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【關鍵詞】機械；優化設計；方法特點

一、機械優化概述

機械優化設計是為了適應于不斷發展的生產現代化而發展起來的。它建立在數學規劃理論和計算機程序設計基礎上，通過有效的實驗數據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濟效益。那就讓我們關注機械優化設計中那些重要的量。

1.設計變量

設計變量是指在設計過程中我們必須全面考慮確定的各項獨立參數，一旦這些設計參數全部確定了，設計方案也就完全確定了。他們在整個設計過程中相當于一個個變量，變量的多少與數值大小直接影響著優化工作的復雜程度。也就是說，設計變量數目越多，設計空間的維數越大，優化設計工作也就越復雜，同時效益也越顯著。因此在選擇設計變量時。必須兼顧優化效果的顯著性和優化過程的復雜性。

2.約束條件

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，而優化設計問題大多數是約束的優化問題。針對優化設計數學模型要素的不同情況，可將優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。優化設計的過程就是在設計變量的允許范圍內，找出一組優化的設計變量值，使得目標函數達到最優值。

3.目標函數

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

一般而言，目標函數越多，設計的綜合效果越好，但問題求解越復雜。在實際的設計問題中，常常會遇到在多目標函數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之間的關系。對這類多目標函數的優化問題的研究，至今還沒有單目標函數那樣成熟。

二、機械優化設計的特點

在優化設計過程中，每一種優化方法都是針對某一種問題而產生的，都有各自的特點和各自的應用領域。優化設計是以建立數學模型進行設計的。它引用了一些新的概念和術語，如前面所述的設計變量、目標函數、約束條件等用來作為機械優化設計的理論依托。設計師可以將機械設計的具體要求構造成數學模型，將機械設計的問題轉化為具體的數學問題，然后應用理論推理和驗算來找到最優解決途徑。優化設計改變了傳統的設計方式，開創了應用新的有效的解決機械設計問題的途徑。傳統設計方法是被動地重復分析產品的性能，而現代的優化設計卻能夠主動設計產品的參數，從整體的大局出發找尋最優方案。優化設計的一般過程與傳統設計方法有所不同。它是以計算機自動設計選優為其基本特征的。借助于計算機的高速高效率，我們可以可以從大量的方案中選出最優方案。

作為一項設計不僅要求方案可行、合理，而且應該是一些指標達到最優的理想方案，這樣才能使機械產品為企業帶來可觀效益。

三、優化設計方法的評判指標

根據優化設計中所要解決問題的特點，選擇適當的優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果，而我們需要的是可以更加體現生產目標的最優方案。所以我們在選擇方案時一定要考慮一下四個原則：（1）效率要高。（2）可靠性要高。（3）采用成熟的計算程序。（4）穩定性要好。另外選擇適當的優化方法時要進行深入的分析優化模型的約束條件、約束函數及目標函數，根據復雜性、準確性等條件結合個人的經驗進行選擇。優化設計的選擇取決于數學模型的特點，通常認為，對于目標函數和約束函數均為顯函數且設計變量個數不太多的問題，采用懲罰函數法較好；對于只含線性約束的非線性規劃問題，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，則應選用計算穩定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內點懲罰函數相結合的方法。

四、結論

機械優化設計作為傳統機械設計理論基礎上結合現代設計方法而出現的一種更科學的優化設計方法，可使機械產品的質量達到更高的水平。近年來，隨著數學規劃理論的不斷發展和工作站計算能力的不斷挖掘，機械優化設計方法和手段都有非常大的突破。且優化設計思路不斷的開闊。總之，每一種優化設計方法都是針對某一類問題而產生的，都有各自的特點，都有各自的應用領域，機械優化設計就是在給定的載荷和環境下，在對機械產品的性能、幾何尺寸關系或其它因素的限制范圍內，選取設計變量，建立目標函數并使其獲得最優值的一種新的設計方法，其方法多樣依據不同情形選擇合理的優化方法才能更簡便高效的達到目標。當今的優化正逐步的發展到多學科優化設計，充分利用了先進計算機技術和科學的最新成果。所以機械優化設計的研究必須與工程實踐、數學、力學理論、計算機緊密聯系起來，才能具有更廣闊的發展前景。

參考文獻

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關鍵詞 優化方法 特點 選擇

中圖分類號：THl65.3 文獻標識碼：A

1機械設計優化方法的介紹

優化方法是隨著計算機的應用而迅速發展起來，較早應用于機械工程等領域的設計。采用優化方法，既可以使方案在規定的設計要求下達到某些優化的結果，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。優化方法的發展經歷了數值法、數值分析法和非數值分析法三個階段。近年來發展起來的計算機輔助設計，在引入優化設計方法后，使得在設計工程中既能夠不斷選擇設計參數并評選出最優設計方案，又可加快設計速度，縮短設計周期。在科學技術發展要求機械產品日益更新的今天，把優化設計方法與計算機輔助設計結合起來，使設計工程完全自動化，已成為設計方法的一個重要發展趨勢。

2機械設計優化方法的分類及特點

2.1無約束優化設計法

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

2.2約束優化設計法

優化設計問題大多數是約束的優化問題，根據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絡法等。其內涵是構造一個迭代過程，使每次的迭代點都在可行域中，同時逐步降低目標函數值，直到求得最優解。間接法常見的有懲罰函數法、增廣乘子法。它是將約束優化問題轉化成無約束優化問題，再通過無約束優化方法來求解，或者非線性優化問題轉化成線性規劃問題來處理。

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律，對一個隨機產生的群體進行繁殖演變和自然選擇，適者生存，不適者淘汰，如此循環往復，使群體素質和群體中個體的素質不斷演化，最終收斂于全局最優解。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，主要表現在：機械結構優化設計；可靠性分析；故障診斷；參數辨識；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，如算法本身的參數優化問題、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、遺傳算法與其它優化算法的結合問題等。

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而提出的一種基于群體的模擬進化算法。蟻群算法對系統優化問題的數學模型沒有很高的要求，只要可以顯式表達即可，避免了導數等數學信息，使得優化過程更加簡單，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算法，以優化問題的求解與物理系統退火過程的相似性為基礎，適當的控制溫度的下降過程實現模擬退火，從而達到求解全局優化問題的目的。模擬退火算法是一種通用的優化算法，用以求解不同的非線性問題；對不可微甚至不連續的函數優化，能以較大概率求得全局優化解；并且能處理不同類型的優化設計變量（離散的、連續的和混合型的）；不需要任何的輔助信息，對目標函數和約束函數沒有任何要求。

3機械設計優化方法的選擇

根據優化設計問題的特點（如約束問題），選擇適當的優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化設計的結果不符合要求。選擇優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、穩定性要好。另外選擇適當的優化方法還需要個人經驗，深入分析優化模型的約束條件、約束函數及目標函數，根據復雜性、準確性等條件對它們進行正確的選擇和建立。優化設計的選擇取決于數學模型的特點，通常認為，對于目標函數和約束函數均為顯函數且設計變量個數不太多的問題，采用懲罰函數法較好；對于只含線性約束的非線性規劃問題，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，則應選用計算穩定性較好的方法。

機械優化設計作為傳統機械設計理論基礎上結合現代設計方法而出現的一種更科學的優化設計方法，可使機械產品的質量達到更高的水平。近年來，隨著數學規劃理論的不斷發展和工作站計算能力的不斷挖掘，機械設計優化方法和手段都有非常大的突破。且優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化等現代設計理論的引入，都大大促進優化設計方法的更新和完善。機械設計優化給機械工程界帶來了巨大經濟效益，隨著技術更新和產品競爭的加劇，優化設計的發展前景非常的廣闊。

參考文獻

[1] 孫靖民.現代機械設計方法[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2011.

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關鍵詞：高速公路；公路養護；施工決策；最優化設計

前言

所謂高速公路養護施工決策最優化設計，實質上是指利用有限的養護資金，把高速公路路面發揮到最優質的服務水平，或者從另一角度來看，即把高速公路路面產生最大的經濟效益。最優化的高速公路養護施工決策，在傳統的決策模式上有所創新，有利于降低資金的投入和減少二次施工對非保養路段的損害，更符合決策所要求的系統化、科學化和現代化。就目前我國高速公路養護施工決策常用的優化方法，可分為數學規劃的優化方法，目前在我國應用最廣和人工智能的優化方法兩大類，其中人工智能的優化方法又稱遺傳算法。再者，高速公路路面養護施工決策設計分為單目標路面養護決策和多目標路面養護決策兩種。

1 高速公路路面損壞的常見原因

1.1 路面出現裂縫 由于高速公路長期荷載車流量過高，導致部分路段嚴重變形，甚至出現路面沉陷，出現裂縫。有些路段由于未能及時養護，常導致坑洞磨損等現象，加速高速公路結構的破壞。

1.2 路面結構完整性被破壞 由于我國大部分高速公路的建設參照傳統的方式，一些項目指標未能按照國際標準去執行。如耐久性設計、抗疲勞損傷設計、減隔震技術設計、路面狀況指數PCI、行駛質量指數RQI、路面強度系數PSSI、行駛安全指數SRI等方面的測度和評價存在不足，容易忽略這些不足對高速公路路面的影響[1]。

