)值得一種新的設計方法，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到目標。當今的優(yōu)化正逐步的發(fā)展到多學科優(yōu)化設計，充分利用了先進計算機技術和科學的最新成果。所以機械優(yōu)化設計的研究必須與工程實踐、數(shù)學、力學理論、計算機緊密聯(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)化設計[M]. 河南：黃河水利出版社，2008.

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[關鍵詞]機械結(jié)構(gòu);優(yōu)化設計;趨勢

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

機械產(chǎn)品應用范圍相對較廣，為確保機械產(chǎn)品在我國日常生活及企業(yè)從生產(chǎn)中得到有效應用，實施優(yōu)化設計十分必要。目前我國已經(jīng)針對機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計進行了研究，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]。機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計可有效提高其產(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 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

隨著科學技術的發(fā)展進步，加快了機械產(chǎn)品更新的速度，以往在制造機械產(chǎn)品時主要采用大批量生產(chǎn)的方法進行，產(chǎn)品相對單一，目前在實施機械產(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)化設計可滿足上述目標，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。機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計目前已在船舶制造、交通工具、航空航天、冶金、紡織、建筑等多領域應用。

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

2 機械產(chǎn)品優(yōu)化設計應用分析

2.1 尺寸優(yōu)化設計

機械產(chǎn)品實施優(yōu)化設計過程中對尺寸數(shù)據(jù)有精準的要求。因此實施優(yōu)化設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，甚至加劇機械磨損導致產(chǎn)品報廢。因此機械產(chǎn)品零件越多及機械結(jié)構(gòu)復雜程度越高，對各零件精細度的要求也有所提高。開展機械產(chǎn)品尺寸優(yōu)化的前提條件機械產(chǎn)品拓撲關系及形狀不發(fā)生改變，通過計算機技術的應用對具體尺寸變化進行有效調(diào)整，可確保機械產(chǎn)品性能的增強。

2.2 形狀優(yōu)化

為確保機械產(chǎn)品性能的全面提升，在進行優(yōu)化設計時也可從機械產(chǎn)品形狀入手開展優(yōu)化。因多數(shù)大型機械設備自身結(jié)構(gòu)相對復雜，各部件形狀也具有多樣化，很難進行分析，為優(yōu)化設計進展帶來一定困難。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械零件開展的優(yōu)化設計以及王世軍針對機器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。

2.3 拓撲優(yōu)化

以往在實施機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中多側(cè)重于進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，未針對機械零件拓撲結(jié)構(gòu)實施優(yōu)化設計。隨著機械結(jié)構(gòu)設計意識的提高，優(yōu)化中心開始向拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向轉(zhuǎn)換。拓撲設計優(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)化設計主要是通過對多個關鍵點連接方式方面入手，改優(yōu)化前提是確保上述關鍵點位置的確定。連續(xù)拓撲優(yōu)化設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

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

2.5 多學科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

開展機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中需應用多科學角度入手，單獨使用某科學角度無法得出理想優(yōu)化結(jié)果，應從多學科角度進行，確保優(yōu)化設計的多學科化、總體化及系統(tǒng)化，確保優(yōu)化設計程度符合實際需求或超出預期目標。

3 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計趨勢

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

4 小結(jié)

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

參考文獻

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作者簡介：

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【關鍵詞】 機械 優(yōu)化設計 理論 方法

1 機械優(yōu)化設計理論概述

1.1 機械優(yōu)化設計的概念

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

1.2 機械優(yōu)化設計研究的內(nèi)容

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

2 機械優(yōu)化設計的一般思路與常見方法

2.1 機械優(yōu)化設計的一般思路

2.1.1 分析問題，建立優(yōu)化設計數(shù)學模型

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

2.1.2 選擇優(yōu)化設計方法，編寫程序

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

2.1.3 分析結(jié)果，找到最優(yōu)方案

準備必須的初始化數(shù)據(jù)，通過計算機數(shù)值計算，對比計算結(jié)果，在眾多的設計方案中選擇最完善或者最適宜的設計方案，使其期望的經(jīng)濟指標達到最高。

