導語：如何才能寫好一篇機械優化設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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機械優化設計概念

機械優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，提升企業競爭力、經濟效益與社會效益。國內外相關學者和科研人員對優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。

解決優化設計問題的一般步驟

解決優化設計問題的一般步驟如下：

機械設計問題――建立數學模型――選擇或設計算法――編碼調試――計算結果的分析整理

優化設計中數學模型的建立

a設計變量

在最優化設計過程中需要調整和優選的參數，稱為設計變量。設計變量是最優化設計要優選的量。最優化設計的任務，就是確定設計變量的最優值以得到最優設計方案。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，如零件外形尺寸、截面尺寸、機構的運動尺寸等；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。總之，設計變量必須是對該項設計性能指標優劣有影響的參數。

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自由的允許范圍內，找出一組優化的設計變量值，使得目標函數達到最優值。

c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著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

優化設計理論方法

優化準則法對于不同類型的約束、變量、目標函數等需導出不同的優化準則，通用性較

差，且多為近似最優解；規劃法需多次迭代、重復分析，代價昂貴，效率較低，往往還要求目標函數和約束條件連續、可微，這都限制了其在實際工程優化設計中推廣應用。因此遺傳算法、神經網絡、粒子群算法、進化算法等智能優化法于20世紀80年代相繼提出，并且不需要目標函數和約束條件的導數信息，就可獲得最優解，為機械優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，也不需要函數的凸性和連續性，能夠收斂到全局最優解，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化，運行效率較低，局部尋優能力較差。

b神經網絡法

神經網絡是一個大規模自適應的非線性動力系統，具有聯想、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果。美國物理學家Hopfield最早發現神經網絡具有優化能力，并根據系統動力學和統計學原理，將系統穩態與最優化態相對應，系統能量函數與優化尋優過程相對應，與Tank在1986年提出了第一個求解線性優化問題的TH選型優化神經網絡。該方法利用神經網絡強大的并行計算、近似分析和非線性建模能力，提高優化計算的效率，其關鍵是神經網絡的構造，多用于求解組合優化、約束優化和復雜優化。近些年，神經網絡法有較大發展，Barker等將神經網絡用于航空工程結構件的優化設計。

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，從一個優化解集開始搜索，通用個體間協作與競爭，實現復雜空間中最優解的全局搜索。粒子群法與遺傳算法相比，原理簡答、容易實現、有記憶性，無須交叉和變異操作，需調整的參數不多，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、有記憶的智能優化算法。目前，粒子群算法已應用于目標函數優化、動態環境優化、神經網絡訓練等諸多領域，但用于機械優化設計領域研究還很少。

d多目標優化法

功能、強度和經濟性等的優化始終是機械設計的追求目標，實際工程機械優化設計都屬于多目標優化設計。多目標優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性，理論方法還不夠完善，主要可分為兩大類：①把多目標優化轉化成一個或一系列單目標優化，將其優化結果作為目標優化的一個解；②直接求非劣解，然后從中選擇較好的解作為最優解。具體有主要目標法、統一目標法、目標分層法和功效系數法。

優化設計方法的評價指標

根據優化設計中所以解決問題的特點，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：

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

b可靠性要高。可靠性要高是指在一定的精度要求下，在一定迭代次數內或一定計算時間內，求解優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有的成熟的計算程序，以使解題簡便并且不容易出錯。

d穩定性要高。穩定性好是指對于高度非線性偏心率大的函數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。

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得一種新的設計方法，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：

[1]白新理.結構優化設計[M]. 河南：黃河水利出版社，2008.

