机械优化设计大全11篇

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中图分类号:TH122 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2009)020(c)-0098-01

优化设计是指在据产品的设计要求,合理确定各参数,使产品取得较高的经济效益和较好的使用性能。优化设计一般步骤为:

(一)建立优化设计的数学模型;

(二)求出最优设计参数。

优化设计模型是设计问题的数学形式,是反映设计问题各主要因素之间内在联系的一种数学关系。本文主要讨论三种优化设计模型:“成本――公差”模型、“质量――公差”模型、“质量――公差――成本”模型的建立过程及其用适用范围。

一、优化设计模型

(一)成本――公差模型

产品加工成本在机械产品的总成本中占有重要地位,影响加工成本的因素众多,其中零件公差起着重要的作用。一般来说在产品设计时零件公差等级越高就越能保证产品设计要求,但这必然导致产品加工成本提高。“公差―成本”模型是公差优化设计的基础,是建立机械产品优化设计目标函数的依据。但是由于影响产品加工成本的因素很多,因此难以确定一个通用的“成本―公差”关系式。较为常见的模型:

⑴

式中:ci――第i个零件的加工成本; ai――与公差无关的成本常数;

bi――与公差有关的成本系数; ti――第i个零件的公差。

通过选取多个统计样本,对统计样本数据进行回归分析,便可得成本-公差模型参数值如下:

⑵

⑶

(二)质量――公差模型

机械产品的质量在很大程度上是与产品的工作精度等输出性能指标联系在一起的。在一般情况下,产品的输出特性参数都是构成产品的零部件参数的映射。因此,产品的输出特性都可用其零部件参数按照一定得数学关系来描述。同样的道理,产品精度与零件公差之间也可以建立起相应的数学表达式:

T=F(t1,t2,……,t3) ⑷

式中:T――产品输出特性(T)的公差。

为了将产品设计精度T按一定的规则分配给相关零件公差,且使得产品制造成本最少,先确定产品输出特性误差的传递途径,再引入统计公差模型:

⑸

式中:ξi――第i个公差传递系数; Ki――第i个公差相对分布系数;

K――输出特性公差相对分布系数,零件尺寸成正态分布时取1。

由式⑴可知产品总制造费用,用C表示:

⑹

联合⑸、⑹两式,以总成本ΣT最小为公差分配判据,可求得各零件公差计算通式:

⑺

(三)质量――公差――成本模型

田口玄一博士认为:“质量损失是指产品出厂后给社会带来的损失”,质量损失给社会带来的损失的后果,首先反映在用户购买该产品的意愿上,并且直接影响到该产品的市场占有率,最终也要给产品制造企业带来经济损失。田口玄一博士提出的质量损失函数,描述了产品输出特性与质量损失之间的定量关系:产品输出特性值偏离目标值越大,损失越大,即质量越差,反之,质量就越好。质量损失函数如下:

L(T)=N(T-M)2 ⑻

式中:M――产品输出特性的目标值; N――质量损失系数。

由于产品输出特性公差T=|T-M|,故有:

L(T)=N(T)2 ⑼

根据田口玄一质量理论,产品总损失为产品成本与产品质量损失的总和,用L表示,则

L=L(T)+C ⑽

将⑺带入⑹式,得到:

⑾

由⑵、⑶、⑹、⑾四式可得“质量―公差―成本”优化模型:

⑿

二、结论与推广

本文探讨了优化设计的重要内容:优化模型的建立。介绍了三种常见的机械产品优化设计的模型:“成本――公差模型”、“质量――公差模型”,“质量――公差―成本”。“成本――公差模型”常用于零件优化设计,常用于优化单个零件的成本和公差。“质量―公差模型”常用于产品优化设计,用于优化产品组成零件的公差优化问题。“质量―公差―成本模型”常用于产品可靠性设计和成本控制,使产品的制造成本、经济效益和合格率达到预期指标。

作者单位:重庆大学机械工程学院

参考文献:

[1]韩之俊.三次设计[M].北京,机械工业出版社,1992

[2]孙国正.优化设计及应用[M].北京,人民交通出版社,2000

[3]林秀雄.田口方法实战技术[M].广东,海天出版社,2008

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一、结构优化的层次与分类

不同的结构优化的方法是在研究对象、目标函数、约束对象、变量和寻优策略的不同要求上派生出来的日。由优化目标的深浅将结构优化划分为三个不同层次:尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化和结构选型优化。以上各层次按顺序难度依次增加,收益依次增大。

(一)尺寸优化

在保持组件原有的结构形状与拓扑结构不变的情况下,通过对设计变量的分析重组,寻求最佳的性能组合关系的优化方法。

(二)形状优化

形状的优化设计是指在设计域内的拓扑关系保持不变的情况下求得结构的边界,使得这些边界构成的结构组件达到理想的几何形状,并实现某种性能的最佳表现。

(三)拓扑优化

结构拓扑优化包括了连续结构和离散结构的拓扑优化。连续体结构拓扑优化,包括孔洞个数及形状分布的优化,以及结构的边界形状的优化:离散结构的拓扑优化,就是在给定节点位置情况下,确定各节点的最佳联结关系Ⅲ。

二、产品生命周期的设计制造环节

产品生命周期(Product Ljfecycle,PLC)的概念源于生产管理领域的产品的市场战略。经过半个多世纪的发展,产品生命周期的概念和内涵也在不断发展变化H。并行工程概念提出促使产品生命周期的概念逐渐从经济管理领域扩展到了工程制造领域,将产品命周期的范围从市场阶段扩展到了研制阶段,覆盖了包括需求分析、产品设计、原料采购、制造装配以及销售维护阶段。20世纪90年代以来,全球机械产品市场进入了大规模定制与个性化需求并举的时代。在这种情况下,规模化的生产能力与机械产品的可靠性固然重要,而能否根据潜在客户需求做出快速响应,已经成为未来装备制造企业在激烈竞争中取胜的关键。这里我们将规模化机械产品的设计与生产过程加以分离,重点研究在结构优化的基础上寻求创新产品的设计的思路,以期快速响应客户需求。

三、基于结构优化的产品创新设计方法

产品的创新设计方法是指设计人员根据创造性思维的发展规律,在优化产品结构的基础上总结的一系列的原理、技巧以及方法。这些方法或技巧,可以在各种创造、创新过程中得到借鉴,同时提高人们的创造、创新思维的能力和促进产品设计创新成果的实现效率。产品设计创新的方法对创新有十分重要的作用,它既能产生直接的创新成果提高创新概念到产品实现的效率,同时也可启发设计人员的创新思维,提高创新的能力。机械产品的市场需求是进行产品设计创新的基础,要把产品需求转化为产品的创新设计成果,必须经过在原有的外形、尺寸及拓扑结构的基础上通过创新设计方法来实现产品的创新功能。机械产品的设计创新分为两个层次:一是运用工业设计的技术以及方法,以产品需求为基础,开发出全新的产品,成为原创型设计创新:二是运用现代工业的设计方法对原有产品进行外观以及内部结构的优化与改进,实现局部改进创新,称为次生型设计创新。实际上,人类数百年的工业发展史中,开创性的原创型设计创新产品所占的比例微乎其微,大量实用性高的创新产品都是次生型设计创新的产物。同时,由于无需进行原创型设计创新所需要进行的大量原型设计,因而能够有效提高机械产品的设计效率,减少设计环节所占用的时间。本文所介绍的基于结构优化的产品创新设计方法属于次生型设计创新的范畴。