2.2 機械優(yōu)化設計中的常見方法

2.2.1 傳統(tǒng)優(yōu)化設計理論方法

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

2.2.2 現(xiàn)代優(yōu)化設計理論方法

現(xiàn)代優(yōu)化設計方法不同于傳統(tǒng)優(yōu)化方法，其無需通過選取設計變量、約束條件、目標函數(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)化設計方法花費的人力與財力，在日今復雜的工程問題中，提出了全新的思路與方法。常見的現(xiàn)代優(yōu)化設計方法有遺傳方法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、模擬退火法、粒子群算法等。

3 機械優(yōu)化設計的現(xiàn)狀與前景

機械優(yōu)化設計是最優(yōu)化理論、電子計算機技術和機械工程相結(jié)合的一門學科，包括機械優(yōu)化設計、機械零部件優(yōu)化設計、機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀優(yōu)化設計等。二十世紀五十年代以前，用于解決最優(yōu)問題的數(shù)學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)劃技術的提出，數(shù)學方法首次被運用到結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，使得計算過程不再復雜，有效的解決了數(shù)值最優(yōu)化計算。近年來，隨著數(shù)學規(guī)劃理論與計算機技術的飛速發(fā)展及廣泛應用，許多新興優(yōu)化算法，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡法等相繼被提出，機械優(yōu)化設計廣泛地被應用到建筑結(jié)構(gòu)、化工、航天航空等諸多領域并取得飛速發(fā)展。機械優(yōu)化設計具有廣闊的發(fā)展前景。

機械優(yōu)化設計給機械工程界帶來的巨大經(jīng)濟效益是顯而易見的，但其工程效應比起預期遠遠小得多。歸結(jié)其原因，主要有以下兩點：（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，但是機械優(yōu)化設計的發(fā)現(xiàn)前景仍是非常廣大的，且各領域也在積極做出相關的研究探索，并已取得一定的成就。

4 結(jié)語

機械優(yōu)化設計即是指從眾多設計方案中需找最優(yōu)方案的過程，一般包括建立數(shù)學模型、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，機械優(yōu)化設計的方法有很多，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)在各技術領域的發(fā)展以及工程問題對優(yōu)化設計的需求，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)絡法等?？v觀幾十年來機械優(yōu)化設計的發(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。研究機械優(yōu)化設計的理論與方法無論是學術領域還是實際經(jīng)濟效益方面都具有研究意義。

參考文獻：

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篇4

關鍵詞：三維建模；車床刀架轉(zhuǎn)盤；機械加工；設計；優(yōu)化

隨著我國科學技術的不斷進步，我國在機械制造行業(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計構(gòu)成的體系非常復雜，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。加工車床刀架轉(zhuǎn)盤的設備主要是車床，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，操作的工需反復的查閱相關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)盤的工序進行優(yōu)化設計的工作就很有必要，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1對于車床刀架轉(zhuǎn)盤零件進行三維建模

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)字化工藝的設計是通過以車床刀架轉(zhuǎn)盤的模型為載體，在進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上進行定義，用來控制以及實現(xiàn)可視化表達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系進行組織的控制過程。通過對車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的圖紙進行分析，運用相關的轉(zhuǎn)盤三維模型進行具體的繪制工作。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，進入草圖的環(huán)境進行相關的繪制工作，在進行回轉(zhuǎn)命令，進行對回轉(zhuǎn)特征的創(chuàng)建工作，再進行相似的方法繪制其他的零件草圖，然后進行零件相關的拉伸特征的設置，除了這些之外還要注意對車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的細節(jié)特征創(chuàng)建。

2對于車床刀架轉(zhuǎn)盤的機械加工工藝規(guī)程的設計

2.1對車床刀架轉(zhuǎn)盤加工的要求進行分析

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

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)盤的有關尺寸進行標注，注意對相關的形狀精度以及位置精度進行詳細的標注，而且要保證標注的統(tǒng)一性以及完整性，確保轉(zhuǎn)盤零件符合國家的相關標準規(guī)定，通過對轉(zhuǎn)盤零件的各項技術要求的可行性進行確定，保證了轉(zhuǎn)盤零件設計的合理性，從而為轉(zhuǎn)盤零件的組織生產(chǎn)以及機械加工工藝技術做好充分的準備工作。