1.3 施工材料選擇不當 傳統的高速公路特別注重整體的穩定性，所以把建設工程的目標放在提高整體路面的硬度任務上。過硬的公路路面容易產生裂痕，不利于瀝青的攤鋪，且增大路面損壞的密度[1]。

2 高速公路養護施工決策最優化設計模型

高速公路的養護措施決策優化包括兩個方面，即高速公路養護管理體系的最優化和機械組合的最優化。這就需要對高速公路的使用添加一定的約束條件，例如瀝青路面損壞程度的約束、車流量通行的約束等。

2.1 高速公路養護施工管理與機械組合要求和約束指標 該要求的優化目標是尋找有效的養護對策，在約束條件的限制下，指定維修和路面養護計劃。所要求的數據資料有交通量、路段長度、路面類型、設備租買、材料預計、人力準備、路面狀況各個評價指標等。對于路面養護施工管理系統，主要是協調各個部門的人力資源、設備、材料等對路況進行調查、評價，在相應時間內作出效果最佳的養護對策和計劃。

高速公路的不同路面狀況、不同路面損壞類型、不同路面損壞密度都會影響到決策的設計，一些相關的約束指標因此受到重視。日常養護維修的施工時間應在2 - 4 （h? km -1），施工成本應控制在0.5 （萬元?km -1 ）。局部挖補、鋪蓋3cm罩面耗時較短，稀漿封層和磨耗層耗時比較長。引用數學期望E值來測評高速公路養護的決策。對于高速公路路面狀況基本良好，但抗滑性能不足，E值在30，此時可安排日常維修。對于路面凹凸不平、接縫處平整性不足、路面破損較為嚴重，則需采取局部或者大面銑刨，鋪蓋稀漿封層以及磨耗層。

2.2 高速公路養護施工管理系統流程 高速公路路面養護的管理系統流程包括調查儀器的采用、數據采集、數據分析、數據傳送等。采用相關電腦數據統計軟件，打開最優值的計算程序，負責人僅需把高速公路各路段的數據收集好并錄入Access數據庫中，記錄成表，根據路況的路線確定每一個區段的養護時間、資金的合理分配以及相關工作人員的合理安排，以便于分析和觀察。在明確給定的養護資金限額下，用線性規劃確定每一個區段的最優養護施工的短期、中期、長期養護計劃，大大提高公路使用的耐久性并且有效地控制養護資金。最后，由負責人在電腦上輸出高速公路每一個區段的最佳資金分配、最佳工作人數分配、時間的最佳安排。此過程可進行不斷地修改與調整，路況的現實情況也可作為一個反饋促進養護施工設計的優化。

2.3 高速公路掩護施工組織與機械組合最優化設計

2.3.1 組合安全作業最優化設計 解決組合安全作業最優化設計的理論依據是數學模型?？稍O定路面不同損壞程度為A 1，A 2，A 3 ……，A m，養護方法和機械的組合方式有B 1，B 2，B3，……，B n ，因此針對每種損壞程度所采用的養護方法和機械組合可設定為a ij ，施工時間可用b m 表示，以養護方法所需的時間為施工決策的變量 X j。得公式如下：

Min Z = x 1 + x 2 + x 3 + …… + x n

∑a ij x n ≥ b m

（n = 1 ， 2 ， 3 ，……，N）

2.3.2 組合使用成本最優化設計 和組合安全作業最優化設計方法一樣，設定路面的不同損壞類型分別為，A 1，A 2，A 3 ……，A m，養護方法和養護機械的組合方式為B 1，B 2，B3，……，B n ，針對每一種路面損壞類型所采用相應的養護方法和養護器械組合為a ij ，為使施工成本降到最優值，設定施工成本為b’m 。高速公路養護施工組織與養護器械組合投資成本最優化的數學模型公式如下：

Min Z = x 1 + x 2 + x 3 + …… + x n

∑a ij x n ≥ b’m

（n = 1 ， 2 ， 3 ，……，N）

2.4 瀝青路面攤鋪 對于瀝青的攤鋪要選擇恰當的攤鋪機，所采用的原料要嚴格檢驗。此外，還要按照指示邊樁和標高進行攤鋪，控制好地基鋪筑厚度，使得橋路接縫處更順治、緊密。熱拌瀝青混合料的攤鋪要嚴格按照操作規程控制，對每個路面保養區段分配專人進行檢查，其內容主要包括壓實溫度、瀝青混合料的顏色、配比情況，對每一項檢查均認真做好記錄。當施工環境氣溫大于等于10°C時，瀝青的攤鋪溫度應大于等于120°C，碾壓開始的溫度應大于等于110°C，碾壓后的溫度應降低到70°C以下。熱拌瀝青混合料的碾壓順序由橋梁接縫處開始碾壓全路，機械應選擇輕型，然后進行第二次復壓，機械改為重型，最后一次終壓，機械改為輕型，機械輪跡重疊寬度不應該超過200 mm。

結束語

高速公路路面的養護施工是工程的重要環節，其對于提高公路使用的安全性、耐久性、適用性有著非常大的幫助。對于高速公路養護施工組織與機械的最優化組合決策，就是把施工方案的執行更加符合經濟性和合理性。從組合安全作業最優化和使用成本最優化這兩方面進行施工決策設計，提供的數學模型能高效地解決路面斷裂、翻漿、接縫處出現橫裂或者資金有限、分配不足等問題。完善的高速公路養護施工管理系統流程有利于負責人把項目的每一環把握到位，提高施工的效率，減少成本，使現有資金得到高效分配。

不同高速公路損壞路段有不同的養護方案和養護工具，施工者應具體問題具體分析，選擇最優的養護方案和養護工具，作出最優化的決策。

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關鍵詞：船舶結構；機械 工程；設計

中圖分類號：TH122文獻標識碼： A 文章編號：

引言

如前所述，在船舶結構的設計中能用到的變量都有好幾個限定條件，多個限定條件使得優化結構中出現一些問題，為解決相關問題應選用有效的離散變量。在船舶結構方面的設計中，主要參考現代數學理論、計算機技術以及工程的一些特征作為其未來的發展方向或前景。綜觀以往研究，國外更加注重開發優化算法，在規范設計、數據設計以及專家經驗的運用方面有所忽視。機械 工程在優化結構設計中的運用減少了用戶的計算量以及對經驗和機械 的需求，很大程度上提高了結構優化設計的水平。

基本原理介紹

結構設計中機械 工程的應用

作為一種工程理論，機械 工程實現了機械 在不同領域的多重使用，它以將在相關領域長期實踐經驗總結得到的相關標準嵌入新型軟件為核心，通過推理和邏輯分析達到產品設計的目的。

對結構進行優化時，要求在條件限制下，設計一組包含數學函數以及其變量等參考數據，以便滿足目標最優化。結構設計中運用機械 工程能夠幫助用戶在最初目標函數的基礎上進項設計，以求在參數的不斷變化中找到最佳設計方案。

機械 工程的關鍵在于其對機械 的表示、獲取和推理。實現在結構設計中應用機械 工程要能夠利用技術獲取機械 ，然后能夠將所得機械 按某種形式轉化為計算機語言，最后在遇到具體問題時充分利用存儲庫中的機械 加以解決。

建立機械 庫

作為機械 的集合，機械 庫中儲存了大量的案例、規則和積累的經驗。在機械 庫建立過程中，首先要對相關文獻以及經驗進行整理劃分，將相關機械 按某種類別加以劃分，最后整理出針對不同問題的解決對策，并將其存入數據庫，作為機械 儲備。在獲取機械 時可以根據不同情況采用不同的方法，既可以向相關行業專家咨詢，也可以查閱文獻，不斷進行歸類整理。機械 庫的建立就是要為用戶解決問題、利用機械 提供有效的渠道。

相關概念的界定

結構設計是否合理、是否符合制定的標準，需要我們通過一定的標準、規則和公式來進行檢查。以下是對相關概念的界定：

表格設計。其用來表示不同產品的不同性能，由于產品的大小、形狀各不相同，因此將產品的各種特性編制成表格更能清晰的反應出來，為產品的設計提供依據。

規則設計。其主要指活動中各項具體規則的制定。

檢查設計。通過該設計能實現對信息的快速判斷。

結構設計的流程與策略

流程設計

船舶體積龐大，在設計過程中會用到相關離散變量，諸如板材的樣式、厚度、寬度等。這些變量學科關聯度高、對設計的要求高、需要設定的限定條件也多，這使得設計中多峰性以及非線性問題嚴重。因此，在該設計中需要大量的計算以及數據的存儲，這樣耗費的時間過長。在將機械 工程引入以后，有效的解決了這些問題，在機械 庫中構建并存儲有關船舶設計的專家經驗、規范要求以及相關數據使得模型設計與參數實現相互轉換。

專家指出船舶支架中的約束條件較為保守，只有滿足限定條件才能達到較好的設計效果。對于有些結構較小的部件，由于其占據船舶重量的比例較小，對設計產生較小的影響，因此再設計時可將其作為已經變量，重點放在對傳播者橫踢影響較大的部件上，這樣能夠大大提高效率，縮短設計的時間。