四、机械产品的次生型优化创新方法

针对机械产品的次生型优化设计创新是指以在原有产品设计的结构基础上,在保留原有产品设计的核心功能与产品优点的同时,对该产品外形、拓扑结构等进行优化和再设计,使得新产品具备原有产品所不具备的 新功能和特征。产品的次生型优化设计创新是建立在产品的结构优化层次分类基础上的创新活动,机械结构的布局包括尺寸、形状、拓扑三个方面的信息,而尺寸优化、形状优化和拓扑优化体现了结构优化中三个不同层次的问题月。针对机械产品尺寸、形状、拓扑结构的优化创新设计,以产品基本架构组成零件之间的装配关 系为前提,结构优化的关注点是有待改进或者进一步开发的结构要素。通常,这些结构要素在设计之初并不明确,隐藏在复杂的形状、色彩以及结构形态之中,只有通过对多变的市场需求、多方面的用户期望以及现有同类产品的优缺点进行深入分析,才能找出最具创新价值的结构优化要素。成功地选择结构优化关注要素,为机械产品的创新思考确定清晰的方向。对机械产品的创新问题包含了优化问题的三个要素,即设计变量、目标函数以及约束条件,机械产品的次生型优化创新方法是TRJz。

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机械设计是设计人员根据用户的使用要求对专用机械的工作原理、结构、运动方式、力学和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。优化设计需要综合地考虑许多要求：最好的工作性能、低廉的制造成本、最小的外形尺寸和重量、使用中最稳定可靠、最少的能耗和最低的环境污染等。往往这些要求互相间是矛盾的，这就需要设计人员根据具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械具有最优异的综合技术经济效果。

作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。机械设计经历过手工绘图——计算机二维绘图（AutoCAD软件等）——计算机三维绘图（CATIA软件等）等几个阶段。

机械设计本身是繁锁的工作过程，手工绘图需要具一相当的工作经验及空间思维能力，除了必须熟悉和遵守制图标准、正确使用绘图工具、掌握几何作图的方法外，还要有比较合理的绘图工作顺序。随着计算机技术的发展，计算机在机械设计中得到了日益广泛的使用。运用计算机辅助设计不仅可以减少设计劳动量、提高设计速度和设计质量。且采用CATIA绘图则更加利于设计的更改存档为了保证绘图质量，提高绘图速度。

CATIA能够重用产品设计知识，缩短开发周期，解决机械设计方案加快企业对市场需求的反应。在设计时，设计人员不必考虑如何参数化设计目标，充分利用CATIA提供的变量驱动及后参数化能力实现变量和参数化混合建模。也可以利用CATIA实现几何和智能工程混合建模以便将多年的经验积累到CATIA的知识库中，用于指导新产品新型号产品的开发，加速新型号推向市场的时间。CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性。在设计过程中交互式捕捉设计意图，定义产品的性能和变化。隐式的经验知识变成了显式的专用知识，提高设计的自动化程度，降低设计错误的风险。CATIA提供了智能化的树结构，设计人员可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。

CATIA覆盖了产品开发的整个过程，提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立； CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，提供严密的无纸工作环境，提高产品质量及降低费用。

CATIA带有自有标准件库，且可以方便地链接第三方CATIA零部件数据资源库：囊括数百家国内外厂商的零部件产品模型。模型数据可被直接调用，更好的帮助设计人员完成设计工作，提升效率。

采用CATIA设计者可以非常方便地调用型材、通用件库。并可以充分利用EXECEL设计表实现参数化驱动设计。

CATIA 可以从数字化定义的产品，生成具有真实效果的渲染照片。在真实产品生成之前，即可促进产品的销售。

通过实际应用CATIA系统软件，笔者体会到CATIA系统软件在机械设计过程中具有明显的优势：

一、零件设计更加方便

使用CATIA系统，可以装配环境中设计新零件，也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件，既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来，使人一目了然。

二、装配零件更加直观

在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确即予以显示，另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件的时候，可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，及时对设计进行更改，避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。

三、缩短了机械设计周期

采用CATIA技术，机械设计时间缩短了近1/3，大幅度地提高了设计和生产效率。在用CATIA系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分零部件进行重新设计和制造，而大部分零部件的设计都将继承以往的信息，使机械设计的效率提高了3～5倍。同时，CATIA系统具有高度变型设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新的机械产品。

我司主要生产产品为环卫设备。是集机械系统、液压系统、电气系统、供排水系统，送风系统等为一体的机器设备。其错综复杂的液压管路及电气线路的完整表达，需要强大的软件来完成。CATIA正好是我司引进的主要设计软件。北京五路居垃圾转运站是国内首个采用强力预压块装式的垃圾压缩设备，国内外可参考的资料极少。根据转运站设备工艺要求，压缩垃圾的压力要达到180吨，垃圾重量达24吨，垃圾打包长度达10米。由于压力大、压缩行程长，设备结构强度、机械性通报要求极高，且需要有良好的生产工艺性。经过反复设计论证和科学计算，最后确定了ACP-18型压缩机的总体方案，主要由油缸支架部件、压缩腔体、升降闸门部件、滑动支架部件、推头部件、油缸座及称重传感支座等部分组成。配合两组油缸推动推头，每组油缸的行程为7.9米，使推头的总行程达到了15.8米。由于ACP-18型压缩机压力大，机体庞大（设备总长达25.5米，自重达72吨），对结构强度要求极高，考虑到要求强度及生产工艺性，压缩腔体采用厚度达16mm的低合金钢板（16Mn），且用“C”型槽扶强。在油缸支架及滑动支架则采用矩型钢管焊接而成的框架结构，既保证了结构具有足够的强度，又减轻了自重。为保证压缩机机体具有良好的刚性，机体底部布置了两条460x190mm的大型工字钢。经过应用CATID系统进行结构设计计算及设备运行中的验证。并在此基础上完成了设备的设计工作，于99年初在公司内生产制作，年底在北京工地顺利安装并成功投产。经过实际运行，证明ACP-18型压缩机设计合理，结构可靠，各项性能均完全满足垃圾运转站的工艺要求，胜利通过了验收。该工程被北京市列为“国庆50周年献礼工程”。

我司也曾使用AutoCAD、SolidWorks、 Pro/E进行三维设计，但通过一段时间的试用比较，发现CATIA设计软件更能适应我司的产品设计。由于环卫设备环境恶劣，设备需长期稳定工作，维修少维护简单的特殊要求；机场设备要求稳定，且安全可靠。CATIA的推广应用在我司设计的产品优化设计方面突显优势,并带来可观的收益。

