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時(shí)間：2023-03-17 18:13:28
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1.1材料變?cè)?/p>
現(xiàn)實(shí)生活中很多種材料都可以用來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，不一樣的材料要求的加工方法和手段不一樣、適用的結(jié)構(gòu)類別不一樣、零件需要的大小也不一樣。材料的變?cè)梢宰兓霾灰粯拥慕Y(jié)構(gòu)模式。比如說(shuō)：在進(jìn)行鋼材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，零件的截面面積越大，材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就越大、越硬；在鐵材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了使結(jié)構(gòu)變強(qiáng)變硬，人們通常使用加強(qiáng)筋和隔板的方法；在塑料材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，塑料件的筋板和壁厚應(yīng)該無(wú)差而別且對(duì)稱均勻。
1.2數(shù)量變?cè)?/p>
在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)當(dāng)中主要包括以下幾個(gè)方面，即零件以及輪廓面、線和加工、工作面共同構(gòu)成了產(chǎn)品本身，如果想要將機(jī)械的結(jié)構(gòu)目的進(jìn)行改變，那么就可以通過(guò)調(diào)節(jié)上述結(jié)構(gòu)元素而實(shí)現(xiàn)。就好比在鑄件的過(guò)程中，是希望越簡(jiǎn)單便捷越好的。能夠節(jié)省一些不必要的零件配置，又能在安裝的時(shí)候方便人們的使用，這在無(wú)形中就提高了工作效率，比如安裝一個(gè)螺絲釘?shù)臅r(shí)候，如果按照螺釘和墊圈以及彈簧墊圈才能結(jié)合在一起的模式去安裝，那么就需要最少三個(gè)步驟，但是如果把它們?cè)O(shè)計(jì)為一體的話，就可以大量地節(jié)省安裝的時(shí)間，提高了效率。
1.3位置變?cè)?/p>
在實(shí)際操作過(guò)程中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的元素之間的位置是可以進(jìn)行調(diào)換的，這樣可以無(wú)形中使結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)更加完善。比如，零件的焊縫位置應(yīng)該對(duì)應(yīng)中性軸或者至少需要靠近中性軸，這樣便于將收縮力減少或者能夠避免產(chǎn)品的變形。除此之外，零件的擺放問(wèn)題也十分重要，如果雜亂無(wú)章則會(huì)大大阻礙操作速度。
1.4尺寸變?cè)?/p>
零件的尺寸必須符合使用的標(biāo)準(zhǔn)才行，必須在各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)合格之后才可以進(jìn)行操作，比如：在冷沖壓彎這一工藝中，就需要零件按照既定的需求進(jìn)行彎曲，如果零件在加工的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的彎度，那么就算是一個(gè)成品，不需要再度進(jìn)行加工。如果不符合產(chǎn)品的需求那么還需要進(jìn)一步的加工整形來(lái)達(dá)到產(chǎn)品的要求。
1.5形狀變?cè)?/p>
機(jī)械整體的結(jié)構(gòu)目的可以通過(guò)調(diào)整零件的形狀或者改變其規(guī)格的大小而實(shí)現(xiàn)。比如在彈簧的生產(chǎn)過(guò)程中需要考慮多個(gè)問(wèn)題，首先是彈簧的大小及其相對(duì)的螺絲墊圈的規(guī)格，能否讓彈簧和使用的螺旋面以及被需要壓緊的零件相吻合，就需要設(shè)計(jì)出不同規(guī)則的產(chǎn)品，無(wú)論零件的形狀面如何都需要相匹配的彈簧來(lái)配合才行，如果零件之間的距離過(guò)大，或者不能夠?qū)毫τ行诤希敲戳慵诎惭b過(guò)后就不算是合格，如果這一類零件銷售在市場(chǎng)中，很可能造成一系列事故，那么為了防止拉簧因?yàn)檫@些問(wèn)題而失去使用效率，就勢(shì)必要將彈簧的設(shè)計(jì)空間放大，并且實(shí)現(xiàn)它的自身獨(dú)特性，即使它在單獨(dú)使用的過(guò)程中也可以實(shí)現(xiàn)跟其他零件的配合。
1.6分析連接變?cè)?/p>
一是聯(lián)接方法，主要的模式有焊接、膠結(jié)以及螺紋聯(lián)接等方式。二是聯(lián)接的方式，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型的不同而不同，因此為了豐富聯(lián)接方式以及尋找到最為契合的聯(lián)接方式，各個(gè)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)以及聯(lián)接的方式都可以進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的合理調(diào)整。比如：針對(duì)一些需要拆卸的零件，如果在聯(lián)接的方式上不能選擇好，那么就會(huì)在聯(lián)接和拆卸方面造成一定的困難，此類的零件需要便捷的拆卸模式，比如日常生活中所購(gòu)買(mǎi)的一些產(chǎn)品，像是隨聲聽(tīng)的后蓋，就可以任意拆卸下來(lái)安裝電池來(lái)維持繼續(xù)使用，這樣的結(jié)構(gòu)也方便用戶使用，從未為其提供便捷的操作模式。
1.7分析工藝變?cè)?/p>
零件在產(chǎn)生之前，往往會(huì)有其自己的設(shè)計(jì)圖紙，而設(shè)計(jì)圖紙上面的結(jié)構(gòu)內(nèi)容直接決定了產(chǎn)品屬于何種工藝級(jí)別的零件，因?yàn)槊恳粋€(gè)設(shè)備的零件都不是完全相同的，所以零件的設(shè)計(jì)以及成本也千差萬(wàn)別，如果設(shè)計(jì)工藝在產(chǎn)品出產(chǎn)之前沒(méi)有得到完善，那么勢(shì)必會(huì)影響到零件自身的質(zhì)量，一旦零件沒(méi)有合乎要求，那么產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)就會(huì)受到一定的影響。因此在零件鑄造之前對(duì)于零件圖紙的研究必須給予深度的重視，現(xiàn)在的加工技藝正呈現(xiàn)著不斷創(chuàng)新和完善的趨勢(shì)，但是問(wèn)題也就隨之而來(lái)，這些加工工藝雖然具有創(chuàng)新性，但是還不夠成熟，并非達(dá)到了理想中的需求，因此還需要進(jìn)一步的對(duì)此加大研究的力度。
2機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的嘗試及優(yōu)化測(cè)評(píng)
2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新嘗試
防腐劑在石油以及一些石化設(shè)備中具有十分重要的作用，下文以其為例，闡述變?cè)ㄔ谄渲兄匾淖饔?。石油和石化設(shè)備必須進(jìn)行防腐蝕性的設(shè)計(jì)，這樣一來(lái)，在設(shè)計(jì)的最初就應(yīng)該考慮到防腐蝕性的大小和影響因素，從而采取必要的保護(hù)和防治措施，主要有以下幾個(gè)方面。首先，在總體的設(shè)計(jì)上面，對(duì)停車間給予了嚴(yán)格的要求，不能堆放雜亂，不能潮濕，不能含有其他不利于防腐的物質(zhì)存在。其次，設(shè)備的使用年限與設(shè)備本身一些極為細(xì)小的間隙區(qū)有著十分重大的聯(lián)系，這些縫隙極有可能在人眼看不到的地方發(fā)生腐蝕問(wèn)題，或者這些縫隙人是無(wú)法憑借手工去進(jìn)行操作控制的，就像是一些產(chǎn)品的焊接點(diǎn)，這些產(chǎn)品貌似看起來(lái)已經(jīng)不存在腐蝕的可能，但是難免會(huì)有看不到的縫隙存在，應(yīng)該進(jìn)行必要的封存和填補(bǔ)，或者干脆將縫隙擴(kuò)大，這樣便于對(duì)其進(jìn)行維修補(bǔ)救和防護(hù)。再次，溫度較高以及質(zhì)量較高的濃度階梯，局部勢(shì)差問(wèn)題往往在這種情況和產(chǎn)品中產(chǎn)生，一旦發(fā)生了腐蝕則不可控制。此外，每一種金屬都有著自己獨(dú)特的屬性，產(chǎn)品在構(gòu)建的過(guò)程中不一定是一種金屬構(gòu)建而成，多半是幾種金屬共同組合而成，但是不同的金屬勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生接觸面的腐蝕，應(yīng)該對(duì)此進(jìn)行絕緣處理。最后，面積越小腐蝕的點(diǎn)也就越小，因此要針對(duì)產(chǎn)品的不同設(shè)計(jì)縮小表面積從而減少腐蝕。
2.2對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)變?cè)獎(jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)的優(yōu)化評(píng)測(cè)
機(jī)械結(jié)構(gòu)在完成變?cè)獎(jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐之后。要根據(jù)目前的性能以及使用效果進(jìn)行一個(gè)綜合的測(cè)評(píng)，首先要進(jìn)行模糊測(cè)評(píng)，運(yùn)用理論研究和一些理想化的模型設(shè)計(jì)一種測(cè)評(píng)模式，但是這種測(cè)評(píng)模式并不是實(shí)際操作中的模型，而是通過(guò)一定的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和規(guī)劃，對(duì)其進(jìn)行變化創(chuàng)新設(shè)計(jì)的檢測(cè)。在測(cè)試的過(guò)程中測(cè)試者憑借自己多年的使用經(jīng)驗(yàn)和研究理念進(jìn)行對(duì)其綜合評(píng)價(jià)的過(guò)程，并根據(jù)現(xiàn)有的先進(jìn)思維對(duì)其進(jìn)行構(gòu)建，在測(cè)試的過(guò)程中還需要考慮到社會(huì)實(shí)際問(wèn)題，產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)變?cè)螅褂梅矫媸欠癜踩?，便捷，可維修性是否達(dá)到了指標(biāo)，并且要將邏輯推理的思維運(yùn)用到其中，選擇出使用其整體變?cè)姆桨?，最后針?duì)已經(jīng)選擇好了的方案，進(jìn)行進(jìn)一步地修改和完善，從而作用于產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)建當(dāng)中，服務(wù)于產(chǎn)品的整體功能。
建筑是環(huán)境的一部分,只有與整體環(huán)境形成一定的生態(tài)聯(lián)系，才有一種共生關(guān)系。所以,建筑必須與外部空間相聯(lián)系,形成不同層次的空間環(huán)境。因此,建筑與環(huán)境之間的結(jié)合、呼應(yīng),不僅完善了建筑空間,也使空間得以延伸、擴(kuò)展。建筑空間與景觀空間的結(jié)合,可以大大豐富建筑本身的空間。蘇州拙政園中的“借景”手法非常經(jīng)典地闡釋了這種設(shè)計(jì)理念。例如：在市中心復(fù)雜地段建筑，由于道路不規(guī)則等問(wèn)題對(duì)建筑產(chǎn)生了很大的制約，如果設(shè)計(jì)者采用圓形建筑風(fēng)格，映襯周邊的弧形道路，再用環(huán)形的步行道穿插于之中，能夠形成建筑與環(huán)境的和諧統(tǒng)一。
二、和諧在于共同元素的發(fā)掘
在建筑設(shè)計(jì)中我們經(jīng)常見(jiàn)到：一是關(guān)注建筑本身，后去考慮環(huán)境的美化；另一種是在環(huán)境中去添加建筑，建筑難以融入環(huán)境之中。這兩種設(shè)計(jì)環(huán)境都難以實(shí)現(xiàn)空間的和諧統(tǒng)一。事實(shí)上，我們不能單純考慮建筑，也不能單純關(guān)注景觀，單方面追求和諧統(tǒng)一的想法都是不現(xiàn)實(shí)的。如何在具體是設(shè)計(jì)過(guò)程中貫穿景觀與建筑和諧統(tǒng)一的理念呢？這就需要我們?nèi)ふ医ㄖc景觀的最佳結(jié)合點(diǎn)，不能在設(shè)計(jì)中顧此失彼。只有去尋求景觀與建筑的結(jié)合點(diǎn)，從這個(gè)地方切入，才能夠?qū)ふ业浇ㄖ撵`魂。
為此，我們?cè)谶M(jìn)行單體建筑設(shè)計(jì)的同時(shí)，預(yù)先提出整體環(huán)境框架與要求，在分析基址環(huán)境、周邊環(huán)境、視域環(huán)境等因素的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。尊重建筑周圍景觀對(duì)建筑風(fēng)格、色調(diào)、設(shè)施的各種要求，在這些要素中去尋找景觀與建筑相通的地方，抓住這個(gè)點(diǎn)來(lái)貫穿建筑與景觀，讓建筑風(fēng)格與環(huán)境風(fēng)格相符、相稱，讓建筑成為景觀生態(tài)中的一個(gè)部分，融入到環(huán)境當(dāng)中去。對(duì)于一些后加入進(jìn)去的建筑，或者是一些改造的建筑，也要在環(huán)境允許的條件下進(jìn)行調(diào)整，保持建筑與環(huán)境之間的整體性。