2.3對轉(zhuǎn)盤零件生產(chǎn)類型的分析

根據(jù)相關的公式以及企業(yè)的生產(chǎn)條件進行確定車床刀架轉(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)盤零件機械加工的工藝流程

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

2.5確定相關的設計設備

通過對車床刀架轉(zhuǎn)盤的機械加工工藝的方案以及各種方面加工的方法進行分析，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，進行對加工機床的選擇，以及對各種刀具和量具以及夾具的選擇。

2.6制定零件機械加工工藝的規(guī)程

通過對上文的論述結(jié)果的分析，進行車床刀架轉(zhuǎn)盤的機械加工工藝各項要求的制定，制定的車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的機械加工工藝的規(guī)程是企業(yè)組織車床刀架轉(zhuǎn)盤進行生產(chǎn)工作的標準，是整個車床刀架轉(zhuǎn)盤機械加工工藝規(guī)程優(yōu)化設計工作的重要環(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)盤的機械加工工藝規(guī)程的優(yōu)化設計過程中，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)盤零件的機械加工工藝進行優(yōu)化設計，制定好相關的零件機械加工工藝規(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)技術學院

參考文獻：

篇5

關鍵詞：機械設計；優(yōu)化設計；機械優(yōu)化設計；優(yōu)化方法

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

1 機械設計中優(yōu)化設計的重要性

所謂的優(yōu)化設計，其實不僅僅存在于機械設計領域，而是存在于各種學科和應用中。優(yōu)化設計的本質(zhì)就是透過多種科學手段和研究步驟，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。之于機械設計，優(yōu)化設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)化設計可以保證機械設計的工藝與質(zhì)量

在機械設計的過程中，設計師不僅要考慮設計流程、設計時間和成本、功效等問題，更重要的是必須考慮設計產(chǎn)品的工藝水準和實用價值，也可以理解為設計產(chǎn)品的質(zhì)量。要知道，機械產(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)劣關系重大，絕對不能兒戲視之。簡言之，機械設計的質(zhì)量是第一位，倘若失去了優(yōu)質(zhì)的保證，那么這樣的機械設計毫無價值。所以，找到更好的設計路徑和策略，維持設計的質(zhì)量和工藝，就成為了整個機械設計的關鍵。這里，優(yōu)化設計雖然也不能從設計流程和細節(jié)上保證機械設計的質(zhì)量高低，但是優(yōu)化設計最起碼可以提供多種設計方案和選擇，為設計師的路線選擇提供了豐富的內(nèi)容。在現(xiàn)實操作中，設計者往往利用數(shù)學函數(shù)及相關模型對各種設計方案進行綜合評估，做出最佳的選擇。諸多設計方案中的最佳方案，往往具備這樣幾個特點。首先，該方案應該是效率最快的，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)設計的規(guī)劃。

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

1.2優(yōu)化設計可以最大限度的節(jié)約設計開支和成本

機械設計是一項繁瑣、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，在維系長時間設計流程的同時，必須做好高額開支和成本支出的準備。事實證明，機械設計的成本開支往往令主管單位“不堪重負”。誠然，隨著機械設計技術的進步以及管理流程的簡化，新時期的機械設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，運用優(yōu)化設計的方法對機械設計的成本開支進行削減，完全要基于保障設計質(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。

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

1.3優(yōu)化設計可以提高機械產(chǎn)品的科技附加值

機械設計的產(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)生關聯(lián)。同時，優(yōu)化設計方法在機械設計中的應用，能夠增加機械產(chǎn)品的科技含量和技術附加值，大大提高產(chǎn)品的市場競爭力，這對機械設計企業(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，機械設計的產(chǎn)業(yè)化正在形成，即機械設計可以作為一個單獨的工程鏈條存在。如果我們把機械設計的產(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，所有的機械設計企業(yè)都在努力的追求“這樣的機械產(chǎn)品”，而這樣的產(chǎn)品往往需要透過優(yōu)化設計來實現(xiàn)。