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[關鍵詞]機械結構;優化設計;趨勢

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

機械產品應用范圍相對較廣，為確保機械產品在我國日常生活及企業從生產中得到有效應用，實施優化設計十分必要。目前我國已經針對機械結構優化設計進行了研究，并取得一定成果，主要表現在船舶行業、焊工航天以及汽車行業等[1]。機械結構的優化設計可有效提高其產品性能并增加其自身市場競爭力，對其市場發展起重要作用。

1 機械結構優化設計

隨著科學技術的發展進步，加快了機械產品更新的速度，以往在制造機械產品時主要采用大批量生產的方法進行，產品相對單一，目前在實施機械產品加工時多采用小批量加工模式，可確保產品的多樣性。為確保生產企業的利潤，在生產機械產品時需注意將其生產周期縮短，最大限度在確保至質量的前提下降低生產成本。通過實施優化設計可滿足上述目標，在一定程度上縮短生產時間并降低成本，通過效率搶占市場。機械結構優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。

機械結構優化設計流程主要包括：（1）針對所優化機械產品盡心目標函數優化設計，可確保機械產品相關技術指標符合優化要求。（2）設計機械產品優化函數變量，變量設計包括機械產品長度、厚度以及弧度等相關結構參數。（3）對機械產品優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化設計方案，分別對不同方案進行評價，根據機械結構優化設計需求選擇最佳方案實施。

2 機械產品優化設計應用分析

2.1 尺寸優化設計

機械產品實施優化設計過程中對尺寸數據有精準的要求。因此實施優化設計匯總需確保各零件尺寸與實際工作需求相符，若產品為多個零件組成結構，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品報廢。因此機械產品零件越多及機械結構復雜程度越高，對各零件精細度的要求也有所提高。開展機械產品尺寸優化的前提條件機械產品拓撲關系及形狀不發生改變，通過計算機技術的應用對具體尺寸變化進行有效調整，可確保機械產品性能的增強。

2.2 形狀優化

為確保機械產品性能的全面提升，在進行優化設計時也可從機械產品形狀入手開展優化。因多數大型機械設備自身結構相對復雜，各部件形狀也具有多樣化，很難進行分析，為優化設計進展帶來一定困難。我國目前已經針對結構優化方面出現研究成果，如田方針對軸對稱機械零件開展的優化設計以及王世軍針對機器人結構的優化等。

2.3 拓撲優化

以往在實施機械結構優化設計中多側重于進行結構參數優化，未針對機械零件拓撲結構實施優化設計。隨著機械結構設計意識的提高，優化中心開始向拓撲結構優化方向轉換。拓撲設計優化主要在離散結構以及連續結構方面體現，其中離散結構優化設計主要是通過對多個關鍵點連接方式方面入手，改優化前提是確保上述關鍵點位置的確定。連續拓撲優化設計主要針對孔洞形狀、數量、分布情況、部分結構邊界開展的優化。

2.4 動態性能優化

機械產品動態性能主要指的是機械結構受外界作用下顯示出外型變化規律，包括相關運動參數等[2]。機械產品實施動態性能的優化設計可明顯反應出改產品工作強度及壽命情況。因此對機械結構動態性能開展優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 多學科結構優化設計

開展機械結構優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化結果，應從多學科角度進行，確保優化設計的多學科化、總體化及系統化，確保優化設計程度符合實際需求或超出預期目標。

3 機械結構優化設計趨勢

隨著時展進步及行業前景變化發展處機械結構的優化設計，通過近年機械結構優化設計的開展已經從簡單化優化設計想結構系統大型化及復雜化機械發展[3]。通過產品設計變量的不斷增加，造成結構分析推到以及計算數值方面難度均有所提高，特別是進行特殊結構優化時無相應數據及公式進行應用。在針對大型機械結構進行優化設計時，需將復雜結構進行分解，逐步對各子結構分別進行優化，在優化過程中若設計多學科優化設計也可分科學進行優化。通過對計算機技術的有效利用，確保機械結構優化設計多方向發展。該技術主要代表包括模仿神經網絡和遺傳算法的人工算法，該算法適合在連續混合機離散變量全局優化中應用，可對產品準確度及應用質量進行提高。針對拓撲結構的優化設計時目前開展機械結構優化設計研究的主要方向，因實施拓撲結構優化可謂機械結構整體優化方案的設計提供科學依據，確保尋找出最佳設計方案，該方法多在大型機械優化上應用，可通過較復雜的計算實施優化，對大型機械尺寸、形狀進行優化，提高其產品性能。

4 小結

機械結構優化設計的開展可幫助提升機械產品性能及質量，為機械產業的發展提供了方向及機遇。優化設計的實施可縮短機械產品生產周期并提高機械制造行業競爭力，推動機械產品優化發展。

參考文獻

[1]張鐘文. 試析機械結構優化設計的應用及趨勢[J]. 裝備制造技術，2016，07：270-271.

