機械優化設計大全11篇

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中圖分類號:TH122 文獻標識碼:B 文章編號:1009-9166(2009)020(c)-0098-01

優化設計是指在據產品的設計要求,合理確定各參數,使產品取得較高的經濟效益和較好的使用性能。優化設計一般步驟為:

(一)建立優化設計的數學模型;

(二)求出最優設計參數。

優化設計模型是設計問題的數學形式,是反映設計問題各主要因素之間內在聯系的一種數學關系。本文主要討論三種優化設計模型:“成本――公差”模型、“質量――公差”模型、“質量――公差――成本”模型的建立過程及其用適用范圍。

一、優化設計模型

(一)成本――公差模型

產品加工成本在機械產品的總成本中占有重要地位,影響加工成本的因素眾多,其中零件公差起著重要的作用。一般來說在產品設計時零件公差等級越高就越能保證產品設計要求,但這必然導致產品加工成本提高。“公差―成本”模型是公差優化設計的基礎,是建立機械產品優化設計目標函數的依據。但是由于影響產品加工成本的因素很多,因此難以確定一個通用的“成本―公差”關系式。較為常見的模型:

⑴

式中:ci――第i個零件的加工成本; ai――與公差無關的成本常數;

bi――與公差有關的成本系數; ti――第i個零件的公差。

通過選取多個統計樣本,對統計樣本數據進行回歸分析,便可得成本-公差模型參數值如下:

⑵

⑶

(二)質量――公差模型

機械產品的質量在很大程度上是與產品的工作精度等輸出性能指標聯系在一起的。在一般情況下,產品的輸出特性參數都是構成產品的零部件參數的映射。因此,產品的輸出特性都可用其零部件參數按照一定得數學關系來描述。同樣的道理,產品精度與零件公差之間也可以建立起相應的數學表達式:

T=F(t1,t2,……,t3) ⑷

式中:T――產品輸出特性(T)的公差。

為了將產品設計精度T按一定的規則分配給相關零件公差,且使得產品制造成本最少,先確定產品輸出特性誤差的傳遞途徑,再引入統計公差模型:

⑸

式中:ξi――第i個公差傳遞系數; Ki――第i個公差相對分布系數;

K――輸出特性公差相對分布系數,零件尺寸成正態分布時取1。

由式⑴可知產品總制造費用,用C表示:

⑹

聯合⑸、⑹兩式,以總成本ΣT最小為公差分配判據,可求得各零件公差計算通式:

⑺

(三)質量――公差――成本模型

田口玄一博士認為:“質量損失是指產品出廠后給社會帶來的損失”,質量損失給社會帶來的損失的后果,首先反映在用戶購買該產品的意愿上,并且直接影響到該產品的市場占有率,最終也要給產品制造企業帶來經濟損失。田口玄一博士提出的質量損失函數,描述了產品輸出特性與質量損失之間的定量關系:產品輸出特性值偏離目標值越大,損失越大,即質量越差,反之,質量就越好。質量損失函數如下:

L(T)=N(T-M)2 ⑻

式中:M――產品輸出特性的目標值; N――質量損失系數。

由于產品輸出特性公差T=|T-M|,故有:

L(T)=N(T)2 ⑼

根據田口玄一質量理論,產品總損失為產品成本與產品質量損失的總和,用L表示,則

L=L(T)+C ⑽

將⑺帶入⑹式,得到:

⑾

由⑵、⑶、⑹、⑾四式可得“質量―公差―成本”優化模型:

⑿

二、結論與推廣

本文探討了優化設計的重要內容:優化模型的建立。介紹了三種常見的機械產品優化設計的模型:“成本――公差模型”、“質量――公差模型”,“質量――公差―成本”。“成本――公差模型”常用于零件優化設計,常用于優化單個零件的成本和公差。“質量―公差模型”常用于產品優化設計,用于優化產品組成零件的公差優化問題。“質量―公差―成本模型”常用于產品可靠性設計和成本控制,使產品的制造成本、經濟效益和合格率達到預期指標。

作者單位:重慶大學機械工程學院

參考文獻:

[1]韓之俊.三次設計[M].北京,機械工業出版社,1992

[2]孫國正.優化設計及應用[M].北京,人民交通出版社,2000

[3]林秀雄.田口方法實戰技術[M].廣東,海天出版社,2008

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一、結構優化的層次與分類

不同的結構優化的方法是在研究對象、目標函數、約束對象、變量和尋優策略的不同要求上派生出來的日。由優化目標的深淺將結構優化劃分為三個不同層次:尺寸優化、形狀優化、拓撲優化、布局優化和結構選型優化。以上各層次按順序難度依次增加,收益依次增大。

(一)尺寸優化

在保持組件原有的結構形狀與拓撲結構不變的情況下,通過對設計變量的分析重組,尋求最佳的性能組合關系的優化方法。

(二)形狀優化

形狀的優化設計是指在設計域內的拓撲關系保持不變的情況下求得結構的邊界,使得這些邊界構成的結構組件達到理想的幾何形狀,并實現某種性能的最佳表現。

(三)拓撲優化

結構拓撲優化包括了連續結構和離散結構的拓撲優化。連續體結構拓撲優化,包括孔洞個數及形狀分布的優化,以及結構的邊界形狀的優化:離散結構的拓撲優化,就是在給定節點位置情況下,確定各節點的最佳聯結關系Ⅲ。

二、產品生命周期的設計制造環節

產品生命周期(Product Ljfecycle,PLC)的概念源于生產管理領域的產品的市場戰略。經過半個多世紀的發展,產品生命周期的概念和內涵也在不斷發展變化H。并行工程概念提出促使產品生命周期的概念逐漸從經濟管理領域擴展到了工程制造領域,將產品命周期的范圍從市場階段擴展到了研制階段,覆蓋了包括需求分析、產品設計、原料采購、制造裝配以及銷售維護階段。20世紀90年代以來,全球機械產品市場進入了大規模定制與個性化需求并舉的時代。在這種情況下,規模化的生產能力與機械產品的可靠性固然重要,而能否根據潛在客戶需求做出快速響應,已經成為未來裝備制造企業在激烈競爭中取勝的關鍵。這里我們將規模化機械產品的設計與生產過程加以分離,重點研究在結構優化的基礎上尋求創新產品的設計的思路,以期快速響應客戶需求。

三、基于結構優化的產品創新設計方法

產品的創新設計方法是指設計人員根據創造性思維的發展規律,在優化產品結構的基礎上總結的一系列的原理、技巧以及方法。這些方法或技巧,可以在各種創造、創新過程中得到借鑒,同時提高人們的創造、創新思維的能力和促進產品設計創新成果的實現效率。產品設計創新的方法對創新有十分重要的作用,它既能產生直接的創新成果提高創新概念到產品實現的效率,同時也可啟發設計人員的創新思維,提高創新的能力。機械產品的市場需求是進行產品設計創新的基礎,要把產品需求轉化為產品的創新設計成果,必須經過在原有的外形、尺寸及拓撲結構的基礎上通過創新設計方法來實現產品的創新功能。機械產品的設計創新分為兩個層次:一是運用工業設計的技術以及方法,以產品需求為基礎,開發出全新的產品,成為原創型設計創新:二是運用現代工業的設計方法對原有產品進行外觀以及內部結構的優化與改進,實現局部改進創新,稱為次生型設計創新。實際上,人類數百年的工業發展史中,開創性的原創型設計創新產品所占的比例微乎其微,大量實用性高的創新產品都是次生型設計創新的產物。同時,由于無需進行原創型設計創新所需要進行的大量原型設計,因而能夠有效提高機械產品的設計效率,減少設計環節所占用的時間。本文所介紹的基于結構優化的產品創新設計方法屬于次生型設計創新的范疇。

