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時間：2023-03-17 18:13:28
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1.1材料變元
現(xiàn)實生活中很多種材料都可以用來設計機械結構，不一樣的材料要求的加工方法和手段不一樣、適用的結構類別不一樣、零件需要的大小也不一樣。材料的變元可以變化出不一樣的結構模式。比如說：在進行鋼材料的結構設計過程中，零件的截面面積越大，材料結構強度就越大、越硬；在鐵材料的結構設計中，為了使結構變強變硬，人們通常使用加強筋和隔板的方法；在塑料材料的結構設計中，塑料件的筋板和壁厚應該無差而別且對稱均勻。
1.2數(shù)量變元
在產(chǎn)品的結構當中主要包括以下幾個方面，即零件以及輪廓面、線和加工、工作面共同構成了產(chǎn)品本身，如果想要將機械的結構目的進行改變，那么就可以通過調(diào)節(jié)上述結構元素而實現(xiàn)。就好比在鑄件的過程中，是希望越簡單便捷越好的。能夠節(jié)省一些不必要的零件配置，又能在安裝的時候方便人們的使用，這在無形中就提高了工作效率，比如安裝一個螺絲釘?shù)臅r候，如果按照螺釘和墊圈以及彈簧墊圈才能結合在一起的模式去安裝，那么就需要最少三個步驟，但是如果把它們設計為一體的話，就可以大量地節(jié)省安裝的時間，提高了效率。
1.3位置變元
在實際操作過程中，產(chǎn)品結構的元素之間的位置是可以進行調(diào)換的，這樣可以無形中使結構本身的設計更加完善。比如，零件的焊縫位置應該對應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，零件的擺放問題也十分重要，如果雜亂無章則會大大阻礙操作速度。
1.4尺寸變元
零件的尺寸必須符合使用的標準才行，必須在各項標準合格之后才可以進行操作，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行彎曲，如果零件在加工的過程中，實現(xiàn)了標準的彎度，那么就算是一個成品，不需要再度進行加工。如果不符合產(chǎn)品的需求那么還需要進一步的加工整形來達到產(chǎn)品的要求。
1.5形狀變元
機械整體的結構目的可以通過調(diào)整零件的形狀或者改變其規(guī)格的大小而實現(xiàn)。比如在彈簧的生產(chǎn)過程中需要考慮多個問題，首先是彈簧的大小及其相對的螺絲墊圈的規(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，就需要設計出不同規(guī)則的產(chǎn)品，無論零件的形狀面如何都需要相匹配的彈簧來配合才行，如果零件之間的距離過大，或者不能夠?qū)毫τ行诤?，那么零件在安裝過后就不算是合格，如果這一類零件銷售在市場中，很可能造成一系列事故，那么為了防止拉簧因為這些問題而失去使用效率，就勢必要將彈簧的設計空間放大，并且實現(xiàn)它的自身獨特性，即使它在單獨使用的過程中也可以實現(xiàn)跟其他零件的配合。
1.6分析連接變元
一是聯(lián)接方法，主要的模式有焊接、膠結以及螺紋聯(lián)接等方式。二是聯(lián)接的方式，根據(jù)結構類型的不同而不同，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，各個聯(lián)接的結構以及聯(lián)接的方式都可以進行相對應的合理調(diào)整。比如：針對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買的一些產(chǎn)品，像是隨聲聽的后蓋，就可以任意拆卸下來安裝電池來維持繼續(xù)使用，這樣的結構也方便用戶使用，從未為其提供便捷的操作模式。
1.7分析工藝變元
零件在產(chǎn)生之前，往往會有其自己的設計圖紙，而設計圖紙上面的結構內(nèi)容直接決定了產(chǎn)品屬于何種工藝級別的零件，因為每一個設備的零件都不是完全相同的，所以零件的設計以及成本也千差萬別，如果設計工藝在產(chǎn)品出產(chǎn)之前沒有得到完善，那么勢必會影響到零件自身的質(zhì)量，一旦零件沒有合乎要求，那么產(chǎn)品的整體結構就會受到一定的影響。因此在零件鑄造之前對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，但是問題也就隨之而來，這些加工工藝雖然具有創(chuàng)新性，但是還不夠成熟，并非達到了理想中的需求，因此還需要進一步的對此加大研究的力度。
2機械結構創(chuàng)新的嘗試及優(yōu)化測評
2.1機械結構設計的創(chuàng)新嘗試
防腐劑在石油以及一些石化設備中具有十分重要的作用，下文以其為例，闡述變元法在其中重要的作用。石油和石化設備必須進行防腐蝕性的設計，這樣一來，在設計的最初就應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和防治措施，主要有以下幾個方面。首先，在總體的設計上面，對停車間給予了嚴格的要求，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，設備的使用年限與設備本身一些極為細小的間隙區(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)生腐蝕問題，或者這些縫隙人是無法憑借手工去進行操作控制的，就像是一些產(chǎn)品的焊接點，這些產(chǎn)品貌似看起來已經(jīng)不存在腐蝕的可能，但是難免會有看不到的縫隙存在，應該進行必要的封存和填補，或者干脆將縫隙擴大，這樣便于對其進行維修補救和防護。再次，溫度較高以及質(zhì)量較高的濃度階梯，局部勢差問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特的屬性，產(chǎn)品在構建的過程中不一定是一種金屬構建而成，多半是幾種金屬共同組合而成，但是不同的金屬勢必會產(chǎn)生接觸面的腐蝕，應該對此進行絕緣處理。最后，面積越小腐蝕的點也就越小，因此要針對產(chǎn)品的不同設計縮小表面積從而減少腐蝕。