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中图分类号：TD402 文献标识码：A

现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。工程实际中还逐渐出现了许多新的设计思想和设计方法。随着社会的发展、人们思想观念的更新和科学技术的发展而提出，对节能、环保、改进产品性能和增加产品市场竞争能力等方面的重要性而受到越来越多的重视。传统的设计运用力学和数学形成经验作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。我们熟悉的优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元法等,这些设计方法已经较为成熟,形成了完整的设计体系。机械优化设计是在进行某种机械产品设计时，根据规定的约束条件，优选设计参数，使某项或几项设计指标获得最优值。

它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的统称，提高设计质量和缩短设计周期，是为了适应市场剧烈竞争的需要，以及计算机在设计中的广泛应用。60年代以来，在设计领域相继诞生与发展的一系列新兴学科的集成。产品设计的“最优值”或“最佳值”，系指在满足多种设计目标和约束条件下所获得的最令人满意和最适宜的值。最优值的概念是相对的，随着科学技术的发展及设计条件的变动，最优化的标准也将发生变化。这种选择不仅保证多参数的组合方案满足各种设计要求，而且又使设计指标达到最优值。由于传统设计所用的计算方法和参考数据偏重于经验的概括和总结，往往忽略了一些难解或非主要因素。在信息处理、参量统计和选取、经验或状态的存储和调用等还没有一个理想的有效方法，解算和绘图也多用手工完成，这不仅影响设计速度和设计质量的提高，也难以做到精确和优化的效果。因此，求解优化设计问题就是一种用数学规划理论和计算机自动选优技术来求解最优化的问题。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化，它要求人们根据事物的客观规律，在一定的物质基础和技术条件下，得出最优的设计方案。机械优化设计可解决设计方案参数的最佳选择问题。

1 现代设计方法

1.1 创新设计

创新是设计的本质，随着科学技术突飞猛进的发展，产品的市场竞争也日益激烈。们消费观念不断变化，产品的创新性，创新产品能满足甚至创造出新的需求宜人性等因素愈来愈受到重视，大量科技成果转化为生产力，在竞争中占据着突出地位。在这种形势下，创新设计是产品适应新的市场形势的最好途径，因而必然有较强的市场竞争力。

1.2 智能设计

为了提高制造业对市场变化，在CIMS环境下，设计正在向集成化、自动化等方向发展。就必须大大加强设计专家与计算机工具，使计算机能在更大范围内，这一人机结合的设计系统中机器的智能，更高水平上帮助或代替人类专家处理数据、信息与知识，大幅度提高设计自动化的水平。智能设计就是要研究如何提高人机系统中计算机的智能水平， 做出各种设计决策，使计算机更好地承担设计中各种复杂任务，智能化是设计活动的显著特点，也是走向设计自动化的重要途径。

1.3 响应设计

随着市场竞争的加剧，使得产品的更新换代不断加快，市场寿命周期不断缩短。现代科技的日新月异，建立快速捕捉市场动态需求信息的决策机制。实施快速响应设计技术，适应市场环境的变化，面对瞬息万变的市场环境，用户需求的转移，增强企业市场竞争的有效途径。更要求企业具有高度的灵敏性，不断地迅速开发新产品，能抓稍纵即逝的机遇，变被动适应用户，这样才能保证企业在竞争中立于不败之地。在这种时代背景下，市场竞争的焦点就转移到速度上来，快速提高更高的性能/价格比产品的企业，将具有更高的竞争力。为提高快速响应能力，企业首先应当能迅速捕捉复杂多变的市场动态信息，并及时作出正确的预测和决策。

2 现代设计优化技术方法

2.1 现代方法与传统方法比较

整个传统设计的过程，参照同类产品，通过估算、经验类比或试验等方法来确定产品的初步设计方案，是人工试凑和定性分析比较的过程。机械产品的设计，一般需要经过需求分析、方案设计、分析计算、市场调查、结构设计、工程绘图和编制技术文件等一系列工作过程。传统设计方法通常是在调查分析的基础上，优化设计理论的研究和应用实践，从经验、感性和类比为主的传统设计方法过渡到科学、理性和立足于计算分析的现代设计方法，又能满足生产的工艺性、使用的可靠性和安全性要求，使传统设计方法发生了根本变革，机械产品设计正在逐步向自动化、集成化和智能化方向发展，按照传统方法得出的设计方案，可能存在有较大改进和提高的余地。机械产品设计工作的任务就是使设计的产品既具有优良的技术性能指标，且消耗和成本最低等。根据经验或直观判断对设计参数进行修改。但是由于传统设计方法受到计算方法和手段等条件的限制，设计人员可以在有限的几种合格设计方案中，这是很难找出最优设计方案的。

2.2 优化设计

随着计算机及其计算技术的迅速发展，对结构的参数化模型进行加载与求解。工程设计中较复杂的一些优化问题取得了较好的技术和经济效果，把状态变量提取出来供优化处理器进行优化参数评价。促进了工程优化设计理论和方法的发展，并结合工程优化设计的特点，为以后软件修正模型提供可能。如果最优，完成迭代，退出优化循环圈。利用CAE软件的参数化建模功能，将要参与优化的数据定义为模型参数，重新投入循环，与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小。在多目标优化，混合离散变量优化、模糊优化以及人工智能、神经网络及遗传算法，应用于优化设计等方面都获得一些显著的成果，已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，逐步形成以计算机和优化技术为基础的近代优化设计。

结论

从机械产品设计的全局来看，目前比较先进的优化设计，大多数还停留在设计方案后参数优化方面，面向产品设计，应将优化设计拓宽到机械设计产品的全生命周期过程，是适应机械产品设计。随着CAD技术不断地发展，现代科学技术支持下，现代机械先进优化设计技术将进行新一轮的发展。

参考文献

[1]现代设计方法[M].武汉:武汉理工大学出版社，2001.

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VB机械优化设计软件是20世纪60年代初发展起来的一门新学科，随着数学规划论和计算机技术的发展，它与机械设计理论相结合，解决了在机械设计领域中最优化设计问题。通过这种新的设计方法，可以从众多的设计方案中寻找最佳的设计方案，从而大大减轻了设计人员的劳动强度并提高了设计效率。

一、VB机械优化设计

1.含义。VB程序设计语言是一门面向对象的可视化编程语言。机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论、方法和标准规范等建立反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。

2.现状。随着现代科学技术的发展与机械设计水平的不断提高，人们对机械工程结构性能要求也越来越高。传统的设计方法很难适应这些要求，因此在工程设计中出现了多种现代设计方法。优化设计方法就是其中之一。到目前为止，优化设计方面的研究工作很大程度上仍然局限于拓宽和加深优化方法领域。以数学方法为主并配以应用程序，如多目标优化，混合离散变量优化或将人工智能、人工神经网络及基因遗传等算法应用于优化。经过多年的努力，优化理论得到进一步完善。现行的各种优化方法及其程序几乎完全能使大多数设计问题得到解决。