四、機械產品的次生型優化創新方法

針對機械產品的次生型優化設計創新是指以在原有產品設計的結構基礎上,在保留原有產品設計的核心功能與產品優點的同時,對該產品外形、拓撲結構等進行優化和再設計,使得新產品具備原有產品所不具備的 新功能和特征。產品的次生型優化設計創新是建立在產品的結構優化層次分類基礎上的創新活動,機械結構的布局包括尺寸、形狀、拓撲三個方面的信息,而尺寸優化、形狀優化和拓撲優化體現了結構優化中三個不同層次的問題月。針對機械產品尺寸、形狀、拓撲結構的優化創新設計,以產品基本架構組成零件之間的裝配關 系為前提,結構優化的關注點是有待改進或者進一步開發的結構要素。通常,這些結構要素在設計之初并不明確,隱藏在復雜的形狀、色彩以及結構形態之中,只有通過對多變的市場需求、多方面的用戶期望以及現有同類產品的優缺點進行深入分析,才能找出最具創新價值的結構優化要素。成功地選擇結構優化關注要素,為機械產品的創新思考確定清晰的方向。對機械產品的創新問題包含了優化問題的三個要素,即設計變量、目標函數以及約束條件,機械產品的次生型優化創新方法是TRJz。

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機械設計是設計人員根據用戶的使用要求對專用機械的工作原理、結構、運動方式、力學和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、方法等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。優化設計需要綜合地考慮許多要求：最好的工作性能、低廉的制造成本、最小的外形尺寸和重量、使用中最穩定可靠、最少的能耗和最低的環境污染等。往往這些要求互相間是矛盾的，這就需要設計人員根據具體情況權衡輕重，統籌兼顧，使設計的機械具有最優異的綜合技術經濟效果。

作為一部完整的機器，它是一個復雜的系統。要提高設計質量，必須有一個科學的設計程序。機械設計經歷過手工繪圖——計算機二維繪圖（AutoCAD軟件等）——計算機三維繪圖（CATIA軟件等）等幾個階段。

機械設計本身是繁鎖的工作過程，手工繪圖需要具一相當的工作經驗及空間思維能力，除了必須熟悉和遵守制圖標準、正確使用繪圖工具、掌握幾何作圖的方法外，還要有比較合理的繪圖工作順序。隨著計算機技術的發展，計算機在機械設計中得到了日益廣泛的使用。運用計算機輔助設計不僅可以減少設計勞動量、提高設計速度和設計質量。且采用CATIA繪圖則更加利于設計的更改存檔為了保證繪圖質量，提高繪圖速度。

CATIA能夠重用產品設計知識，縮短開發周期，解決機械設計方案加快企業對市場需求的反應。在設計時，設計人員不必考慮如何參數化設計目標，充分利用CATIA提供的變量驅動及后參數化能力實現變量和參數化混合建模。也可以利用CATIA實現幾何和智能工程混合建模以便將多年的經驗積累到CATIA的知識庫中，用于指導新產品新型號產品的開發，加速新型號推向市場的時間。CATIA具有在整個產品周期內的方便的修改能力，尤其是后期修改性。在設計過程中交互式捕捉設計意圖，定義產品的性能和變化。隱式的經驗知識變成了顯式的專用知識，提高設計的自動化程度，降低設計錯誤的風險。CATIA提供了智能化的樹結構，設計人員可方便快捷的對產品進行重復修改，即使是在設計的最后階段需要做重大的修改，或者是對原有方案的更新換代，對于CATIA來說，都是非常容易的事。

CATIA覆蓋了產品開發的整個過程，提供了完備的設計能力：從產品的概念設計到最終產品的形成，以其精確可靠的解決方案提供了完整的2D、3D、參數化混合建模及數據管理手段，從單個零件的設計到最終電子樣機的建立； CATIA將機械設計，工程分析及仿真，數控加工和CATweb網絡應用解決方案有機的結合在一起，提供嚴密的無紙工作環境，提高產品質量及降低費用。

CATIA帶有自有標準件庫，且可以方便地鏈接第三方CATIA零部件數據資源庫：囊括數百家國內外廠商的零部件產品模型。模型數據可被直接調用，更好的幫助設計人員完成設計工作，提升效率。

采用CATIA設計者可以非常方便地調用型材、通用件庫。并可以充分利用EXECEL設計表實現參數化驅動設計。

CATIA 可以從數字化定義的產品，生成具有真實效果的渲染照片。在真實產品生成之前，即可促進產品的銷售。

通過實際應用CATIA系統軟件，筆者體會到CATIA系統軟件在機械設計過程中具有明顯的優勢：

一、零件設計更加方便

使用CATIA系統，可以裝配環境中設計新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件，既方便又快捷,避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來，使人一目了然。

二、裝配零件更加直觀

在裝配過程中，資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關系，若裝配不正確即予以顯示，另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件的時候，可清楚地看到內部的裝配結構。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達到要求，及時對設計進行更改，避免了產品生產后才發現需要修改甚至報廢。

三、縮短了機械設計周期

采用CATIA技術，機械設計時間縮短了近1/3，大幅度地提高了設計和生產效率。在用CATIA系統進行新機械的開發設計時，只需對其中部分零部件進行重新設計和制造，而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息，使機械設計的效率提高了3～5倍。同時，CATIA系統具有高度變型設計能力，能夠通過快速重構，得到一種全新的機械產品。

我司主要生產產品為環衛設備。是集機械系統、液壓系統、電氣系統、供排水系統，送風系統等為一體的機器設備。其錯綜復雜的液壓管路及電氣線路的完整表達，需要強大的軟件來完成。CATIA正好是我司引進的主要設計軟件。北京五路居垃圾轉運站是國內首個采用強力預壓塊裝式的垃圾壓縮設備，國內外可參考的資料極少。根據轉運站設備工藝要求，壓縮垃圾的壓力要達到180噸，垃圾重量達24噸，垃圾打包長度達10米。由于壓力大、壓縮行程長，設備結構強度、機械性通報要求極高，且需要有良好的生產工藝性。經過反復設計論證和科學計算，最后確定了ACP-18型壓縮機的總體方案，主要由油缸支架部件、壓縮腔體、升降閘門部件、滑動支架部件、推頭部件、油缸座及稱重傳感支座等部分組成。配合兩組油缸推動推頭，每組油缸的行程為7.9米，使推頭的總行程達到了15.8米。由于ACP-18型壓縮機壓力大，機體龐大（設備總長達25.5米，自重達72噸），對結構強度要求極高，考慮到要求強度及生產工藝性，壓縮腔體采用厚度達16mm的低合金鋼板（16Mn），且用“C”型槽扶強。在油缸支架及滑動支架則采用矩型鋼管焊接而成的框架結構，既保證了結構具有足夠的強度，又減輕了自重。為保證壓縮機機體具有良好的剛性，機體底部布置了兩條460x190mm的大型工字鋼。經過應用CATID系統進行結構設計計算及設備運行中的驗證。并在此基礎上完成了設備的設計工作，于99年初在公司內生產制作，年底在北京工地順利安裝并成功投產。經過實際運行，證明ACP-18型壓縮機設計合理，結構可靠，各項性能均完全滿足垃圾運轉站的工藝要求，勝利通過了驗收。該工程被北京市列為“國慶50周年獻禮工程”。

我司也曾使用AutoCAD、SolidWorks、 Pro/E進行三維設計，但通過一段時間的試用比較，發現CATIA設計軟件更能適應我司的產品設計。由于環衛設備環境惡劣，設備需長期穩定工作，維修少維護簡單的特殊要求；機場設備要求穩定，且安全可靠。CATIA的推廣應用在我司設計的產品優化設計方面突顯優勢,并帶來可觀的收益。

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中圖分類號：TD402 文獻標識碼：A

現代設計方法是隨著當代科學技術的飛速發展和計算機技術的廣泛應用而在設計領域發展起來的一門新興的多元交叉學科。工程實際中還逐漸出現了許多新的設計思想和設計方法。隨著社會的發展、人們思想觀念的更新和科學技術的發展而提出，對節能、環保、改進產品性能和增加產品市場競爭能力等方面的重要性而受到越來越多的重視。傳統的設計運用力學和數學形成經驗作為設計的依據，通過經驗公式、近似系數或類比等方法進行設計。我們熟悉的優化設計、可靠性設計、計算機輔助設計、有限元法等,這些設計方法已經較為成熟,形成了完整的設計體系。機械優化設計是在進行某種機械產品設計時，根據規定的約束條件，優選設計參數，使某項或幾項設計指標獲得最優值。