三、用建筑思想反照景觀設(shè)計(jì)
建筑不僅僅從屬于景觀，也是景觀的一部分，當(dāng)建筑融入景觀后，其本身也是對(duì)景觀的一種改造。所以，建筑的設(shè)計(jì)不僅要考慮與景觀的融合，也要考慮對(duì)景觀的創(chuàng)造性塑造。讓景觀襯托建筑、用建筑改造景觀。
在實(shí)踐中，我們要以建筑的理念對(duì)待景觀設(shè)計(jì)，用建筑分析、決策、設(shè)計(jì)的方法來(lái)造就景觀美學(xué)。具體設(shè)計(jì)中，我們可以建筑技術(shù)拓展景觀空間，用技術(shù)來(lái)表現(xiàn)科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合。同時(shí)，用建筑思維解決景觀問(wèn)題。城市中的建筑與景觀往往要面對(duì)許多制約，包括場(chǎng)地的限制、經(jīng)濟(jì)的限制，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用建筑的思維方式可以解決城市景觀設(shè)計(jì)中的很多制約因素，比如，在城市建筑密集地區(qū)，以彩色噴涂地面的方式劃分出進(jìn)出的道路以及人行與車行的路線，既滿足道路的功能要求，也為高層居民提供了視覺(jué)對(duì)象。
四、關(guān)注自然與文化雙重生態(tài)
中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）39-0098-02
優(yōu)化設(shè)計(jì)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新學(xué)科，它是將最優(yōu)化原理和計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為工程設(shè)計(jì)提供一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法。利用這種新的設(shè)計(jì)方法，人們可以從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找出最佳設(shè)計(jì)方案，從而大大提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。最優(yōu)化設(shè)計(jì)成功運(yùn)用于機(jī)械設(shè)計(jì)還是在20世紀(jì)60年代后期，雖然發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，但是發(fā)展迅速。在機(jī)構(gòu)綜合、機(jī)械零部件設(shè)計(jì)、專用機(jī)械設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)方面都得到了應(yīng)用并取得了一定的成果[1-3]。目前國(guó)內(nèi)許多高校機(jī)械專業(yè)都開(kāi)設(shè)了《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》這門(mén)課程。通過(guò)《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》這門(mén)課程的學(xué)習(xí)，首先應(yīng)當(dāng)使學(xué)生具有優(yōu)化的思想，了解一些優(yōu)化方法的原理，掌握一些優(yōu)化的方法，為以后更好的工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。但是本課程中一些枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及公式難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)激情。如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并使學(xué)生較快掌握一些優(yōu)化方法，一直是筆者在從事《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程教學(xué)中思考的問(wèn)題。下面介紹筆者在從事《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程中采用的一些方法和經(jīng)驗(yàn)。
一、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情
學(xué)習(xí)《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》這門(mén)課程的學(xué)生早已先修了機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程，筆者在教學(xué)之初常常告誡同學(xué)，對(duì)于一名工程師設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，僅僅具有機(jī)械原理機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只能進(jìn)行一些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)只是重復(fù)分析產(chǎn)品的性能，而不是主動(dòng)地去設(shè)計(jì)優(yōu)化產(chǎn)品的參數(shù)。從某種意義上講它沒(méi)有真正體現(xiàn)“設(shè)計(jì)”的含義。因此，對(duì)一個(gè)工程設(shè)計(jì)人員來(lái)講，應(yīng)當(dāng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中始終要有優(yōu)化的思想。當(dāng)然光有優(yōu)化的思想仍然是不夠的，還要有優(yōu)化的能力，掌握一些優(yōu)化方法。筆者在開(kāi)課之初，通常會(huì)給學(xué)生這樣一個(gè)假設(shè)。如果甲、乙兩位同學(xué)供職在同一個(gè)企業(yè)，企業(yè)老板讓兩人分別提出他們的方案來(lái)解決公司中某一產(chǎn)品的問(wèn)題。甲很快將自已的解決方案提交給公司老板。乙經(jīng)過(guò)分析考慮，在甲之后也提交了方案，乙的方案不僅解決了產(chǎn)品問(wèn)題，而且優(yōu)化了產(chǎn)品的參數(shù)，降低了成本。筆者問(wèn)學(xué)生甲、乙兩位同學(xué)誰(shuí)將會(huì)被重用，誰(shuí)將獲得更多的職位升遷的機(jī)會(huì)。這個(gè)答案是不言而喻的。通過(guò)上述的假設(shè)，使學(xué)生懂得具有優(yōu)化的思想和優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法還與他們個(gè)人在工作崗位的升遷機(jī)會(huì)有關(guān)。這極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)這門(mén)課的熱情，也讓優(yōu)化思想概念植根于學(xué)生思想之中。
二、采用形象化的教學(xué)方法
《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》中許多枯燥的公式和推導(dǎo)，學(xué)生一時(shí)會(huì)難以掌握，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生喪失學(xué)習(xí)的興趣。在教學(xué)中筆者注重采用形象化的教學(xué)方法，例如一維搜索方法中的確定搜索區(qū)間的外推法可以用盲人探路的方法來(lái)加以引導(dǎo)[4]。具體可以表述為：一個(gè)盲人想去一個(gè)山谷谷底，他向前探出一步，如果發(fā)現(xiàn)在上坡，說(shuō)明前進(jìn)方向錯(cuò)誤，谷底應(yīng)在身體后方，應(yīng)該轉(zhuǎn)身再前行。如果探出一步，發(fā)現(xiàn)是下坡，表明谷底在前方，可以繼續(xù)前行，直至走出一步出現(xiàn)上坡的感覺(jué)，據(jù)此可以判斷谷底就在最后兩步之間。
三、課堂教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐相聯(lián)系
課堂教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐相聯(lián)系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生走上崗位解決問(wèn)題的能力。例如坐標(biāo)輪換法，坐標(biāo)輪換法是每次搜索只允許一個(gè)變量變化，其余保持不變，即沿坐標(biāo)方向輪流進(jìn)行搜索的尋優(yōu)方法。在介紹坐標(biāo)輪換法思想時(shí)，筆者以注塑產(chǎn)品為例加以介紹，注塑產(chǎn)品的質(zhì)量與溫度、噴嘴壓力、保壓時(shí)間、注塑速度等工藝參數(shù)有關(guān)。在試模過(guò)程中為了獲得較好的產(chǎn)品質(zhì)量，需要調(diào)試出這些工藝參數(shù)值。有經(jīng)驗(yàn)的注塑人員往往采用坐標(biāo)輪換法思想以節(jié)約試模時(shí)間。首先逐漸改變某一個(gè)工藝參數(shù)值，而其余工藝參數(shù)保持不變，觀察注塑產(chǎn)品質(zhì)量。在注塑產(chǎn)品質(zhì)量不再提高時(shí)甚至開(kāi)始降低時(shí)，再調(diào)整另一個(gè)參數(shù)值，直至注塑產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到要求為止。如果同時(shí)對(duì)這些工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，很難確定調(diào)整這些工藝參數(shù)的方向，會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能調(diào)試出合格的注塑產(chǎn)品。
四、加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)
現(xiàn)代教學(xué)論指出：教學(xué)是教師的教與學(xué)生的學(xué)的統(tǒng)一，這種統(tǒng)一的實(shí)質(zhì)就是師生之間的互動(dòng)?！稒C(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程師生之間的互動(dòng)可充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用和主動(dòng)精神，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，進(jìn)一步提高學(xué)生的優(yōu)化設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新思維。在課堂上筆者注重與學(xué)生之間的互動(dòng)。經(jīng)常提出一個(gè)問(wèn)題，讓學(xué)生思考如何采用優(yōu)化的方法去解決這一問(wèn)題，以提高學(xué)生采用優(yōu)化方法解決問(wèn)題的能力。筆者常常讓學(xué)生走上講臺(tái)，介紹他們采用的優(yōu)化方法，并讓學(xué)生們充分討論思考有沒(méi)有更好的優(yōu)化方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。在課堂教學(xué)最后，筆者完全將講臺(tái)交給學(xué)生，讓學(xué)生們介紹學(xué)習(xí)《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》這門(mén)課的心得和體會(huì)。通過(guò)課堂的互動(dòng)，調(diào)動(dòng)了課堂學(xué)習(xí)的氣氛，學(xué)生在互動(dòng)中學(xué)到了一些優(yōu)化方法，牢固了優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力。
雖然《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》的基本尋優(yōu)思想和方法在20世紀(jì)60年代已近完備，但是仍有需要改進(jìn)之處，特別是該課程的教學(xué)方法。教學(xué)方法的優(yōu)劣將會(huì)影響學(xué)生的接受程度。采用各種生動(dòng)的方法將會(huì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，牢固掌握一些優(yōu)化的方法，讓優(yōu)化的概念植根于學(xué)生思想之中，為他們走上工作崗位更好地工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。筆者通過(guò)采用上述的教學(xué)方法發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程的興趣提高了，分析問(wèn)題解決問(wèn)題的工程實(shí)踐能力也得到了增強(qiáng)。有些畢業(yè)了的學(xué)生在與筆者聯(lián)系時(shí)，提到他們工作時(shí)常常想到并主動(dòng)去優(yōu)化。優(yōu)化創(chuàng)新思維已成為他們固有的一種思維模式。
參考文獻(xiàn)：
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[2]方世杰，綦耀光主編.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.