（二）策略設計

在設計船舶橫艙結構時除了需要用到離散變量以外，會用到隨機變量。由于在該設計中用到標準化的材料，因此要在機械 庫中選擇標準材料；對于水平與垂直材料的焊接，應該選擇隨機變量來衡量材料的厚度和高度；在依據相關規范對船舶橫艙進行設計以后，很容易發現其中的限定條件多為限制橫艙材料的厚度；剖面模數主要限制垂直材料；除此之外，板材的高度和厚度也要形成一定比例。在設計過程中還要充分考慮局部設計的穩定性，材料厚度設計要結合機械 庫中的相關數據來進行。

在具體設計中，可以將船舶橫艙的高度以及寬度設定為已知參數，依據機械 庫中存儲的數據對其賦值。變量主要是指在設計時能變動的參數，變動的所有數值將會有具體的方案與之相對。因此在設計時要使板材的參數與表格設計中的參數相對，分別對厚度、高度、寬度設置參數。限定條件的設計主要是針對剖面模數的限制以及材料和工藝穩定性的限制。設計中也需要注意公式以及模型的編寫，這時機械 庫的作用尤為明顯。借助機械 庫中儲存的規則、公式進行結構規劃，能夠有效的避免公式的重復編寫，減小了計算量，同時保護了企業的資產。

通過建立數據和限定條件、選取相關的模型，將會實現機械 理論向數學模型的轉變。優化設計應以減輕船舶重量，降低生產成本，提高經濟效益為目標。同時該設計也豐富了機械 庫中經驗的積累，實現了機械 和資源的有效共享。機械 工程在優化結構設計中的運用，在更大程度上提升了結構設計的水平。

結束語

綜上所述，機械 工程在船舶設計中的應用，有效的解決了許多設計方面的問題或難題。同時，數據與限定條件的建立以及模型的選取，真正實現了機械 理論向數學模型的轉變。在優化設計過程中，船舶的重量在不斷減小，生產的投入也在不斷降低，而經濟效益與實踐經驗卻在日益提高，可以說有效實現了機械 與資源的共享。所以，我們一定要積極推動機械 工程在船舶結構設計中的有效應用，爭取取得更好的應用效果。

參考文獻：

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[3]崔進舉,王德禹,夏利娟,馬沖.基于機械 工程的船舶舯剖面結構設計及優化[J].上海交通大學學報.2012（03）.

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中圖分類號：TP39文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791 （2010)04(a)-0000-00

機械設計是根據使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、方法等進行構思、分析和計算并將這些轉化為具體的描述以人為制造依據的工作過程。傳統的機械設計也稱常規設計，是一種以強度和低壓控制為中心的安全系數設計、經驗設計、類比設計和機電分離設計。隨著現代科學技術的發展，現代機械產品設計更加強調創造性，在注重整體功能的基礎上以現代化的設計方法和計算機技術作為工具，提高了設計的質量、效率和精度，滿足了產品對經濟性、適應性和可靠性統一的要求。與傳統設計相比，現代機械設計在功能、結構和產品的設計要求方面都有明顯的優勢。

一、現代設計方法和傳統設計方法比較

1、傳統的設計方法。傳統設計方法以直覺設計、經驗設計、靜態設計為基礎，所使用的設計方法有理論設計和經驗設計兩種。（1)根據長期總結出來的設計理論和實驗數據所進行的設計稱為理論設計。實際情況往往復雜多變，理論設計對問題的考慮不夠全面，若安全系數選擇過大，則產品可能超大。若安全系數過小，又很難保證產品的安全性。（2)經驗設計指根據某類零件已有的設計方法與經驗關系式，或者按照設計者個人的工作經驗用類比方法進行的設計。隨著設計產品的技術含量不斷提高，技術系統變得越來越復雜，產品更新的速度也在逐漸加快，經驗類比的設計方法已遠遠不能滿足市場的需求。

2、現代機械設計方法?，F代設計方法是以思維科學、設計理論系統工程為基礎，以計算機作為工具的各種技術和程序的總和。與傳統設計方法比較，傳統設計是靜態系統、以經驗作為方法，純手工手段的；現代設計是動態系統，以科學為方法，用計算機手段。在設計方法上，與傳統機械設計相比現代設計在機械零件的設計上更可靠、更優化。

現代設計將傳統設計方法中涉及到的設計變量如材料強度、尺寸、應力等，當成服從某種分布的隨機變量，并根據產品的可靠性指標要求，用概率統計的方法得出零部件和元器件的主要結構參數和尺寸。根據概率論的觀點，安全系數必須和對應的可靠性聯系起來才有意義。如：按傳統設計法，安全系數大于1的零件是不應該失效的，而實際應用中，安全系數很大的零件也有可能發生失效。按傳統的設計方法，對絕大多數零件(如齒數、輪齒寬、螺旋角等)的設計結果雖然在剛度、強度兩方面滿足了設計要求，往往因為經驗性和盲目性，很難達到最優化結果?，F代優化設計跳出了傳統的設計思維，在符合一系列條件的前提下，求出滿足最優效果的設計參數解。

此外，傳統設計往往需要人工資料檢索、手工計算和繪圖，需要耗費較多的時間和人力，設計質量受到影響。計算機輔助集合人的經驗和智慧，將計算機的高速運算功能和人的創造力結合起來，加速了設計進程。

二、現代機械設計與傳統設計特點比較

現代科學技術的發展與計算機的廣泛應用，使現代機械設計形成了自己的理論方法和體系，匯集了多個專業和領域的知識，成為一門交叉學科。與傳統的機械設計相比，現代機械設計具有很多明顯的優點。

1、傳統機械設計思維比較被動，現代機械設計具有較強的主動性。傳統設計依靠靈感和經驗，思維往往比較被動。而隨著現代技術的迅速發展和市場競爭的日益激烈，人們必須不斷的提出新的、大膽的開發目標和設想，并運用現有的最新科學技術創造出全新的產品。傳統依靠經驗的設計已經不能適應這一需求。現代設計在進行研究創造設計思維本身的規律時，運用靈感、方案、優化設計產生的內在邏輯，并由此產生了創造學、價值工程、設計方法學等理論。

2、傳統設計注重機械本身預定功能的實現，現代機械設計要求把對象置身于大系統中，并對系統作出設計，將預定的功能在人—機—環境之間進行合理分配。充分考慮到人的生理和心理因素，力求在人際之間做出最佳設計。此外，現代設計還考慮到機械從原料圖區、加工裝配、投入使用至報廢回收等全部生命周期中各個階段與環境的關系，以減少對自然環境的傷害并保證生態平衡。

3、現代機械設計強化了傳統機械設計對強度準則的要求。有限單元法和斷裂力學等領域的研究成果在現代機械設計中的應用，強化了設計者強度設計的能力，現代設計的準則也因此拓寬到產品設計的更多領域。現代消費者對產品的需求從實用需求上升到物質與精神享受并重的層次，對現代機械設計提出了藝術和美學方面的要求。

4、傳統設計歷時長、耗費大，現代機械設計周期短，耗費低。傳統機械設計一般先根據目標和任務做出第一個方案并造出樣機，然后對樣機評定、考核，進行修改，形成第二套方案，如此反復，到滿意為止，設計過程周期長、耗費高?，F代設計根據各種給定的條件，運用優化設計的原理和方法，借助計算機求取最佳設計參數和設計方案。在現代設計中，優化意識還延伸到產品的總體方案論證，產品結構和工藝設計各個方面，并產生了遺傳算法、模糊算法等許多新的理論方法。

5、傳統設計受思維進度的約束，現代機械設計利用計算機改變了這一缺陷。在傳統的設計中，從概念設計、技術設計到編制工藝、計算工時成本，有許多部門用串行工作方法參與，需要一個漫長的過程，而現代的并行設計技術，使人們在作出一個方案的設計時，通過計算機網絡同時獲得后續過程相關信息，使設計者有可能及時修改方案，尋求一個全面、綜合的優化方案。

三、小結

現代機械與傳統設計相比，在功能、結構和產品的設計要求方面都有明顯的優勢，改變并完善了傳統機械設計的缺陷。它將許多學科和領域融合，并將這些技術在現實機械中實現了完美的結合。但現代機械設計不僅僅個人行為，在設計群體中，所有成員都應掌握現代機械設計的有關知識，做到相互了解和配合，并建立全局觀念，才能實現現代機械的完美設計。

參考文獻：

[1] 胡玲鳳.現代設計技術在機械設計中的應用分析[J]. 農機化研究, 2005(6):92-96.