2.2對機械結構變元創(chuàng)新設計的優(yōu)化評測
機械結構在完成變元創(chuàng)新實踐之后。要根據(jù)目前的性能以及使用效果進行一個綜合的測評，首先要進行模糊測評，運用理論研究和一些理想化的模型設計一種測評模式，但是這種測評模式并不是實際操作中的模型，而是通過一定的數(shù)學模型，根據(jù)先進的設計理念和規(guī)劃，對其進行變化創(chuàng)新設計的檢測。在測試的過程中測試者憑借自己多年的使用經(jīng)驗和研究理念進行對其綜合評價的過程，并根據(jù)現(xiàn)有的先進思維對其進行構建，在測試的過程中還需要考慮到社會實際問題，產(chǎn)品在經(jīng)過變元之后，使用方面是否安全，便捷，可維修性是否達到了指標，并且要將邏輯推理的思維運用到其中，選擇出使用其整體變元的方案，最后針對已經(jīng)選擇好了的方案，進行進一步地修改和完善，從而作用于產(chǎn)品的機械結構構建當中，服務于產(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)境之間的結合、呼應,不僅完善了建筑空間,也使空間得以延伸、擴展。建筑空間與景觀空間的結合,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)典地闡釋了這種設計理念。例如：在市中心復雜地段建筑，由于道路不規(guī)則等問題對建筑產(chǎn)生了很大的制約，如果設計者采用圓形建筑風格，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
在建筑設計中我們經(jīng)常見到：一是關注建筑本身，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。這兩種設計環(huán)境都難以實現(xiàn)空間的和諧統(tǒng)一。事實上，我們不能單純考慮建筑，也不能單純關注景觀，單方面追求和諧統(tǒng)一的想法都是不現(xiàn)實的。如何在具體是設計過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景觀的最佳結合點，不能在設計中顧此失彼。只有去尋求景觀與建筑的結合點，從這個地方切入，才能夠?qū)ふ业浇ㄖ撵`魂。
為此，我們在進行單體建筑設計的同時，預先提出整體環(huán)境框架與要求，在分析基址環(huán)境、周邊環(huán)境、視域環(huán)境等因素的基礎上，提出系統(tǒng)的設計指導原則。尊重建筑周圍景觀對建筑風格、色調(diào)、設施的各種要求，在這些要素中去尋找景觀與建筑相通的地方，抓住這個點來貫穿建筑與景觀，讓建筑風格與環(huán)境風格相符、相稱，讓建筑成為景觀生態(tài)中的一個部分，融入到環(huán)境當中去。對于一些后加入進去的建筑，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計
建筑不僅僅從屬于景觀，也是景觀的一部分，當建筑融入景觀后，其本身也是對景觀的一種改造。所以，建筑的設計不僅要考慮與景觀的融合，也要考慮對景觀的創(chuàng)造性塑造。讓景觀襯托建筑、用建筑改造景觀。
在實踐中，我們要以建筑的理念對待景觀設計，用建筑分析、決策、設計的方法來造就景觀美學。具體設計中，我們可以建筑技術拓展景觀空間，用技術來表現(xiàn)科學與藝術的結合。同時，用建筑思維解決景觀問題。城市中的建筑與景觀往往要面對許多制約，包括場地的限制、經(jīng)濟的限制，在設計過程中，采用建筑的思維方式可以解決城市景觀設計中的很多制約因素，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對象。
四、關注自然與文化雙重生態(tài)
中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）39-0098-02
優(yōu)化設計是20世紀60年代初發(fā)展起來的一門新學科，它是將最優(yōu)化原理和計算技術應用于設計領域，為工程設計提供一種重要的科學設計方法。利用這種新的設計方法，人們可以從眾多的設計方案中尋找出最佳設計方案，從而大大提高設計的效率和質(zhì)量。最優(yōu)化設計成功運用于機械設計還是在20世紀60年代后期，雖然發(fā)展時間不長，但是發(fā)展迅速。在機構綜合、機械零部件設計、專用機械設計和工藝設計方面都得到了應用并取得了一定的成果[1-3]。目前國內(nèi)許多高校機械專業(yè)都開設了《機械優(yōu)化設計》這門課程。通過《機械優(yōu)化設計》這門課程的學習，首先應當使學生具有優(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的基礎。但是本課程中一些枯燥的數(shù)學推導及公式難以引起學生的學習激情。如何提高學生的學習熱情，并使學生較快掌握一些優(yōu)化方法，一直是筆者在從事《機械優(yōu)化設計》課程教學中思考的問題。下面介紹筆者在從事《機械優(yōu)化設計》課程中采用的一些方法和經(jīng)驗。