0 引言
行星齒輪減速器因具有體積小、重量輕、承載能力高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于冶金機(jī)械、工程機(jī)械、輕工機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、石油化工機(jī)械等各個(gè)方面。UG軟件是集CAD/CAE/CAM為一體的三維化的軟件，它是當(dāng)今最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析、制造軟件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船、通用機(jī)械和電子等工業(yè)領(lǐng)域。UG的CAD/CAE/CAM功能模塊有復(fù)雜的特征建模、裝配、運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析等功能。實(shí)現(xiàn)UG有限元分析功能，必須要遵從UG有限元分析的一般過(guò)程，構(gòu)建有限元模型，其中包括自動(dòng)網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷，利用圖形的方式得到模型應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在給定的載荷和約束條件下，選擇設(shè)計(jì)變量，建立目標(biāo)函數(shù)并使其獲得最優(yōu)值的一種新的設(shè)計(jì)方法。
1 齒輪軸幾何參數(shù)的初選
通過(guò)常規(guī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)計(jì)算出齒輪軸的幾何參數(shù)，齒輪軸的齒形為漸開(kāi)線直齒。分配減速器傳動(dòng)比，計(jì)算齒輪模數(shù)，并根據(jù)傳動(dòng)比條件、同心條件、裝配條件和鄰接條件確定齒輪的齒數(shù)。齒輪軸的齒輪基本參數(shù)如表1所示。
2 齒輪軸的三維建模
利用UG/Modeling模塊建立齒輪軸模型，如圖1所示（去掉網(wǎng)格后的實(shí)體模型）。
2.1 網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分越密集，計(jì)算結(jié)果越精確，但是這會(huì)使計(jì)算時(shí)間加長(zhǎng)。單元網(wǎng)格的劃分采用UG自帶的3D四面體自動(dòng)網(wǎng)格劃分，單元尺寸為3mm。網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。
圖1 齒輪軸的網(wǎng)格劃分
2.2 定義材料特性
齒輪軸材料選擇20Cr，其材料屬性如下：質(zhì)量密度 7.850e3kg/m^3，楊氏模量205000N/mm^2（MPa），泊松比0.29，屈服強(qiáng)度等于540N/mm^2（MPa）。
2.3 施加約束和載荷
齒輪軸兩端由兩個(gè)滾子軸承支撐，限制了空間5個(gè)自由度，只允許轉(zhuǎn)動(dòng)。本論文只考慮齒輪軸齒輪處的應(yīng)力進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，所以為齒輪軸加載荷及約束，安裝軸承處加圓柱形約束，在軸端即與聯(lián)軸器相連處施加大小為175.083N·m的扭矩。約束和載荷施加情況如圖2所示。
圖2 齒輪軸的載荷施加
2.4 求解和結(jié)果查看
UG軟件的結(jié)構(gòu)分析模塊提供了強(qiáng)大的后處理功能，可以自動(dòng)生成計(jì)算分析報(bào)告。齒輪軸的Von Mises應(yīng)力圖如圖3所示。單元節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為325.8MPa，基本接近材料屈服強(qiáng)度的60%?？傮w來(lái)說(shuō)，輸出軸在強(qiáng)度方面不僅滿足了設(shè)計(jì)要求，而且還有很大的裕量，材料的承載能力并沒(méi)有得到充分的利用，這為齒輪軸的優(yōu)化提供了很大的空間。
圖3 Von Mises應(yīng)力圖
3 齒輪軸的優(yōu)化
設(shè)計(jì)目標(biāo)：
最小化 模型 重量
設(shè)計(jì)約束：
模型 Von Mises 應(yīng)力，上限=320000.000000
設(shè)計(jì)變量：
a：：p53，初值=38.000000，下限=32.000000，上限=38.000000
最大迭代次數(shù)：20
優(yōu)化結(jié)果如圖4，圖5所示。
由圖6迭代分析結(jié)果可以看出，在進(jìn)行第三次迭代的過(guò)程中，應(yīng)力值超出上限，所以，以第二次的迭代結(jié)果為準(zhǔn)，此時(shí)的齒寬為35mm，應(yīng)力值為295MPa，比較理想。所以常規(guī)設(shè)計(jì)方法得到的齒寬b=38應(yīng)變?yōu)閮?yōu)化設(shè)計(jì)方法得到的齒寬b=35，此時(shí)的應(yīng)力值為295Mpa，亦滿足強(qiáng)度要求。
4 結(jié)束語(yǔ)
本論文利用UG的高級(jí)建模功能，在對(duì)行星齒輪減速器齒輪軸進(jìn)行參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，建立了有限元模型并進(jìn)行了有限元分析，得到了齒輪軸的Von Mises應(yīng)力圖，替代了常規(guī)校核的設(shè)計(jì)方法，大大提高了設(shè)計(jì)效率。同時(shí)對(duì)齒輪軸的齒寬進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)方案比原常規(guī)設(shè)計(jì)方案在齒輪軸重量上下降了2.02%。為多個(gè)設(shè)計(jì)變量（如模數(shù)、齒數(shù)）的單或多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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【Abstract】Taking engineering actual demand into account， ANSYS finite element software studies and analyzes stress and deformation of pressure vessels .Then to follow the design principles as a precondition， finite element model of pressure vessels to optimize the design and analysis， which aims at minimizing the quality after meeting the strength and stiffness requirements. At the same time， optimization analysis module of ANSYS carries on the optimization with pressure and wall thickness， provide theoretical basis with optimization.
【Key words】pressure vessels；Stress Analysis；optimization；ANSYS finite element software
1 引言
隨著科技的發(fā)展，壓力容器在眾多工業(yè)部門(mén)中有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)壓力容器的要求也越來(lái)越高。以往的壓力容器及其部件的設(shè)計(jì)基本采用常規(guī)設(shè)計(jì)法，以彈性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，材料的許用應(yīng)力采用較大的安全系數(shù)來(lái)保障。由于設(shè)計(jì)偏于保守使得設(shè)計(jì)的容器比較笨重，且成本較高，材料有所浪費(fèi)。
隨著工化設(shè)計(jì)朝著大型化，復(fù)雜化，高參數(shù)化方向發(fā)展，壓力容器部件越來(lái)越多的利用有限元壓力分析來(lái)完成。新的分析設(shè)計(jì)主要以塑性失效和彈塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，比較詳細(xì)的計(jì)算了容器和承壓部件的應(yīng)力，并利用大型有限元軟件ANSYS對(duì)壓力容器的壁厚及承壓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。
2 典型壓力容器有限元分析
2.1 基于ANSYS的壓力容器有限元分析
在分析過(guò)程中壓力容器將空間問(wèn)題平面化，有限元模型選取PLANE42單元。在ANSYS軟件中采用直接建模的方法，省略壓力容器的其他結(jié)構(gòu)（如群座、螺栓等），并設(shè)定軸對(duì)稱選項(xiàng)，建立1/4軸對(duì)稱分析模型如圖2-2示。端部封頭對(duì)稱面各節(jié)點(diǎn)約束水平向位移，筒體下端各節(jié)點(diǎn)約束軸向位移，內(nèi)壁施加均布荷載P=10Mpa.