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（長沙市規劃設計院，長沙410007）

摘要：建筑結構優化設計對于項目的成本控制起著重要的作用。在建筑結構優化設計中引入價值工程理論，通過功能成本分析，將技術問題與經濟問題緊密結合，以最低的成本費用，可靠地實現產品的必要功能，從而提高產品的價值，彌補設計工作的不足。本文通過價值工程在建筑結構優化設計中的使用，說明價值工程在結構優化設計中的意義，確保有效優選。

關鍵詞 ： 建筑結構；優化設計；價值工程

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）24-0130-02

作者簡介：羅利波（1978-），男，湖南長沙人，高級工程師，研究方向為結構設計及加固。

1 建筑結構優化設計概述

1.1 傳統的建筑結構設計方法

傳統的建筑結構設計方法，過程大致是根據經驗給出一個設計方案和做法，用力學方法進行結構分析，檢驗結構及構件是否滿足規范規定的強度、剛度、穩定性、使用等方面的要求，或通過對少數幾個方案進行比較而選出可用方案。通常的步驟是假設、分析、校核、重新設計。

1.2 建筑結構優化設計方法

我國建筑結構設計優化設計理論研究始于六十年代，1973年錢令希教授發表《結構優化設計的近展》，將數學規劃法和準則法結合在一起，假定結構構件處于滿應力狀態，分別對構件進行優化。由于結構優化設計的重要性，很多學者對結構優化設計做出大量的研究，使結構優化設計理論研究不斷發展。1982年，錢令希教授在《我國結構優化設計的現況》中詳細總結了這十年的結構優化設計研究和應用方面的成果，為我國進行優化設計研究指明方向。2001年，大連召開第四屆WCSMO會議，30多個國際200多位學者參加了會議，會議內容包括結構與多學科問題的靈敏度計算、分析計算、優化設計及其工程應用等。

目前，建筑結構優化設計主要指結構綜合與優選，過程大致是假設、分析、修改設計、最優設計，這種修改設計是在滿足各種規范或特定要求的條件下，通過優化方法，從管理、技術、經濟各方面綜合考慮，采用結構優化程序、應用優化理論方法，找出最優級的方案（材料最省、造價最低、或某些指標最佳的方案），以達到最優目標。

1.3 大師對建筑結構優化設計的看法

中國工程院院士江歡成：“我國優化設計工作方興未艾，大有可為。它符合可持續發展和科教興國兩大戰略，它是我國建設方針的體現，是科學發展觀在建筑行業中的落實。優化設計工作，私企、民企對此態度積極，國企相對不夠重視。建議政府給予支持”。

中國工程院院士程耿東：“在建筑領域應用優化設計，不僅可行而且十分符合節約能源，保護環境的可持續發展觀。結構優化設計作為一種基于計算機的快速自動設計過程，可以在滿足規范等約束條件下得到優化的設計方案，降低成本造價，提高結構性能。增大使用空間，縮短施工工期，是設計者追求的終極目標，在建筑領域應用和推廣結構優化設計更有著不同尋常的意義，對設計單位、開發商、百姓都是好消息，它是惠及百姓的環保設計理念，具有前瞻性，會帶來多贏”。

2 運用價值工程優化建筑結構設計

價值工程，是一門技術與經濟相結合的現代管理科學，是通過對產品的功能與費用系統分析，使之以最低的壽命周期成本，可靠地實現產品的必要功能的管理方法。運用這種方法，通過功能細化，去掉多余的功能，對功能實施重點控制，目的是以研究對象的最低壽命周期成本可靠地實現使用者所需功能，以獲取建設項目經濟效益、社會效益以及環境效益的最佳結合。

價值工程以功能分析為核心，著眼于建筑產品的壽命周期成本。建設費用、使用費用與功能水平的變化規律決定了壽命周期成本（圖1），隨著功能水平提高，建筑產品的使用費用降低，建設費用卻在增高，反之，使用費用增高，建設費用降低；建設費用C1的曲線和使用費用C2的曲線的交點所對應的最低壽命周期成本Cmin才是最低的，最低壽命周期成本Cmin所對應的功能水平F0是從費用方面考慮的最為適宜的功能水平。

價值工程的目標表現為產品價值的提高，是對象所具有的功能與獲得該功能的費用之比，可用公式表示為：價值（V）=功能（F）/成本（C）。

提高產品價值的途徑：

某住宅小區在基礎設計前對方案對比優化設計。該工程場地穩定，無不良地質作用。場地類型為軟弱場地土，建筑場地類別屬II類，擬建場地可不考慮地震液化的影響。場地自上而下各地層為：

①素填土①：平均層厚10.78m，結構松散，未完成自重固結，局部有建筑垃圾分布，承載力低。

②粉質粘土②：分布連續，埋深大，層厚0.90m~5.00m，可塑~硬塑，稍濕，不宜選擇該層作為擬建多層建筑物基礎持力層，fa=240kPa。

③強風化板巖③：厚度較大，巖心呈塊狀，遇水易軟化，失水易干裂，fa=340kPa，qpa=2100kPa（人工挖孔灌注樁），qpa=2500kPa（沉管夯擴灌注樁）。地下水：主要類型為強風化板巖③基巖裂隙水，微承壓性，該段地下水水量較少。在勘察期間，穩定地下水位埋深為5.32~13.20m，高程為52.77m~59.36m。擬建場地有一層地下室。地下水在直接臨水或強透水層中對混凝土具有中等腐蝕性，在弱透水層中不具腐蝕性；對鋼結構具弱腐蝕性。

可選樁型及優缺點：

①沉管夯擴灌注樁，優點：在樁端處夯出擴大頭，單樁承載力較高；樁身質量高；施工機械輕便；施工速度快、工期短、造價低；無泥漿排放。缺點：遇中間硬夾層，樁管很難沉入；遇承壓水層，成樁困難；振動較大，噪聲較高；屬擠土樁，設樁時對周邊建筑物和地下管線產生擠土效應；擴大頭形狀很難保證與確定。

②預應力管樁，優點：單樁承載力高；單樁承載力造價便宜；運輸吊裝方便；施工快、工效快，工期短。缺點：噪音大，擠土量大，會造成一定的環境污染和影響；打樁時送樁深度受限制，在深基坑開挖后截去余樁較多；在“上軟下硬、軟硬突變”的地質條件下，不宜采用錘擊法施工；不適合樁端持力層為遇水易軟化的風化巖層。

③長螺旋鉆孔灌注樁，優點：不受地下水位的限制，穿透力強，施工過程無噪音，振動小、無排漿、無塌孔，成樁效率高。缺點：樁身強度不足；樁底不能入巖，單樁承載力低。

④人工挖孔樁，優點：單樁承載力高；可以極大降低生產成本；適用于大型機械無法作業的山區；生產條件要求低，可多孔同時作業。缺點：機械化低，施工進度慢；成孔質量不易控制；現場施工不易控制。人工挖孔樁技術適合直徑超過800mm并且地下水較少或無水的土質，不適合地下水位高、有流沙、大水量沖擊區域、含水量多的淤泥、淤泥質土層等。

⑤旋挖樁，優點：鉆進能力強；不易產生泥皮，有利于增加樁的摩阻力，提高樁的質量；振動與噪音較低；成孔速度快，尤其在砂質土內成孔；機械設備較簡單。缺點：護壁相對較差，容易縮徑、塌孔；設備價格昂貴，設備維修費用高、時間長，工成本與其他成孔方式相對較高，卵砂石層中鉆進存在成孔困難。

以上5種方案，各有優缺點。利用價值工程理論，①、④兩種方案更具經濟性，滿足功能不變化同時降低造價，以此來提高產品價值。本工程多為墻下線荷載及柱下集中荷載，其墻柱荷載為5000kN~8000kN，2600kN~5600kN（純地下室的框架柱），依據價值工程理論綜合比較采用人工挖孔樁基礎，以強風化板巖③為持力層，該持力層的樁的端阻力特征值為qpa=2100kPa，樁端進入持力層的深度大于等于≥1.0m，相鄰樁端底標高應按規范進行控制，平均樁徑為0.9~1.5不等（主樓部分），0.9~1.0不等（純地下室部分）；擴底直徑分別為1.3~2.4m（主樓部分），1.3~1.6m（純地下室）。施工完成后經濟效果良好。

3 結語

價值工程著重產品功能的分析，以最低的成本費用，可靠地實現產品的必要功能，提高產品價值，而這可以彌補結構設計優化的不足。所以，價值工程在結構設計優化中的運用，能夠很好地解決工程成本的控制，優選出最佳的設計方案。價值工程存在于項目進行的方方面面，設計、施工以及管理等等，不能只靠個別人員、部門，而要通過有組織的活動，發揮集體智慧，經過多個部門的配合，才能收到良好的效果，達到項目的利益最大化。

參考文獻：

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[3]蔡新，郭興文，張旭明.工程結構優化設計[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

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[5]江歡成.優化設計的探索和實踐[J].建筑結構，2006（06）:1-24.

[6]程耿東，李剛.基于功能的結構抗震設計中一些問題的探討[J].建筑結構學報，2000（01）:5-11.