它是以設計產品為目標的一個總的知識群體的統稱，提高設計質量和縮短設計周期，是為了適應市場劇烈競爭的需要，以及計算機在設計中的廣泛應用。60年代以來，在設計領域相繼誕生與發展的一系列新興學科的集成。產品設計的“最優值”或“最佳值”，系指在滿足多種設計目標和約束條件下所獲得的最令人滿意和最適宜的值。最優值的概念是相對的，隨著科學技術的發展及設計條件的變動，最優化的標準也將發生變化。這種選擇不僅保證多參數的組合方案滿足各種設計要求，而且又使設計指標達到最優值。由于傳統設計所用的計算方法和參考數據偏重于經驗的概括和總結，往往忽略了一些難解或非主要因素。在信息處理、參量統計和選取、經驗或狀態的存儲和調用等還沒有一個理想的有效方法，解算和繪圖也多用手工完成，這不僅影響設計速度和設計質量的提高，也難以做到精確和優化的效果。因此，求解優化設計問題就是一種用數學規劃理論和計算機自動選優技術來求解最優化的問題。優化設計反映了人們對客觀世界認識的深化，它要求人們根據事物的客觀規律，在一定的物質基礎和技術條件下，得出最優的設計方案。機械優化設計可解決設計方案參數的最佳選擇問題。

1 現代設計方法

1.1 創新設計

創新是設計的本質，隨著科學技術突飛猛進的發展，產品的市場競爭也日益激烈。們消費觀念不斷變化，產品的創新性，創新產品能滿足甚至創造出新的需求宜人性等因素愈來愈受到重視，大量科技成果轉化為生產力，在競爭中占據著突出地位。在這種形勢下，創新設計是產品適應新的市場形勢的最好途徑，因而必然有較強的市場競爭力。

1.2 智能設計

為了提高制造業對市場變化，在CIMS環境下，設計正在向集成化、自動化等方向發展。就必須大大加強設計專家與計算機工具，使計算機能在更大范圍內，這一人機結合的設計系統中機器的智能，更高水平上幫助或代替人類專家處理數據、信息與知識，大幅度提高設計自動化的水平。智能設計就是要研究如何提高人機系統中計算機的智能水平， 做出各種設計決策，使計算機更好地承擔設計中各種復雜任務，智能化是設計活動的顯著特點，也是走向設計自動化的重要途徑。

1.3 響應設計

隨著市場競爭的加劇，使得產品的更新換代不斷加快，市場壽命周期不斷縮短。現代科技的日新月異，建立快速捕捉市場動態需求信息的決策機制。實施快速響應設計技術，適應市場環境的變化，面對瞬息萬變的市場環境，用戶需求的轉移，增強企業市場競爭的有效途徑。更要求企業具有高度的靈敏性，不斷地迅速開發新產品，能抓稍縱即逝的機遇，變被動適應用戶，這樣才能保證企業在競爭中立于不敗之地。在這種時代背景下，市場競爭的焦點就轉移到速度上來，快速提高更高的性能/價格比產品的企業，將具有更高的競爭力。為提高快速響應能力，企業首先應當能迅速捕捉復雜多變的市場動態信息，并及時作出正確的預測和決策。

2 現代設計優化技術方法

2.1 現代方法與傳統方法比較

整個傳統設計的過程，參照同類產品，通過估算、經驗類比或試驗等方法來確定產品的初步設計方案，是人工試湊和定性分析比較的過程。機械產品的設計，一般需要經過需求分析、方案設計、分析計算、市場調查、結構設計、工程繪圖和編制技術文件等一系列工作過程。傳統設計方法通常是在調查分析的基礎上，優化設計理論的研究和應用實踐，從經驗、感性和類比為主的傳統設計方法過渡到科學、理性和立足于計算分析的現代設計方法，又能滿足生產的工藝性、使用的可靠性和安全性要求，使傳統設計方法發生了根本變革，機械產品設計正在逐步向自動化、集成化和智能化方向發展，按照傳統方法得出的設計方案，可能存在有較大改進和提高的余地。機械產品設計工作的任務就是使設計的產品既具有優良的技術性能指標，且消耗和成本最低等。根據經驗或直觀判斷對設計參數進行修改。但是由于傳統設計方法受到計算方法和手段等條件的限制，設計人員可以在有限的幾種合格設計方案中，這是很難找出最優設計方案的。

2.2 優化設計

隨著計算機及其計算技術的迅速發展，對結構的參數化模型進行加載與求解。工程設計中較復雜的一些優化問題取得了較好的技術和經濟效果，把狀態變量提取出來供優化處理器進行優化參數評價。促進了工程優化設計理論和方法的發展，并結合工程優化設計的特點，為以后軟件修正模型提供可能。如果最優，完成迭代，退出優化循環圈。利用CAE軟件的參數化建模功能，將要參與優化的數據定義為模型參數，重新投入循環，與上次循環提供的優化參數作比較之后確定該次循環目標函數是否達到了最小。在多目標優化，混合離散變量優化、模糊優化以及人工智能、神經網絡及遺傳算法，應用于優化設計等方面都獲得一些顯著的成果，已完成的優化循環和當前優化變量的狀態修正設計變量，逐步形成以計算機和優化技術為基礎的近代優化設計。

結論

從機械產品設計的全局來看，目前比較先進的優化設計，大多數還停留在設計方案后參數優化方面，面向產品設計，應將優化設計拓寬到機械設計產品的全生命周期過程，是適應機械產品設計。隨著CAD技術不斷地發展，現代科學技術支持下，現代機械先進優化設計技術將進行新一輪的發展。

參考文獻

[1]現代設計方法[M].武漢:武漢理工大學出版社，2001.

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VB機械優化設計軟件是20世紀60年代初發展起來的一門新學科，隨著數學規劃論和計算機技術的發展，它與機械設計理論相結合，解決了在機械設計領域中最優化設計問題。通過這種新的設計方法，可以從眾多的設計方案中尋找最佳的設計方案，從而大大減輕了設計人員的勞動強度并提高了設計效率。

一、VB機械優化設計

1.含義。VB程序設計語言是一門面向對象的可視化編程語言。機械優化設計是最優化技術在機械設計領域的移植和應用，其基本思想是根據機械設計的理論、方法和標準規范等建立反映工程設計問題和符合數學規劃要求的數學模型，然后采用數學規劃方法和計算機計算技術自動找出設計問題的最優方案。

2.現狀。隨著現代科學技術的發展與機械設計水平的不斷提高，人們對機械工程結構性能要求也越來越高。傳統的設計方法很難適應這些要求，因此在工程設計中出現了多種現代設計方法。優化設計方法就是其中之一。到目前為止，優化設計方面的研究工作很大程度上仍然局限于拓寬和加深優化方法領域。以數學方法為主并配以應用程序，如多目標優化，混合離散變量優化或將人工智能、人工神經網絡及基因遺傳等算法應用于優化。經過多年的努力，優化理論得到進一步完善。現行的各種優化方法及其程序幾乎完全能使大多數設計問題得到解決。

從70年代起，優化方法開始應用于工程設計中，并利用計算機求解實際工程設計問題。隨之各專業的優化研究工作有了不同程度的發展，出現了許多與各專業相聯系的工程優化設計軟件。在機械行業中有許多用于工程設計的優化軟件。目前最常見的優化設計軟件有華中科技大學的《優化方法程序庫OPB-2》和《優化方法程序庫OPB-1》等。這類優化軟件著重于優化方法的研究和實現，提供了一批可處理混合離散設計變量優化問題的方法和程序。其中《優化方法程序庫OPB-2》包含了許多現代設計方法，如人工智能等方法，另外還有與機械專業聯系十分緊密的優化設計軟件，如常見的減速器的優化設計軟件等，基本為各應用單位自己研制，有很強的針對性，這些應用軟件豐富多樣，大大推動了優化方法在機械工程結構設計中的應用。

二、VB機械優化設計軟件的研究與實現

1.設計步驟。VB機械優化設計軟件設計步驟為：①將設計問題的物理模型轉變為數學模型。建立數學模型時要選取設計變量、確定目標函數、給出約束條件；②采用適當的最優化方法求解數學模型；③編制優化設計程序；④求解優化結果；⑤分析優化結果。

2.特點。VB是一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、數據結構、函數輸出和面向對象編程特點。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序后再一起運行。版本的VB新語言是基于最為流行的C++語言基礎上的，因此語法特征與C++語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數學表達式的書寫格式，更利于非計算機專業的科技人員使用。且這種語言可植性好、拓展性極強，這也是VB能夠深入到科學研究及工程計算各個領域的重要原因，VB由一系列工具組成，這些工具方便用戶使用VB的函數和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面，包括VB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。簡單的編程環境提供了比較完備的調試系統，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現的錯誤及進行出錯原因分析。