从70年代起，优化方法开始应用于工程设计中，并利用计算机求解实际工程设计问题。随之各专业的优化研究工作有了不同程度的发展，出现了许多与各专业相联系的工程优化设计软件。在机械行业中有许多用于工程设计的优化软件。目前最常见的优化设计软件有华中科技大学的《优化方法程序库OPB-2》和《优化方法程序库OPB-1》等。这类优化软件着重于优化方法的研究和实现，提供了一批可处理混合离散设计变量优化问题的方法和程序。其中《优化方法程序库OPB-2》包含了许多现代设计方法，如人工智能等方法，另外还有与机械专业联系十分紧密的优化设计软件，如常见的减速器的优化设计软件等，基本为各应用单位自己研制，有很强的针对性，这些应用软件丰富多样，大大推动了优化方法在机械工程结构设计中的应用。

二、VB机械优化设计软件的研究与实现

1.设计步骤。VB机械优化设计软件设计步骤为：①将设计问题的物理模型转变为数学模型。建立数学模型时要选取设计变量、确定目标函数、给出约束条件；②采用适当的最优化方法求解数学模型；③编制优化设计程序；④求解优化结果；⑤分析优化结果。

2.特点。VB是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、数据结构、函数输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序后再一起运行。版本的VB新语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式，更利于非计算机专业的科技人员使用。且这种语言可植性好、拓展性极强，这也是VB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因，VB由一系列工具组成，这些工具方便用户使用VB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面，包括VB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。

3.基于VB优化设计教学软件的程序编写。本程序采用模块化设计思想，设置一个主窗口程序和若干子窗口程序，各种优化方法在子窗口程序中具体实现，使程序结构变得清晰，简化了程序设计结构，运行中通过主程序调用各优化方法的子窗口程序。程序以主窗口程序为核心，窗口中给出了本校机械专业大纲要求掌握的主要优化算法，算法按照教材章节由易到难的顺序依此给出了三类优化问题的具体求解方法。选择需要学习和训练的优化方法，点击“下一步”按钮，进入子窗口程序。

三、结语

随着网络技术和信息技术的不断发展，传统的优化设计方法已不能满足现代设计的需要。所以，实现优化设计资源的广泛共享，研究基于Internet的机械优化设计系统具有重要的现实意义。利用VB脚本语言和语言实现了优化设计方法数据库、优化设计算法模块、机械零件优化设计模块、设计软件模块和客户留言模块。系统界面优美简洁，易操作，具有很强的交互性，是集在线优化设计计算、资料查询和技术交流等功能为一体的机械优化设计资源服务系统。

参考文献：

[1]任晓丹.基于VB机械优化设计软件的研究与实现.

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1.1 传统机械优化设计方法的应用

传统机械优化设计方法大多应用于机械结构和零件功能的优化设计，针对机械结构的性能和形态进行优化。在机械结构上，内点罚函数优化法，能够对刚度和压弯组合强度结构进行良好的优化，既能够满足尺寸要求又能良好的控制结构自重。在形态方面，典型的是轴对称锻造部件的毛坯形状的优化。在性能方面，采用坐标转换法和黄金分割法对部分两岸结构进行优化设计，使得机械结构更加准确保持运动平衡性，提高了传力性能。这样看来，传统机械优化设计方法依然能够取得良好的效果，所以在机械设计发展中不能忽略传统优化方法的作用。

1.2 传统优化设计方法的一些改进

在新的设计方法出现后，传统机械优化设计进行了一些改进：设计中普遍采用最优设计方案和设计策略，帮助达到最优组合性能;建立能够反映设计问题的数学模型，提高机械设计的准确性;利用计算机选择最优方案，通过计算机程序解决更加复杂的计算;计算机辅助设计，降低人工设计的误差。

2 现代机械优化设计方法的应用和发展

随着机械设计要求不断提高，设计工作需要考虑的问题也越来越多，整体需要解决的问题规模和复杂度都有所增强，传统优化方法的问题暴露出来，局部优化和最优解不再适用于大规模问题的设计，这使得机械设计工作者广泛吸取其他学科的理论知识，产生全新的机械设计思路，通过算法来解决一些复杂的设计问题。

2.1 反馈神经网络在机械优化设计中的使用

反馈神经网络模型的基本内容是一些双向相连的神经元系统，每个神经元之间的连接都具有特别的权值，这个神经网络对于输出和反馈能够统一应用，这样将整个网络的能量函数和机械设计的目标函数映射起来，神经网络的进化过程则与机械优化设计的最优过程对应起来，在实际应用中，寻找神经网络模型与问题的解的过程十分关键。

2.2 多层向前神经网络在机械优化设计中的使用

多层向前神经网络也是目前神经网络模型中应用较广的一种，通过输入层、隐层和输出层，将模型输入信息进行单项的传播输出，整个模型中不论是层内还是层间，均不存在反馈链接。多层向前神经网络具有很高的运算速度，非线性的映射能力也更突出，在机械优化设计中，能够利用这种模型的特点，对机械结构的多目标优化进行映射。

除了神经网络模型的应用外，很多专业的数学软件也应用于机械设计工作中，比如MATLAB，作为功能强大的工程数据计算软件，能够很好的将计算问题与实际问题结合起来，其中配置了大量的工程函数，在解决大部分工程问题时能够节约大量的时间，而且计算结构也非常精确，所以在自动化控制和机械设计领域都有很好的应用。

3 遗传算法的应用与发展

遗传算法简称GA，是一种全新的概率优化算法。遗传算法作为一种非确定性的拟合自然算法，模仿了自然界生物进化的特点和规律，对于随机对象进行自然选择，按照自然界的适者生存法则来循环处理数据，最终产生的随机群体会收敛于整体的最优解。遗传算法有很强的自适应性，借助自然界遗产的规律，能够对全局都进行优化处理，同时遗传算法是潜在的并行计算算法，所以拥有很高的计算效率。遗传算法以其全局优化的优越性，主要应用于机器学习和控制领域，最近几年也得到发展被应用于机械优化设计中。

3.1 遗传算法与机械结构优化设计

简单的遗传算法线性适应度非常理想，通过非线性适度与自适应的变异概率来优化一般的遗传算法，以此来解决机械结构的优化问题，多峰值函数极值等都具有实际的参考意义。

3.2 遗传性算法与可靠性分析

框架结构系统结合遗传算法，能够对系统结构的可靠性进行优化分析。

3.3 遗传算法与故障诊断

遗传算法网络模型中，各个神经元之间的权值可以作为染色体向量，模拟基因多点交叉变异能够对随机对象进行优化选择，这种遗传算法能够应用于变压器故障的诊断。

4 机械优化设计软件的应用与发展

4.1 专用软件的应用与发展

目前国内机械优化设计专用软件开发和使用的都比较少，机械优化设计软件的开发还需要积累足够的经验，根据工作经验转换成计算机功能组成专用软件。计算机辅助设计软件的使用，能够帮助解决很多机械设计中的工程问题，结合人工神经网络和遗传算法，开发计算与图形化功能，专业软件的发展速度也是越来越快。

4.2 网络在线机械优化设计软件

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中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（a）-0034-03