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【關鍵詞】機械設計；現代設計；設計技術；研究

機械設備的產生與使用為人類生活、生產提供了巨大便利，不僅節省了人工勞動力的支出，還提高了工作與生產效率，促進了社會經濟的積極發展。要提及的是，機械設計作為機械工程的一部分，它影響并決定著機械設備的性能，也順帶影響著機械工程的發展與進步，因此在機械工程中，相關技術人員務必要重視機械設計，不斷更新知識，創新設計方法，將先進技術科學應用到機械設計中，切實提高機械設計水平。下面就機械設計中應用到的現代設計技術作詳細論述。

1 現代設計技術與傳統設計技術的比較

現代設計技術匯集了多個專業、多個學科知識，與傳統設計技術最大的區別在于，現代設計技術引進了計算機技術，屬于交叉性學科。對比分析現代設計技術與傳統設計技術的優缺點，得出結論如下：

1.1 現代設計的設計思維更主動

傳統設計主要依靠設計者的靈感和設計經驗，只有同時具備了這兩種因素，設計才能完成，所以傳統設計大多是被動設計，缺乏一定的主動性。而現代設計則截然不同，現代設計以靈感、方案、設計優化為基礎，利用現有的先進技術與先進理念主動創新，以市場為導向，占據主動權，所以由此滋生了諸如創造學、設計方法學等多種理論科學。比起傳統設計技術，現代設計技術的主動意識更強。

1.2 現代設計更重視產品的功能分配

拿機械設計來說，傳統機械設計只重視機械的預定功能，設計產品只需實現預定功能即可。而現代設計則要求將設計產品放到一個大系統中，綜合系統情況來對產品進行設計，重視產品功能的合理分配，維持“人―機―環境”的平衡。現代設計在設計時將“人”考慮到其中，重視人機關系，同時考慮到自然環境保護，堅持環保原則，力求保證設計的生態平衡。

1.3 現代設計更加重視產品強度

現代機械設計傳統機械設計更注重強度設計準則，現代設計技術在設計中應用了有限單元法和斷裂力學，切實強化了機械產品的設計強度。而該設計準則在傳統設計中是沒有涉及的。另外，除了強度設計準則以外，現代設計還將藝術、美學因素考慮到了設計中，提出了藝術設計與美學設計要求。

1.4 現代設計周期更短，耗費更少

對比傳統設計與現代設計的設計周期，由于引進了計算機等先進技術，現代設計的設計周期比傳統設計周期要短很多，設計效率也得到了大幅度的提高。另外在設計耗費上，現代設計所消耗的費用比傳統設計耗費要少很多，設計總效益也比傳統設計高。

2 現代機械設計技術的特點

總結上述所分析的現代設計技術特點，發現現代設計技術具有思維主動、功能完善、設計邏輯明確、設計強度高、設計周期短、耗費少且效益高特點。如果將現代設計技術應用到機械設計中，實現現代化機械設計，則該類設計技術在實際應用時將具備以下特點：（1）計算機技術的應用使現代化機械設計的步驟更加明晰，設計周期更短；（2）現代化機械設計初始階段能及時發現不良問題，所以機械發生故障的可能性較低；（3）現代化機械設計同時考慮機械產品的動態與靜態屬性；（4）現代化機械設計能充分利用計算機技術來實現設計方案優化、系統防真。

3 現代設計技術在機械設計中的應用

3.1 機械優化設計

優化設計是現代化機械設計的一個重要表現形式，基本思想是利用現代化設計技術來優化機械設計方案，并建立一套與機械設計規劃相符的現代化設計模型，輔以計算機軟件，計算分析出最佳的機械設計方案。這一設計方式能有效提高機械設計效率，確?，F代化機械設計方案的可行，創新并設計出性能良好的機械設備。

3.2 防真與虛擬設計

現代化機械設計以計算機作基礎，隨時隨地都離不開計算機軟件與計算機系統。在現代化機械設計的初始階段，設計者可以利用計算機仿真技術對機械產品的設計、開發全過程進行模擬，預定下產品的性能，分析產品的可制造性以及需要花費的產品制造成本。如果可行，再進行機械設計。這一設計方式不但能提高機械產品的設計可行性，還能有效控制設計成本，縮短產品的設計周期，提高機械產品的設計效率，切實保證機械產品的性能完善。

3.3 機械創新設計

機械創新設計（Mechanical Creative Design，簡稱MCD）的關注焦點在于充分發動設計人員的智慧和創新思維能力，進而設計出來新型的機械功能、機械結構或者機械產品。MCD非常強調設計人員在機械設計過程中的靈魂作用和主導作用。因此，在機械設計的過程中，設計人員要充分動用各種創新思維模式（例如，發散思維模式、頭腦風暴等）。但是在機械設計中設計人員很難向藝術家構思藝術作品那樣做到“天馬行空”，因為機械結構選型的多解性和復雜性將創造性思維限制在一定的范圍內。但是智能專家系統和各種計算機輔助設計系統在機械設計中的應用，讓設計人員能夠有更多的精力去運用創造性思維，把繁瑣的計算和設計求解交給智能專家系統去完成。

3.4 機械模糊設計

機械模糊設計（Mechanical Fuzzy Design，簡稱MFD）的關注焦點在于模糊數學知識在機械設計過程中的充分、靈活、深入地運用。復雜化是當前機械設計的重要趨勢之一，復雜化的機械設計必然導致設計中各種變量關系的復雜化。但是過于復雜的機械設計方案，想要對其進行精確的描述則具有極大的困難或者需要花費極大的精力。但是如果將機械設計方案的精確描述改為“承載能力較強”或者“使用壽命較長”等類似的模糊描述，實質上出現了設計中的“模糊現象”。

3.5 機械綠色設計

機械綠色設計（Mechanical Green Design，簡稱MGD）的關注焦點在于提高產品的“綠色程度”，即在滿足環境目標要求的同時，保證產品應有的功能、使用壽命和質量等。綠色設計通常也稱為生態設計、環境設計、環境意識設計等。在傳統產品設計過程中，設計人員主要按照產品性能、質量和成本要求等指標進行設計，設計過程中對產品的維護性、拆卸性、回收性、淘汰廢棄產品的處理及對生態環境的影響等考慮較少。這樣制造出來的產品，在其使用壽命結束后，由于缺乏必要的拆卸和回收性能，回收利用率低，其中的有害物質對生態環境造成了嚴重污染，影響生活質量和生態環境，造成資源的大量浪費。綠色設計就是針對傳統設計的這種不足而提出的一種全新的設計理念，它包含產品從概念形成到生產制造、使用乃至廢棄后的回收、重用及處理處置的各個階段，即涉及產品的整個生命周期；強調在產品開發階段按照全生命周期的觀點進行系統的分析與評價，消除潛在的、對環境的負面影響。

4 結束語總而言之，隨著計算機技術在機械設計行業中的不斷滲透與應用，機械設計技術也逐漸由傳統設計轉向了現代設計，實現了機械設計的現代化。在本篇文章中，筆者分析比較了現代設計技術與傳統設計技術的區別，并探討了現代化機械設計技術的特點，同時結合現代化機械設計現狀，對現代化機械設計中的現代設計技術應用情況作了詳細論述，得出相關結論，希望能為同行工作者提供幫助。

【參考文獻】

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[2]胡曉波，張煥.現代設計技術的發展現狀與趨勢[J].機械研究與應用，2011（04）：158-159.

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關鍵詞：現代設計理論與方法；教學方法；實踐教學；畢業設計

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0124-02

“現代設計理論與方法”是一門多元綜合、新興交叉學科的課程，它融匯了當今科學技術的精華，與各相關學科緊密聯系。河南理工大學把此課程作為機械類專業本科生的一門專業必修課，在大三第二學期開設此課程。該課程在專業的體系中起到承前啟后的作用，它緊密聯系和應用先修課程，如高等數學、概率與數理統計、理論力學、材料力學、機械設計、機械原理以及高級程序語言等多方面的知識，并為后續的畢業設計環節打下先進的理念基礎。

該課程講解內容包括了系統分析設計方法、創造性設計、優化設計、可靠性設計、有限元分析法以及機械工程CAD基礎等。教材編排上，每一章的內容講解一類現代設計方法，前后章節相對獨立，一方面使學生在學習中不至于出現某一章節掌握不好而影響其他章節的學習，另一方面也使得老師在講解每一章內容的時候，教學方法靈活，針對不同的現代設計方法的特點采用不同的授課方法。本課程所涉及的設計方法種類多，部分設計方法理論性強，公式推導多，枯燥乏味，內容抽象，且現代設計方法的理論學習與實際應用有較大的反差，如果完全按照教科書來組織教學，學生就會學得索然無味，也不知道理論該怎么應用，收不到良好的教學效果。因此，在教學中應針對不同章節的教學內容采用合適的教學方法，對激發學生的學習積極性、主動性以及提高教學效果起到促進的作用。經過幾年的課堂教學實踐探索出以下幾點經驗。

一、教學方法

1.比較式教學法

人的各種活動都是由一定的動機所引發的，學生學習也總是為一定的學習動機所支配。動機強度大，學習積極性高，學習的潛能就會得到最好的發揮，學習效率也高。為了使學生較好地掌握“現代設計理論與方法”的知識乃至此學科方面的理論，激發他們的學習興趣，學習動機至關重要，第一章“緒論”講授的重點也就在此。為了使學生們認識到本課程的重要性，采用比較式的教學方法，將現代設計方法與傳統設計方法進行對比教學，從可靠性、高效性、動態化、最優化、創造性等方面講解兩種設計方法的特點，傳統設計方法只能獲得簡化條件下的近似解，而現代設計方法能獲得準確解和最優解，從而認識現代設計方法的先進性，提高學生設計理念的現代意識。“優化設計”一章所涉及的優化方法種類較多，根據數學模型中設計變量的個數以及是否有約束條件，優化方法分為一維搜索方法、無約束優化方法、有約束優化方法三大類，每一類優化方法中又包含了不同的優化算法。在實際工程中，采用何種優化算法，才能簡化計算、提高計算速度及計算穩定性等，最終得到滿足精度要求的優化解，是學生們比較關注，也比較困惑的地方。為此，在講解的過程中應針對不同的優化算法，列舉其特點，比較不同算法之間的優缺點、適用條件、初始點選取規則等等，根據每種算法自身的特點去有目的地選取適當的優化算法。