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

2 機械設計中優(yōu)化設計的實現(xiàn)路徑

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

首先，機械設計的一維搜索優(yōu)化方法，這種方法也是當前機械設計優(yōu)化方法的最典型代表，以數(shù)學函數(shù)為理論基礎，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，也是多維機械設計的基礎方法。眾所周知，機械設計大都是多維的，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。就好比數(shù)學中的從0到9的10個數(shù)字，它們構(gòu)筑了數(shù)學的基礎，成為數(shù)學的理論“細胞”。所以，一維搜索方法在機械設計的應用，往往直接影響優(yōu)化設計問題的求解速度。其次，機械優(yōu)化設計會用到約束優(yōu)化方法和無約束優(yōu)化方法。在機械優(yōu)化設計中，經(jīng)常使用的是約束優(yōu)化的方法。

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

參考文獻：

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篇6

關鍵詞：人因工程，采煤機械，優(yōu)化

【分類號】TD421.6

1.引言

隨著社會的不斷進步，經(jīng)濟全球化不可逆轉(zhuǎn)，相應的采礦技術也在不斷向前進步，機械化作業(yè)在煤礦企業(yè)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都得到了廣泛的運用。如今的煤礦企業(yè)正朝著自動化、智能化方向邁進。機械化采煤機械的普及，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，機械設備同時面臨著超負荷作業(yè)狀態(tài)。運用人因工程學對采煤設備進行優(yōu)化設計，必須借助于心理學、生理學等多項科研理論，全面均衡，最后設計出人性化的采煤機械。這不僅可以提升煤礦生產(chǎn)的效率，同時使采煤機械的操作環(huán)境更加安全、穩(wěn)定。

2.現(xiàn)有采煤機械設備存在的問題

2.1 操作者作業(yè)強度繁重

在人-機-環(huán)境這個生產(chǎn)系統(tǒng)中，人是人因工程學研究的核心目標。隨著采煤設備形態(tài)的日趨多樣化，機械的功率和運行速度也在不斷的提高，操作者的工作強度越來越繁重而復雜，僅憑現(xiàn)在的采煤設備已經(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，這就突出了運用人因工程學對采煤機械進行優(yōu)化設計的重要性。

2.2采煤機械的使用條件惡劣

在采煤機械超負荷運行時，同時要保證采煤設備的作業(yè)安全性，這必定會增加作業(yè)工人生理和心理上的負擔。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，導致一些職業(yè)病。在各種不同的環(huán)境條件下，采運設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. 人因工程指導采煤機械優(yōu)化設計的流程

3.1 選定功能

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

3.2 系統(tǒng)分配

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

3.3 設置參數(shù)

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

4. 采煤機械設計的評價方法

人因工程學是研究人、機、環(huán)境三者組成的系統(tǒng)之間相互配合的學科。它通過統(tǒng)籌系統(tǒng)諸要素之間的相互關系，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指導設計的采煤機械是否符合宜人、安全、高效的設計原則呢？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；

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

（3）機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。

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

當然，對于一名設計師來說，他所設計的產(chǎn)品還要符合人們的審美需要。他對美的理解和感悟應是相當深刻的，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。視覺設計體現(xiàn)在采煤設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。聽覺設計主要是指聲音，設計不當?shù)脑O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。觸覺設計主要包括機械材料的應用、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械提出了要求，這不僅包括設備在外觀上能令人賞心悅目，更能適應人生理和心理的要求，給作業(yè)人員帶來歸屬感。

5.結(jié)語

隨著采煤設備機械化程度的提高， 井下作業(yè)環(huán)境也日趨復雜， 對作業(yè)者操縱控制設備的能力提出了挑戰(zhàn)。 同時，許多采煤設備在研制時沒有全面考慮操作人員的人體因素，使設備的功能不能完全發(fā)揮出來。因此，有必要用人因工程學的理論來研究采煤機械的設計與優(yōu)化。從人因工程學角度出發(fā)， 對煤礦企業(yè)機電設備進行合理的改進設計， 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

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篇7

（河北龍人凱立建筑工程有限公司河北邯鄲056000）

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

關鍵詞 變速箱；開關；優(yōu)化設計

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通常為機械式壓力開關，該類開關作用原理為在額定的外力作用下通過開關頂桿的直線運動，推動開關觸點實現(xiàn)開關的閉合或斷開，使汽車電路接通和斷開，從而實現(xiàn)信號的輸出。在外力解除時開關通過內(nèi)部彈簧的彈力作用實現(xiàn)自動復位，使開關保持原有的狀態(tài)。開關的基本結(jié)構(gòu)見圖1 。