[2]曾文忠. 機械產品設計的結構優化技術應用策略探究[J]. 湖南農機，2014，09：44-45.

[3]周繼瑤. 論現代機械中的結構優化設計[J]. 企業科技與發展，2013，09：19-21.

作者簡介：

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【關鍵詞】 機械 優化設計 理論 方法

1 機械優化設計理論概述

1.1 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機計算技術，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。

1.2 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。

2 機械優化設計的一般思路與常見方法

2.1 機械優化設計的一般思路

2.1.1 分析問題，建立優化設計數學模型

在機械優化設計的過程中，首先需要通過對實際問題的分析，選取適當的設計變量，確定優化問題的目標函數和約束條件，從而建立優化設計的數學模型。

2.1.2 選擇優化設計方法，編寫程序

在設計變量、約束條件和目標函數三大要素已經確定，構建好數學模型的情況下，編寫計算機語言程序。

2.1.3 分析結果，找到最優方案

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

2.2 機械優化設計中的常見方法

2.2.1 傳統優化設計理論方法

傳統機械優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化法、線性規劃法和非線性規劃法。準則優化法是指不應用數學極值原理而是采用力學、物理中的一些手段來謀求最優解的方法。常見的準則優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。線性規劃法是指應用數學極值原理，選取適當的設計變量和約束條件，求解目標函數的一種方法。常見的有單純形法、序列線性規劃法。其優點是通過把實際工程問題轉化為數學極值問題的求解，使其直接、有效、精度系數高，缺點是工作量大。非線性規劃法同樣根據數學極值原理求最優問題，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、穩定性強、精度高。

2.2.2 現代優化設計理論方法

現代優化設計方法不同于傳統優化方法，其無需通過選取設計變量、約束條件、目標函數等因素，便可獲得全局最優解，大大地減少了傳統優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。常見的現代優化設計方法有遺傳方法、神經網絡法、模擬退火法、粒子群算法等。

3 機械優化設計的現狀與前景

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。二十世紀五十年代以前，用于解決最優問題的數學方法僅限于古典的微分法與變分法，在處理現實問題時，計算量非常大。直到四十年代前后，大型線性規劃技術的提出，數學方法首次被運用到結構最優化，使得計算過程不再復雜，有效的解決了數值最優化計算。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。

4 結語

機械優化設計即是指從眾多設計方案中需找最優方案的過程，一般包括建立數學模型、選擇優化方法、分析計算結果選擇出最優方案三個過程。根據不同的分類方式，機械優化設計的方法有很多，從傳統角度，最常用到的有線性規則法中的序列線性規則法等等，由于現在各技術領域的發展以及工程問題對優化設計的需求，衍生了很多與傳統方法原理完全不同的新興方法，最常見到的有遺傳算法、神經網絡法等。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：

[1]劉惟信.機械最優化設計[M].北京：清華大學出版社，1993.

[2]陳立周.機械優化設計技術的發展現狀及其新問題.2000年中國機械科學部份研究的征文，1984.

[3]秦東晨，陳江義，胡濱生等.機械結構優化設計的綜述與展望[J].中國科技信息，2005（9）.

[4]高衛華，謝劍英.動態模糊神經網絡及其在非線性系統中的應用[J].電氣自動化，2000.