2.引導式教學法

在講授過程中，善于提問，引導學生自己思考，提問后鼓勵學生回答問題，發表自己的見解，通過一問一答或只問不答的形式，與學生之間形成互動，以此激發學生強烈的求知欲望，加強學生的聯想能力、發散思維能力以及知識的運用能力。同時，通過提問的形式來提高學生的集中力和課堂的教學效果。如“可靠性設計”一章，講解可靠度的推導公式時，其公式推導過程是單調枯燥的，為了避免學生精力不集中，產生厭煩情緒，應分步驟地詳細推導，層層設問，逐步求解，注意引導學生思維。

3.工程案例教學法

實踐是理論的基礎，實踐對理論起決定作用，理論必須與實踐緊密結合?！艾F代設計理論與方法”課程本身實踐性較強，離開實踐就如同空中樓閣，就會喪失生命力和可信度。但是該課程的教學計劃中僅僅開設了4個學時的實驗課，其余36學時為課堂教學環節，為了彌補實踐環節學時的不足，講授過程中適當采用工程案例教學法，在相關的教學內容中適當引入工程實例?！坝嬎銠C輔助設計”章節涉及到多種CAD和CAE軟件，如果只講每種軟件的主要功能和特點則比較抽象，可以利用軟件采用案例式教學法授課，以汽車的核心技術部件內燃機為例，介紹三維Pro/E繪圖軟件、動力學仿真軟件Adams等的強大功能和特點。“優化設計”章節，以學生們所熟悉的減速器設計為例進行介紹，以此來確定滿足工作條件和強度要求時使減速器的重量最輕的設計方案。

這些案例開拓了學生的視野，使學生了解現代設計方法如何應用于工程實際當中，有利于他們體會現代設計方法的先進性和重要性，提高其學習的興趣。

4.多媒體資源與板書相結合

該課程的教學內容分成兩大類：一是概念性強的內容；二是理論性強的內容。針對不同教學內容的特點，采用不同的教學方法和手段。講解概念性強的知識時，可適當采用圖片、動畫等軟件，借助于多媒體教學，[1]使教學內容生動直觀，便于理解，避免教學內容的單調枯燥，提高學生的學習興趣。在講述“有限元法”進行結構分析時，用多媒體圖片來顯示工程結構、網格劃分后的離散模型以及加載求解后的結構應力云圖，可以讓學生更加直觀地理解采用有限元法進行結構分析的步驟和求解特點。講解理論性強的教學內容時，要讓學生理解某一設計方法的原理和解決問題的算法，必然涉及大量的數學公式推導，總結教學經驗時發現，使用板書的教學效果好于多媒體。因為傳統的板書式教學，推導過程前后連貫清晰、信息停留時間長、內容可以及時修改等優點，便于學生消化吸收。[2]

二、實踐環節

1.實驗教學

在高等工科院校中，實驗教學在學生們更好地領會并掌握現代設計方法在實際工程中的正確應用，培養學生基本素質和能力等方面具有不可替代的重要作用。為提高教學效果和質量，增強學生的學習興趣，需合理確定實驗教學的內容與形式。該課程主要采用計算機模擬軟件Matlab進行實驗。該軟件是美國MathWorks公司于20世紀80年代中期推出的數學軟件，Matlab優化工具箱可以解決線性、非線性最小化及最大化、方程求解、曲線擬合、二次規劃等問題中的大型課題的求解方法，為優化方法在工程中的實際應用提供了更方便快捷的途徑。[3]將Matlab軟件引入“現代設計理論及方法”教學中，可以通過學生的上機練習對所學知識加深理解，學會如何運用計算機技術去解決實際問題，可以大大提高教學質量和學生的綜合素質。

2.畢業設計

畢業設計作為高等學校培養人才的最后一個綜合性實踐的教學環節，是本科學生開始從事科學研究和工程設計的初步嘗試，是對大學四年所學知識和技能的全面體驗，也是培養學生綜合運用所學的理論知識和技能解決本專業工程問題的重要途徑。畢業設計質量是提高教學水平和學生創新能力的體現。傳統的機械畢業設計中學生的大部分精力耗費在零部件的常規設計以及繁重的繪圖工作中，對整機全局難以進入深入研究，很難獲得最優方案。并且在分析計算中，采用靜態的或近似的方法而不是動態的精確的方法計算，計算結果未能反映零部件的真實工作狀態，影響了設計的質量。對于一些模具和鈑金件這樣的復雜曲線和曲面，用傳統的二維設計方法進行表現時，表現能力較差，且二維圖紙繪制比較困難；傳統設計方案是否可行只能靠理論推導和計算，難以進行實際檢驗，使學生感到畢業設計只是“紙上談兵”，失去興趣。[4]近年，筆者在指導畢業設計中引導部分學生在畢業中運用三維設計、優化設計、動力學仿真及有限元計算等方法。例如，在設計帶式輸送機減速器的高速級齒輪傳動時，采用優化設計方法，使齒輪滿足正常工作條件下兩齒輪的體積最??；在對齒輪的強度進行校核時，借助有限元軟件ANSYS完成，這使學生在設計中進一步深入地掌握了現代設計方法和手段，開闊了視野，也極大地提高了學生的學習興趣和設計的積極性、主動性，極大地提高了畢業設計的質量。

三、采用綜合考核制度

考核是考查一門課程講授效果的一種方式，該門課程是機械類學生一門重要的專業基礎課，在考試中采用閉卷的考試方式。了解一個學生對該門課程的掌握程度，不能僅從卷面成績來判斷。影響學生卷面成績的因素比較多，比如考前的臨時突擊式復習可以取得一個好成績，考生比較粗心，計算容易出錯，導致卷面成績不理想等等，不能由此判定該生對該門課程的掌握程度，該成績也不能反映出學生的綜合能力。因此，在該課程考核的時候采用卷面成績占70%，實驗成績占10%，作業占10%，出勤情況占10%，實驗成績由實驗時的表現情況以及完成任務情況來綜合給定。針對學生抄襲作業的現象，采取了以小組為單位完成不同作業題目的方法，出勤情況的考查主要是針對一些學生自控能力差，為督促學生更加自覺學習采取的措施。采用考試、實驗、作業和考勤并重的考核方式，教師的任務將加重，對任課老師的要求也更高。因此，任課老師一定要加強自身的學習，積極參與科研，努力掌握現代設計方法的新知識和其在工程中的應用，以期使自己的教學在培養本科大學生的基本素質和能力上發揮更大的能量。

四、結束語

在信息時代的今天，改革過去灌輸式的教學模式勢在必行，通過近幾年“現代設計理論與方法”課程的教學實踐，深切體會到比較式教學、引導式教學法、工程案例教學法、多媒體資源與板書相結合以及實踐教學環節的重要性和有效性。教學改革是一個新的事物，總會出現新的問題，應該認真分析教學方法，從自身實踐中改進教學思路，進一步提高教學質量。在今后的教學中通過不斷認識，不斷實踐，不斷完善，以期獲得一條適合本科生教學的成功之路。

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[2]陳就，王建曉.《現代設計方法》理論與實踐環節教學探討[J].高教論談，2009，（5）：100-101.