2.1.1 對(duì)有限元模型施加邊界條件并求解
有限元分析的目的是了解模型對(duì)外部施加荷載的響應(yīng)。在本例中，模型受到的荷載有內(nèi)壓，外壓，重力以及支撐力，考慮到重力，外壓和支撐力相對(duì)內(nèi)壓的影響而言作用甚小，可以忽略。因此只對(duì)內(nèi)壁施加線荷載P=10Mpa，接下來(lái)進(jìn)入求解處理器進(jìn)行求解，獲得位移云圖及應(yīng)力云圖，如圖2-1，2-2示。
圖 2-1 工作壓力為10 Mpa時(shí)的位移云圖 圖 2-2 工作壓力為10 Mpa時(shí)的應(yīng)力云圖
圖中位移及應(yīng)力大小分別采用不同的顏色表示，其中紅色表示位移及應(yīng)力的最大值，藍(lán)色是最小值。從圖中可以看出位移的最大值出現(xiàn)在筒體下端，為1.2mm；應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在筒體與端部過(guò)渡的弧形處，最大值為95.7Mpa。
2.1.2 結(jié)果分析
圖2-1，2-2反映了筒壁受內(nèi)壓作用后結(jié)構(gòu)模型的位移、應(yīng)力情況，從圖中可以看出：（1）由于受內(nèi)壓作用，筒壁向外膨脹，模型為軸對(duì)稱圖形，所受的壓力是均布的，膨脹亦是均勻的，與預(yù)期相符；（2）筒壁沿軸向應(yīng)力分布是不均勻的，應(yīng)力最大出現(xiàn)在筒體與端部進(jìn)氣管的過(guò)渡處。這是因?yàn)槟Ｐ瓦M(jìn)氣管處尺寸發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致應(yīng)力集中，所以數(shù)值模擬結(jié)果是合理的；（3）通過(guò)對(duì)筒壁進(jìn)行強(qiáng)度校核表明，當(dāng)材料采用Q235-A時(shí)，壓力容器的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力（235Mpa），表明筒體的承壓空間還是有一定的提高潛勢(shì)的。
2.2 壓力容器承壓能力的分析
上述結(jié)果中表明該壓力容器的承壓空間還可以提升，故此對(duì)該模型分別施加線荷載P=5Mpa、15Mpa、16Mpa、17Mpa、18Mpa、19Mpa、20Mpa、25Mpa，分析其結(jié)果變化。圖2-3，2-4是模型的最大位移、最大應(yīng)力值隨壓力的變化曲線圖。
從圖中可以看出：（1）位移和應(yīng)力均隨著壓力的增加而變大，變化速率由大變小最后趨于平緩；（2）分析位移及應(yīng)力的變化曲線表明，自開(kāi)始加載到施加荷載15Mpa，其變化為線性變化，15Mpa到加載至25Mpa時(shí)，變化增長(zhǎng)緩慢甚至趨于平緩。這與鋼材的力學(xué)性能有關(guān)：鋼材從加載到拉斷，有四個(gè)階段，即彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段與破壞階段。從加載到某一定值時(shí)曲線呈直線變化是因?yàn)殇摬奶幱趶椥噪A段，再繼續(xù)加載曲線出現(xiàn)平緩是因?yàn)殇摬倪M(jìn)入屈服階段，產(chǎn)生塑性變形。所以也可以證明該有限元分析的可靠性；（3）從圖中易找出曲線從直線段過(guò)渡到平緩段的臨界點(diǎn)，即壓力15Mpa，此時(shí)該模型的最大位移為2.03mm，最大應(yīng)力值為168Mpa（小于許用應(yīng)力235Mpa）。
圖2-3 不同承壓下最大位移值的變化曲線 圖2-4 最大應(yīng)力隨承壓的變化曲線
2.3 壓力容器厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)
為了充分提高壓力容器的整體性能和材料的有效利用率，基于“塑性失效”和“彈塑性失效”準(zhǔn)則，以板殼理論，彈性與塑性理論及有限元方法，根據(jù)具體工況，對(duì)壓力容器各部位進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算及分析，在不降低設(shè)備安全性的前提下選取相對(duì)較低的安全系數(shù)，從而降低結(jié)構(gòu)的厚度，使材料得到有效利用。
上述承壓15Mpa時(shí)該壓力容器的最大位移值為2mm，最大應(yīng)力值168Mpa小于其許用應(yīng)力235Mpa，故可以考慮變化筒壁厚度，使材料發(fā)揮最大強(qiáng)度。所以在臨界承壓15Mpa的作用下試將原筒壁厚度25mm變?yōu)?0mm，21mm，22mm，30mm進(jìn)行試算。下圖2-5、2-6為最大位移值、最大應(yīng)力值隨筒壁厚度的變化曲線。
圖2-5 最大位移值隨筒壁厚度的變化曲線 圖2-6 最大應(yīng)力值隨筒壁厚度的變化曲線
由圖可以看出：（1）在臨界承壓15Mpa下，容器的最大位移值、最大應(yīng)力值均隨著筒壁厚度的增加而減??；（2）從最大應(yīng)力值與筒體壁厚的變化曲線中可以看出，當(dāng)壁厚為21mm時(shí)其最大應(yīng)力值為231Mpa小于其許用應(yīng)力。故此可以認(rèn)為在臨界承壓下，該壓力容器的最優(yōu)筒體壁厚為21mm，在此條件材料能發(fā)揮較高的強(qiáng)度。
3結(jié)語(yǔ)
本文采用ANSYSY軟件對(duì)壓力容器的位移、應(yīng)力進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，同時(shí)對(duì)壓力容器在滿足給定剛度和強(qiáng)度條件下進(jìn)行厚度最小的優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：
（1）壓力容器在受內(nèi)壓時(shí)，筒體中間位置變形最大，最大應(yīng)力則發(fā)生在端部進(jìn)氣管與筒體的過(guò)渡處；
（2）在該給定容器的條件中，可以得到此容器的最大臨界承壓為15Mpa，此時(shí)的剛度、強(qiáng)度及應(yīng)力均滿足要求；
（3）為了最大發(fā)揮材料的用途，在滿足給定強(qiáng)度和剛度條件下對(duì)該容器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得到其最優(yōu)筒壁厚度為21mm。
同時(shí)也可以看出ANSYSY軟件對(duì)分析壓力容器的可靠性，有效性。很大程度上減少了設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)周期，也為更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的方法。
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（Wenzhou Vocational & Technical College，Wenzhou 325035，China）
摘要： 優(yōu)化設(shè)計(jì)是將最優(yōu)化理論和計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為工程設(shè)計(jì)提供優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。MATLAB優(yōu)化工具箱具有編程工作量少、語(yǔ)法符合工程設(shè)計(jì)習(xí)慣的特點(diǎn)，本文應(yīng)用MATLAB軟件，以RV減速器一級(jí)齒輪傳動(dòng)體積最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例，與原設(shè)計(jì)方案相比，取得了良好的優(yōu)化效果。
Abstract： Optimization design is to apply optimum theory and computing technology into the field of mechanical design to provide the optimization design methods for engineering design. MATLAB optimization toolbox has many characteristics， such as the programming workload is less， the grammar conforms to engineering design practice and so on. MATLAB software is applied in this article， the minimum transmission volume of the first RV reducer gear as the objective function to optimize design and put forward the optimal design example. Compared with the original design scheme， it achieves good optimization effect.
關(guān)鍵詞 ： MATLAB優(yōu)化設(shè)計(jì)；目標(biāo)函數(shù)；約束函數(shù)；RV減速器
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中圖分類號(hào)：TG457.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2015）25-0085-03
基金項(xiàng)目：溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：G20120011）“基于救援機(jī)器人的RV減速器研發(fā)”的階段研究成果。
作者簡(jiǎn)介：鄭紅（1968-），女，江西南昌人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。
0 引言
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是最優(yōu)化方法與機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)合，設(shè)計(jì)工具是計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算程序，設(shè)計(jì)方法是最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在給定載荷及工作環(huán)境條件基礎(chǔ)上，在機(jī)械產(chǎn)品的性態(tài)、幾何尺寸關(guān)系或其他因素的限制（約束）的范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及目標(biāo)，選定設(shè)計(jì)變量、建立目標(biāo)函數(shù)，并使其獲得最優(yōu)值，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)可靠的機(jī)械產(chǎn)品。
換句話說(shuō)，也就是在滿足一定約束的前提下，尋找一組設(shè)計(jì)參數(shù)，使機(jī)械產(chǎn)品單項(xiàng)或多項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)因其目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)普遍呈非線性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)步驟為先根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)問(wèn)題建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)需要應(yīng)用專業(yè)知識(shí)確定設(shè)計(jì)的限制條件和所追求的目標(biāo)，確定設(shè)計(jì)變量之間的相互關(guān)系等，并使之滿足強(qiáng)度、剛度及運(yùn)動(dòng)學(xué)等約束條件。數(shù)學(xué)模型一旦建立，優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題就變成了一個(gè)數(shù)學(xué)求解問(wèn)題，應(yīng)用優(yōu)化理論，設(shè)計(jì)優(yōu)化程序，以計(jì)算機(jī)為載體計(jì)算得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。
美國(guó)可口可樂(lè)公司是全球最大的飲料公司，擁有全球市場(chǎng)48%的占有率，為降低生產(chǎn)成本，提升品牌競(jìng)爭(zhēng)力，可口可樂(lè)瓶有一段優(yōu)化設(shè)計(jì)的佳話，優(yōu)化處理后的可口可樂(lè)瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響，僅此一舉就節(jié)省了可觀的材料費(fèi)用，帶來(lái)了可觀的利潤(rùn)。
近年來(lái)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、國(guó)家推出“機(jī)器換人”工程，把機(jī)器人、高端數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用推向了，但基于機(jī)器人的RV減速器一直是個(gè)技術(shù)難題，直接影響到機(jī)器人的工作性能指標(biāo)。
RV減速器產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上由一級(jí)漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)和一級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)串聯(lián)構(gòu)成，漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)構(gòu)成第一級(jí)傳動(dòng)，擺線齒輪行星傳動(dòng)構(gòu)成第二級(jí)傳動(dòng)。RV減速器是一款剛度最高、振動(dòng)最低的機(jī)器人用減速器，能夠提高機(jī)器人工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，減小傳動(dòng)回差，而且還具有體積小重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比范圍大、承載能力大、運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
RV減速器廣泛應(yīng)用在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床行業(yè)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)全由設(shè)計(jì)人員手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質(zhì)量更小的指標(biāo)要求下，希望能從一系列可行的設(shè)計(jì)方案中精選最優(yōu)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法做不到，因而有必要采用優(yōu)化方法來(lái)確定其設(shè)計(jì)參數(shù)。
RV減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題，與其使用場(chǎng)合的具體要求有關(guān)。在保證傳動(dòng)能力的條件下要求齒輪傳動(dòng)及針擺傳動(dòng)體積最小或質(zhì)量最??；在要求較高時(shí)，需要優(yōu)選齒輪的幾何參數(shù)使齒輪副具有形成油膜的最佳條件；優(yōu)化齒輪傳動(dòng)的慣性質(zhì)量分配，以便最大限度地減少工作時(shí)間的振動(dòng)和噪聲，以及傳動(dòng)功率最大和工作壽命最長(zhǎng)等。
對(duì)于不同類型的RV減速器，其優(yōu)化設(shè)計(jì)具有各自的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)變量一般選擇齒輪傳動(dòng)的基本幾何參數(shù)或性能參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)、齒寬系數(shù)、傳動(dòng)比、螺旋角、變位系數(shù)和中心距等。
根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同，RV減速器設(shè)計(jì)可以有多種最優(yōu)化方案，本文討論的是在滿足齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度、剛度和壽命條件下，使RV減速器轉(zhuǎn)矩最大、體積最小或質(zhì)量最小。
基于RV減速器的機(jī)器人抓握機(jī)械手工況條件，8小時(shí)工作，正反轉(zhuǎn)，輕載平穩(wěn)，空載起動(dòng)，室內(nèi)工作，使用壽命5年，在溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心單件生產(chǎn)，機(jī)器人機(jī)械手轉(zhuǎn)矩T3=20 N·m，轉(zhuǎn)速n3=5rpm，為優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象，要求在保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度的條件下，獲得轉(zhuǎn)矩最大、體積最小、重量最輕的傳動(dòng)裝置。應(yīng)用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩做最大值優(yōu)化，即應(yīng)用fmincon函數(shù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉(zhuǎn)矩最大的情況下，齒輪傳動(dòng)體積最小，實(shí)際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。因此以轉(zhuǎn)矩最大為優(yōu)化目標(biāo)，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。
1 目標(biāo)函數(shù)
①工作載荷計(jì)算功率P3。
因?yàn)門(mén)3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上機(jī)器工作載荷系數(shù)K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②應(yīng)用針擺傳動(dòng)效率η2=97%，計(jì)算第二級(jí)針擺傳動(dòng)功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③應(yīng)用漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)效率η1=95%，計(jì)算第一級(jí)齒輪傳動(dòng)功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④應(yīng)用電機(jī)傳動(dòng)效率η=99%，計(jì)算電機(jī)功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩。
因?yàn)镽V減速器總傳動(dòng)比為i=-Z2/Z1*Zb，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為T(mén)=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N·m
對(duì)于第二級(jí)針擺傳動(dòng)，設(shè)計(jì)采用一齒差擺線針輪行星傳動(dòng)，因此針齒齒數(shù)Zb必須為偶數(shù)，Zb用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表達(dá)，即Zb=2*k，而10≤k≤50，則電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N·m。
所以，電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式有3個(gè)變量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表達(dá)式變?yōu)門(mén)=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
機(jī)械手的工作要求是轉(zhuǎn)矩足夠大，而MATLAB軟件的fmincon函數(shù)只能進(jìn)行最小值優(yōu)化，所以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩求倒數(shù)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)作最小值優(yōu)化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目標(biāo)函數(shù)f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非線性約束條件
①非線性約束條件1。
根據(jù)機(jī)器人抓握機(jī)械手工況條件、載荷條件，可以判定齒輪幾何尺寸不大，模數(shù)較小，初定為0.5或1mm；轉(zhuǎn)矩也不大，約為20N·m，電機(jī)轉(zhuǎn)矩理論上應(yīng)該可以控制在1 N·m以內(nèi)，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，則