3.基于VB優化設計教學軟件的程序編寫。本程序采用模塊化設計思想，設置一個主窗口程序和若干子窗口程序，各種優化方法在子窗口程序中具體實現，使程序結構變得清晰，簡化了程序設計結構，運行中通過主程序調用各優化方法的子窗口程序。程序以主窗口程序為核心，窗口中給出了本校機械專業大綱要求掌握的主要優化算法，算法按照教材章節由易到難的順序依此給出了三類優化問題的具體求解方法。選擇需要學習和訓練的優化方法，點擊“下一步”按鈕，進入子窗口程序。

三、結語

隨著網絡技術和信息技術的不斷發展，傳統的優化設計方法已不能滿足現代設計的需要。所以，實現優化設計資源的廣泛共享，研究基于Internet的機械優化設計系統具有重要的現實意義。利用VB腳本語言和語言實現了優化設計方法數據庫、優化設計算法模塊、機械零件優化設計模塊、設計軟件模塊和客戶留言模塊。系統界面優美簡潔，易操作，具有很強的交互性，是集在線優化設計計算、資料查詢和技術交流等功能為一體的機械優化設計資源服務系統。

參考文獻：

[1]任曉丹.基于VB機械優化設計軟件的研究與實現.

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1.1 傳統機械優化設計方法的應用

傳統機械優化設計方法大多應用于機械結構和零件功能的優化設計，針對機械結構的性能和形態進行優化。在機械結構上，內點罰函數優化法，能夠對剛度和壓彎組合強度結構進行良好的優化，既能夠滿足尺寸要求又能良好的控制結構自重。在形態方面，典型的是軸對稱鍛造部件的毛坯形狀的優化。在性能方面，采用坐標轉換法和黃金分割法對部分兩岸結構進行優化設計，使得機械結構更加準確保持運動平衡性，提高了傳力性能。這樣看來，傳統機械優化設計方法依然能夠取得良好的效果，所以在機械設計發展中不能忽略傳統優化方法的作用。

1.2 傳統優化設計方法的一些改進

在新的設計方法出現后，傳統機械優化設計進行了一些改進：設計中普遍采用最優設計方案和設計策略，幫助達到最優組合性能;建立能夠反映設計問題的數學模型，提高機械設計的準確性;利用計算機選擇最優方案，通過計算機程序解決更加復雜的計算;計算機輔助設計，降低人工設計的誤差。

2 現代機械優化設計方法的應用和發展

隨著機械設計要求不斷提高，設計工作需要考慮的問題也越來越多，整體需要解決的問題規模和復雜度都有所增強，傳統優化方法的問題暴露出來，局部優化和最優解不再適用于大規模問題的設計，這使得機械設計工作者廣泛吸取其他學科的理論知識，產生全新的機械設計思路，通過算法來解決一些復雜的設計問題。

2.1 反饋神經網絡在機械優化設計中的使用

反饋神經網絡模型的基本內容是一些雙向相連的神經元系統，每個神經元之間的連接都具有特別的權值，這個神經網絡對于輸出和反饋能夠統一應用，這樣將整個網絡的能量函數和機械設計的目標函數映射起來，神經網絡的進化過程則與機械優化設計的最優過程對應起來，在實際應用中，尋找神經網絡模型與問題的解的過程十分關鍵。

2.2 多層向前神經網絡在機械優化設計中的使用

多層向前神經網絡也是目前神經網絡模型中應用較廣的一種，通過輸入層、隱層和輸出層，將模型輸入信息進行單項的傳播輸出，整個模型中不論是層內還是層間，均不存在反饋鏈接。多層向前神經網絡具有很高的運算速度，非線性的映射能力也更突出，在機械優化設計中，能夠利用這種模型的特點，對機械結構的多目標優化進行映射。

除了神經網絡模型的應用外，很多專業的數學軟件也應用于機械設計工作中，比如MATLAB，作為功能強大的工程數據計算軟件，能夠很好的將計算問題與實際問題結合起來，其中配置了大量的工程函數，在解決大部分工程問題時能夠節約大量的時間，而且計算結構也非常精確，所以在自動化控制和機械設計領域都有很好的應用。

3 遺傳算法的應用與發展

遺傳算法簡稱GA，是一種全新的概率優化算法。遺傳算法作為一種非確定性的擬合自然算法，模仿了自然界生物進化的特點和規律，對于隨機對象進行自然選擇，按照自然界的適者生存法則來循環處理數據，最終產生的隨機群體會收斂于整體的最優解。遺傳算法有很強的自適應性，借助自然界遺產的規律，能夠對全局都進行優化處理，同時遺傳算法是潛在的并行計算算法，所以擁有很高的計算效率。遺傳算法以其全局優化的優越性，主要應用于機器學習和控制領域，最近幾年也得到發展被應用于機械優化設計中。

3.1 遺傳算法與機械結構優化設計

簡單的遺傳算法線性適應度非常理想，通過非線性適度與自適應的變異概率來優化一般的遺傳算法，以此來解決機械結構的優化問題，多峰值函數極值等都具有實際的參考意義。

3.2 遺傳性算法與可靠性分析

框架結構系統結合遺傳算法，能夠對系統結構的可靠性進行優化分析。

3.3 遺傳算法與故障診斷

遺傳算法網絡模型中，各個神經元之間的權值可以作為染色體向量，模擬基因多點交叉變異能夠對隨機對象進行優化選擇，這種遺傳算法能夠應用于變壓器故障的診斷。

4 機械優化設計軟件的應用與發展

4.1 專用軟件的應用與發展

目前國內機械優化設計專用軟件開發和使用的都比較少，機械優化設計軟件的開發還需要積累足夠的經驗，根據工作經驗轉換成計算機功能組成專用軟件。計算機輔助設計軟件的使用，能夠幫助解決很多機械設計中的工程問題，結合人工神經網絡和遺傳算法，開發計算與圖形化功能，專業軟件的發展速度也是越來越快。

4.2 網絡在線機械優化設計軟件

篇（7）

中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0034-03

網絡協同設計是一種先進的聯合設計手段，可以將不同的設計主體（專業技術人員）通過共享的網絡平系起來，設計人員之間可以使用功能各異（異構）的工具設計遠程協作，在這個共享平臺中階段性優化已有方案、模塊化分析、并行修改，以遠超出非協同條件下設計的效率和質量完成產品設計。其使用到的工具可以包括且不僅限于SolidWorks、PRT（Pro/E）、PRT（UG）、DWG、CATIA等，同時在產品的優化設計階段也會用到各種計算軟件工具如MATLAB等，在使用中可采用兩種方式實現產品的協同化設計，其一是采用數據格式轉換，該方式是實現異構平臺條件下同一產品數據集成與共享的主要方式。其所采用的主要數據轉化手段包括利用XML技術、IGES標準以及STEP標準。XML（即系統基于可擴展標記語言）技術，IGES標準（即利用圖形數據交換標準）和STEP標準（即產品模型數據交換標準），使用商業化或編制數據轉換接口，從而實現產品的幾何特征提取和數據格式轉換。其二是對三維建模軟件進行二次開發，在工作端嵌入相應開發模塊，以實現對產品設計節點所產生數據的三維建模，基于Web的產品協同設計原型系統原理見圖1。

1 產品協同設計

1.1 產品協同設計概述

產品設計包括多種設計項目內容，譬如確定產品規格、技術規范、性能解析、采取多種計算手段分析建模，初步制定制造計劃和概算等。通常狀況下，這階段工作必須通過設計方案、確認架構、設計優化、仿真和樣機測試性能、效果等過程對方案的可行性、有效性進行最終檢驗。此階段工作涉及諸多不同類型資源，譬如產品市場情況和開發此產品相關的理論，譬如文本闡述、圖表圖形、城市、數據庫、仿真設計（數字化）、物理及樣機模型實驗和實驗實施所需諸多設施、裝置等[1]，不過上述資源多數散布于多處。

利用遠程MATLAB優化分析系統與CAD軟件融合利用，不僅加速系統研發工作，使得系統更為可靠，并且非常有益于產品設計階段中MATLAB優化解析方法的推廣利用。在特殊條件下，運用MATLAB優化分析方法遠程優化設計方案的前提要件是確定模型參數，通過增加產品性能、模型設計和優化的多個參數，輔助改進設計，必然有益于系統功能的擴展，還能夠擴大系統運用范疇。此外，把散布的分析和優化工作所需資源有效歸集，對于持有此資源的主體來說，能夠提升利用此資源的整體效率，提高利潤水平，另外利用此資源主體所需費用較少，因此整個研發設計過程中所耗成本也更低，產品在市場上自然具備更強競爭力。