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工程機械是指施工建設機械的總稱，其種類繁多并且被廣泛應用于城市建設、道路橋梁、農林水利、工業生產以及國防設施等領域。工程機械設備主要是由整體構架、控制系統、變速裝置、傳動機構、防護等系統等部分組成。本文主要以公路架橋機為研究對象分析其鋼結構的設計要點，其中公路架橋機的主體鋼結構為橫梁，傳動機構為天車，主要控制系統包含液壓系統和電氣系統，公路架橋機的主梁是確保整個工程機械運作的重要組成部分，因此在進行主體鋼結構設計時需要仔細分析主梁的結構受力特點。公路架橋機的主要工作原理是利用運梁車將需要安裝的混凝土梁移動到公路架橋機的尾端，此時的混凝土梁和設置在架橋機兩端的前后天車為公路架橋機縱向移動的配重。在運梁的過程中使用公路架橋機的液壓控制系統將其縱向移動到橋梁待安裝的部位，然后再使用前后天車分別吊起混凝土梁的前后端，運用電氣控制系統調整天車運梁的平均速度確保其勻速地向前移動。當混凝土梁完全進入公路架橋機下方的軌道時，利用前后天車吊起混凝土梁繼續縱向移動混凝土梁至公路架橋機前支腿和中支腿之間，此時收縮后支腿液壓缸使后支腿離開地面，然后啟動公路架橋機橫向移動的控制系統，移動公路架橋機到混凝土梁安裝位置，最后調整橋梁接口位置使混凝土梁安裝就位。在安裝混凝土梁的過程中，公路架橋機的主梁的鋼制框架結構承擔主要荷載，每一條鋼梁的受力形變都關系著橋梁安裝是否能夠安全有效地進行，因此需要科學合理地判斷鋼結構的材料屬性以及利用有限元分析的方法研究主梁框架結構的受力特點，從能夠合理的優化公路架橋機的主梁鋼結構，做到剛度和強度在穩步提升的前提下最大限度的節省資源。

2結構優化時的有限元分析

隨著我國計算機技術的迅速普及和工程科技的快速發展，有限元分析在工程機械鋼結構設計和優化的過程中起到了越來越重要的作用，尤其是在工程機械的自動化水平日益提高的今天，有限元分析已然成為了解決復雜的工程力學分析計算問題的首要途徑。本文主要是以公路架橋機為例對其鋼結構設計與結構優化時的有限元分析進行深入探討。對公路架橋機進行有限元分析主要的方法包括，首先是要建立主梁框架結構的有限元模型，本文主要研究的軟件是MSC/PATRAN，通過分析主梁框架結構的材料屬性、單元選擇以及網格劃分進行幾何建模，建立主梁框架結構的有限元模型；然后再使用MSC/PATRAN對初步建立的有限元模型進行強度、剛度分析，并且繪制出應力、應變力分布圖，通過物理力學的分析方法判斷鋼結構的穩定性；最后根據MSC/PATRAN對有限元模型的分析結果對鋼梁的框架結構進行更深層次的優化設計，以達到在實際生產制造中節省材料，實現高效節能的目的。總之可以將MSC/PATRAN進行有限元分析的基本程序概括為三個主要部分，即分析主梁鋼結構的離散化、有限元計算以及對結果的優化處理。

對于公路架橋機主梁框架結構的有限元分析步驟具體如下所示：

1）通過MSC/PATRAN軟件對主梁鋼結構進行單元劃分和插值函數的確定。由于公路架橋機主梁的橫切面為箱型結構，在空間上可以劃分為若干個箱型結構單元通過焊接連接而成，因此可以根據鋼結構梁的結構幾何特性、鋼梁節點處的邊界條件等情況，建立由各種單元組成的計算模型。在對公路架橋機的主梁進行有限元分析時，最關鍵的環節就是有限元的網格劃分，因為網格劃分的精度直接影響著有限元分析的精確度以及響應速度。要有效的控制網格的疏密程度，主要就是通過在主梁鋼結構的各個部位采用不同大小的網格，這是為了適應計算數據的分布特點，在計算數據變化梯度較大的部位，為了較好地反映數據變化規律，需要采用比較密集的網格。然后再按照單元的性質和精度要求，寫出表示單元內任意點的位移函數u（x、y、z），v（x、y、z），w（x、y、z）或者d＝S（x、y、z）a，通過單元模型進行有限元分析。利用鋼結構梁的結構幾何特性、鋼梁節點處的邊界條件寫出以a表示的節點位移qe＝[u1、v1、w1、u2、v2、w2]T，然后再將公式轉化為qe＝Ca，然后再由a＝C－1qe，并代入到d＝Sa，得到d＝SC－1qe＝Nqe，此公式是利用鋼結構梁的結構幾何特性、鋼梁節點位移表示單元體內任意點位移的插值函數式。

2）進行主梁鋼結構的單元特性分析，根據上面總結出的位移插值函數，由彈性力學中給出的應變和位移關系，可以計算出應變為：ε＝Bqe，在式中，B為應變矩陣，相應的變分為：δε＝δBqe，由物理關系可以得到應變與應力的關系式為σ＝Dε＝DBqe，其中D為彈性矩陣。

3）對單元特性分析的結果進行組集，把各單元按照節點組集成與原結構相似的整體結構，得到整體結構的節點力與節點位移的關系，即整體結構平衡方程組f＝Kq，其中K為整體結構的剛度矩陣，f為總體載荷列陣，q為整體結構所有節點的位移列陣。

4）對組集的結果進行有限元分析求解，在此過程中可以采用不同的計算方法解有限元方程，得出單元模型各節點的位移。在進行求解之前必須對結構平衡方程組進行邊界條件處理，然后再接觸節點位移q。計算單元模型的結構應力，如果需要求出單元模型的應力值，則在計算出各單元的節點位移qe后，自ε＝Bqe和σ＝Dε即可求出相應的節點應力。

根據公路架橋機主梁鋼結構的施工情況對其進行實際強度、剛度檢測，從而分析鋼梁的框架結構的最大應力、應變情況，從而判斷是否能夠滿足實際施工時的具體要求。在進行檢測時對于測量的點位選擇，應該能夠代表主梁鋼結構的真實使用情況以及一些主梁鋼結構的集中受力部位，以便更加全面的考察公路架橋機主梁的工作狀態，因此本文主要選取公路架橋機的主梁在懸臂狀態（工況1）、運梁狀態（工況2）以及架邊梁狀態（工況3）下的10個測量點，具體的檢測數據如表1所示：由上表可知，工況1是指公路架橋機懸臂狀態，其應力最小值是測試點4為0.28MPa，最大值是測試點8的151.3MPa，最大應力誤差為4.0%，測試點分析對比如圖1所示；工況2是指公路架橋機運梁狀態，其應力最小值是測試點4為0.63MPa，最大值是測試點2的130MPa，最大應力誤差為2.3%，測試點分析對比如圖2所示；工況3是指公路架橋機架邊梁狀態，其應力最小值是測試點9為2.08MPa，最大值是測試點2的138.5MPa，最大應力誤差為4.3%。利用有限元分析方法進行鋼結構的優化設計是一種尋找最優設計方案的技術。通過MSC/PATRAN軟件建立主梁鋼結構的有限元模型。然后在對主梁有限元模型的工況強度以及剛度進行分析，通過在滿足實際工作需求的前提下進行迭代計算。求得目標函數的極值，從而根據計算結果進行優化設計，并最終得到最優化的公路架橋機主梁的設計方案。因為采用有限元分析的方法能夠非?？焖儆行У奶嵘摻Y構的設計效率以及質量，優化過程實質上就是在不斷地進行分析、修正，需要對不同工作狀態進行結構效應的有限元分析，并且同時進行優化參數的考量，逐步逼近最優設計的序列?；贛SC/PATRAN對公路架橋機的主梁進行有限元設計技術就是建立在有限元分析的基礎上反復優化設計變量以滿足狀態變量限制條件下使目標函數逼近最小值。在通過有限元分析后得到公路架橋機主梁鋼結構的應力分布以及應變產生的誤差范圍，就可以在實際設計之前對主梁鋼結構進行更加有效、可靠以及準確地優化設計，從而為產品的定性提供更加合理有效的理論依據。

篇10

Abstract： There is a 75t/20t bridge crane in Lushui Power Plant. This crane has operated more than 40 years， the components has abrasion， maturing and other defects. The electrical control of it uses medieval structure of contactor with variable resistance box. There is a big security hidden danger in the process of the use of the bridge machine. So， our plant decides to replace all the electrical equipment of the bridge machine. In the electric control part， the frequency converter and PLC technology are adopted to optimize and design the traditional relay-contactor speed control device. This paper summarizes the overall ideas and design content of the optimal design， including the system structure optimization， the model and configuration of frequency converter and PLC， etc. After optimization design， the speed control of bridge crane more sensitive， the failure rate is significantly decrease， the overall performance is more stable.

關鍵詞： PLC；變頻器；橋式起重機

Key words： PLC；transducer；bridge crane

中圖分類號：TH215 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）04-0101-03

0 引言

橋式起重機是電廠常用設備之一。傳統橋式起重機的電力拖動系統采用交流繞線轉子異步電動機轉子串電阻的方式控制電動機啟動或調速，這種控制裝置叫做繼電器-接觸器控制。這種控制系統功能復雜，運行狀態不穩定，噪音大，故障多發。轉子串電阻調速，起動電流大，機械特性軟。轉速容易受負載變化的干擾，速度轉換靈活性差，調速不穩定；所串電阻持續發熱，浪費電能。電阻過熱時還可能燒斷，引起電氣故障。陸水電廠75t/20t雙梁橋式起重機拖動系統依靠傳統交流繞線轉子異步電動機驅動，采用轉子串電阻的方式來控制電動機起停和變速。系統運行狀態不穩定，運行速度和安全性更都已無法滿足當前的工作需要，本文將在傳統控制系統的基礎上引入PLC變頻調速裝置，對系統的結構和功能進行升級改造，以優化控制系統的運行狀態，提高其運行效率和系統穩定性。

1 原拖動系統基本情況

陸水電廠原橋式起重機電氣拖動由大車系統、小車系統和主副鉤系統協同完成，由1臺交流繞線轉子異步電動機驅動整個系統的起停和速度轉換。速度轉換方式是：電動機轉子回路串入5段外接電阻 R1～ R5。由接觸器KM1～ KM4 的狀態來判斷串入電阻的阻值，并對電機進行調速控制。以電磁機械制動為主的原電路結構如圖1所示。