一、培養(yǎng)學生學習本課程的熱情
學習《機械優(yōu)化設計》這門課程的學生早已先修了機械原理、機械設計等課程，筆者在教學之初常常告誡同學，對于一名工程師設計人員來說，僅僅具有機械原理機械設計方面的知識是遠遠不夠的，只能進行一些傳統(tǒng)的設計。而傳統(tǒng)的設計只是重復分析產(chǎn)品的性能，而不是主動地去設計優(yōu)化產(chǎn)品的參數(shù)。從某種意義上講它沒有真正體現(xiàn)“設計”的含義。因此，對一個工程設計人員來講，應當在產(chǎn)品設計的過程中始終要有優(yōu)化的思想。當然光有優(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。筆者在開課之初，通常會給學生這樣一個假設。如果甲、乙兩位同學供職在同一個企業(yè)，企業(yè)老板讓兩人分別提出他們的方案來解決公司中某一產(chǎn)品的問題。甲很快將自已的解決方案提交給公司老板。乙經(jīng)過分析考慮，在甲之后也提交了方案，乙的方案不僅解決了產(chǎn)品問題，而且優(yōu)化了產(chǎn)品的參數(shù)，降低了成本。筆者問學生甲、乙兩位同學誰將會被重用，誰將獲得更多的職位升遷的機會。這個答案是不言而喻的。通過上述的假設，使學生懂得具有優(yōu)化的思想和優(yōu)化設計的方法還與他們個人在工作崗位的升遷機會有關。這極大地提高了學生學習這門課的熱情，也讓優(yōu)化思想概念植根于學生思想之中。
二、采用形象化的教學方法
《機械優(yōu)化設計》中許多枯燥的公式和推導，學生一時會難以掌握，有時會導致學生喪失學習的興趣。在教學中筆者注重采用形象化的教學方法，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加以引導[4]。具體可以表述為：一個盲人想去一個山谷谷底，他向前探出一步，如果發(fā)現(xiàn)在上坡，說明前進方向錯誤，谷底應在身體后方，應該轉身再前行。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，據(jù)此可以判斷谷底就在最后兩步之間。
三、課堂教學與生產(chǎn)實踐相聯(lián)系
課堂教學與生產(chǎn)實踐相聯(lián)系，提高學生學習興趣，提高學生走上崗位解決問題的能力。例如坐標輪換法，坐標輪換法是每次搜索只允許一個變量變化，其余保持不變，即沿坐標方向輪流進行搜索的尋優(yōu)方法。在介紹坐標輪換法思想時，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、保壓時間、注塑速度等工藝參數(shù)有關。在試模過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)驗的注塑人員往往采用坐標輪換法思想以節(jié)約試模時間。首先逐漸改變某一個工藝參數(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)量不再提高時甚至開始降低時，再調(diào)整另一個參數(shù)值，直至注塑產(chǎn)品質(zhì)量達到要求為止。如果同時對這些工藝參數(shù)進行調(diào)整，很難確定調(diào)整這些工藝參數(shù)的方向，會花費較長時間才能調(diào)試出合格的注塑產(chǎn)品。
四、加強與學生的互動
現(xiàn)代教學論指出：教學是教師的教與學生的學的統(tǒng)一，這種統(tǒng)一的實質(zhì)就是師生之間的互動?！稒C械優(yōu)化設計》課程師生之間的互動可充分發(fā)揮學生的主體作用和主動精神，提高學生的學習激情，進一步提高學生的優(yōu)化設計能力、創(chuàng)新思維。在課堂上筆者注重與學生之間的互動。經(jīng)常提出一個問題，讓學生思考如何采用優(yōu)化的方法去解決這一問題，以提高學生采用優(yōu)化方法解決問題的能力。筆者常常讓學生走上講臺，介紹他們采用的優(yōu)化方法，并讓學生們充分討論思考有沒有更好的優(yōu)化方法，充分調(diào)動學生的積極性。在課堂教學最后，筆者完全將講臺交給學生，讓學生們介紹學習《機械優(yōu)化設計》這門課的心得和體會。通過課堂的互動，調(diào)動了課堂學習的氣氛，學生在互動中學到了一些優(yōu)化方法，牢固了優(yōu)化設計的思想，提高了優(yōu)化設計的能力。
雖然《機械優(yōu)化設計》的基本尋優(yōu)思想和方法在20世紀60年代已近完備，但是仍有需要改進之處，特別是該課程的教學方法。教學方法的優(yōu)劣將會影響學生的接受程度。采用各種生動的方法將會提高學生的學習興趣，牢固掌握一些優(yōu)化的方法，讓優(yōu)化的概念植根于學生思想之中，為他們走上工作崗位更好地工作打下扎實的基礎。筆者通過采用上述的教學方法發(fā)現(xiàn)，學生學習《機械優(yōu)化設計》課程的興趣提高了，分析問題解決問題的工程實踐能力也得到了增強。有些畢業(yè)了的學生在與筆者聯(lián)系時，提到他們工作時常常想到并主動去優(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：
[1]葉元烈.機械優(yōu)化理論與設計[M].北京：中國計量出版社，2001.