1.2 產品協同設計過程

產品協同設計過程可以簡單描述如下。

（1）方案設計。此階段工作主要包含下述兩個內容：第一，企業根據顧客要求設計完產品；第二，企業能夠依據市調結果，自主研發推出新產品。兩種產品設計方案均需交換許多不同類型數據和資料，最終必然能夠確定最優設計方案。

（2）參數優化分析。為確保研發產品性能可靠，滿足設計需要，運用MATLAB優化研究軟件優化產品，令其更為可靠。

（3）產品結構設計。設計人員根據已經優化確定的產品方案，運用CAD程序完成建模，并協同完成裝配過程。

（4）樣機實驗。在車間內產出樣機，對踴進行性能測試，研究驗證產品性能，保證性能滿足設計要求。

2 優化設計方法分析

許多機械產品設計中需要進行優化，優化過程可分為3個部分：合成和分析、評價以及更改參數3個部分組成。其中，合成和分析部分的功能主要是建立產品設計參數和設計性能以及設計要求之間的關系，這是對設計產品進行建立數學模型的處理。產品的性能和設計要求的分析，相當于評估目標函數是否改善或達到最佳，即測試數學模型中的約束每一條都滿足。選擇參數部分是利用不同優化方法，使該目標函數（數學模型）求解，并根據該優化方法來求得最佳設計參數。優化設計的前提是選擇最優的設計方法。而哪一種方法最優，主要根據具體設計優化的問題情況、特點和具體設計來定。通常來講，可以有下述幾點評價方案。

（1）可靠性。（2）精度。（3）效率。（4）通用性。（5）穩定。（6）全局收斂方法。（7）初始條件靈敏度。（8）多變量靈敏度。（9）約束靈敏度。

3 齒輪傳動系統的優化設計案例

機械層面的設計優化視為協同設計工作平臺內節點之一，通過傳送輸入/出文件，可以在異地完成計算并運用結果，下面以齒輪減速器為案例說明基于Web的協同設計下的優化設計過程，案例中所選擇的優化算法為遺傳算法（Genetic Algorithm，簡稱GA）。這是一個模擬達爾文生物遺傳進化選擇歷程檢索獲取最優結果的方法[2]。在機械層面的設計優化問題中，運用這一方法，能夠有效避免產生局部最優解，最終獲得對整個系統方案都最優的更好解。該研究運用遺傳算法用作齒輪優化方法，再結合Matlab遺傳工具箱完成優化，不僅簡單而且高效。

優化分析系統一般能夠劃分成處置數據、設計優化、輸入/輸出、造型產出4個主體模塊。其中第一個模塊的主要任務是：完成齒輪設計過程線圖、處置數據，根據各種條件、狀況，能夠靈活選擇查表、插值、擬合曲線、數據庫和BP神經網絡映射等多種手段完成工作。其中第二個模塊主要應用Matlab語言，根據從第三個模塊獲取的轉速、傳遞功率、負載性質以及傳動比等數個已經確定的參數數據，運用Matlab神經網絡、遺傳算法兩大工具箱，優化齒輪設計[3]。其中第三個模塊主要負責：運用完成VB、Matlab、 SolidWorks API多個軟件中數據的流轉改用。其中第四個模塊的主要任務是，依據前一模塊產出結果，在優化設計的協同工作端自動完成齒輪的三維參數化造型。

3.1 建立數學模型

選擇目標函數為齒輪減速器體積最小，同時，在選擇齒輪強度的影響參數時使用以下4個參數，分別是法向模數mn、小齒輪齒數z1、齒寬系數φd以及螺旋角β，以上4個參數為設計變量建立數學模型。

（1）設計變量。

（2）目標函數。

（3）約束條件。

①模數約束：1.5≤χ1≤20。

②根切約束：g1≤0。

③齒寬系數約束條件：0.2≤χ4≤1.2。

④螺旋角約束：8≤c3≤25。

⑤齒面接觸應力約束：g2≤0。

⑥齒根彎曲應力約束：g3≤0，g4≤0。

其中：

斜齒齒輪接觸疲勞應力為：。

斜齒齒輪彎曲疲勞應力為：。

3.2 BP神經網絡映射程序的實現

神經網絡BP（Back Propagation），是目前在多學科領域應用范圍最為普及和成熟的人工神經網絡，其組成經過主要包含信息正向傳播與誤差的反向傳播兩個過程。BP人工神經網絡在模式識別、函數逼近和數據壓縮方面都顯示出較強的映射能力[4]。下面是齒形系數YFa計算關系映射的實現步驟（使用Matlab7.1神經網絡工具箱，共4步）。

第一步，讀入訓練樣本數據。

第二步，初始化網絡，利用網絡初始化函數newff實現。

第三步，訓練網絡。利用訓練函數train實現。

。

第四步，函數逼近。

利用上步訓練好的網絡代替原有的

函數關系，計算任意齒數zv0時的齒形系數YFa0，通過sim函數實現。

對比樣本數據和映射之后產出數據，發現變差的最高值為0.006，證明此人工神經網絡辨識精度達到很高水平，滿足要求。

3.3 遺傳算法程序實現

該文運用遺傳算法來計算優化齒輪設計，結合運用Matlab軟件中的遺傳工具箱完成優化，整個過程不僅簡單而且高效，其中遺傳算法優化步驟如下。

（1）將數學模型轉化成如下適用于Matlab的形式。

①設計變量。

②目標函數。

③約束條件。

（2）建立目標函數的m文件FitnessFcn.m文件內容如下。

（3）建立非線性約束的m文件nonlconfun.m；文件內容如下。

（4）把線性約束所對應的向量與系數矩陣賦予下述變量A、b、Aeq、beq，將邊界（上/下）值分別賦予下述變量LB、UB。

（5）調用。

3.4 VB與Matlab混合編程

VB、Matlab結合完成編程過程中，還能夠運用動態DLL鏈接庫、DDE數據和ActiveX自動化3種技術手段，具體詳見文獻[4]。該研究運用ActiveX技術，利用VB編程時調取Matlab優化齒輪設計程序的部分代碼如下：

當齒輪優化分析計算完畢，齒輪優化分析結果上傳并存儲到數據庫中，但此時非優化設計客戶端用戶只能瀏覽及下d計算數據文本，如果客戶端沒有安裝二次開發模塊，仍然無法對數據進行建模處理，所以在優化設計工作端需要對軟件進行二次開發，以SolidWorks軟件為例，可以運用ActiveX技術和API函數，結合VB語言二次開發SolidWorks，運用優化所得結果實現齒輪的三維參數化造型在所開發的VB程序內增加下述代碼，將完成的程序編輯產出*.dll文件，在SolidWorks中打開，在菜單欄中就能夠加入“齒輪”“斜齒圓柱齒輪”菜單和下拉菜單選項。

…

4 結語

該文探討了基于Web的網絡協同設計框架下，產品的優化設計部分作為協同設計網絡的重要組成部分（工作端）的優化過程，并以齒輪優化分析作為具體案例進行分析，文中融合了編程開發軟件：VB、Matlab，結合BP神經網絡、遺傳算法（人工智能領域），成功完成了存在離散（或連續）設計變量時，設計的優化，使得優化齒輪設計工作效率得到提升，繼而實現了整體設計協同作業效率的提升，并獲得了最佳方案。下一步可考慮在諸個工作端進行有效的數據轉換最終將此優化實現和三維參數化造型結合融于一體，在諸個工作端所用CAD/CAM軟件條件下，也能夠完成有限元分析并產出NC代碼，有效提升設計齒輪工作效率和品質，加快系統制造速度。

參考文獻

[1] 周偉.基于網絡的協同設計系統數據交換及管理關鍵技術研究[D].重慶：重慶大學，2007.