2 變頻調速改造基本思路

橋式起重機拖動由2臺大車電機、1臺小車、1臺主鉤和1臺副鉤組成的拖動系統來完成，除2臺大車電機共用1臺變頻器以外，其他拖動系統各自都有1臺變頻器進行調速控制。整個系統由5臺電動機驅動運行，PLC變頻調速系統取代了傳統電動機轉子回路串電阻調速裝置來控制速度轉換，整個系統運行更加靈敏。傳統的異步電動機驅動模式下，主要依靠繼電器-接觸器機進行邏輯控制。經優化設計后，用變頻器和PLC控制系統取代傳統異步電動機，PLC接收電動機轉向、調速等控制信號后，將至轉換成相應的控制指令發送給變頻器，電動機在變頻器的控制下迅速響應并完成控制指令。系統改造后的整體結構如圖2所示。

2.1 變頻器和PLC的概念

變頻器：主要是利用交―直―交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給變頻電動機。

PLC：變頻電動機可編程邏輯控制器系統及保護。

2.2 大車拖動系統

大車拖動系統是由2臺YZP160M-6/5.5kW變頻電機組成的雙梁構造。起重機在電機的拖動下，按照1：6的調速比，順著車間以42m/7m/min的速度橫向運行。

拖動方案：采用起重機專用的變頻交流電動機（濕熱型），代替原繞線轉子異步電動機。大車為2臺交流變頻調速器分別控制2臺電動機驅動2個主動輪，采用電氣位置同步。兩臺電機由同一臺變頻器同步操控。采用 U /f開環控制模式，變頻器的容量PN應該是一臺電動機容量PMN的2倍以上。（PN>>2PMN）

2.3 小車拖動系統

小車采用1臺交流變頻調速器控制1臺YZP132M1-6/4kw電動機驅動2個主動輪的方式（機械同步），小車拖動吊鉤及重物順著橋架縱向移動。速度12.5/3m/min可調。調速比為1：4。

拖動方案：也采用起重機專用三相交流變頻電動機（濕熱型），配容量等相同的變頻器），采用U/f開環控制方式。

2.4 主鉤和副鉤拖動系統

主鉤和副鉤分別用YZP225S1-8/18.5kW和YZP225S2-8/22kW各一臺電動機單獨拖動。主鉤和副鉤拖動重物做吊起或放下的“上下”運動。主升起機構的起升速度為0.15～1.5m/min，電機額定功率及額定速度按1.5m/min重載選擇，實現電機的恒轉矩和恒功率調速控制，調速比為 1：10。副升起機構的起升速度為0.6～6.0m/min，電機額定功率及額定速度按6.0m/min重載選擇。電機的恒轉矩和恒功率調速控制，調速比 1：10。

拖動方案：選擇動態性能良好的主電動機驅動主、副鉤系統，用較大功率的變頻專用電動機取代繞線轉子異步電動機傳統的繞線轉子異步電動機進行調速控制。變頻電動機功率應該比原電動機稍大，以確保力矩夠長。用一臺變頻器控制兩臺電動機，并為電動機配置光電編碼器， 采用帶 PG 卡速度反饋的閉環矢量控制方式。變頻電動機的轉速可以按從低到高5個檔速自由調控，充分滿足了主副鉤系統的運行需要。

2.5 電機制動方式

采取由變頻器外接的制動單元和制動電阻消耗掉的方式。改造后選用電力液壓塊式制動方式，其型號：（YMZ/300/45和YMZ/200/25）。采取再生制動、直流制動和電磁機械制動相結合的辦法。利用變頻調速系統的再生制動系統及直流制動系統，使運行中的拖動系統迅速停止。在起吊作業中，被吊起的重物有時需要在半空懸?；蚱揭埔欢螘r間，利用變頻調速裝置使重物懸停后，還應該用電磁制動器進行機械制動，以防起重機受外界干擾或突然失電后中午下落引發安全事故。

3 變頻器的選用

市場上有很多起重機專用變頻器。我們選用上海施耐德ATV312HU40N4和ATV71HD30N4系列變頻器。這種全磁通矢量控制的變頻器，即使低頻運行，起動轉矩也能達到額定轉矩的1.5倍。并且，該變頻器具有速度反饋功能， 能實現零速控制，就是在零速下也能有150%額定轉矩輸出。它有四種控制方式，分別是：有 PGU/f閉環控制模式、有PG閉環矢量控制模式、無 PGU/f開環控制模式和無 PG開環矢量控制模式，具體采用哪一種要根據預設參數的存取級別而定。大車、小車拖動系統慣量大，負載變化基本為阻力性負載，變化幅度較小，因此一般采用不帶光電編碼器的無 PGU/f開環控制方式。相比之下，主、幅鉤負載變化非常明顯，應該采用有 PG- B2速度控制卡閉環矢量控制為主的有光電編碼器，以縮短動態響應時間，使轉矩調節更靈活、更迅速，確保起重機械更穩定地運行。由于變頻控制系統具有速度反饋功能，能夠在零速下保持150%額定轉矩的輸出，因此，變頻器與PLC控制系統的整合，也能有效杜絕溜鉤現象。

對于橋式起重機來說，我們可根據調速要求來調節變頻機工作頻率。ATV312HU40N4和ATV71HD30N4，系統自帶 6個頻率指令和 1個點動頻率指令，有7段速可供選擇。在起重作業過程中，可對系統輸入頻率指令，設定多段速指令1～3和點動頻率進行頻率切換，由此實現快速調速。如圖3所示，接通端子1時電機正轉，接通端子2時電機反轉，分別接通1、2、3端子的多段速指令，或者同步接通其中兩、三對端子，就能獲得6個頻率指令，也就是說在正反方向上有5種速度可供調節。通過預設變頻器運行參數，可實現對電機加減速時間的調控。圖3為主鉤電機變頻器接線控制原理。

通常根據異步電動機的額定電流來選擇合適的變頻器，有時也根據異步電動機工作電流的最大值來判斷應該使用哪一種變頻器。本文所選的變頻器均已配置外接式制動單元或制動電阻。在起吊作業過程中，電動機受重力加速度的影響，在放下重物后會恢復再生制動狀態，拖動系統的動能直接反饋給變頻器直流電路，導致直流電壓升高，當電壓上升到一定程度后會引發機械故障。為避免出現機械事故，起重機完成起吊任務后，應該利用制動電阻徹底耗盡再生到直流電路中的電能，以確保直流電壓始終維持安全值。制動電阻所配置的制動單元應該提高一檔，并且額定功率也要加大一倍，以確保制動單元能夠迅速制動。

4 PLC的選用

經優化設計，橋式起重機控制系統的現場輸入，輸出信號的數量及作用，結合設計要求及應用習慣選擇合適的PLC控制系統。本文采用西門子6ES7-300系列PLC控制系統展開研究。這種PLC由是多個模塊用不同形式整合為一體（主要由電源模塊、CPU模塊、I/O模塊等組成）的控制系統，系統運轉靈活，能夠迅速完成多種控制任務。橋機操作控制系統選用可編程控制器（PLC）作為控制核心。I/O點數按實際需要配置，并留有20%的裕量。指令和數據主存儲器容量不小于程序容量的2倍。同時按實際工程需要配置相應的其他必需模塊。它的特點具有完善的各種自動保護功能和各種故障自診斷及顯示報警功能，包括：瞬時過電流保護，再生電壓保護，瞬時斷電失壓保護，接地過電流保護，冷卻風機異常，超頻（超速）保護，失速過電流保護，失速再生過電壓保護，接觸器粘結、缺相、行程限位，主令控制器零位保護等功能。

橋式起重機拖動系統能夠通過PLC 對大、小車以及主、副鉤的運行狀態和速度轉換的無點控制，并且也能實現限位保護。5臺電動機負責系統驅動，4臺變頻器負責系統控制。PLC包含若干個輸入輸出點數，它與4個變頻器的連接方式十分相似。本文將重點研究主鉤電機變頻器和PLC的連接方式。圖4即為主鉤PLC接線控制原理。

5 結束語

陸水電廠針對橋式起重機進行變頻調速改造，利用變頻器和PLC控制技術取代了傳統異步電動機轉子串電阻控制方式，在原系統結構的基礎上剔除了交流接觸器和串聯電阻，精簡了電氣控制元件和相關電控線，以此控制起重機的起停和速度轉換，減少了負載波動，系統運行更加穩定，安全性更高。改造后，整個系統實現了PLC無點控制，既降低了系統噪音，同時也減少了系統故障。改為PLC變頻調速系統后，機械特性硬，檔速基本不受負載變化的干擾，輕載時也不會因操作不當引起調速失控。除此以外，變頻器還能根據現場條件調節檔速以及加減速時間，系統響應時間進一步縮短，運行更加靈活。采用變頻調速同時也實現了電機的軟起動，不僅提高了設備運行效率，而且能夠避免機械在大力矩沖擊下被損壞或出現機械故障，從而節省了一部分維修費用。實踐證明本次改造是成功的。

參考文獻：

[1]馬寅.起重機的變頻調速[J].起重運輸機械，2001.