网络协同设计是一种先进的联合设计手段，可以将不同的设计主体（专业技术人员）通过共享的网络平系起来，设计人员之间可以使用功能各异（异构）的工具设计远程协作，在这个共享平台中阶段性优化已有方案、模块化分析、并行修改，以远超出非协同条件下设计的效率和质量完成产品设计。其使用到的工具可以包括且不仅限于SolidWorks、PRT（Pro/E）、PRT（UG）、DWG、CATIA等，同时在产品的优化设计阶段也会用到各种计算软件工具如MATLAB等，在使用中可采用两种方式实现产品的协同化设计，其一是采用数据格式转换，该方式是实现异构平台条件下同一产品数据集成与共享的主要方式。其所采用的主要数据转化手段包括利用XML技术、IGES标准以及STEP标准。XML（即系统基于可扩展标记语言）技术，IGES标准（即利用图形数据交换标准）和STEP标准（即产品模型数据交换标准），使用商业化或编制数据转换接口，从而实现产品的几何特征提取和数据格式转换。其二是对三维建模软件进行二次开发，在工作端嵌入相应开发模块，以实现对产品设计节点所产生数据的三维建模，基于Web的产品协同设计原型系统原理见图1。

1 产品协同设计

1.1 产品协同设计概述

产品设计包括多种设计项目内容，譬如确定产品规格、技术规范、性能解析、采取多种计算手段分析建模，初步制定制造计划和概算等。通常状况下，这阶段工作必须通过设计方案、确认架构、设计优化、仿真和样机测试性能、效果等过程对方案的可行性、有效性进行最终检验。此阶段工作涉及诸多不同类型资源，譬如产品市场情况和开发此产品相关的理论，譬如文本阐述、图表图形、城市、数据库、仿真设计（数字化）、物理及样机模型实验和实验实施所需诸多设施、装置等[1]，不过上述资源多数散布于多处。

利用远程MATLAB优化分析系统与CAD软件融合利用，不仅加速系统研发工作，使得系统更为可靠，并且非常有益于产品设计阶段中MATLAB优化解析方法的推广利用。在特殊条件下，运用MATLAB优化分析方法远程优化设计方案的前提要件是确定模型参数，通过增加产品性能、模型设计和优化的多个参数，辅助改进设计，必然有益于系统功能的扩展，还能够扩大系统运用范畴。此外，把散布的分析和优化工作所需资源有效归集，对于持有此资源的主体来说，能够提升利用此资源的整体效率，提高利润水平，另外利用此资源主体所需费用较少，因此整个研发设计过程中所耗成本也更低，产品在市场上自然具备更强竞争力。

1.2 产品协同设计过程

产品协同设计过程可以简单描述如下。

（1）方案设计。此阶段工作主要包含下述两个内容：第一，企业根据顾客要求设计完产品；第二，企业能够依据市调结果，自主研发推出新产品。两种产品设计方案均需交换许多不同类型数据和资料，最终必然能够确定最优设计方案。

（2）参数优化分析。为确保研发产品性能可靠，满足设计需要，运用MATLAB优化研究软件优化产品，令其更为可靠。

（3）产品结构设计。设计人员根据已经优化确定的产品方案，运用CAD程序完成建模，并协同完成装配过程。

（4）样机实验。在车间内产出样机，对踊进行性能测试，研究验证产品性能，保证性能满足设计要求。

2 优化设计方法分析

许多机械产品设计中需要进行优化，优化过程可分为3个部分：合成和分析、评价以及更改参数3个部分组成。其中，合成和分析部分的功能主要是建立产品设计参数和设计性能以及设计要求之间的关系，这是对设计产品进行建立数学模型的处理。产品的性能和设计要求的分析，相当于评估目标函数是否改善或达到最佳，即测试数学模型中的约束每一条都满足。选择参数部分是利用不同优化方法，使该目标函数（数学模型）求解，并根据该优化方法来求得最佳设计参数。优化设计的前提是选择最优的设计方法。而哪一种方法最优，主要根据具体设计优化的问题情况、特点和具体设计来定。通常来讲，可以有下述几点评价方案。

（1）可靠性。（2）精度。（3）效率。（4）通用性。（5）稳定。（6）全局收敛方法。（7）初始条件灵敏度。（8）多变量灵敏度。（9）约束灵敏度。

3 齿轮传动系统的优化设计案例

机械层面的设计优化视为协同设计工作平台内节点之一，通过传送输入/出文件，可以在异地完成计算并运用结果，下面以齿轮减速器为案例说明基于Web的协同设计下的优化设计过程，案例中所选择的优化算法为遗传算法（Genetic Algorithm，简称GA）。这是一个模拟达尔文生物遗传进化选择历程检索获取最优结果的方法[2]。在机械层面的设计优化问题中，运用这一方法，能够有效避免产生局部最优解，最终获得对整个系统方案都最优的更好解。该研究运用遗传算法用作齿轮优化方法，再结合Matlab遗传工具箱完成优化，不仅简单而且高效。

优化分析系统一般能够划分成处置数据、设计优化、输入/输出、造型产出4个主体模块。其中第一个模块的主要任务是：完成齿轮设计过程线图、处置数据，根据各种条件、状况，能够灵活选择查表、插值、拟合曲线、数据库和BP神经网络映射等多种手段完成工作。其中第二个模块主要应用Matlab语言，根据从第三个模块获取的转速、传递功率、负载性质以及传动比等数个已经确定的参数数据，运用Matlab神经网络、遗传算法两大工具箱，优化齿轮设计[3]。其中第三个模块主要负责：运用完成VB、Matlab、 SolidWorks API多个软件中数据的流转改用。其中第四个模块的主要任务是，依据前一模块产出结果，在优化设计的协同工作端自动完成齿轮的三维参数化造型。

3.1 建立数学模型

选择目标函数为齿轮减速器体积最小，同时，在选择齿轮强度的影响参数时使用以下4个参数，分别是法向模数mn、小齿轮齿数z1、齿宽系数φd以及螺旋角β，以上4个参数为设计变量建立数学模型。

（1）设计变量。

（2）目标函数。

（3）约束条件。

①模数约束：1.5≤χ1≤20。

②根切约束：g1≤0。

③齿宽系数约束条件：0.2≤χ4≤1.2。

④螺旋角约束：8≤c3≤25。

⑤齿面接触应力约束：g2≤0。

⑥齿根弯曲应力约束：g3≤0，g4≤0。

其中：

斜齿齿轮接触疲劳应力为：。

斜齿齿轮弯曲疲劳应力为：。

3.2 BP神经网络映射程序的实现

神经网络BP（Back Propagation），是目前在多学科领域应用范围最为普及和成熟的人工神经网络，其组成经过主要包含信息正向传播与误差的反向传播两个过程。BP人工神经网络在模式识别、函数逼近和数据压缩方面都显示出较强的映射能力[4]。下面是齿形系数YFa计算关系映射的实现步骤（使用Matlab7.1神经网络工具箱，共4步）。