篇（8）

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0013-01

在機械優化設計中需要對參數模型進行求解和優化，特別是在大型的復雜的設計項目中，需要重復建模、重復優化模型。除了遺傳算法等數學方法使用外，CAD技術應用對復雜的機械設計優化問題取得了較好的效果并產生了很好的經濟效果。

1 機械優化設計中的CAD技術

單體機械機構的優化對象主要是零件的結構優化，涉及的學科少、優化的功能單一，優化的過程只限于結構設計和機構構成之間的關系。對于復雜的機械設計，優化的對象對體現整體優化思維，即整體優化大于局部優化。在這個過程中就需要采用合理的手段和方法優化的范圍綜合起來。計算機輔助手段日臻完善，在優化設計中把原理方案、功能，結構方案、總體參數以及結構性狀的全部設計包含在內，真正的做到全局優化。

復雜的結構設計計算復雜、方法多變，涉及多學科多目標，而優化更要在這些方法找到更有效的方案更為困難。因此單一的方法來解決整體的優化問題肯定不行，但是采用CAD進行整體的優化和分解協調優化，通過模型建立，減少計算縮短優化時間。在結構優化中器件多，耦合度高，利用CAD技術可以在結構優化中應用網狀分解的方法，將其分解，這種分解方法除了提高CAD利用效率之外還可以解決優化過程中的交叉學科問題，例如利用CAD機械設計的協同優化。在整體優化中目前的CAD技術還沒有形成普遍使用的分解方法，因此分解的正確性并不是可以控制的，這成為CAD的在機械優化設計中應用的瓶頸。但是優化設計分層優化取得比較好的效果，由此建立起來的CAD優化發展。

2 CAD機械優化設計建模應用

機械產品設計優化技術就是設計者借助CAD技術將設計形體可視化、模擬化、可修改、可分析優化，進一步通過計算機輔助優化實體模型。產品的優化可以在CAD中進行三維幾何重現，優化設計通過三維虛擬優化，采用幾何模型描述對象的位置、結構、大小和性狀，并尋求最高效的組合途徑，通過優化的賦值可以將對象的顏色、紋理等信息進行詳細描述，優化產品的原型，在這個過程中CAD的建模優化是最常見的優化方法。

2.1 參數建模優化

這種優化是通過工程關系以及幾何方法在CAD中給予產品的性狀特征，從而可以在產品功能上和設計方法上尋求類似的模型，通過模型的優化達到設計優化。在CAD中建立產品與參數之間的關系，而參數作為變量形成變量集合。在優化過程中通過參數的變化影響設計對象的變化，參數優化模型采用修改和定義的幾何建模。參數建模優化包含工程優化、拓補結構優化、尺寸優化等，這些都是CAD參數建模優化中需要考慮的因素。

2.2 特征建模優化

這種優化是在CAD環境下從整個設計的各個階段來優化設計，可表述為集成優化。進行集成優化需要在CAD條件下建立系統的、完整的、全面的描述需要優化的信息，使得各種特征能夠從設計中顯現優化的策略。特征建模優化可以明確的表示優化邏輯關系、互動關系以及關聯特征方面進行表述和描述。特征建模優化能夠在CAD環境中建立高層次的產品功能要素，對優化的信息進行聯動管理，體現設計優化中，對形狀、結構等復雜產品優化建模是思想，將產品的多特征進行特征分解，根據分解的特征相互建立優化途徑，通過特征之間的運算達到優化整個設計的目的。

3 具備知識庫智能CAD在機械優化設計中的發展

優化設計是一個高度智慧的創新的活動。CAD技術系統引入知識庫，產生智能的計算機輔助設計系統，這成為ACD機械優化設計的發展方向之一。知識庫智能CAD能夠在信息優化、知識優化的基礎上建立基于優化思維的知識庫。它能夠及時對優化設計的方向進行評估，利用知識庫的評價機制，實現信息的交換和共享，解決優化設計中對信息和知識和需求。機械設計問題是模糊的，而優化的方式和途徑也多樣，對復雜產品進行優化，建立知識庫信息獲取、組織和表達。因此具備知識庫智能CAD快速發展，為CAD在機械優化設計領域提供了新的途徑。在機械優化設計中，設計不僅具有創意，而且優化應具備整體性和科學性。優化設計可以根據優化的途徑分為優化搜索和優化創新。優化搜索可以根據各種方案選擇一種最好的組合達到優化目的。在知識庫智能CAD中具備的專家系統，采用參數匹配、信息匹配、結構匹配的方法將優化的產品進行搜索，選擇最優的設計方案，遍歷知識庫中相似結構的模型。如果知識庫建立的足夠大，足夠科學則搜索優化的優化度更高；優化創新是直接通過知識庫得到最佳的優化結果。這種優化方法可以通過CAD的知識庫，將設計的參數、模型、結構導入直接產生優化結果。但是不論是那種優化方法都要依據設計的原始信息，根據實際情況綜合分析智能CAD優化結果，得出優化設計的方案。

4 神經網絡智能CAD在機械優化設計中的發展

在優化設計中如果將優化的任務進行分解，形成各階段優化的方案過多，而后面的的優化組成數量也迅速增加，這樣就容易形成優化組合爆炸。在優化設計中面臨如此大的優化結構時，往往需要更高層次的歸納和綜合，對綜合的信息進行少量分析即可找到優化的決策。一般CAD的優化只能在參數、簡單結構等方面進行優化，而在如此復雜的框架優化、整體優化中顯然不能滿足優化要求。因此具備神經網絡的智能CAD能夠將設計的信息通過人工網絡結構進行優化決策方式進行模擬。將優化的各層次和任務進行網絡串聯，共同完成階段的優化工作。

5 結論

計算機輔助設計是機械優化設計的必要的工具。在知識庫研究、神經網絡研究、以及模糊控制研究方面已經取得了很多經驗并發揮了巨大的經濟效益。在優化設計中需要借助CAD這個途徑將這些研究的思維移植并實現將大大提高CAD機械優化設計的效率，產生很大的經濟效益。

篇（9）

中圖分類號：S611 文獻標識碼： A

引言：近年來，隨著我國經濟的發展，我國機械工程規模開始加大，機械工程速度也開始變得迅猛，人對于機械行業來說，機械設計是一項復雜系統的工作，機械設計的治療關系到工程質量的好壞，因此，對于機械設計人員而言，做出最優的設計，符合實際的實際是設計人員應盡的責任。

一、機械優化設計理論概述

1、機械優化設計的概念

機械優化設計是指最優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。其根據機械設計理論、方法與標準規范等建立能夠正確反映實際工程設計的數學模型，利用數學手段和計算技術，在眾多的方法中快速找出最優方案。機械優化設計通過把機械問題轉化為數學問題，加以計算機輔助設計，優選設計參數，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、經濟效益最高的方案。目前，機械優化設計已成為解決機械設計問題的有效方法。

2、 機械優化設計研究的內容

機械優化設計主要研究的是其建模和求解兩部分內容。 如何選擇設計變量、列出約束條件、確定目標函數。其中，設計變量是指在設計過程中經過逐步調整，最后達到最優值的獨立參數。設計變量的數目確定優化設計的維數，維數越大，優化設計工作越復雜，但效益越高，所以選取適當的設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。目標函數即是指各個設計變量的函數表達式，工程中的優化過程即是指找出目標函數的最小值（最大值）的過程。一般而言，目標函數的確定相對容易，但約束條件的選取顯得比較困難。

二、機械優化設計理論主要方法

1準則優化法

準則優法主要是通過力學以及物理或者是其他原則構造評優準則所應用的，然后在進行尋優。這個項方式的主要優點就是有著直觀的概念以及簡單的計算方式，同時能夠對于優化效率約束能很好地降低，在工程方面廣泛的使用；有弊就有利，這項方式只是考慮了很少的方面或者是一個點，使得優化效率大大的降低，甚至是沒有約束。

2線性規劃法

線性規劃法主要是通過數學極值原理所對于目標函數為設計變量線性優化所設計的，可以說是機械優化設計中最為常用的一個方式。有單純形法和序列線性規劃法。

3神經網絡法

神經網絡可以說是一個大型的自適應非線性動力能夠，所具備的有點為聯想、概括、類比，同時要是局部出現問題對于整個系統卻沒有很大的影響。最早發現神經網絡優化能力人員是美國物理學家Hopfield ，根據動力系統以及統計學原理，將系統穩定性以及最優化對策，同時系統能量函數和目標函數優化相互之間對應，優化設計變量以及神經網絡參數相對應，在整個系統逐漸演變的過程中，在1986Tank首次提出了求解線性優化問題的造型化神經網絡。神經網絡穩定平衡點是這項方式的主要點，對于整個網絡能量函數極小點所進行的優化設計，通過較為強大的計算方式以及近似分析、非線性建模能量將計算效率進行優化，所進行這個過程的關鍵點就是神經網絡構造，一般都是使用在求解組合優化、約束優化以及復雜優化。