2. 開關的工作原理

接通右端的兩接線柱，左端開關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)接線片向右運動，兩觸點與靜態(tài)接線片斷開，開關由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)；當外力消失時，在壓縮彈簧回彈力的作用下，動態(tài)接線片與頂桿斷開，開關由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)。

3. 開關的失效分析

從市場反饋的信息可知，開關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)失效模式可知導致此失效現(xiàn)象發(fā)生的原因有觸點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)化設計來提高開關的使用壽命。

4. 開關的優(yōu)化設計

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

4.1開關焊接觸點開裂導致的失效。 開關的接線柱如果焊接不可靠可直接導致工作失效或者信號不穩(wěn)定。早期使用的開關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)化設計后將開關接線柱由原厚度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分別為改進前后的接線柱。

4.2開關封裝鉚壓不緊導致的失效。 開關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)開關在使用過程中出現(xiàn)內(nèi)部松動，從而導致開關行程增大失效。針對此情況對開關的封裝結(jié)果進行了優(yōu)化設計從而提高封裝的可靠性。將開關頭部鉚接位置直徑減小4mm，然后進行折邊鉚壓。折邊鉚壓后的開關在填膠封裝時不僅在膠的黏合力作用下可以保證開關內(nèi)部不松動，同時折邊后可以對凝固后的膠起到限位作用。在雙重保護的作用下可以保證封裝鉚壓可靠，優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)見圖4。

4.3開關行程超差失效。 開關內(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致開關頂桿的行程，開關行程超差會導致開關靈敏度下降從而影響開關的性能。針對此情況對開關的橡膠密封墊的材料進行了優(yōu)化設計，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)過以上對開關的結(jié)構(gòu)、加工工藝以及部件材料的優(yōu)化設計提高了開關的可靠性，延長了開關的使用壽命。改進后的開關已經(jīng)在變速箱進行了匹配。通過市場跟蹤分析，優(yōu)化后的開關故障率下降40％以上，滿足了客戶的使用要求。

參考文獻

篇8

關鍵詞 汽車機械式變速器；傳動機構(gòu)；可靠性優(yōu)化設計

中圖分類號U463 文獻標識碼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)燃機作為動力裝置以來，變速器成為了汽車傳動機構(gòu)最重要的組成部分。變速器不僅能改變汽車的傳動比，擴大車輪距和轉(zhuǎn)速的范圍，還可以使發(fā)動機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，且得到了廣泛的應用，但是其也具有體積大、換擋沖擊大等劣勢，如何改善機械式變速器的結(jié)構(gòu)與使用性能，提高其傳動的可靠性，成為了汽車設計人員和技術人員共同關注的熱點。

1汽車機械式變速器變速傳動機構(gòu)可靠性優(yōu)化設計模型

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，變速器的可靠性設計，不僅要實現(xiàn)換擋傳動的作用，還應該確保汽車行駛過程中的穩(wěn)定安全性?；谄嚈C械式變速器，對變換器零件的尺寸、材料以及載荷等進行分析，通過多次試驗確定優(yōu)化設計的結(jié)果。

1.1可靠度的分配

為了確保汽車傳動結(jié)構(gòu)中機械式變速器變速的可靠性，需要對其可靠度進行分配，往往分配工作需要在技術水平、復雜程度、費用情況以及工作環(huán)境等因素的深入考慮下進行。首先需要假設零部件故障是相對獨立的，其壽命服從指數(shù)分布，其次是把機械式變速器變速傳動機構(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）和軸疲勞強度（Rs強），變速齒輪可靠度分解為齒輪接觸疲勞強度（Rc接）和齒輪彎曲疲勞強度（Rc彎），花鍵可靠度分解為疲勞強度（Rj強），那么機械式變速器變速傳動機構(gòu)可靠度分配模型為：Rs=Rs剛*Rs強*Rc接*Rc彎*Rj強。

1.2 變速器齒輪系多目標可靠性優(yōu)化設計數(shù)學模型

1）建立目標函數(shù)