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關鍵詞：三維建模；車床刀架轉盤；機械加工；設計；優化

隨著我國科學技術的不斷進步，我國在機械制造行業所取得的成就也越來越多，車床刀架轉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。加工車床刀架轉盤的設備主要是車床，但是使用的大多數還是傳統的二維紙質工藝，在生產的加工階段，操作的工需反復的查閱相關的資料以及車床刀架轉盤的圖紙，而且對于車床刀架轉盤的操作熟練的人員也非常的少，因此做好對加工轉盤的工序進行優化設計的工作就很有必要，從而提高企業的經濟效益。

1對于車床刀架轉盤零件進行三維建模

對于車床刀架轉盤的三維立體建模是通過度對各種方法的結合，制作出不同類型的三維物體形狀以及真實環境的過程。對于三維數字化工藝的設計是通過以車床刀架轉盤的模型為載體，在進行綜合的考慮制造資源以及對產品的制造工藝流程的基礎上進行定義，用來控制以及實現可視化表達零件的整個制造過程的數字化模型，從車床刀架轉盤的特征角度看，所有的產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。通過對車床刀架轉盤零件的圖紙進行分析，運用相關的轉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盤建模環境，再插入車床刀架轉盤的圖紙，進入草圖的環境進行相關的繪制工作，在進行回轉命令，進行對回轉特征的創建工作，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盤零件的細節特征創建。

2對于車床刀架轉盤的機械加工工藝規程的設計

2.1對車床刀架轉盤加工的要求進行分析

對車床刀架轉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盤零件最為關鍵的加工表面。

2.2對車床刀架轉盤的零件圖的檢查

車床刀架轉盤的零件圖包括主視圖和俯視圖以及側視圖，通過采用局部剖視或者半剖視的方法，可以對轉盤零件結構表達的更加清晰以及對轉盤零件的布局更加的合理，注意對轉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一性以及完整性，確保轉盤零件符合國家的相關標準規定，通過對轉盤零件的各項技術要求的可行性進行確定，保證了轉盤零件設計的合理性，從而為轉盤零件的組織生產以及機械加工工藝技術做好充分的準備工作。

2.3對轉盤零件生產類型的分析

根據相關的公式以及企業的生產條件進行確定車床刀架轉盤的年生產量，結合車床刀架轉盤質量的分析，以及對加工工作各種零件的生產類型的數量和工藝的特征進行考慮，從而可以確定出車床刀架轉盤的生產類型為中批生產。

2.4確定轉盤零件機械加工的工藝流程

通過對轉盤零件的零件圖進行分析可以得出，轉盤長度以及寬度等的設計標準，還有轉盤高度的設計標準以及燕尾面的粗基準，對各端面根據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，結合對車床刀架轉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程

通過對上文的論述結果的分析，進行車床刀架轉盤的機械加工工藝各項要求的制定，制定的車床刀架轉盤零件的機械加工工藝的規程是企業組織車床刀架轉盤進行生產工作的標準，是整個車床刀架轉盤機械加工工藝規程優化設計工作的重要環節之一。

3結束語

車床刀架轉盤的三維工藝項目能夠大大降低企業的成本，從而增加企業的經濟效益。企業的精益化生產才符合現階段時代的發展，才能夠緊緊跟隨智能化制造的步伐。在對車床刀架轉盤的機械加工工藝規程的優化設計過程中，要做好對于零件的分析以及研究工作，通過對車床刀架轉盤零件的機械加工工藝進行優化設計，制定好相關的零件機械加工工藝規程，才能縮短零件的生產周期，從而降低制造的成本以及提高了零件的精密度，對提高企業的勞動生產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:甘肅畜牧工程職業技術學院

參考文獻：

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關鍵詞：機械設計；優化設計；機械優化設計；優化方法

機械設計的發展歷程，其實是社會生產力進步的過程，也是設計者謀求設計最優化的過程。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。機械優化設計其實指的就是運營數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，對機械優化設計的重要性和意義進行探討，并剖析其實現的路徑和辦法，極為必要。

1 機械設計中優化設計的重要性

所謂的優化設計，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。優化設計的本質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“優中選優”，找到最佳的路線和策略。之于機械設計，優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優化設計可以保證機械設計的工藝與質量

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品的工藝水準和實用價值，也可以理解為設計產品的質量。要知道，機械產品往往用于工業生產及大型的工程項目，其質量的優劣關系重大，絕對不能兒戲視之。簡言之，機械設計的質量是第一位，倘若失去了優質的保證，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，維持設計的質量和工藝，就成為了整個機械設計的關鍵。這里，優化設計雖然也不能從設計流程和細節上保證機械設計的質量高低，但是優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容。在現實操作中，設計者往往利用數學函數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，該方案要具備現實的操作可能，要能實現設計的規劃。