[2]方世杰，綦耀光主編.機械優(yōu)化設計[M].北京：機械工業(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、結構緊湊、傳動效率高等優(yōu)點而廣泛應用于冶金機械、工程機械、輕工機械、起重運輸機械、石油化工機械等各個方面。UG軟件是集CAD/CAE/CAM為一體的三維化的軟件，它是當今最先進的計算機輔助設計、分析、制造軟件，廣泛應用于航空、航天、汽車、造船、通用機械和電子等工業(yè)領域。UG的CAD/CAE/CAM功能模塊有復雜的特征建模、裝配、運動仿真和有限元分析等功能。實現(xiàn)UG有限元分析功能，必須要遵從UG有限元分析的一般過程，構建有限元模型，其中包括自動網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷，利用圖形的方式得到模型應力、應變的分布情況。機械優(yōu)化設計，就是在給定的載荷和約束條件下，選擇設計變量，建立目標函數(shù)并使其獲得最優(yōu)值的一種新的設計方法。
1 齒輪軸幾何參數(shù)的初選
通過常規(guī)設計方法設計計算出齒輪軸的幾何參數(shù)，齒輪軸的齒形為漸開線直齒。分配減速器傳動比，計算齒輪模數(shù)，并根據(jù)傳動比條件、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)格后的實體模型）。
2.1 網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分越密集，計算結果越精確，但是這會使計算時間加長。單元網(wǎng)格的劃分采用UG自帶的3D四面體自動網(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，屈服強度等于540N/mm^2（MPa）。
2.3 施加約束和載荷
齒輪軸兩端由兩個滾子軸承支撐，限制了空間5個自由度，只允許轉動。本論文只考慮齒輪軸齒輪處的應力進而對其進行優(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 求解和結果查看
UG軟件的結構分析模塊提供了強大的后處理功能，可以自動生成計算分析報告。齒輪軸的Von Mises應力圖如圖3所示。單元節(jié)點最大應力為325.8MPa，基本接近材料屈服強度的60%。總體來說，輸出軸在強度方面不僅滿足了設計要求，而且還有很大的裕量，材料的承載能力并沒有得到充分的利用，這為齒輪軸的優(yōu)化提供了很大的空間。
圖3 Von Mises應力圖
3 齒輪軸的優(yōu)化
設計目標：
最小化 模型 重量
設計約束：
模型 Von Mises 應力，上限=320000.000000
設計變量：
a：：p53，初值=38.000000，下限=32.000000，上限=38.000000
最大迭代次數(shù)：20
優(yōu)化結果如圖4，圖5所示。
由圖6迭代分析結果可以看出，在進行第三次迭代的過程中，應力值超出上限，所以，以第二次的迭代結果為準，此時的齒寬為35mm，應力值為295MPa，比較理想。所以常規(guī)設計方法得到的齒寬b=38應變?yōu)閮?yōu)化設計方法得到的齒寬b=35，此時的應力值為295Mpa，亦滿足強度要求。
4 結束語
本論文利用UG的高級建模功能，在對行星齒輪減速器齒輪軸進行參數(shù)化建模的基礎上，建立了有限元模型并進行了有限元分析，得到了齒輪軸的Von Mises應力圖，替代了常規(guī)校核的設計方法，大大提高了設計效率。同時對齒輪軸的齒寬進行了優(yōu)化設計，使得設計方案比原常規(guī)設計方案在齒輪軸重量上下降了2.02%。為多個設計變量（如模數(shù)、齒數(shù)）的單或多目標函數(shù)優(yōu)化奠定了基礎。
參考文獻：
[1]孫恒，陳作模.機械原理.7版[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2]濮良貴，紀名剛.機械設計.8版[M].北京：高等教育出版社，2001.
【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)部門中有著廣泛的應用，對壓力容器的要求也越來越高。以往的壓力容器及其部件的設計基本采用常規(guī)設計法，以彈性失效準則為基礎，材料的許用應力采用較大的安全系數(shù)來保障。由于設計偏于保守使得設計的容器比較笨重，且成本較高，材料有所浪費。
隨著工化設計朝著大型化，復雜化，高參數(shù)化方向發(fā)展，壓力容器部件越來越多的利用有限元壓力分析來完成。新的分析設計主要以塑性失效和彈塑性失效準則為基礎，比較詳細的計算了容器和承壓部件的應力，并利用大型有限元軟件ANSYS對壓力容器的壁厚及承壓進行優(yōu)化設計分析。
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
在分析過程中壓力容器將空間問題平面化，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構（如群座、螺栓等），并設定軸對稱選項，建立1/4軸對稱分析模型如圖2-2示。端部封頭對稱面各節(jié)點約束水平向位移，筒體下端各節(jié)點約束軸向位移，內(nèi)壁施加均布荷載P=10Mpa.
2.1.1 對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外部施加荷載的響應。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，外壓和支撐力相對內(nèi)壓的影響而言作用甚小，可以忽略。因此只對內(nèi)壁施加線荷載P=10Mpa，接下來進入求解處理器進行求解，獲得位移云圖及應力云圖，如圖2-1，2-2示。
圖 2-1 工作壓力為10 Mpa時的位移云圖 圖 2-2 工作壓力為10 Mpa時的應力云圖
圖中位移及應力大小分別采用不同的顏色表示，其中紅色表示位移及應力的最大值，藍色是最小值。從圖中可以看出位移的最大值出現(xiàn)在筒體下端，為1.2mm；應力的最大值出現(xiàn)在筒體與端部過渡的弧形處，最大值為95.7Mpa。
2.1.2 結果分析
圖2-1，2-2反映了筒壁受內(nèi)壓作用后結構模型的位移、應力情況，從圖中可以看出：（1）由于受內(nèi)壓作用，筒壁向外膨脹，模型為軸對稱圖形，所受的壓力是均布的，膨脹亦是均勻的，與預期相符；（2）筒壁沿軸向應力分布是不均勻的，應力最大出現(xiàn)在筒體與端部進氣管的過渡處。這是因為模型進氣管處尺寸發(fā)生了較大變化，導致應力集中，所以數(shù)值模擬結果是合理的；（3）通過對筒壁進行強度校核表明，當材料采用Q235-A時，壓力容器的最大應力值遠小于其許用應力（235Mpa），表明筒體的承壓空間還是有一定的提高潛勢的。
2.2 壓力容器承壓能力的分析
上述結果中表明該壓力容器的承壓空間還可以提升，故此對該模型分別施加線荷載P=5Mpa、15Mpa、16Mpa、17Mpa、18Mpa、19Mpa、20Mpa、25Mpa，分析其結果變化。圖2-3，2-4是模型的最大位移、最大應力值隨壓力的變化曲線圖。
從圖中可以看出：（1）位移和應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）分析位移及應力的變化曲線表明，自開始加載到施加荷載15Mpa，其變化為線性變化，15Mpa到加載至25Mpa時，變化增長緩慢甚至趨于平緩。這與鋼材的力學性能有關：鋼材從加載到拉斷，有四個階段，即彈性階段、屈服階段、強化階段與破壞階段。從加載到某一定值時曲線呈直線變化是因為鋼材處于彈性階段，再繼續(xù)加載曲線出現(xiàn)平緩是因為鋼材進入屈服階段，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渡到平緩段的臨界點，即壓力15Mpa，此時該模型的最大位移為2.03mm，最大應力值為168Mpa（小于許用應力235Mpa）。