第一步，读入训练样本数据。

第二步，初始化网络，利用网络初始化函数newff实现。

第三步，训练网络。利用训练函数train实现。

。

第四步，函数逼近。

利用上步训练好的网络代替原有的

函数关系，计算任意齿数zv0时的齿形系数YFa0，通过sim函数实现。

对比样本数据和映射之后产出数据，发现变差的最高值为0.006，证明此人工神经网络辨识精度达到很高水平，满足要求。

3.3 遗传算法程序实现

该文运用遗传算法来计算优化齿轮设计，结合运用Matlab软件中的遗传工具箱完成优化，整个过程不仅简单而且高效，其中遗传算法优化步骤如下。

（1）将数学模型转化成如下适用于Matlab的形式。

①设计变量。

②目标函数。

③约束条件。

（2）建立目标函数的m文件FitnessFcn.m文件内容如下。

（3）建立非线性约束的m文件nonlconfun.m；文件内容如下。

（4）把线性约束所对应的向量与系数矩阵赋予下述变量A、b、Aeq、beq，将边界（上/下）值分别赋予下述变量LB、UB。

（5）调用。

3.4 VB与Matlab混合编程

VB、Matlab结合完成编程过程中，还能够运用动态DLL链接库、DDE数据和ActiveX自动化3种技术手段，具体详见文献[4]。该研究运用ActiveX技术，利用VB编程时调取Matlab优化齿轮设计程序的部分代码如下：

当齿轮优化分析计算完毕，齿轮优化分析结果上传并存储到数据库中，但此时非优化设计客户端用户只能浏览及下d计算数据文本，如果客户端没有安装二次开发模块，仍然无法对数据进行建模处理，所以在优化设计工作端需要对软件进行二次开发，以SolidWorks软件为例，可以运用ActiveX技术和API函数，结合VB语言二次开发SolidWorks，运用优化所得结果实现齿轮的三维参数化造型在所开发的VB程序内增加下述代码，将完成的程序编辑产出*.dll文件，在SolidWorks中打开，在菜单栏中就能够加入“齿轮”“斜齿圆柱齿轮”菜单和下拉菜单选项。

…

4 结语

该文探讨了基于Web的网络协同设计框架下，产品的优化设计部分作为协同设计网络的重要组成部分（工作端）的优化过程，并以齿轮优化分析作为具体案例进行分析，文中融合了编程开发软件：VB、Matlab，结合BP神经网络、遗传算法（人工智能领域），成功完成了存在离散（或连续）设计变量时，设计的优化，使得优化齿轮设计工作效率得到提升，继而实现了整体设计协同作业效率的提升，并获得了最佳方案。下一步可考虑在诸个工作端进行有效的数据转换最终将此优化实现和三维参数化造型结合融于一体，在诸个工作端所用CAD/CAM软件条件下，也能够完成有限元分析并产出NC代码，有效提升设计齿轮工作效率和品质，加快系统制造速度。

参考文献

[1] 周伟.基于网络的协同设计系统数据交换及管理关键技术研究[D].重庆：重庆大学，2007.

篇（8）

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0013-01

在机械优化设计中需要对参数模型进行求解和优化，特别是在大型的复杂的设计项目中，需要重复建模、重复优化模型。除了遗传算法等数学方法使用外，CAD技术应用对复杂的机械设计优化问题取得了较好的效果并产生了很好的经济效果。

1 机械优化设计中的CAD技术

单体机械机构的优化对象主要是零件的结构优化，涉及的学科少、优化的功能单一，优化的过程只限于结构设计和机构构成之间的关系。对于复杂的机械设计，优化的对象对体现整体优化思维，即整体优化大于局部优化。在这个过程中就需要采用合理的手段和方法优化的范围综合起来。计算机辅助手段日臻完善，在优化设计中把原理方案、功能，结构方案、总体参数以及结构性状的全部设计包含在内，真正的做到全局优化。

复杂的结构设计计算复杂、方法多变，涉及多学科多目标，而优化更要在这些方法找到更有效的方案更为困难。因此单一的方法来解决整体的优化问题肯定不行，但是采用CAD进行整体的优化和分解协调优化，通过模型建立，减少计算缩短优化时间。在结构优化中器件多，耦合度高，利用CAD技术可以在结构优化中应用网状分解的方法，将其分解，这种分解方法除了提高CAD利用效率之外还可以解决优化过程中的交叉学科问题，例如利用CAD机械设计的协同优化。在整体优化中目前的CAD技术还没有形成普遍使用的分解方法，因此分解的正确性并不是可以控制的，这成为CAD的在机械优化设计中应用的瓶颈。但是优化设计分层优化取得比较好的效果，由此建立起来的CAD优化发展。

2 CAD机械优化设计建模应用

机械产品设计优化技术就是设计者借助CAD技术将设计形体可视化、模拟化、可修改、可分析优化，进一步通过计算机辅助优化实体模型。产品的优化可以在CAD中进行三维几何重现，优化设计通过三维虚拟优化，采用几何模型描述对象的位置、结构、大小和性状，并寻求最高效的组合途径，通过优化的赋值可以将对象的颜色、纹理等信息进行详细描述，优化产品的原型，在这个过程中CAD的建模优化是最常见的优化方法。

2.1 参数建模优化

这种优化是通过工程关系以及几何方法在CAD中给予产品的性状特征，从而可以在产品功能上和设计方法上寻求类似的模型，通过模型的优化达到设计优化。在CAD中建立产品与参数之间的关系，而参数作为变量形成变量集合。在优化过程中通过参数的变化影响设计对象的变化，参数优化模型采用修改和定义的几何建模。参数建模优化包含工程优化、拓补结构优化、尺寸优化等，这些都是CAD参数建模优化中需要考虑的因素。

2.2 特征建模优化

这种优化是在CAD环境下从整个设计的各个阶段来优化设计，可表述为集成优化。进行集成优化需要在CAD条件下建立系统的、完整的、全面的描述需要优化的信息，使得各种特征能够从设计中显现优化的策略。特征建模优化可以明确的表示优化逻辑关系、互动关系以及关联特征方面进行表述和描述。特征建模优化能够在CAD环境中建立高层次的产品功能要素，对优化的信息进行联动管理，体现设计优化中，对形状、结构等复杂产品优化建模是思想，将产品的多特征进行特征分解，根据分解的特征相互建立优化途径，通过特征之间的运算达到优化整个设计的目的。

3 具备知识库智能CAD在机械优化设计中的发展

优化设计是一个高度智慧的创新的活动。CAD技术系统引入知识库，产生智能的计算机辅助设计系统，这成为ACD机械优化设计的发展方向之一。知识库智能CAD能够在信息优化、知识优化的基础上建立基于优化思维的知识库。它能够及时对优化设计的方向进行评估，利用知识库的评价机制，实现信息的交换和共享，解决优化设计中对信息和知识和需求。机械设计问题是模糊的，而优化的方式和途径也多样，对复杂产品进行优化，建立知识库信息获取、组织和表达。因此具备知识库智能CAD快速发展，为CAD在机械优化设计领域提供了新的途径。在机械优化设计中，设计不仅具有创意，而且优化应具备整体性和科学性。优化设计可以根据优化的途径分为优化搜索和优化创新。优化搜索可以根据各种方案选择一种最好的组合达到优化目的。在知识库智能CAD中具备的专家系统，采用参数匹配、信息匹配、结构匹配的方法将优化的产品进行搜索，选择最优的设计方案，遍历知识库中相似结构的模型。如果知识库建立的足够大，足够科学则搜索优化的优化度更高；优化创新是直接通过知识库得到最佳的优化结果。这种优化方法可以通过CAD的知识库，将设计的参数、模型、结构导入直接产生优化结果。但是不论是那种优化方法都要依据设计的原始信息，根据实际情况综合分析智能CAD优化结果，得出优化设计的方案。