總之，機械優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，也是最具質量保證的。

1.2優化設計可以最大限度的節約設計開支和成本

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量的前提；倘若成本的控制要以犧牲質量為代價，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，為設計單位節省一筆不小的資金。之所以這樣說，是因為優化設計的最佳方案往往是符合設計流程的，是可以發揮出現有材料、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，優化設計能夠節約機械設計的開支成本是有科學依據和理論基礎的。

1.3優化設計可以提高機械產品的科技附加值

機械設計的產品是一種自然屬性但是具備商業價值的“商品”，這就必然要與市場發生關聯。同時，優化設計方法在機械設計中的應用，能夠增加機械產品的科技含量和技術附加值，大大提高產品的市場競爭力，這對機械設計企業而言無疑是一大利好。例如，隨著現代科技的發展以及相互之間融合度越來越高，機械設計的產業化正在形成，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、質量最好、科技含量最高的，唯有此，該產品才能在市場中取得占有率，企業才能因此獲取利益最大化。所以，所有的機械設計企業都在努力的追求“這樣的機械產品”，而這樣的產品往往需要透過優化設計來實現。

所以，優化設計為機械設計產品的技藝提升、附加值增大提供了全新的路徑，也為機械設計單位和企業的發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展和成熟，機械設計的每一個環節都會有一種或多種新技術的注入，最終的機械產品往往“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品，在市場中的價格是可以想見的，企業因此帶來的收益也是很高的。所以，如果把機械設計中優化設計作為一種生產選擇方式來衡量，那么優化設計為產品的開發和流動，為設計單位、企業的利益最大化帶來的貢獻是很難估量。由此可見，優化設計對于當今的機械設計是多么的重要。

2 機械設計中優化設計的實現路徑

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

首先，機械設計的一維搜索優化方法，這種方法也是當前機械設計優化方法的最典型代表，以數學函數為理論基礎，透過搜索區間的確定，來保證優化方案的有效性。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。就好比數學中的從0到9的10個數字，它們構筑了數學的基礎，成為數學的理論“細胞”。所以，一維搜索方法在機械設計的應用，往往直接影響優化設計問題的求解速度。其次，機械優化設計會用到約束優化方法和無約束優化方法。在機械優化設計中，經常使用的是約束優化的方法。

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

參考文獻：

[1] 李劍峰. 機械優化設計的研究與實踐[J]. 煤礦機械. 2011（01）

[2] 張運節. 機械優化設計綜述與展望[J]. 科技信息. 2009（06）

篇6

關鍵詞：人因工程，采煤機械，優化

【分類號】TD421.6

1.引言

隨著社會的不斷進步，經濟全球化不可逆轉，相應的采礦技術也在不斷向前進步，機械化作業在煤礦企業的各個生產環節都得到了廣泛的運用。如今的煤礦企業正朝著自動化、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效率。然而，隨著社會對煤炭資源需求量的持續增大，各企業必須加大采礦生產的數量，機械設備同時面臨著超負荷作業狀態。運用人因工程學對采煤設備進行優化設計，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的效率，同時使采煤機械的操作環境更加安全、穩定。

2.現有采煤機械設備存在的問題

2.1 操作者作業強度繁重

在人-機-環境這個生產系統中，人是人因工程學研究的核心目標。隨著采煤設備形態的日趨多樣化，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，僅憑現在的采煤設備已經不能滿足采煤作業的需要，對作業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安全性，這必定會增加作業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，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，可能危害到作業工人的身心健康，導致一些職業病。在各種不同的環境條件下，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，或引發其它職業疾病。

3. 人因工程指導采煤機械優化設計的流程

3.1 選定功能

功能模塊是實現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的作業需要。加大設備功能與操作者之間的配合程度，保證作業者操作機器時在心理上感到良好的舒適度和適應性。

3.2 系統分配

人因工程研究的系統十分復雜，采煤設備的初步設計應當做好系統分配工作。通常情況下，人-機-環境系統分配需要根據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