圖2-3 不同承壓下最大位移值的變化曲線 圖2-4 最大應力隨承壓的變化曲線
2.3 壓力容器厚度的優(yōu)化設計
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，對壓力容器各部位進行詳細的應力計算及分析，在不降低設備安全性的前提下選取相對較低的安全系數(shù)，從而降低結構的厚度，使材料得到有效利用。
上述承壓15Mpa時該壓力容器的最大位移值為2mm，最大應力值168Mpa小于其許用應力235Mpa，故可以考慮變化筒壁厚度，使材料發(fā)揮最大強度。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進行試算。下圖2-5、2-6為最大位移值、最大應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、最大應力值均隨著筒壁厚度的增加而減??；（2）從最大應力值與筒體壁厚的變化曲線中可以看出，當壁厚為21mm時其最大應力值為231Mpa小于其許用應力。故此可以認為在臨界承壓下，該壓力容器的最優(yōu)筒體壁厚為21mm，在此條件材料能發(fā)揮較高的強度。
3結語
本文采用ANSYSY軟件對壓力容器的位移、應力進行了較為詳細的分析，同時對壓力容器在滿足給定剛度和強度條件下進行厚度最小的優(yōu)化設計。研究計算結果可以發(fā)現(xiàn)：
（1）壓力容器在受內(nèi)壓時，筒體中間位置變形最大，最大應力則發(fā)生在端部進氣管與筒體的過渡處；
（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，此時的剛度、強度及應力均滿足要求；
（3）為了最大發(fā)揮材料的用途，在滿足給定強度和剛度條件下對該容器進行優(yōu)化設計，可以得到其最優(yōu)筒壁厚度為21mm。
同時也可以看出ANSYSY軟件對分析壓力容器的可靠性，有效性。很大程度上減少了設計成本和設計周期，也為更復雜的結構設計提供了新的方法。
參考文獻：
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（Wenzhou Vocational & Technical College，Wenzhou 325035，China）
摘要： 優(yōu)化設計是將最優(yōu)化理論和計算技術應用于機械設計領域，為工程設計提供優(yōu)化設計的方法。MATLAB優(yōu)化工具箱具有編程工作量少、語法符合工程設計習慣的特點，本文應用MATLAB軟件，以RV減速器一級齒輪傳動體積最小為目標函數(shù)進行優(yōu)化設計，并給出了優(yōu)化設計實例，與原設計方案相比，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.
關鍵詞 ： MATLAB優(yōu)化設計；目標函數(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：TG457.23文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2015）25-0085-03
基金項目：溫州市科技計劃項目（項目編號：G20120011）“基于救援機器人的RV減速器研發(fā)”的階段研究成果。
作者簡介：鄭紅（1968-），女，江西南昌人，溫州職業(yè)技術學院機械系副教授，研究方向為機械設計制造及自動化。
0 引言
機械優(yōu)化設計是最優(yōu)化方法與機械設計的結合，設計工具是計算機軟件及計算程序，設計方法是最優(yōu)化數(shù)學方法。機械優(yōu)化設計，就是在給定載荷及工作環(huán)境條件基礎上，在機械產(chǎn)品的性態(tài)、幾何尺寸關系或其他因素的限制（約束）的范圍內(nèi)，根據(jù)設計要求及目標，選定設計變量、建立目標函數(shù)，并使其獲得最優(yōu)值，設計出經(jīng)濟可靠的機械產(chǎn)品。
換句話說，也就是在滿足一定約束的前提下，尋找一組設計參數(shù)，使機械產(chǎn)品單項或多項設計指標達到最優(yōu)。機械優(yōu)化設計因其目標函數(shù)和約束函數(shù)普遍呈非線性的特點，設計步驟為先根據(jù)實際的設計問題建立相應的數(shù)學模型，在建立數(shù)學模型時需要應用專業(yè)知識確定設計的限制條件和所追求的目標，確定設計變量之間的相互關系等，并使之滿足強度、剛度及運動學等約束條件。數(shù)學模型一旦建立，優(yōu)化設計問題就變成了一個數(shù)學求解問題，應用優(yōu)化理論，設計優(yōu)化程序，以計算機為載體計算得到最優(yōu)化設計參數(shù)。
美國可口可樂公司是全球最大的飲料公司，擁有全球市場48%的占有率，為降低生產(chǎn)成本，提升品牌競爭力，可口可樂瓶有一段優(yōu)化設計的佳話，優(yōu)化處理后的可口可樂瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響，僅此一舉就節(jié)省了可觀的材料費用，帶來了可觀的利潤。
近年來制造業(yè)轉型升級、國家推出“機器換人”工程，把機器人、高端數(shù)控設備的應用推向了，但基于機器人的RV減速器一直是個技術難題，直接影響到機器人的工作性能指標。
RV減速器產(chǎn)品在結構上由一級漸開線齒輪傳動和一級擺線針輪行星傳動串聯(lián)構成，漸開線齒輪傳動構成第一級傳動，擺線齒輪行星傳動構成第二級傳動。RV減速器是一款剛度最高、振動最低的機器人用減速器，能夠提高機器人工作時的動態(tài)特性，減小傳動回差，而且還具有體積小重量輕、結構緊湊、傳動比范圍大、承載能力大、運動精度高、傳動效率高等優(yōu)點。
RV減速器廣泛應用在機器人、數(shù)控機床行業(yè)，傳統(tǒng)設計全由設計人員手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質(zhì)量更小的指標要求下，希望能從一系列可行的設計方案中精選最優(yōu)，傳統(tǒng)的設計方法做不到，因而有必要采用優(yōu)化方法來確定其設計參數(shù)。
RV減速器優(yōu)化設計要解決的問題，與其使用場合的具體要求有關。在保證傳動能力的條件下要求齒輪傳動及針擺傳動體積最小或質(zhì)量最?。辉谝筝^高時，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)化齒輪傳動的慣性質(zhì)量分配，以便最大限度地減少工作時間的振動和噪聲，以及傳動功率最大和工作壽命最長等。
對于不同類型的RV減速器，其優(yōu)化設計具有各自的特點，設計變量一般選擇齒輪傳動的基本幾何參數(shù)或性能參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)、齒寬系數(shù)、傳動比、螺旋角、變位系數(shù)和中心距等。
根據(jù)優(yōu)化目標的不同，RV減速器設計可以有多種最優(yōu)化方案，本文討論的是在滿足齒輪傳動強度、剛度和壽命條件下，使RV減速器轉矩最大、體積最小或質(zhì)量最小。