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1
所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0構(gòu)成非線性約束條件1。
②非線性約束條件2、非線性約束條件3。
RV減速器對(duì)總傳動(dòng)比有范圍要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成兩個(gè)表達(dá)式，即
140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0構(gòu)成非線性約束條件2、3。
綜上，非線性約束條件共3個(gè)，
1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0
140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0
（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0
3 線性約束條件
①線性約束條件1、線性約束條件2。
為使RV減速器偏心軸軸承與擺線輪之間的作用力不至過(guò)大，漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)中心距a應(yīng)是針齒基圓半徑R的0.35~0.65倍，這個(gè)可歸為結(jié)構(gòu)尺寸條件。
因?yàn)橐O(shè)計(jì)出在轉(zhuǎn)矩最大前提下，體積最小質(zhì)量最輕的RV減速器，必須使齒輪傳動(dòng)的中心距最小，RV減速器的結(jié)構(gòu)緊湊，所以初定針齒基圓半徑R=（30~40）mm，所以
a=（0.35~0.65）*R=（0.35~0.65）*（30~40）=（10.5~26）mm，取整后11≤a≤26。因?yàn)?/p>
a=1/2*m*（Z2+Z1），因?yàn)槟?shù)越小，齒輪的幾何尺寸就越小，所以模數(shù)取0.5，則
a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即
11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成兩個(gè)表達(dá)式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26構(gòu)成線性約束條件1、2。
②線性約束條件3、線性約束條件4。
為使第二級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)部分輸入轉(zhuǎn)矩不至過(guò)大，第一級(jí)漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比必須控制為i≥1.5，但單級(jí)齒輪傳動(dòng)比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成兩個(gè)表達(dá)式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0構(gòu)成線性約束條件3、4。
③線性約束條件5、6、7。
小齒輪齒數(shù)的取值范圍8≤Z1≤20，展成兩個(gè)表達(dá)式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20構(gòu)成線性約束條件5、6。
大齒輪齒數(shù)的取值范圍Z2≤100，即x（2）≤100構(gòu)成線性約束條件7。
④線性約束條件8、9。
因?yàn)閆b必須為偶數(shù)，所以Zb用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表達(dá)，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成兩個(gè)表達(dá)式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50構(gòu)成線性約束條件8、9。
把9個(gè)線性約束條件寫(xiě)矩陣表達(dá)式，即
-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11
0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26
1.5 * x（1）- x（2） ≤0
-5 * x（1）+ x（2） ≤0
-x（1） ≤-8
x（1） ≤20
x（2） ≤100
-x（3）≤-10
x（3） ≤50
4 MATLAB編程
把上述計(jì)算過(guò)程編寫(xiě)成MATLAB程序，應(yīng)用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩做最大值優(yōu)化，即應(yīng)用fmincon函數(shù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉(zhuǎn)矩最大的情況下，RV減速器中心距最小，實(shí)際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。
該數(shù)學(xué)模型為3個(gè)設(shè)計(jì)變量、12個(gè)約束條件的多元函數(shù)最小值問(wèn)題，采用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱求解最優(yōu)結(jié)果，進(jìn)行非線性有約束多元函數(shù)最小值計(jì)算，命令函數(shù)為fmincon，主程序如圖1，非線性約束條件如圖2，程序運(yùn)行結(jié)果如圖3。
程序經(jīng)過(guò)6次迭代計(jì)算，MATLAB計(jì)算優(yōu)化結(jié)果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N·m。
5 數(shù)據(jù)優(yōu)化處理
因?yàn)辇X數(shù)一定為整數(shù)，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因?yàn)閆1<17，齒輪會(huì)產(chǎn)生根切現(xiàn)象，但齒輪傳動(dòng)的中心距又必須控制，所以略加大齒數(shù)，采用變位齒輪，取Z1=12，所以Z2=i1*Z1=4*12=48。
因?yàn)辇X輪模數(shù)m=0.5mm，所以齒輪傳動(dòng)中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，滿足初定的齒輪傳動(dòng)中心距取值范圍11~26mm。
用優(yōu)化處理的參數(shù)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最大值T=0.24 N·m。
6 比較與結(jié)論
RV減速器齒輪傳動(dòng)原設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.2N·m，中心距為20mm，經(jīng)過(guò)MATLAB軟件優(yōu)化工具箱優(yōu)化處理，電機(jī)轉(zhuǎn)矩增至0.24N·m，中心距降為15mm，滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件和齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件，在保證傳動(dòng)能力的前提下減速器體積減少了約30%，效能非?？捎^。
參考文獻(xiàn)：
[1]鄭寶乾.ZD型減速器整體結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析[J].煤炭技術(shù)，2010，12（18）.
Abstract: with the rapid development of national economy, automobile production increased year by year, our country more and more cars, cars are more and more complex. Especially the rapid development of science and technology, the automobile industry competition has changed from single performance competition steering performance, environmental protection, energy saving, comprehensive competition. Only the automobile engine, to cope with the world energy crisis and reducing the environmental pollution, the research and development work has focused on reducing fuel consumption, reduce emissions, lightweight and reduce wear and so on, to optimize the technology will be widely used in these studies.
Keywords: engine, machine, technology, performance
中圖分類號(hào)：S219.031文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2104（2012）
發(fā)動(dòng)機(jī)是一部由許多機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成的是將某一種型式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的復(fù)雜機(jī)器。其作用是將液體或氣體燃燒的化學(xué)能通過(guò)燃燒后轉(zhuǎn)化為熱能，再把熱能通過(guò)膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并對(duì)外輸出動(dòng)力。而汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力裝置。由機(jī)體、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、冷卻系、系、燃料系和點(diǎn)火系（柴油機(jī)沒(méi)有點(diǎn)火系）等組成。按燃料分發(fā)動(dòng)機(jī)有汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)兩種。按工作方式有二沖程和四沖程兩種，一般發(fā)動(dòng)機(jī)為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。
隨著世界能源問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，飛機(jī)及汽車作為污染環(huán)境和消耗能源的大戶，備受人們的關(guān)注。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程直接影響節(jié)能和環(huán)保，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程優(yōu)化的研究越來(lái)越受到重視。
發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)、熱力、燃燒、強(qiáng)度、振動(dòng)、流體、傳熱等多個(gè)學(xué)科為基礎(chǔ)，可變因素多，隨機(jī)性大，是一個(gè)可變互耦系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化通過(guò)充 分利用各個(gè)學(xué)科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，因而在發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖上有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化涉及到多個(gè)目標(biāo)，與單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題不同的是這些目標(biāo)函數(shù)往往耦合在一起，且每一個(gè)目標(biāo)具有不同的物理意義和量綱。它們的關(guān)聯(lián)性和沖突性使得對(duì)其優(yōu)化變得十分困難。多目標(biāo)優(yōu)化方法可以分為如下兩大類并且已在發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。1.基于偏好的多目標(biāo)優(yōu)化方法此方法根據(jù)工程實(shí)際的具體情況，首先選擇一個(gè)偏好向量，然后利用偏好向量構(gòu)造復(fù)合函數(shù)，使用單目標(biāo)優(yōu)化算法優(yōu)化該復(fù)合函數(shù)以找到單個(gè)協(xié)議最優(yōu)解。如利用線性組合法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化；利用加權(quán)法對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的減損和延壽控制進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。2.基于非劣解集的多目標(biāo)優(yōu)化方法 此方法首先需要找到盡可能多的協(xié)議解，然后根據(jù)工程實(shí)際情況，獲得決策解。相比基于偏好的多目標(biāo)方法，該方法更系統(tǒng)、實(shí)用和客觀。如通過(guò)多目標(biāo)遺傳算 法，以單位推力、耗油率等為目標(biāo)函數(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能進(jìn)行優(yōu)化；基于多目標(biāo)遺傳算法對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和成本進(jìn)行優(yōu)化。在發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)及實(shí)際使用中，總是存在著材料特性、制造、裝配及載荷等方面的誤差或不確定性。雖然在多數(shù)情況中，誤差或不確定性很小，但這些誤差或不確定性結(jié)合在一起可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性產(chǎn)生很大的影響。對(duì)于此類不確定性問(wèn)題的優(yōu)化，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法已無(wú)法解決，而必須求助于不確定性優(yōu)化方法。 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量越來(lái)越輕，而其功率和轉(zhuǎn)速不斷提高，振動(dòng)和噪聲問(wèn)題越來(lái)越突出。振動(dòng)不僅影響到發(fā)動(dòng)機(jī)自身的強(qiáng)度和性能，而且會(huì)給車輛整體壽命和乘客舒適 性造成很大的影響。除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)外，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的減振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化也是一條提高車輛整體振動(dòng)性能的有效途徑。傳統(tǒng)的彈性減振系統(tǒng)已無(wú)法滿足 舒適性要求，未來(lái)的趨勢(shì)是半主動(dòng)減振和主動(dòng)減振控制系統(tǒng)，即能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、路況、車輛行駛狀態(tài)和載荷等自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化車輛動(dòng)力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)主 動(dòng)減振。車用發(fā)動(dòng)機(jī)的減振系統(tǒng)是一復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其自身的非線性映射能力在未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)減振系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有很大的潛力。另外，由于發(fā) 動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜性，在模型、載荷、激勵(lì)等方面都具有很大的不確定性，減振系統(tǒng)的優(yōu)化不可避免地應(yīng)考慮系統(tǒng)不確定性的影響，可以利用模糊集或區(qū)間數(shù)學(xué)理 論結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不確定性優(yōu)化，以提高減振系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放系統(tǒng)直接影響到 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、噪聲、排放等重要指標(biāo)，影響到汽車的節(jié)能與環(huán)保性能。對(duì)燃燒與排放系統(tǒng)的優(yōu)化可從兩個(gè)方面進(jìn)行。一方面是燃料噴射系統(tǒng)的優(yōu)化，可通過(guò) 電控單元精確控制各氣缸的燃油噴射量，自由控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使得發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和最佳的輸出響應(yīng)特性，并使得氣缸達(dá)到最佳混合氣狀態(tài)，提高燃 油熱效率，降低噪聲；另一方面是優(yōu)化進(jìn)氣管系的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，優(yōu)化壓縮比。未來(lái)的燃燒與排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮噴射系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié) 構(gòu)，同時(shí)注重結(jié)構(gòu)、燃燒、流體、噪聲等不同專業(yè)領(lǐng)域的性能提高，進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率為 20 %～30 % ,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為 30 %～40 %。如能廣泛地使用柴油機(jī) ,將會(huì)節(jié)約大量燃料。柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)還在于它可以使用純度比較低、價(jià)格比汽油便宜的柴油作燃料。據(jù)統(tǒng)計(jì) ,將汽油機(jī)轉(zhuǎn)換為柴油機(jī) ,每升燃料的行程里程平均可增加 35 % ,同樣質(zhì)量和功率相同的柴油機(jī)與汽油機(jī)相比 ,油耗可降 15 %～ 25 %。因此 ,各汽車制造商都積極地增加柴油車的比重 ,目前絕大多數(shù)商用車都裝備柴油機(jī) ,而各汽車廠商提供的裝有柴油機(jī)的轎車、行車也日益增多 ,如寶馬、奔馳、奧迪、豐田、本田、馬自達(dá)等都在全力開(kāi)發(fā)并推出環(huán)保型柴油車。在歐洲 ,轎車柴油化的比例已高達(dá) 40 % ,且有不斷上升之勢(shì)。
綜上所述，優(yōu)化技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 制造中占有非常重要的地位。包括常規(guī)優(yōu)化方法和智能優(yōu)化方法在內(nèi)的優(yōu)化技術(shù)已被應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)?？紤]到能源的短缺和環(huán)境問(wèn)題的重要性，未來(lái)的車用發(fā)動(dòng)機(jī) 優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究將是以節(jié)能和環(huán)保為重點(diǎn)的綜合最優(yōu)，應(yīng)當(dāng)建立并應(yīng)用多種不確定多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化理論方法、策略及算法；并應(yīng)大力開(kāi)發(fā)在一個(gè)優(yōu)化平臺(tái)上集成各 個(gè)學(xué)科設(shè)計(jì)要求的多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將具有更高的優(yōu)化效率和較好的開(kāi)放性，可以更好地適應(yīng)未來(lái)汽車個(gè)性化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。
摘要：
[1]汽車行業(yè)一體化 (質(zhì)量、境、業(yè)健康安全)管理體系認(rèn)證的研究 .吉林大學(xué) . 2007中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) .