參數是人機操作系統的硬性指標，參數設置的大小需根據采礦設備的工作情況，以及機械在實際工作流程中發揮的相關功能而定。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”。具體參數有：一是尺寸參數，需要結合人體的特征，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，設置的顯示器、控制器等參數，應保證系統操作的合理性。

4. 采煤機械設計的評價方法

人因工程學是研究人、機、環境三者組成的系統之間相互配合的學科。它通過統籌系統諸要素之間的相互關系，來確保整個系統效能的最優化。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）產品的尺寸與人體的尺寸及作業方式是否適應；

（2）產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者辨識；

（4）產品是否便于清潔、保養及維護。

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、尊重作業者為基本點。只有在造型尺寸設計方面符合作業者的生理和心理需要，才能真正體現出該設計產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。視覺設計體現在采煤設備的造型和顏色等方面，它是作業者對產品最直觀、最簡單的了解方法。聽覺設計主要是指聲音，設計不當的設備可能會產生持續的噪聲，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，或引發其它職業疾病。觸覺設計主要包括機械材料的應用、質地好壞等。最后就是通過上述三個方面綜合起來給作業者的整體感覺，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，給作業人員帶來歸屬感。

5.結語

隨著采煤設備機械化程度的提高， 井下作業環境也日趨復雜， 對作業者操縱控制設備的能力提出了挑戰。 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化。從人因工程學角度出發， 對煤礦企業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， 一方面可以減少煤礦安全事故， 另一方面可以提高生產效率。

參考文獻

[1]王建軍.人機工程學在人性化煤礦機械設計中的應用研究[J].機械管理開發.2010（02）

[2]趙宏梅，程彬.采煤機操作臺面的人機工程學研究[J].煤礦機電.2007（06）

[3]段春平.礦山機械的優化設計[J].中國礦業.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】對變速箱開關的結構進行了優化設計， 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，推動開關觸點實現開關的閉合或斷開，使汽車電路接通和斷開，從而實現信號的輸出。在外力解除時開關通過內部彈簧的彈力作用實現自動復位，使開關保持原有的狀態。開關的基本結構見圖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，經外力傳到橡膠墊圈右的壓縮彈簧，同時帶動動態接線片向右運動，兩觸點與靜態接線片斷開，開關由閉合狀態轉換為斷開狀態；當外力消失時，在壓縮彈簧回彈力的作用下，動態接線片與頂桿斷開，開關由斷開狀態轉換為閉合狀態。

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、常閉以及信號不穩定等故障形態。根據失效模式可知導致此失效現象發生的原因有觸點焊接不可靠造成信號不穩定、墊片的可靠性差造成早期失效出現常開或常閉的情況。針對此失效原因可以做以下優化設計來提高開關的使用壽命。

4. 開關的優化設計

根據上述失效模式的分析，重點通過以下幾個方面的優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開關在使用過程中出現內部松動，從而導致開關行程增大失效。針對此情況對開關的封裝結果進行了優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，優化設計結構見圖4。

4.3開關行程超差失效。 開關內部橡膠密封墊的作用是為了防止變速箱內腔的氣體泄壓，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. 結語

經過以上對開關的結構、加工工藝以及部件材料的優化設計提高了開關的可靠性，延長了開關的使用壽命。改進后的開關已經在變速箱進行了匹配。通過市場跟蹤分析，優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；可靠性優化設計

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。從汽車采用內燃機作為動力裝置以來，變速器成為了汽車傳動機構最重要的組成部分。變速器不僅能改變汽車的傳動比，擴大車輪距和轉速的范圍，還可以使發動機工作在最有利的工況范圍內，對汽車整體的結構穩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、穩定性高、成本低等優勢，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構與使用性能，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可靠性優化設計模型

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，不僅要實現換擋傳動的作用，還應該確保汽車行駛過程中的穩定安全性。基于汽車機械式變速器，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化設計的結果。

1.1可靠度的分配

為了確保汽車傳動結構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，其壽命服從指數分布，其次是把機械式變速器變速傳動機構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化設計數學模型