基于RV減速器的機器人抓握機械手工況條件，8小時工作，正反轉，輕載平穩(wěn)，空載起動，室內(nèi)工作，使用壽命5年，在溫州職業(yè)技術學院工業(yè)中心單件生產(chǎn)，機器人機械手轉矩T3=20 N·m，轉速n3=5rpm，為優(yōu)化設計對象，要求在保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度的條件下，獲得轉矩最大、體積最小、重量最輕的傳動裝置。應用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機轉矩做最大值優(yōu)化，即應用fmincon函數(shù)對電機轉矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉矩最大的情況下，齒輪傳動體積最小，實際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。因此以轉矩最大為優(yōu)化目標，建立優(yōu)化設計數(shù)學模型。
1 目標函數(shù)
①工作載荷計算功率P3。
因為T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上機器工作載荷系數(shù)K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②應用針擺傳動效率η2=97%，計算第二級針擺傳動功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③應用漸開線齒輪傳動效率η1=95%，計算第一級齒輪傳動功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④應用電機傳動效率η=99%，計算電機功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤計算電機轉矩。
因為RV減速器總傳動比為i=-Z2/Z1*Zb，則電機轉速為n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以電機轉矩為T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N·m
對于第二級針擺傳動，設計采用一齒差擺線針輪行星傳動，因此針齒齒數(shù)Zb必須為偶數(shù)，Zb用數(shù)學表達式來表達，即Zb=2*k，而10≤k≤50，則電機轉矩表達式為
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N·m。
所以，電機轉矩表達式有3個變量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表達式變?yōu)門=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
機械手的工作要求是轉矩足夠大，而MATLAB軟件的fmincon函數(shù)只能進行最小值優(yōu)化，所以對電機轉矩求倒數(shù)，對電機轉矩的倒數(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)機器人抓握機械手工況條件、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；轉矩也不大，約為20N·m，電機轉矩理論上應該可以控制在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減速器對總傳動比有范圍要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成兩個表達式，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構成非線性約束條件2、3。
綜上，非線性約束條件共3個，
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大，漸開線齒輪傳動中心距a應是針齒基圓半徑R的0.35~0.65倍，這個可歸為結構尺寸條件。
因為要設計出在轉矩最大前提下，體積最小質(zhì)量最輕的RV減速器，必須使齒輪傳動的中心距最小，RV減速器的結構緊湊，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。因為
a=1/2*m*（Z2+Z1），因為模數(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，展成兩個表達式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26構成線性約束條件1、2。
②線性約束條件3、線性約束條件4。
為使第二級擺線針輪行星傳動部分輸入轉矩不至過大，第一級漸開線齒輪傳動的傳動比必須控制為i≥1.5，但單級齒輪傳動比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成兩個表達式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0構成線性約束條件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，展成兩個表達式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20構成線性約束條件5、6。
大齒輪齒數(shù)的取值范圍Z2≤100，即x（2）≤100構成線性約束條件7。
④線性約束條件8、9。
因為Zb必須為偶數(shù)，所以Zb用數(shù)學表達式來表達，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成兩個表達式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50構成線性約束條件8、9。
把9個線性約束條件寫矩陣表達式，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
把上述計算過程編寫成MATLAB程序，應用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機轉矩做最大值優(yōu)化，即應用fmincon函數(shù)對電機轉矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉矩最大的情況下，RV減速器中心距最小，實際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。
該數(shù)學模型為3個設計變量、12個約束條件的多元函數(shù)最小值問題，采用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱求解最優(yōu)結果，進行非線性有約束多元函數(shù)最小值計算，命令函數(shù)為fmincon，主程序如圖1，非線性約束條件如圖2，程序運行結果如圖3。
程序經(jīng)過6次迭代計算，MATLAB計算優(yōu)化結果：
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
因為齒數(shù)一定為整數(shù)，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因為Z1<17，齒輪會產(chǎn)生根切現(xiàn)象，但齒輪傳動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。
因為齒輪模數(shù)m=0.5mm，所以齒輪傳動中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，滿足初定的齒輪傳動中心距取值范圍11~26mm。
用優(yōu)化處理的參數(shù)計算電機轉矩的最大值T=0.24 N·m。
6 比較與結論
RV減速器齒輪傳動原設計電機轉矩為0.2N·m，中心距為20mm，經(jīng)過MATLAB軟件優(yōu)化工具箱優(yōu)化處理，電機轉矩增至0.24N·m，中心距降為15mm，滿足齒根彎曲疲勞強度條件和齒面接觸疲勞強度條件，在保證傳動能力的前提下減速器體積減少了約30%，效能非?？捎^。