變速器齒輪系多目標可靠性優(yōu)化設計數(shù)學模型往往是以變速器體積最大和齒輪傳動復合度最大化為目標函數(shù)，當然此目標函數(shù)的確定是變速器滿足汽車動力安全性和穩(wěn)定性基礎上進行的。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）選取設計變量

汽車機械式變速器齒輪系統(tǒng)設計涉及到多個參數(shù)，本文只選取5個參數(shù)作為優(yōu)化設計中的設計變量，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計

汽車機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)比較復雜，在對其可靠性進行優(yōu)化設計必須滿足軸強度的可靠性，盡量節(jié)省設計制造材料。為了更大程度提高軸承、花鍵的工作性能，應該盡量減少軸徑。在汽車變速器的軸系統(tǒng)中，往往第二軸的結(jié)構(gòu)最為復雜，工況最為惡劣。

1）動力輸出軸剛度可靠性設計

變速器動力輸出軸剛度可靠性設計通過由軸扭轉(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。同時可以假設三者都是服從正態(tài)分布的隨機變量。

2）動力輸出軸靜強度可靠性設計

變速器軸的結(jié)構(gòu)相對比較復雜，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度分布和應力分布往往呈現(xiàn)正態(tài)分布，那么動力輸出軸靜強度可靠性設計應該首先畫出軸的結(jié)構(gòu)示意簡圖，然后對軸的各部位進行受力分析，即各齒輪受力分析，得出相應的受力和力矩，繪制彎矩、轉(zhuǎn)矩圖，確定軸在危險截面的強度分布情況，按照規(guī)定的可靠度計算出軸徑。

3 基于MATLAB多目標可靠性優(yōu)化設計

3.1 MATLAB工具箱

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

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)必須符合國際標準值，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，即齒輪彎曲強度不足、接觸強度不夠等，可以通過齒輪變位進行處理。

3.3 程序調(diào)試的優(yōu)化

對程序進行調(diào)試的過程為：通常對約束條件、變量以及目標函數(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度。

4 結(jié)論

變速器作為汽車最關鍵的零件之一，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，必須對機械式變速器變速傳動機構(gòu)的可靠性進行研究，構(gòu)建相關的優(yōu)化數(shù)學模型，利用MATLAB優(yōu)化工具對結(jié)果進行優(yōu)化，從而提高汽車機械式變速器可靠性設計應用水平，促進我國汽車市場更好更快的發(fā)展。

參考文獻

[1]蔣春明，阮米慶. 汽車機械式變速器多目標可靠性優(yōu)化設計[J].汽車工程，2007，12：1090-1093.

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

篇9

關健詞：科技創(chuàng)新訓練；智能小車；Proe建模；教學效果

一、科技創(chuàng)新訓練選修課目前教學方法存在的問題

1.傳統(tǒng)的教學方法影響課堂教學效果

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

以前的教學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行演示，也不能隨意進行反轉(zhuǎn)、拆卸、讓學生觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝配關系，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，直接影響教學效果。

2.學生的學習興趣不高

科技創(chuàng)新智能小車設計與制作機械知識內(nèi)容較多，而大二的學生剛接觸機械專業(yè)知識，有的經(jīng)過了金工實習訓練，有的還沒有經(jīng)過這一過程，因此，對于這些學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構(gòu)都很陌生，訓練中學生對部分較難的內(nèi)容不能很好理解，難以掌握。對于大一的學生來說，就更是難上加難了，學生們對這些機構(gòu)、零件有些連聽說都沒有聽說過。因而有的學生學習積極性受到挫傷，感覺到很難完成，有的甚至放棄。

二、proe輔助教學的重要性

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

這種教學方法具有很大的優(yōu)點。首先，教師在proe環(huán)境中可以隨意裝拆、放大，有利于加深學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軟件能進行機構(gòu)仿真，可以把各種復雜的機構(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生，克服了采用PPT教學中平面圖形的不足，從而使學生建立起良好的感性認識。