4、多目標優化法

機械設計所追求的最終目的就是優化功能、強度以及經濟性，但是在實際工作中機械優化設計都是優化目標設計方式。在實施目標優化的過程中還是存在著很多的困難，對于研究人員有著一定的挑戰性，但是這些理論方式還是不夠完善的，將其劃分為兩種：一種是將多目標優化轉化為一個或者是一系列的目標優化方式，將所得優化結果當做目標優化的解，第二種是直接求非劣解，在這中間要選擇最好的作為最優解。

三、現代機械優化設計理論與方法

1、利用現代計算機軟硬件技術的設計方法。

在產品開發初期借助于設計方法學，利用多媒體工具進行系統的開發。根據這一指導思想，利用數學系統理論，同時考慮系統工程理論產品設計技術和系統開發方法學，研制出適合于產品設計初期使用的多媒體開發系統軟件。根據這一設計方法，往往把產品的整個開發過程概括為產品規劃、開發和生產規劃三個階段，并且充分利用了現有的CAD尖端技術D虛擬現實技術。（1）、產品規劃D構思產品。其任務是確定產品的外部特征，如色彩、形狀、表面質量、人機工程等，并將最初的設想用CAD立體模型表現出來，建立能夠體現整個產品外形的簡裝模型。（2）、開發D設計產品。該階段主要根據系統合成原理，在立體模型上配置和集成解元素，把實現功能的關鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產品的配置進行分析。產品配置分析是綜合產品規劃和開發結果的重要手段。（3）、生產規劃D加工和裝配產品。在這一階段中運用CAD技術，用計算機圖案顯示解元素在相應位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造型和裝配間的關系，由此發現難點問題，并找出解決問題的方法。借助于現代計算機軟硬件技術，通過三維圖形軟件、多媒體和超媒體技術及虛擬現實技術進行設計。

2、積極開發發展綠色設計、制造。

（1）、綠色設計制造時現代設計制造的可持續發展模式。人們已經認識到環境與發展是密不可分的。要從根本上解決環境問題，必須轉變發展模式和消費模式，即為資源型發展模式逐步轉變為技術型發展模式，依靠技術進步，節約資源和能源，提高效益，減少廢物排放，實施清潔生產和文明消費，建立資源和環境相聯系的新的發展模式。這是人類探索了幾個世紀終于領悟到的發展觀D可持續發展。（2）、發展綠色設計制造將為企業發展帶來新的機遇。開發綠色設計制造是人類可持續發展戰略的重要組成部分，是每個企業家必須考慮的企業行為，但是不少企業認為綠色制造投入大見效慢經濟效益不如直接抓成本、抓質量、抓品種等見效快，因而無視對環境的污染，甚至寧愿被罰款，也不愿意采取措施。實際上，環境全面改善，一方面可改善員工的健康狀況和提高工作安全性，減少不必要的開支；另一方面在綠色制造環境下工作的員工心情舒暢，有助于提高員工的主觀能動性和工作效率，以創造出最大的利潤，使企業具有更好的社會形象，為企業增加無形資產。（3）、發展綠色制造將推行新一輪技術創新。在全球性競爭激烈的背景下，利用高新技術和現代化管理來提高生產率，節約自然資源投入，以及節約勞動和各種形式的資本，是促進經濟增長與發展的主要源泉。

四、機械優化設計的前景

機械優化設計是最優化理論、電子計算機技術和機械工程相結合的一門學科，包括機械優化設計、機械零部件優化設計、機械結構參數和形狀優化設計等。近年來，隨著數學規劃理論與計算機技術的飛速發展及廣泛應用，許多新興優化算法，如遺傳算法、神經網絡法等相繼被提出，機械優化設計廣泛地被應用到建筑結構、化工、航天航空等諸多領域并取得飛速發展。機械優化設計具有廣闊的發展前景。

機械優化設計給機械工程界帶來的巨大經濟效益是顯而易見的，但其工程效應比起預期遠遠小得多。歸結其原因，主要有以下兩點：（1）建模難度大。（2）最優方法的選取難度大。 雖然有以上不足之處，但是機械優化設計的發現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。

結語

縱觀幾十年來機械優化設計的發展歷程，其發展是非常迅速且令人可喜的，雖然仍存在建模困難、優化方法選取等等方面的一些挑戰，但是其前景仍舊是非常廣闊的。研究機械優化設計的理論與方法無論是學術領域還是實際經濟效益方面都具有研究意義。

參考文獻：

【參考文獻】

[1]白新理.結構優化設計[M ].河南：黃河水利出版社，200 8 .

[2]王玉新.復雜機械系統快速創新設計[M ].北京：科學出版社 ，2006.

篇（10）

    現有工程機械一體化監測系統常見的問題

    現有的工程機械一體化監測系統和設備由于不具有通用性,因此經常出現各種問題,導致工程機械一體化監測系統的功能得不到良好的發揮,效率得不到提升。因此有必要認識到目前監測系統存在的各種問題,然后采取針對性的措施加以解決,目前工程機械監測系統及設備存在的問題主要表現在以下幾個方面。系統監測項目不夠齊全由于應用到工程機械一體化監測系統的各種配件不夠齊全,型號不一,類型不同,因此各種測量型的儀表組合并不能完全滿足工程機械的監測要求,從而造成對工程機械的一體化監測無法發揮擁有的功能,存在諸多問題,其中一個突出表現就是監測的項目不齊全。工程機械一體化監測項目涉及的范圍和領域非常豐富,常見的監測項目包含了電流、氣壓、電流、氣壓、油壓、油溫、水溫、轉速等,而對于這些項目僅僅依靠一個設備或者不同類型的設備組合是不行的,因此在系統監測項目不夠齊全,直接影響了工程機械一體化監測的效果和質量,例如關于電壓的監測設備就一般具有對油壓的監測功能,無法計算相應的流量和工作時間數等。監測設備質量不過關,無法實現系統的正常化多數用于工程機械一體化監測的設備在質量上由于無法匹配工程機械的性能和操作系統,因此其監測的儀表過多而且比較復雜,其面板的布置也相當不方便。現有的監測儀表大多是很多廠家外購的產品,其種類型號都是不同的,因此用于工程機械一體化監測的儀表種類繁多,質量上無法完全達到工程機械一體化工作的要求,而且由于大小,樣式存在差異,導致工程機械一體化的儀盤表看起來十分混亂,不容易觀察和監測到數據,直接影響到了工程機械系統運行的正常化,影響工程機械一體化的工作效率和質量。工程機械一體化監測設備容易損壞而出現故障在工程機械一體化監測設備運行過程中,由于種類、型號繁多,生產廠家不同導致其在工作中無法正常運行。再加上在運行中,如果工程機械的操作使用人員對于某個型號的設備的工作原理不能理解,或者理解不透,都會帶來種種問題。此外受到生產廠家技術水平的影響,監測設備由于工作環境不合理,不恰當,導致這些設備容易損壞和失效。如果工程機械在使用與操作過程中,一些監測系統的設備不能經常性的使用,就會導致這些設備在工程機械操作過程中失去作用,而操作人員只能在工程機械監測設備出現故障的情況下,完全依靠自身的經驗去判斷和操作,直接影響了工程機械的使用效率和質量。2.4工程機械一體化監測系統復雜不容易操作對于工程機械一體化的監測來說,提高其系統的操作性將是一個關鍵環節。目前很多機械上的監測系統都是安裝比較復雜的設備,在信息的傳遞上效率不高,傳遞所使用的方式也比較落后。例如有些監測設備的信息傳遞主要依靠管路傳遞,這些管路的使用不但增強了監測系統難度而且對于安全性以及信息傳遞的可靠性也造成影響。因此優化工程機械一體化的監測系統是十分必要的。