1）建立目標函數

變速器齒輪系多目標可靠性優化設計數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，當然此目標函數的確定是變速器滿足汽車動力安全性和穩定性基礎上進行的。變速器體積越小，越節省制造原材料，產品制造成本相對較低。齒輪傳動重合度越大，傳動就越平穩，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設計涉及到多個參數，本文只選取5個參數作為優化設計中的設計變量，即常嚙合齒輪齒數、嚙合齒輪模數、各檔變速比、螺旋角以及齒寬。

3）確定約束條件

在此優化設計中，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，變速器的軸結構比較復雜，在對其可靠性進行優化設計必須滿足軸強度的可靠性，盡量節省設計制造材料。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中，往往第二軸的結構最為復雜，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角、撓度以及軸截面偏轉角組成，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

變速器軸的結構相對比較復雜，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正態分布，那么動力輸出軸靜強度可靠性設計應該首先畫出軸的結構示意簡圖，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、轉矩圖，確定軸在危險截面的強度分布情況，按照規定的可靠度計算出軸徑。

3 基于MATLAB多目標可靠性優化設計

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，具有強大的優化工具箱。對汽車機械式變速器變速傳動機構可靠性進行優化設計時，先對單目標進行優化計算，得到體積與重合度最優值，再進行聯合優化計算，其結果表明斜齒輪多目標優化設計是最科學、最高效的設計方法。

3.2 齒輪參數圓整

斜齒輪齒數必須為整數，使得選取的齒輪法向模數必須符合國際標準值，同時一對嚙合的齒輪的齒數不能含有公因數，并且大齒輪齒數不能是小齒輪的整數倍，因此需要進行齒輪參數圓整的優化處理。為了避免齒輪參數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 程序調試的優化

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

4 結論

變速器作為汽車最關鍵的零件之一，對汽車整體結構的穩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的可靠性進行研究，構建相關的優化數學模型，利用MATLAB優化工具對結果進行優化，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化[D].浙江理工大學，2013.

篇9

關健詞：科技創新訓練；智能小車；Proe建模；教學效果

一、科技創新訓練選修課目前教學方法存在的問題

1.傳統的教學方法影響課堂教學效果

科技創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。小車機械主體結構有車體、前輪轉向機構（四桿機構）、后輪驅動機構、齒輪機構（差速器）等機構和傳動系統，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和機械零件的工作原理、結構特點、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、拆卸、讓學生觀察內部結構及裝配關系，更不能充分展示動態變化過程。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

科技創新智能小車設計與制作機械知識內容較多，而大二的學生剛接觸機械專業知識，有的經過了金工實習訓練，有的還沒有經過這一過程，因此，對于這些學生既缺少理論知識又缺乏實踐經驗，對實際制作中的一些零件及機構都很陌生，訓練中學生對部分較難的內容不能很好理解，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、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查，結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，由于學生空間想象能力不足和缺乏工程實踐經驗，面對二維的圖紙學生無法想象出各種機構的運行方式，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軟件進行機構仿真輔助教學。我們將智能小車的機構、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點。首先，教師在proe環境中可以隨意裝拆、放大，有利于加深學生對小車整體空間結構及組成的理解，同時可根據實際情況隨意旋轉、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軟件能進行機構仿真，可以把各種復雜的機構通過形象、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時，利用模型仿真不僅可以驗證所設計的機構是否滿足要求，同時還可以改變相應的參數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果進行現場演示加以驗證，改變了以往單純的教學方式，在課堂上真正實現教學的互動，既激發了學生的學習興趣又加深了印象。基于proe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，并得到了一些經驗和啟示:

1.教學方法與手段改革是提高教學質量的關鍵，通過現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式教學發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實際結合起來，大大激發了學生的求知欲，從成品完成質量上看，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，在科技創新訓練課堂教學中加人了虛擬的機構動畫，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和機械零件的感性認識，對于學生快速掌握各種常用機構和通用零件的工作原理、結構特點具有非常重要的促進作用。

四、結論

通過分析科技創新訓練課程傳統教學方法的不足，并結合科技創新訓練課程的特點，在教學中應用Proe軟件進行機構仿真輔助教學，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，保證了教學質量，達到了教學預期的效果。

【參考文獻】

篇10

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.