4 神经网络智能CAD在机械优化设计中的发展

在优化设计中如果将优化的任务进行分解，形成各阶段优化的方案过多，而后面的的优化组成数量也迅速增加，这样就容易形成优化组合爆炸。在优化设计中面临如此大的优化结构时，往往需要更高层次的归纳和综合，对综合的信息进行少量分析即可找到优化的决策。一般CAD的优化只能在参数、简单结构等方面进行优化，而在如此复杂的框架优化、整体优化中显然不能满足优化要求。因此具备神经网络的智能CAD能够将设计的信息通过人工网络结构进行优化决策方式进行模拟。将优化的各层次和任务进行网络串联，共同完成阶段的优化工作。

5 结论

计算机辅助设计是机械优化设计的必要的工具。在知识库研究、神经网络研究、以及模糊控制研究方面已经取得了很多经验并发挥了巨大的经济效益。在优化设计中需要借助CAD这个途径将这些研究的思维移植并实现将大大提高CAD机械优化设计的效率，产生很大的经济效益。

篇（9）

中图分类号：S611 文献标识码： A

引言：近年来，随着我国经济的发展，我国机械工程规模开始加大，机械工程速度也开始变得迅猛，人对于机械行业来说，机械设计是一项复杂系统的工作，机械设计的治疗关系到工程质量的好坏，因此，对于机械设计人员而言，做出最优的设计，符合实际的实际是设计人员应尽的责任。

一、机械优化设计理论概述

1、机械优化设计的概念

机械优化设计是指最优化技术在机械设计领域的移植和应用，是以最低成本获得最高效益。其根据机械设计理论、方法与标准规范等建立能够正确反映实际工程设计的数学模型，利用数学手段和计算技术，在众多的方法中快速找出最优方案。机械优化设计通过把机械问题转化为数学问题，加以计算机辅助设计，优选设计参数，在满足众多设计目的和约束条件的情况下，获得最令人满意、经济效益最高的方案。目前，机械优化设计已成为解决机械设计问题的有效方法。

2、 机械优化设计研究的内容

机械优化设计主要研究的是其建模和求解两部分内容。 如何选择设计变量、列出约束条件、确定目标函数。其中，设计变量是指在设计过程中经过逐步调整，最后达到最优值的独立参数。设计变量的数目确定优化设计的维数，维数越大，优化设计工作越复杂，但效益越高，所以选取适当的设计变量显得尤为重要。约束条件即是对约束变量的限制条件，起着降低设计变量自由度的作用。目标函数即是指各个设计变量的函数表达式，工程中的优化过程即是指找出目标函数的最小值（最大值）的过程。一般而言，目标函数的确定相对容易，但约束条件的选取显得比较困难。

二、机械优化设计理论主要方法

1准则优化法

准则优法主要是通过力学以及物理或者是其他原则构造评优准则所应用的，然后在进行寻优。这个项方式的主要优点就是有着直观的概念以及简单的计算方式，同时能够对于优化效率约束能很好地降低，在工程方面广泛的使用；有弊就有利，这项方式只是考虑了很少的方面或者是一个点，使得优化效率大大的降低，甚至是没有约束。

2线性规划法

线性规划法主要是通过数学极值原理所对于目标函数为设计变量线性优化所设计的，可以说是机械优化设计中最为常用的一个方式。有单纯形法和序列线性规划法。

3神经网络法

神经网络可以说是一个大型的自适应非线性动力能够，所具备的有点为联想、概括、类比，同时要是局部出现问题对于整个系统却没有很大的影响。最早发现神经网络优化能力人员是美国物理学家Hopfield ，根据动力系统以及统计学原理，将系统稳定性以及最优化对策，同时系统能量函数和目标函数优化相互之间对应，优化设计变量以及神经网络参数相对应，在整个系统逐渐演变的过程中，在1986Tank首次提出了求解线性优化问题的造型化神经网络。神经网络稳定平衡点是这项方式的主要点，对于整个网络能量函数极小点所进行的优化设计，通过较为强大的计算方式以及近似分析、非线性建模能量将计算效率进行优化，所进行这个过程的关键点就是神经网络构造，一般都是使用在求解组合优化、约束优化以及复杂优化。

4、多目标优化法

机械设计所追求的最终目的就是优化功能、强度以及经济性，但是在实际工作中机械优化设计都是优化目标设计方式。在实施目标优化的过程中还是存在着很多的困难，对于研究人员有着一定的挑战性，但是这些理论方式还是不够完善的，将其划分为两种：一种是将多目标优化转化为一个或者是一系列的目标优化方式，将所得优化结果当做目标优化的解，第二种是直接求非劣解，在这中间要选择最好的作为最优解。

三、现代机械优化设计理论与方法

1、利用现代计算机软硬件技术的设计方法。

在产品开发初期借助于设计方法学，利用多媒体工具进行系统的开发。根据这一指导思想，利用数学系统理论，同时考虑系统工程理论产品设计技术和系统开发方法学，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件。根据这一设计方法，往往把产品的整个开发过程概括为产品规划、开发和生产规划三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术D虚拟现实技术。（1）、产品规划D构思产品。其任务是确定产品的外部特征，如色彩、形状、表面质量、人机工程等，并将最初的设想用CAD立体模型表现出来，建立能够体现整个产品外形的简装模型。（2）、开发D设计产品。该阶段主要根据系统合成原理，在立体模型上配置和集成解元素，把实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置进行分析。产品配置分析是综合产品规划和开发结果的重要手段。（3）、生产规划D加工和装配产品。在这一阶段中运用CAD技术，用计算机图案显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造型和装配间的关系，由此发现难点问题，并找出解决问题的方法。借助于现代计算机软硬件技术，通过三维图形软件、多媒体和超媒体技术及虚拟现实技术进行设计。