參考文獻：
[1]鄭寶乾.ZD型減速器整體結構有限元模態(tài)分析[J].煤炭技術，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：S219.031文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）
發(fā)動機是一部由許多機構和系統(tǒng)組成的是將某一種型式的能量轉換為機械能的復雜機器。其作用是將液體或氣體燃燒的化學能通過燃燒后轉化為熱能，再把熱能通過膨脹轉化為機械能并對外輸出動力。而汽車發(fā)動機是汽車的動力裝置。由機體、曲柄連桿機構、配氣機構、冷卻系、系、燃料系和點火系（柴油機沒有點火系）等組成。按燃料分發(fā)動機有汽油和柴油發(fā)動機兩種。按工作方式有二沖程和四沖程兩種，一般發(fā)動機為四沖程發(fā)動機。
隨著世界能源問題和環(huán)境污染問題的日趨嚴重，飛機及汽車作為污染環(huán)境和消耗能源的大戶，備受人們的關注。發(fā)動機燃燒過程直接影響節(jié)能和環(huán)保，對發(fā)動機燃燒過程優(yōu)化的研究越來越受到重視。
發(fā)動機設計以結構、熱力、燃燒、強度、振動、流體、傳熱等多個學科為基礎，可變因素多，隨機性大，是一個可變互耦系統(tǒng)的優(yōu)化問題。多學科設計優(yōu)化通過充 分利用各個學科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，因而在發(fā)動機傳統(tǒng)設計流程圖上有很大的應用優(yōu)勢。
發(fā)動機的優(yōu)化涉及到多個目標，與單目標優(yōu)化問題不同的是這些目標函數(shù)往往耦合在一起，且每一個目標具有不同的物理意義和量綱。它們的關聯(lián)性和沖突性使得對其優(yōu)化變得十分困難。多目標優(yōu)化方法可以分為如下兩大類并且已在發(fā)動機的優(yōu)化設計中得到了應用。1.基于偏好的多目標優(yōu)化方法此方法根據(jù)工程實際的具體情況，首先選擇一個偏好向量，然后利用偏好向量構造復合函數(shù)，使用單目標優(yōu)化算法優(yōu)化該復合函數(shù)以找到單個協(xié)議最優(yōu)解。如利用線性組合法對發(fā)動機的懸置系統(tǒng)進行多目標優(yōu)化；利用加權法對液體火箭發(fā)動機的減損和延壽控制進行多目標優(yōu)化。2.基于非劣解集的多目標優(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)工程實際情況，獲得決策解。相比基于偏好的多目標方法，該方法更系統(tǒng)、實用和客觀。如通過多目標遺傳算 法，以單位推力、耗油率等為目標函數(shù)對航空發(fā)動機總體性能進行優(yōu)化；基于多目標遺傳算法對固體火箭發(fā)動機的性能和成本進行優(yōu)化。在發(fā)動機的生產(chǎn)及實際使用中，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合在一起可能對發(fā)動機的性能和可靠性產(chǎn)生很大的影響。對于此類不確定性問題的優(yōu)化，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法已無法解決，而必須求助于不確定性優(yōu)化方法。 隨著發(fā)動機質(zhì)量越來越輕，而其功率和轉速不斷提高，振動和噪聲問題越來越突出。振動不僅影響到發(fā)動機自身的強度和性能，而且會給車輛整體壽命和乘客舒適 性造成很大的影響。除了對發(fā)動機本身結構進行改進外，對發(fā)動機的減振系統(tǒng)進行優(yōu)化也是一條提高車輛整體振動性能的有效途徑。傳統(tǒng)的彈性減振系統(tǒng)已無法滿足 舒適性要求，未來的趨勢是半主動減振和主動減振控制系統(tǒng)，即能根據(jù)發(fā)動機激勵、路況、車輛行駛狀態(tài)和載荷等自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化車輛動力學特性，實現(xiàn)主 動減振。車用發(fā)動機的減振系統(tǒng)是一復雜的非線性系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡因其自身的非線性映射能力在未來發(fā)動機減振系統(tǒng)的優(yōu)化設計中具有很大的潛力。另外，由于發(fā) 動機動力系統(tǒng)的復雜性，在模型、載荷、激勵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)學理 論結合神經(jīng)網(wǎng)絡進行不確定性優(yōu)化，以提高減振系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
發(fā)動機的燃燒和排放系統(tǒng)直接影響到 發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性、噪聲、排放等重要指標，影響到汽車的節(jié)能與環(huán)保性能。對燃燒與排放系統(tǒng)的優(yōu)化可從兩個方面進行。一方面是燃料噴射系統(tǒng)的優(yōu)化，可通過 電控單元精確控制各氣缸的燃油噴射量，自由控制發(fā)動機的轉矩，使得發(fā)動機具有良好的啟動性能和最佳的輸出響應特性，并使得氣缸達到最佳混合氣狀態(tài)，提高燃 油熱效率，降低噪聲；另一方面是優(yōu)化進氣管系的結構參數(shù)，改進發(fā)動機燃燒室，優(yōu)化壓縮比。未來的燃燒與排放系統(tǒng)的設計，應當綜合考慮噴射系統(tǒng)和發(fā)動機結 構，同時注重結構、燃燒、流體、噪聲等不同專業(yè)領域的性能提高，進行多學科優(yōu)化設計。汽油發(fā)動機的熱效率為 20 %～30 % ,柴油發(fā)動機為 30 %～40 %。如能廣泛地使用柴油機 ,將會節(jié)約大量燃料。柴油機的優(yōu)點還在于它可以使用純度比較低、價格比汽油便宜的柴油作燃料。據(jù)統(tǒng)計 ,將汽油機轉換為柴油機 ,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與汽油機相比 ,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 ,而各汽車廠商提供的裝有柴油機的轎車、行車也日益增多 ,如寶馬、奔馳、奧迪、豐田、本田、馬自達等都在全力開發(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 40 % ,且有不斷上升之勢。
綜上所述，優(yōu)化技術在發(fā)動機的設計 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)化技術已被應用于發(fā)動機設計?？紤]到能源的短缺和環(huán)境問題的重要性，未來的車用發(fā)動機 優(yōu)化設計的研究將是以節(jié)能和環(huán)保為重點的綜合最優(yōu)，應當建立并應用多種不確定多目標多學科優(yōu)化理論方法、策略及算法；并應大力開發(fā)在一個優(yōu)化平臺上集成各 個學科設計要求的多學科多目標優(yōu)化設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)將具有更高的優(yōu)化效率和較好的開放性，可以更好地適應未來汽車個性化設計的趨勢。
摘要：
[1]汽車行業(yè)一體化 (質(zhì)量、境、業(yè)健康安全)管理體系認證的研究 .吉林大學 . 2007中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 .