其次，proe設計過程可以實現(xiàn)真正的相關比，任何修改都會自動反映到所有的相關對象；比如在講四連桿機構(gòu)時，利用模型仿真不僅可以驗證所設計的機構(gòu)是否滿足要求，同時還可以改變相應的參數(shù)改變不同長度的連桿進行裝配，來觀察克服搖桿死點問題，讓學生參與設計并對設計結(jié)果進行現(xiàn)場演示加以驗證，改變了以往單純的教學方式，在課堂上真正實現(xiàn)教學的互動，既激發(fā)了學生的學習興趣又加深了印象?；趐roe軟件的輔助教學，通過模擬、仿真、動畫技術的應用，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，還能增強學生對抽象事物的理解，拓寬學生的知識面，同時也使教學過程更為生動，課堂氣氛活躍，從而提高學生的學習興趣。

三、教學實踐經(jīng)驗與啟示

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

1.教學方法與手段改革是提高教學質(zhì)量的關鍵，通過現(xiàn)代化技術手段的應用，可以提高課堂的信息量和教學效率，應用Proe軟件進行機構(gòu)虛擬裝配和運動仿真演示，提高了教學的直觀性，有利于在教學中采用啟發(fā)式教學發(fā)揮學生在教學中的主體作用，智能小車成品完成率較高。

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

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

四、結(jié)論

通過分析科技創(chuàng)新訓練課程傳統(tǒng)教學方法的不足，并結(jié)合科技創(chuàng)新訓練課程的特點，在教學中應用Proe軟件進行機構(gòu)仿真輔助教學，教學實踐證明，該教學方法、教學手段改革的舉措，可以激發(fā)學生的觀察力和想象力，提高學生學習的趣味性；減輕了教師教學工作強度，提高了教學效率，保證了教學質(zhì)量，達到了教學預期的效果。

【參考文獻】

篇10

關鍵詞 優(yōu)化方法 特點 選擇

中圖分類號：THl65.3 文獻標識碼：A

1機械設計優(yōu)化方法的介紹

優(yōu)化方法是隨著計算機的應用而迅速發(fā)展起來，較早應用于機械工程等領域的設計。采用優(yōu)化方法，既可以使方案在規(guī)定的設計要求下達到某些優(yōu)化的結(jié)果，又不必耗費過多的計算工作量，因而得到廣泛的重視，其應用也越來越廣。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)展起來的計算機輔助設計，在引入優(yōu)化設計方法后，使得在設計工程中既能夠不斷選擇設計參數(shù)并評選出最優(yōu)設計方案，又可加快設計速度，縮短設計周期。在科學技術發(fā)展要求機械產(chǎn)品日益更新的今天，把優(yōu)化設計方法與計算機輔助設計結(jié)合起來，使設計工程完全自動化，已成為設計方法的一個重要發(fā)展趨勢。

2機械設計優(yōu)化方法的分類及特點

2.1無約束優(yōu)化設計法

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

2.2約束優(yōu)化設計法

優(yōu)化設計問題大多數(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合形法、約束坐標輪換法和網(wǎng)絡法等。其內(nèi)涵是構(gòu)造一個迭代過程，使每次的迭代點都在可行域中，同時逐步降低目標函數(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化的規(guī)律，對一個隨機產(chǎn)生的群體進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，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械工程領域也開展了多方面的應用，主要表現(xiàn)在：機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計；可靠性分析；故障診斷；參數(shù)辨識；機械方案設計。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化算法。蟻群算法對系統(tǒng)優(yōu)化問題的數(shù)學模型沒有很高的要求，只要可以顯式表達即可，避免了導數(shù)等數(shù)學信息，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，適當?shù)目刂茰囟鹊南陆颠^程實現(xiàn)模擬退火，從而達到求解全局優(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，對目標函數(shù)和約束函數(shù)沒有任何要求。

3機械設計優(yōu)化方法的選擇

根據(jù)優(yōu)化設計問題的特點（如約束問題），選擇適當?shù)膬?yōu)化方法是非常關鍵的，因為同一個問題可以有多種方法，而有的方法可能會導致優(yōu)化設計的結(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?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)及目標函數(shù)，根據(jù)復雜性、準確性等條件對它們進行正確的選擇和建立。優(yōu)化設計的選擇取決于數(shù)學模型的特點，通常認為，對于目標函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設計變量個數(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，最適應采用梯度投影法；對于求導非常困難的問題應選用直接解法；對于高度非線性的函數(shù)，則應選用計算穩(wěn)定性較好的方法。

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

參考文獻

[1] 孫靖民.現(xiàn)代機械設計方法[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2011.