2、积极开发发展绿色设计、制造。

（1）、绿色设计制造时现代设计制造的可持续发展模式。人们已经认识到环境与发展是密不可分的。要从根本上解决环境问题，必须转变发展模式和消费模式，即为资源型发展模式逐步转变为技术型发展模式，依靠技术进步，节约资源和能源，提高效益，减少废物排放，实施清洁生产和文明消费，建立资源和环境相联系的新的发展模式。这是人类探索了几个世纪终于领悟到的发展观D可持续发展。（2）、发展绿色设计制造将为企业发展带来新的机遇。开发绿色设计制造是人类可持续发展战略的重要组成部分，是每个企业家必须考虑的企业行为，但是不少企业认为绿色制造投入大见效慢经济效益不如直接抓成本、抓质量、抓品种等见效快，因而无视对环境的污染，甚至宁愿被罚款，也不愿意采取措施。实际上，环境全面改善，一方面可改善员工的健康状况和提高工作安全性，减少不必要的开支；另一方面在绿色制造环境下工作的员工心情舒畅，有助于提高员工的主观能动性和工作效率，以创造出最大的利润，使企业具有更好的社会形象，为企业增加无形资产。（3）、发展绿色制造将推行新一轮技术创新。在全球性竞争激烈的背景下，利用高新技术和现代化管理来提高生产率，节约自然资源投入，以及节约劳动和各种形式的资本，是促进经济增长与发展的主要源泉。

四、机械优化设计的前景

机械优化设计是最优化理论、电子计算机技术和机械工程相结合的一门学科，包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状优化设计等。近年来，随着数学规划理论与计算机技术的飞速发展及广泛应用，许多新兴优化算法，如遗传算法、神经网络法等相继被提出，机械优化设计广泛地被应用到建筑结构、化工、航天航空等诸多领域并取得飞速发展。机械优化设计具有广阔的发展前景。

机械优化设计给机械工程界带来的巨大经济效益是显而易见的，但其工程效应比起预期远远小得多。归结其原因，主要有以下两点：（1）建模难度大。（2）最优方法的选取难度大。 虽然有以上不足之处，但是机械优化设计的发现前景仍是非常广大的，且各领域也在积极做出相关的研究探索，并已取得一定的成就。

结语

纵观几十年来机械优化设计的发展历程，其发展是非常迅速且令人可喜的，虽然仍存在建模困难、优化方法选取等等方面的一些挑战，但是其前景仍旧是非常广阔的。研究机械优化设计的理论与方法无论是学术领域还是实际经济效益方面都具有研究意义。

参考文献：

【参考文献】

[1]白新理.结构优化设计[M ].河南：黄河水利出版社，200 8 .

[2]王玉新.复杂机械系统快速创新设计[M ].北京：科学出版社 ，2006.

篇（10）

工程机械一体化监测系统的优化设计的内容

篇（11）

（2）结构模块化设计方法。所谓的结构模块化设计方法就是指在对所设计的产品的功能需求进行调研和分析后，把设计的产品分成一个或多个模块化的结构，并且还要对这些模块化的结构进行重新的选择和组合，这样就形成了不同功能的产品。这些最基础的模块化的结构可以是零件，也可以是部件，同样也可以是一个系统，但是通常情况下，这些基础的模块化的结构是能够满足联接以及配合要求的，所以它们应具有互换性以及相容性。

（3）系统化设计方法。所谓的系统化设计方法就是指将多个设计组成一个大的系统，并且各个设计应是彼此不干扰的，而各个要素之间却又有着有机性的联系，只需要将所有的设计要素整合到一起，从而完成所需要完成的任务。

2大型矿井对煤矿机械装备的需求

由于煤矿的生产工作具有大型化以及高效化的特点，所以无论是煤矿生产的企业还是煤矿生产的工作都对煤矿机械装备提出了更高的要求。首先，煤矿生产的机械装备应向大型化的方向发展。要想满足机械装备高效化的生产需求，机械装备的技术参数也应逐步向大型化的方向发展；其次就是在机械装备的性能方面。煤矿企业应尽可能的使用安全性和可靠性较高的元部件，这对提高机械装备的运行效率以及延长机械装备的使用寿命都是非常有利的。在煤矿机械装备的操作方面，应尽量应用计算机监控以及集中操作的方式对机械设备进行操控，这样才能够满足集约化的生产需求，同时还应注意机械装备维修的便捷性；最后就是应综合的运用气压、机电以及液压等技术，从而真正地实现煤矿生产的机电一体化。

3现代结构设计在煤矿机械装备中的应用

（1）智能和虚拟设计。所谓智能设计就是指通过所形成的智能结构系统将控制器、传感器以及执行器等构件进行整合，使整个装备的结构无论是在愈合损伤方面还是适应环境方面都能够产生智能功能，机械装备的性能以及安全性都得到了较大的提高，能耗也得到了一定程度的降低。如智能采矿的新技术、机器人技术以及红外技术就已经得到了很好的应用，并且这些智能化的机械装备在煤矿生产中也得到广泛的应用。煤矿机械装备的制作成本都是比较高的，并且这些装备所工作的环境也是较为复杂的，所以要想在实际的生产工作中发现它们存在的问题和缺陷，就只能通过反复的试验，这对人力以及物力都会造成极大的浪费，为了尽量的降低损耗并控制浪费，有必要采用虚拟设计。借用仿真技术模拟机械装备的实际运行状态，这样它们运行环境的参数就会可视化，进行一些机械动力学的虚拟实验，从而达到对机械装备优化设计的目的。另外为了使虚拟样机得到优化，设计人员也可以根据用户的实际需求对运行参数进行修改。

（2）稳健的机械设计。机械装备所工作的煤矿生产环境是很复杂的，要想保证机械装备的良好运行，就必须具备一个较为稳健的机械设计。而稳健的机械设计就是利用系统的非线性，选择最为合理的可控因素，促使机械装备对产品老化以及环境变化等因素达到最不敏感的程度，使稳定性得到提升。在进行稳健性设计时，应先进行分析和实验，通过分析影响变量的所有因素，从而获取最佳的参数。在众多的工程分析法中，有限元法设计作为一种非常不错的工程分析法，其不但能够分析厚度突变以及边界不规则等受力对象，同时它还能够解决几何非线性等一系列的复杂问题。煤矿技术中的机械装备的受力情况是很复杂的，所以采用这种方法才能刚好匹配。如在分析电动挖掘机动臂和斗杆的受力情况时，因为其结构受力的情况复杂，如果是采用工程计算法是根本无法分析动臂和斗杆中钢板的应力分布情况的，而如果采用有限元法时，就可以得到钢板的应力分布情况。

（3）网络动态和模拟化设计。煤矿技术中的机械装备工作环境较为恶劣，并且对其进行研发和试验的周期也是很长的，而且其投资的规模也是很大的。如果采用传统的设计方法，不但要花费大量的时间和金钱，同时也很难满足快速变化的市场需求，这就会给煤矿生产企业带来很大的损失，所以，就要应用网络化的设计，即在煤矿机械的制造生产中应用集设计、研发、制造、模拟以及仿真于一体的新型设计理念。机械装备的工作过程是一个动态的过程，它运用的环境既有正常信号也有干扰信号，所以在考虑它们的工作状态时应同时兼顾正常信号和干扰信号，应进一步加强对动态模拟设计的研究工作。在使用机械装备的过程中，外界环境的干扰和变化也会对装备带来不利的影响，这就要求设计人员应进行人、机和环境一体化的分析工作，从而最大限度地提高机械系统的整体性能。设计人员同时还要注意环境协调设计，既不能过度的浪费资源，又不能污染环境。