關(guān)鍵詞： MATLAB優(yōu)化設(shè)計(jì)；目標(biāo)函數(shù)；約束函數(shù)；RV減速器
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中圖分類號(hào)：TG457.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2015）25-0085-03
0 引言
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是最優(yōu)化方法與機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)合，設(shè)計(jì)工具是計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算程序，設(shè)計(jì)方法是最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在給定載荷及工作環(huán)境條件基礎(chǔ)上，在機(jī)械產(chǎn)品的性態(tài)、幾何尺寸關(guān)系或其他因素的限制（約束）的范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及目標(biāo)，選定設(shè)計(jì)變量、建立目標(biāo)函數(shù)，并使其獲得最優(yōu)值，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)可靠的機(jī)械產(chǎn)品。
換句話說(shuō)，也就是在滿足一定約束的前提下，尋找一組設(shè)計(jì)參數(shù)，使機(jī)械產(chǎn)品單項(xiàng)或多項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)因其目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)普遍呈非線性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)步驟為先根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)問(wèn)題建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)需要應(yīng)用專業(yè)知識(shí)確定設(shè)計(jì)的限制條件和所追求的目標(biāo)，確定設(shè)計(jì)變量之間的相互關(guān)系等，并使之滿足強(qiáng)度、剛度及運(yùn)動(dòng)學(xué)等約束條件。數(shù)學(xué)模型一旦建立，優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題就變成了一個(gè)數(shù)學(xué)求解問(wèn)題，應(yīng)用優(yōu)化理論，設(shè)計(jì)優(yōu)化程序，以計(jì)算機(jī)為載體計(jì)算得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。
美國(guó)可口可樂(lè)公司是全球最大的飲料公司，擁有全球市場(chǎng)48%的占有率，為降低生產(chǎn)成本，提升品牌競(jìng)爭(zhēng)力，可口可樂(lè)瓶有一段優(yōu)化設(shè)計(jì)的佳話，優(yōu)化處理后的可口可樂(lè)瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響，僅此一舉就節(jié)省了可觀的材料費(fèi)用，帶來(lái)了可觀的利潤(rùn)。
近年來(lái)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、國(guó)家推出“機(jī)器換人”工程，把機(jī)器人、高端數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用推向了，但基于機(jī)器人的RV減速器一直是個(gè)技術(shù)難題，直接影響到機(jī)器人的工作性能指標(biāo)。
RV減速器產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上由一級(jí)漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)和一級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)串聯(lián)構(gòu)成，漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)構(gòu)成第一級(jí)傳動(dòng)，擺線齒輪行星傳動(dòng)構(gòu)成第二級(jí)傳動(dòng)。RV減速器是一款剛度最高、振動(dòng)最低的機(jī)器人用減速器，能夠提高機(jī)器人工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，減小傳動(dòng)回差，而且還具有體積小重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比范圍大、承載能力大、運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
RV減速器廣泛應(yīng)用在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床行業(yè)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)全由設(shè)計(jì)人員手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質(zhì)量更小的指標(biāo)要求下，希望能從一系列可行的設(shè)計(jì)方案中精選最優(yōu)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法做不到，因而有必要采用優(yōu)化方法來(lái)確定其設(shè)計(jì)參數(shù)。
RV減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題，與其使用場(chǎng)合的具體要求有關(guān)。在保證傳動(dòng)能力的條件下要求齒輪傳動(dòng)及針擺傳動(dòng)體積最小或質(zhì)量最小；在要求較高時(shí)，需要優(yōu)選齒輪的幾何參數(shù)使齒輪副具有形成油膜的最佳條件；優(yōu)化齒輪傳動(dòng)的慣性質(zhì)量分配，以便最大限度地減少工作時(shí)間的振動(dòng)和噪聲，以及傳動(dòng)功率最大和工作壽命最長(zhǎng)等。
對(duì)于不同類型的RV減速器，其優(yōu)化設(shè)計(jì)具有各自的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)變量一般選擇齒輪傳動(dòng)的基本幾何參數(shù)或性能參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)、齒寬系數(shù)、傳動(dòng)比、螺旋角、變位系數(shù)和中心距等。
根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同，RV減速器設(shè)計(jì)可以有多種最優(yōu)化方案，本文討論的是在滿足齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度、剛度和壽命條件下，使RV減速器轉(zhuǎn)矩最大、體積最小或質(zhì)量最小。
基于RV減速器的機(jī)器人抓握機(jī)械手工況條件，8小時(shí)工作，正反轉(zhuǎn)，輕載平穩(wěn)，空載起動(dòng)，室內(nèi)工作，使用壽命5年，在溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心單件生產(chǎn)，機(jī)器人機(jī)械手轉(zhuǎn)矩T3=20 N?m，轉(zhuǎn)速n3=5rpm，為優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象，要求在保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度的條件下，獲得轉(zhuǎn)矩最大、體積最小、重量最輕的傳動(dòng)裝置。應(yīng)用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩做最大值優(yōu)化，即應(yīng)用fmincon函數(shù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉(zhuǎn)矩最大的情況下，齒輪傳動(dòng)體積最小，實(shí)際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。因此以轉(zhuǎn)矩最大為優(yōu)化目標(biāo)，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。
1 目標(biāo)函數(shù)
①工作載荷計(jì)算功率P3。
因?yàn)門(mén)3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上機(jī)器工作載荷系數(shù)K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②應(yīng)用針擺傳動(dòng)效率η2=97%，計(jì)算第二級(jí)針擺傳動(dòng)功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③應(yīng)用漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)效率η1=95%，計(jì)算第一級(jí)齒輪傳動(dòng)功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④應(yīng)用電機(jī)傳動(dòng)效率η=99%，計(jì)算電機(jī)功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩。
因?yàn)镽V減速器總傳動(dòng)比為i=-Z2/Z1*Zb，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為T(mén)=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N?m
對(duì)于第二級(jí)針擺傳動(dòng)，設(shè)計(jì)采用一齒差擺線針輪行星傳動(dòng)，因此針齒齒數(shù)Zb必須為偶數(shù)，Zb用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表達(dá)，即Zb=2*k，而10≤k≤50，則電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N?m。
所以，電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式有3個(gè)變量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表達(dá)式變?yōu)門(mén)=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
機(jī)械手的工作要求是轉(zhuǎn)矩足夠大，而MATLAB軟件的fmincon函數(shù)只能進(jìn)行最小值優(yōu)化，所以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩求倒數(shù)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)作最小值優(yōu)化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目標(biāo)函數(shù)f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非線性約束條件
①非線性約束條件1。
根據(jù)機(jī)器人抓握機(jī)械手工況條件、載荷條件，可以判定齒輪幾何尺寸不大，模數(shù)較小，初定為0.5或1mm；轉(zhuǎn)矩也不大，約為20N?m，電機(jī)轉(zhuǎn)矩理論上應(yīng)該可以控制在1 N?m以內(nèi)，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，則
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1
所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0構(gòu)成非線性約束條件1。
②非線性約束條件2、非線性約束條件3。
RV減速器對(duì)總傳動(dòng)比有范圍要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成兩個(gè)表達(dá)式，即
140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0構(gòu)成非線性約束條件2、3。
綜上，非線性約束條件共3個(gè)，
1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0
3 線性約束條件
①線性約束條件1、線性約束條件2。
為使RV減速器偏心軸軸承與擺線輪之間的作用力不至過(guò)大，漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)中心距a應(yīng)是針齒基圓半徑R的0.35～0.65倍，這個(gè)可歸為結(jié)構(gòu)尺寸條件。
因?yàn)橐O(shè)計(jì)出在轉(zhuǎn)矩最大前提下，體積最小質(zhì)量最輕的RV減速器，必須使齒輪傳動(dòng)的中心距最小，RV減速器的結(jié)構(gòu)緊湊，所以初定針齒基圓半徑R=（30～40）mm，所以
a=（0.35～0.65）*R=（0.35～0.65）*（30～40）=（10.5～26）mm，取整后11≤a≤26。因?yàn)?/p>
a=1/2*m*（Z2+Z1），因?yàn)槟?shù)越小，齒輪的幾何尺寸就越小，所以模數(shù)取0.5，則
a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即
11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成兩個(gè)表達(dá)式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26構(gòu)成線性約束條件1、2。
②線性約束條件3、線性約束條件4。
為使第二級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)部分輸入轉(zhuǎn)矩不至過(guò)大，第一級(jí)漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比必須控制為i≥1.5，但單級(jí)齒輪傳動(dòng)比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成兩個(gè)表達(dá)式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0構(gòu)成線性約束條件3、4。
③線性約束條件5、6、7。
小齒輪齒數(shù)的取值范圍8≤Z1≤20，展成兩個(gè)表達(dá)式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20構(gòu)成線性約束條件5、6。
大齒輪齒數(shù)的取值范圍Z2≤100，即x（2）≤100構(gòu)成線性約束條件7。