    工程機械一體化監測系統的優化設計的內容

    中央處理器可采用目前比較成熟的單片機處理種功能的軟、硬件技術。以日本東芝公司生產的單片機TMP87CH46N/47U為例,其ROM為16kB,RAM為512kB,有8個8位A/D轉換器,2個8位計時器和2個16位計時器等,且具有功能強大的指令系統,其RAM可實時采集并存貯機械在一定時間內的測量參數,需要時可通過處理器的輸出接口輸入到計算機內進行處理。顯示裝置可采用目前較為流行的彩色圖文液晶顯示屏,由于采用全固體器件,工作可靠,便于適應工程機械的使用要求。目前常見的此種顯示屏可具有內置國標漢字庫、串行通訊速率20k/s、指令代碼編程、16種顏色、單一電源供電等功能,而且可以以模擬與數字共同顯示方式顯示所測數據,即直觀,又準確,完全可以適應工程機械監測的顯示之用。控制裝置可隨時控制顯示模式,選定顯示參數,各測量參數即可固定顯示,也可按控制裝置的設定自動輪流顯示。系統開始工作后,各個傳感器直接將收集的信號進行轉換然后發送至處理器,處理器通過專家系統來進行數據分析并進行判斷,如果經過分析判斷系統為正常狀態,那么則繼續監測工作,如果判斷系統為異常,則開始報警。然后系統會自行開始對出現的故障和問題進行診斷,以發現其故障原因,并提示出可以采取的維修方式和方法。如果通過診斷發現不了原因,則需要將發生故障時的各種技術參數記錄下來,然后借助專家系統數據庫將這些故障記錄下來,從而形成知識庫。系統軟件設計系統軟件利用中央處理器自身的控制指令,用匯編語言編寫,通過編程器輸入CPU,機械啟動后,該系統自動加電啟動,經對各端口及寄存器進行初始化后,開始接收各傳感器傳來的數據,并對各數據進行處理,經端口檢驗,將接收到的數據與該端口測量參數的故障極限數據進行比較,若超出正常數據值,則經聲光方式給予報警,若所測數據在正常范圍內,則不予報警,并將數據存入RAM,然后將數據送入顯示模塊進行顯示。為有效利用該系統的功能,各測量數據由軟件設計自動存入其RAM內,需要時可通過系統的輸出接口輸入到外部計算機內,在計算機上對數據進行詳細分析,以進一步了解其工作狀況及故障發生時的情況。從以上分析來看,關于工程機械一體化監測系統的優化與設計應該根據工程機械自身的特點來進行,系統的優化設計的一個基本目標是要注重監測系統的可靠性有穩定性,要在注重經濟性的同時,采取一些相對簡單而又能應付惡劣工作環境的設備,從而提高監測系統的整體性能。

    加強工程機械一體化的監測系統的優化設計,已經成為改善工程機械一體化作業精確度和效率的重要途徑。針對目前監測設備容易出現各種問題的實際情況,本文對于工程機械一體化監測系統的設計與優化,可以在某種程度上解決當前工程機械一體化操作帶來的問題,從而提高工程機械一體化運行的效率和質量。總之,隨著現代信息技術的發展,尤其是計算機技術的發展,將微電子控制技術作為核心的機電一體化監測技術必將在工程機械使用以及操作、改造中發揮重要的作用,極大推動工程機械自身性能的改進和技術的創新,這對于推動工程機械技術的發展,提高工程機械的使用效率,將產生重要的影響和價值。相信未來機電一體化技術在工程機械應用的領域和范圍將會更加的廣泛和深入,因此工程機械一體化監測系統的優化與設計作為一個理論與實踐相結合的研究課題具有深遠的意義。

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（2）結構模塊化設計方法。所謂的結構模塊化設計方法就是指在對所設計的產品的功能需求進行調研和分析后，把設計的產品分成一個或多個模塊化的結構，并且還要對這些模塊化的結構進行重新的選擇和組合，這樣就形成了不同功能的產品。這些最基礎的模塊化的結構可以是零件，也可以是部件，同樣也可以是一個系統，但是通常情況下，這些基礎的模塊化的結構是能夠滿足聯接以及配合要求的，所以它們應具有互換性以及相容性。

（3）系統化設計方法。所謂的系統化設計方法就是指將多個設計組成一個大的系統，并且各個設計應是彼此不干擾的，而各個要素之間卻又有著有機性的聯系，只需要將所有的設計要素整合到一起，從而完成所需要完成的任務。

2大型礦井對煤礦機械裝備的需求

由于煤礦的生產工作具有大型化以及高效化的特點，所以無論是煤礦生產的企業還是煤礦生產的工作都對煤礦機械裝備提出了更高的要求。首先，煤礦生產的機械裝備應向大型化的方向發展。要想滿足機械裝備高效化的生產需求，機械裝備的技術參數也應逐步向大型化的方向發展；其次就是在機械裝備的性能方面。煤礦企業應盡可能的使用安全性和可靠性較高的元部件，這對提高機械裝備的運行效率以及延長機械裝備的使用壽命都是非常有利的。在煤礦機械裝備的操作方面，應盡量應用計算機監控以及集中操作的方式對機械設備進行操控，這樣才能夠滿足集約化的生產需求，同時還應注意機械裝備維修的便捷性；最后就是應綜合的運用氣壓、機電以及液壓等技術，從而真正地實現煤礦生產的機電一體化。

3現代結構設計在煤礦機械裝備中的應用

（1）智能和虛擬設計。所謂智能設計就是指通過所形成的智能結構系統將控制器、傳感器以及執行器等構件進行整合，使整個裝備的結構無論是在愈合損傷方面還是適應環境方面都能夠產生智能功能，機械裝備的性能以及安全性都得到了較大的提高，能耗也得到了一定程度的降低。如智能采礦的新技術、機器人技術以及紅外技術就已經得到了很好的應用，并且這些智能化的機械裝備在煤礦生產中也得到廣泛的應用。煤礦機械裝備的制作成本都是比較高的，并且這些裝備所工作的環境也是較為復雜的，所以要想在實際的生產工作中發現它們存在的問題和缺陷，就只能通過反復的試驗，這對人力以及物力都會造成極大的浪費，為了盡量的降低損耗并控制浪費，有必要采用虛擬設計。借用仿真技術模擬機械裝備的實際運行狀態，這樣它們運行環境的參數就會可視化，進行一些機械動力學的虛擬實驗，從而達到對機械裝備優化設計的目的。另外為了使虛擬樣機得到優化，設計人員也可以根據用戶的實際需求對運行參數進行修改。

（2）穩健的機械設計。機械裝備所工作的煤礦生產環境是很復雜的，要想保證機械裝備的良好運行，就必須具備一個較為穩健的機械設計。而穩健的機械設計就是利用系統的非線性，選擇最為合理的可控因素，促使機械裝備對產品老化以及環境變化等因素達到最不敏感的程度，使穩定性得到提升。在進行穩健性設計時，應先進行分析和實驗，通過分析影響變量的所有因素，從而獲取最佳的參數。在眾多的工程分析法中，有限元法設計作為一種非常不錯的工程分析法，其不但能夠分析厚度突變以及邊界不規則等受力對象，同時它還能夠解決幾何非線性等一系列的復雜問題。煤礦技術中的機械裝備的受力情況是很復雜的，所以采用這種方法才能剛好匹配。如在分析電動挖掘機動臂和斗桿的受力情況時，因為其結構受力的情況復雜，如果是采用工程計算法是根本無法分析動臂和斗桿中鋼板的應力分布情況的，而如果采用有限元法時，就可以得到鋼板的應力分布情況。

（3）網絡動態和模擬化設計。煤礦技術中的機械裝備工作環境較為惡劣，并且對其進行研發和試驗的周期也是很長的，而且其投資的規模也是很大的。如果采用傳統的設計方法，不但要花費大量的時間和金錢，同時也很難滿足快速變化的市場需求，這就會給煤礦生產企業帶來很大的損失，所以，就要應用網絡化的設計，即在煤礦機械的制造生產中應用集設計、研發、制造、模擬以及仿真于一體的新型設計理念。機械裝備的工作過程是一個動態的過程，它運用的環境既有正常信號也有干擾信號，所以在考慮它們的工作狀態時應同時兼顧正常信號和干擾信號，應進一步加強對動態模擬設計的研究工作。在使用機械裝備的過程中，外界環境的干擾和變化也會對裝備帶來不利的影響，這就要求設計人員應進行人、機和環境一體化的分析工作，從而最大限度地提高機械系統的整體性能。設計人員同時還要注意環境協調設計，既不能過度的浪費資源，又不能污染環境。