④線性約束條件8、9。
因?yàn)閆b必須為偶數(shù)，所以Zb用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表達(dá)，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成兩個(gè)表達(dá)式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50構(gòu)成線性約束條件8、9。
把9個(gè)線性約束條件寫(xiě)矩陣表達(dá)式，即
-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11
0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26
1.5 * x（1）- x（2） ≤0
-5 * x（1）+ x（2） ≤0
-x（1） ≤-8
x（1） ≤20
x（2） ≤100
-x（3） ≤-10
x（3） ≤50
4 MATLAB編程
把上述計(jì)算過(guò)程編寫(xiě)成MATLAB程序，應(yīng)用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩做最大值優(yōu)化，即應(yīng)用fmincon函數(shù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉(zhuǎn)矩最大的情況下，RV減速器中心距最小，實(shí)際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。
該數(shù)學(xué)模型為3個(gè)設(shè)計(jì)變量、12個(gè)約束條件的多元函數(shù)最小值問(wèn)題，采用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱求解最優(yōu)結(jié)果，進(jìn)行非線性有約束多元函數(shù)最小值計(jì)算，命令函數(shù)為fmincon，主程序如圖1，非線性約束條件如圖2，程序運(yùn)行結(jié)果如圖3。
程序經(jīng)過(guò)6次迭代計(jì)算，MATLAB計(jì)算優(yōu)化結(jié)果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N?m。
5 數(shù)據(jù)優(yōu)化處理
因?yàn)辇X數(shù)一定為整數(shù)，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因?yàn)閆1
因?yàn)辇X輪模數(shù)m=0.5mm，所以齒輪傳動(dòng)中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，滿足初定的齒輪傳動(dòng)中心距取值范圍11～26mm。
用優(yōu)化處理的參數(shù)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最大值T=0.24 N?m。
6 比較與結(jié)論
RV減速器齒輪傳動(dòng)原設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.2N?m，中心距為20mm，經(jīng)過(guò)MATLAB軟件優(yōu)化工具箱優(yōu)化處理，電機(jī)轉(zhuǎn)矩增至0.24N?m，中心距降為15mm，滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件和齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件，在保證傳動(dòng)能力的前提下減速器體積減少了約30%，效能非?？捎^。
參考文獻(xiàn)：
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1 引言
甘蔗是多年生宿根植物，目前國(guó)內(nèi)的甘蔗收割機(jī)械普遍存在甘蔗宿根破頭率較高的問(wèn)題，嚴(yán)重影響甘蔗來(lái)年的發(fā)芽率。當(dāng)切割器旋轉(zhuǎn)速度和收割機(jī)前進(jìn)速度都處于理想狀態(tài)時(shí)，宿根破頭率的主要影響因素是切割器刀盤(pán)的振動(dòng)。引起刀盤(pán)振動(dòng)的因素既有路面和柴油機(jī)等外部激勵(lì)作用，也和刀盤(pán)自身高速旋轉(zhuǎn)有關(guān)，并且在切割甘蔗時(shí)受到?jīng)_擊載荷也會(huì)引起振動(dòng)。因此，我們不可能一個(gè)個(gè)消除引起振動(dòng)的因素，可行的方法是提高刀盤(pán)自身的動(dòng)態(tài)性能。
本文對(duì)已生產(chǎn)出樣機(jī)的小型甘蔗收割機(jī)的砍蔗刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于APDL進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。區(qū)別與常見(jiàn)的以最大應(yīng)變或應(yīng)力做約束條件的優(yōu)化，本文的優(yōu)化以刀盤(pán)的前3階固有頻率作為約束條件，并取得了良好的效果，為砍蔗刀盤(pán)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，對(duì)小型甘蔗收割機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要意義。
2 砍蔗刀盤(pán)參數(shù)化模型的建立
砍蔗刀盤(pán)上安裝有間隔90°角的四個(gè)刀片，并和轉(zhuǎn)軸組成切割器。采用自底向上的建模方式，建模時(shí)，簡(jiǎn)化掉四個(gè)刀片，并以位移約束代替轉(zhuǎn)軸上聯(lián)軸器，得到最簡(jiǎn)模型，如圖1所示?？痴岬侗P(pán)的的半徑與切割系統(tǒng)半徑及刀片的懸伸長(zhǎng)度有關(guān)，為不考慮優(yōu)化的參數(shù)，取為195 mm，厚度H1=8mm；加強(qiáng)盤(pán)半徑為R，直接影響刀盤(pán)的動(dòng)態(tài)性能，為待優(yōu)化參數(shù)，取為95mm，厚度H2=15mm。
砍蔗刀盤(pán)的模型有ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）建立，為方便施加聯(lián)軸器對(duì)轉(zhuǎn)軸的位移約束，用ASBW命令將轉(zhuǎn)軸的外圓柱面分為兩個(gè)面。
3 砍蔗刀盤(pán)的模態(tài)分析
考慮到后續(xù)的參數(shù)優(yōu)化，選取ANSYS優(yōu)化模塊支持的solid92號(hào)單元和Block Lanczos模態(tài)提取方法。由于影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的是前面幾階低頻模態(tài)，所以提取前砍蔗刀盤(pán)的前5階固有頻率，如表1所示。
砍蔗刀盤(pán)的第1、2階振型是繞X軸和Y軸的傾斜偏轉(zhuǎn)變形，第3階是四周翹起的彎曲變形，第4、5階是很大的前后或左右的彎曲變形。這些都對(duì)甘蔗宿根切割質(zhì)量造成很大影響。
此外，柴油機(jī)的工作頻率為36.43HZ，刀盤(pán)的工作轉(zhuǎn)速為900r/min，頻率為15HZ?？痴岬侗P(pán)的前5階固有頻率雖然避開(kāi)了柴油接的工作頻率，但和刀盤(pán)的工作頻率都很接近，亟待提高。
4 砍蔗刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本思想是以最少的材料獲得最好的結(jié)構(gòu)性能。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能為約束，有以最大節(jié)點(diǎn)位移的[7]，也有以綜合應(yīng)力或特征應(yīng)力的[8]，很少有以反應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的固有頻率作為約束的。
5 結(jié)論
以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能作為約束，對(duì)砍蔗刀盤(pán)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后刀盤(pán)的前5階固有頻率均有提高，說(shuō)明刀盤(pán)的動(dòng)態(tài)性能得到了改善。此外，刀盤(pán)的前5節(jié)固有頻率差值也得到了擴(kuò)大，這有利于減少刀盤(pán)工作時(shí)越過(guò)共振區(qū)。
參考文獻(xiàn)：
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作者簡(jiǎn)介：
項(xiàng)菲菲（1988-），女，漢族，江西豐城人，講師，碩士，研究方向： 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
閱讀，是閱讀主體通過(guò)與閱讀對(duì)象（文本）的對(duì)話和交流，尋求理解和自我理解，以達(dá)到構(gòu)建“新我”的創(chuàng)造過(guò)程。閱讀的實(shí)質(zhì)和對(duì)話教學(xué)以及學(xué)習(xí)方式的優(yōu)化理解,為我們的閱讀課的學(xué)習(xí)方式優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)和行為準(zhǔn)則。目前有的學(xué)者根據(jù)學(xué)生的發(fā)展和中學(xué)閱讀教學(xué)兩方面需要，把閱讀教學(xué)活動(dòng)分為五種類型：即瀏覽性閱讀、理解型閱讀、鑒賞性閱讀、借鑒性閱讀、探究性閱讀。根據(jù)這五種類型，可以設(shè)計(jì)出五種對(duì)應(yīng)的閱讀課，并且將其與一定的學(xué)習(xí)方式相結(jié)合，使學(xué)習(xí)方式的優(yōu)化落實(shí)到具體的不同類型的閱讀教學(xué)活動(dòng)中。
(1)流覽性閱讀——泛讀課
針對(duì)這種閱讀類型，我們重點(diǎn)是設(shè)計(jì)出泛讀課，進(jìn)行瀏覽性閱讀能力訓(xùn)練?？刹扇∽灾骱献魈骄康膶W(xué)習(xí)方式，具體實(shí)施策略可以這樣優(yōu)化設(shè)計(jì)：自主查找資料——感知理解——觀點(diǎn)交流匯報(bào)——價(jià)值評(píng)判等環(huán)節(jié)。
(2)理解性閱讀——精讀課
針對(duì)理解性閱讀，我們?cè)O(shè)計(jì)出精讀課，可以組織學(xué)生就文本的重點(diǎn)、難點(diǎn)、特點(diǎn)質(zhì)疑問(wèn)難，達(dá)到深入把握文章內(nèi)容和形式的目的；與這種教學(xué)相適應(yīng)的學(xué)習(xí)方式可以采取合作探究式或研究性學(xué)習(xí)的方式來(lái)組織學(xué)習(xí)，具體的實(shí)施策略可以這樣優(yōu)化設(shè)計(jì)：自讀感知——多重對(duì)話——質(zhì)疑問(wèn)難——自我總結(jié)。
(3)鑒賞性閱讀——欣賞課
鑒賞性閱讀，指為獲得審美愉悅而進(jìn)行的閱讀。針對(duì)理解性閱讀，我們?cè)O(shè)計(jì)了欣賞課，對(duì)學(xué)生進(jìn)行鑒賞性閱讀能力的訓(xùn)練?？山M織學(xué)生閱讀課文中的典型作品和課外的經(jīng)典名著、精美時(shí)文。教師應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)鑒賞的方法指導(dǎo)，并讓學(xué)生深入體驗(yàn)，可采用體驗(yàn)式學(xué)習(xí)方式，具體的實(shí)施策略可以這樣優(yōu)化設(shè)計(jì)：自主預(yù)習(xí)——誦讀涵詠——情境體驗(yàn)——感悟交流——拓展延伸。
(4)借鑒性閱讀——讀寫(xiě)課
借鑒性閱讀，指的是為提高寫(xiě)作能力而進(jìn)行的閱讀。針對(duì)借鑒性閱讀，我們?cè)O(shè)計(jì)出讀寫(xiě)課，以讀促寫(xiě)，讀寫(xiě)結(jié)合。進(jìn)行借鑒性閱讀訓(xùn)練，可以組織學(xué)生揣摩分析范文，選定一個(gè)角度進(jìn)行模仿。與這種閱讀教學(xué)相適應(yīng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)可以這樣優(yōu)化設(shè)計(jì)：自讀指導(dǎo)——集體討論——作品分析——品讀促寫(xiě)。
(5)探究性閱讀——研究課
探究性閱讀，指為研究特定的問(wèn)題而進(jìn)行的閱讀。這是一種極有發(fā)展價(jià)值的閱讀。通過(guò)精思細(xì)審，參照比較，使認(rèn)識(shí)更全面，更深入，以至于產(chǎn)生創(chuàng)造性的見(jiàn)解。它可以鍛煉閱讀主體的才干。針對(duì)探究性閱讀，我們?cè)O(shè)置研究課，采用研究性學(xué)習(xí)的方式，組織學(xué)生圍繞一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題展開(kāi)探究。與這種閱讀教學(xué)相適應(yīng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)實(shí)施可以這樣優(yōu)化設(shè)計(jì)：?jiǎn)栴}的提出（發(fā)現(xiàn)）——資料的收集和整理——研究資料——討論心得——問(wèn)題解決——書(shū)面報(bào)告。在此提供筆者的一個(gè)研究性學(xué)習(xí)的案例來(lái)說(shuō)明：
研究性閱讀設(shè)計(jì)
研究?jī)?nèi)容：大秦興亡之啟示
取材范圍：（1）文本材料
蘇教版高中語(yǔ)文必修二：蘇洵《六國(guó)論》，杜牧《阿房宮賦》
蘇教版語(yǔ)文讀本二：賈誼《過(guò)秦論》，蘇軾《六國(guó)論》，蘇轍《過(guò)秦論》
（2）音像材料《復(fù)活的軍團(tuán)》
研究步驟：
一、材料解讀（1周）
1.學(xué)生結(jié)合工具書(shū)自主解讀教材中的有關(guān)文章，疏通文意，理解主旨。（對(duì)于文言解讀過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，學(xué)生在閱讀中標(biāo)劃并提出，由教師協(xié)助解決。）
2.提出自己的認(rèn)識(shí)與感想，與小組同學(xué)一起交流解讀心得，通過(guò)討論加深認(rèn)識(shí)。
3.觀看音像材料，拓展閱讀視野，豐富知識(shí)積累。
二、論文選題（2課時(shí)）
1.閱讀往屆學(xué)生研究性論文佳作，了解研究性論文的寫(xiě)作方式。教師點(diǎn)撥要點(diǎn)，作出本專題的論文選題及寫(xiě)作指導(dǎo)。
2.分析總結(jié)自己的閱讀心得，確定研究的方向，報(bào)出論文題目。
3.論文選題交流。學(xué)生展示自己選定的題目，并簡(jiǎn)單介紹寫(xiě)作思路（或提綱）。同學(xué)共同評(píng)議，明確寫(xiě)作方向。
三、材料整理與搜集（1周）
1.根據(jù)選題重新閱讀指定篇目，搜集整理相關(guān)的素材。
2.圍繞選題拓展閱讀空間，或上網(wǎng)搜索，或閱讀相關(guān)書(shū)籍，摘錄素材。
四、論文寫(xiě)作（1周）
整理素材，梳理成文。
關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；CAD技術(shù)
1CAD技術(shù)的發(fā)展
CAD(ComputerAidedDesign)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文縮寫(xiě)，是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形處理能力和數(shù)值計(jì)算能力，輔助工程技術(shù)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，達(dá)到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。自1950年計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)誕生以來(lái)，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領(lǐng)域，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率飛速地提高。現(xiàn)已將計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（ProductDataManagement，PDM）及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一體。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品命運(yùn)的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計(jì)算和圖形處理功能的CAD系統(tǒng)發(fā)展成為結(jié)合人工智能技術(shù)的智能CAD系統(tǒng)（ICAD）(IntelligentCAD)。21世紀(jì)，ICAD技術(shù)將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時(shí)代制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、智能活動(dòng)是由設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領(lǐng)域內(nèi)專家設(shè)計(jì)的過(guò)程，采用單一知識(shí)領(lǐng)域的符號(hào)推理技術(shù)，解決單一領(lǐng)域內(nèi)的特定問(wèn)題。該系統(tǒng)把人工智能技術(shù)和優(yōu)化、有限元、計(jì)算機(jī)繪圖等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，盡可能多地使計(jì)算機(jī)參與方案決策、性能分析等常規(guī)設(shè)計(jì)過(guò)程，借助計(jì)算機(jī)的支持，設(shè)計(jì)效率有了大大地提高。
2三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)
通過(guò)實(shí)際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件,筆者體會(huì)到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中具有更大的優(yōu)勢(shì),具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
2.1零件設(shè)計(jì)更加方便
使用三維CAD系統(tǒng),可以裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來(lái)設(shè)計(jì)新零件,既方便又快捷,避免了單獨(dú)設(shè)計(jì)零件導(dǎo)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(guò)程通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示出來(lái),使人一目了然。
2.2裝配零件更加直觀
在裝配過(guò)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(guān)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(shí)候,可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)器裝配模型完成后還能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示,對(duì)于有一定運(yùn)動(dòng)行程要求的,可檢驗(yàn)行程是否達(dá)到要求,及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改,避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報(bào)廢。
2.3縮短了機(jī)械設(shè)計(jì)周期
采用三維CAD技術(shù),機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了近1/3,大幅度地提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進(jìn)行新機(jī)械的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí),只需對(duì)其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造,而大部分零部件的設(shè)計(jì)都將繼承以往的信息,使機(jī)械設(shè)計(jì)的效率提高了3~5倍。同時(shí),三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計(jì)能力,能夠通過(guò)快速重構(gòu),得到一種全新的機(jī)械產(chǎn)品。
2.4提高機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量
由于機(jī)械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合,同時(shí)采用CADCIMS組織生產(chǎn),機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法,如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)方針和優(yōu)化設(shè)計(jì)等,保證了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí),大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM進(jìn)行機(jī)械零件加工,一致性很好,保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
3CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
3.1零件與裝配圖的實(shí)體生成
3.1.1零件的實(shí)體建模。CAD的三維建模方法有三種,即線框模型、表面模型和實(shí)體模型。在許多具有實(shí)體建模功能的CAD軟件中,都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實(shí)體造型模塊中,系統(tǒng)提供了六種基本體系,即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體。對(duì)簡(jiǎn)單的零件,可通過(guò)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,將其分解成若干基本體,對(duì)基本體進(jìn)行三維實(shí)體造型,之后再對(duì)其進(jìn)行交、并、差等布爾運(yùn)算,便可得出零件的三維實(shí)體模型。
對(duì)于有些復(fù)雜的零件,往往難以分解成若干個(gè)基本體,使組合或分解后產(chǎn)生的基本體過(guò)多,導(dǎo)致成型困難。所以,僅有基本體系還不能完全滿足機(jī)器零件三維實(shí)體造型的要求。為此,可在二維幾何元素構(gòu)造中先定義零件的截面輪廓,然后在三維實(shí)體造型中通過(guò)拉伸或旋轉(zhuǎn)得到新的“基本體”,進(jìn)而通過(guò)交、并、差等得到所需要零件的三維實(shí)體造型。
3.1.2實(shí)體裝配圖的生成。在零件實(shí)體構(gòu)造完成后,利用機(jī)器運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中的資料,在運(yùn)動(dòng)的某一位置,按各零件所在的坐標(biāo)進(jìn)行“裝配”,這一過(guò)程可用CAD軟件的三維編輯功能實(shí)現(xiàn)。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,制造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高,從普通機(jī)床到數(shù)控機(jī)床和加工中心,從人工設(shè)計(jì)和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業(yè)正向數(shù)字化和計(jì)算機(jī)化方向發(fā)展。同時(shí),模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)(RPM)等,幾乎覆蓋了整個(gè)現(xiàn)代制造技術(shù)。
一個(gè)完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個(gè)功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數(shù)控加工、有限元分析、動(dòng)態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)以工程數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),進(jìn)行統(tǒng)一管理,而實(shí)體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來(lái)源之一。
3.3機(jī)械CAE軟件的應(yīng)用
機(jī)械CAE系統(tǒng)的主要功能是:工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與壽命預(yù)估、動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在解決造型問(wèn)題后,才能由CAE解決設(shè)計(jì)的合理性、強(qiáng)度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運(yùn)動(dòng)特性、干涉、碰撞問(wèn)題和動(dòng)態(tài)特性等。
4CAD前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)
4.1圖形交互技術(shù)
CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具,務(wù)求易學(xué)好用,得心應(yīng)手。一個(gè)友好的、智能化的工作環(huán)境可以開(kāi)拓設(shè)計(jì)師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。因此,智能化圖標(biāo)菜單、“拖放式”造型、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航器等一系列人性化的功能，為設(shè)計(jì)師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識(shí)別、語(yǔ)言識(shí)別和特征手勢(shì)建模等新技術(shù)也正在研究之中。
4.2智能CAD技術(shù)
CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設(shè)計(jì)是一個(gè)含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動(dòng)。智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計(jì)在運(yùn)用知識(shí)化、信息化的基礎(chǔ)上，建立基于知識(shí)的設(shè)計(jì)倉(cāng)庫(kù),及時(shí)準(zhǔn)確地向設(shè)計(jì)師提品開(kāi)發(fā)所需的知識(shí)和幫助,智能地支持設(shè)計(jì)人員，同時(shí)捕獲和理解設(shè)計(jì)人員意圖、自動(dòng)檢測(cè)失誤，回答問(wèn)題、提出建議方案等。并具有推理功能,使設(shè)計(jì)新手也能做出好的設(shè)計(jì)來(lái),現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心是創(chuàng)新設(shè)計(jì),人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到CAD技術(shù)中,用智能設(shè)計(jì)、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導(dǎo)解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造,這樣才能使我們的產(chǎn)品、工程和系統(tǒng)有創(chuàng)造性。
4.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在CAD中已開(kāi)始應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品,可以從人機(jī)工程學(xué)角度檢查設(shè)計(jì)效果,可直接操作模擬對(duì)象,檢驗(yàn)操作是否舒適、方便,及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問(wèn)題,及早看到新產(chǎn)品的外形,從多方面評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品.虛擬產(chǎn)品建模就是指建立產(chǎn)品虛擬原理或虛擬樣機(jī)的過(guò)程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進(jìn)行加工、測(cè)試、仿真和分析,以評(píng)價(jià)其性能,可制造性、可裝配性、可維護(hù)性和成本、外觀等,基于虛擬樣機(jī)的試驗(yàn)仿真分析,可以在真實(shí)產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題,從而降低產(chǎn)品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術(shù)在電子商務(wù)時(shí)代繼續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向.另外,隨著協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、概念設(shè)計(jì)面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的成熟和發(fā)展,利用基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術(shù),實(shí)現(xiàn)真正的全數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造,已成為機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
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