關鍵詞： MATLAB優(yōu)化設計；目標函數(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：TG457.23 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）25-0085-03
0 引言
機械優(yōu)化設計是最優(yōu)化方法與機械設計的結合，設計工具是計算機軟件及計算程序，設計方法是最優(yōu)化數(shù)學方法。機械優(yōu)化設計，就是在給定載荷及工作環(huán)境條件基礎上，在機械產(chǎn)品的性態(tài)、幾何尺寸關系或其他因素的限制（約束）的范圍內(nèi)，根據(jù)設計要求及目標，選定設計變量、建立目標函數(shù)，并使其獲得最優(yōu)值，設計出經(jīng)濟可靠的機械產(chǎn)品。
換句話說，也就是在滿足一定約束的前提下，尋找一組設計參數(shù)，使機械產(chǎn)品單項或多項設計指標達到最優(yōu)。機械優(yōu)化設計因其目標函數(shù)和約束函數(shù)普遍呈非線性的特點，設計步驟為先根據(jù)實際的設計問題建立相應的數(shù)學模型，在建立數(shù)學模型時需要應用專業(yè)知識確定設計的限制條件和所追求的目標，確定設計變量之間的相互關系等，并使之滿足強度、剛度及運動學等約束條件。數(shù)學模型一旦建立，優(yōu)化設計問題就變成了一個數(shù)學求解問題，應用優(yōu)化理論，設計優(yōu)化程序，以計算機為載體計算得到最優(yōu)化設計參數(shù)。
美國可口可樂公司是全球最大的飲料公司，擁有全球市場48%的占有率，為降低生產(chǎn)成本，提升品牌競爭力，可口可樂瓶有一段優(yōu)化設計的佳話，優(yōu)化處理后的可口可樂瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響，僅此一舉就節(jié)省了可觀的材料費用，帶來了可觀的利潤。
近年來制造業(yè)轉型升級、國家推出“機器換人”工程，把機器人、高端數(shù)控設備的應用推向了，但基于機器人的RV減速器一直是個技術難題，直接影響到機器人的工作性能指標。
RV減速器產(chǎn)品在結構上由一級漸開線齒輪傳動和一級擺線針輪行星傳動串聯(lián)構成，漸開線齒輪傳動構成第一級傳動，擺線齒輪行星傳動構成第二級傳動。RV減速器是一款剛度最高、振動最低的機器人用減速器，能夠提高機器人工作時的動態(tài)特性，減小傳動回差，而且還具有體積小重量輕、結構緊湊、傳動比范圍大、承載能力大、運動精度高、傳動效率高等優(yōu)點。
RV減速器廣泛應用在機器人、數(shù)控機床行業(yè)，傳統(tǒng)設計全由設計人員手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質(zhì)量更小的指標要求下，希望能從一系列可行的設計方案中精選最優(yōu)，傳統(tǒng)的設計方法做不到，因而有必要采用優(yōu)化方法來確定其設計參數(shù)。
RV減速器優(yōu)化設計要解決的問題，與其使用場合的具體要求有關。在保證傳動能力的條件下要求齒輪傳動及針擺傳動體積最小或質(zhì)量最?。辉谝筝^高時，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)化齒輪傳動的慣性質(zhì)量分配，以便最大限度地減少工作時間的振動和噪聲，以及傳動功率最大和工作壽命最長等。
對于不同類型的RV減速器，其優(yōu)化設計具有各自的特點，設計變量一般選擇齒輪傳動的基本幾何參數(shù)或性能參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)、齒寬系數(shù)、傳動比、螺旋角、變位系數(shù)和中心距等。
根據(jù)優(yōu)化目標的不同，RV減速器設計可以有多種最優(yōu)化方案，本文討論的是在滿足齒輪傳動強度、剛度和壽命條件下，使RV減速器轉矩最大、體積最小或質(zhì)量最小。
基于RV減速器的機器人抓握機械手工況條件，8小時工作，正反轉，輕載平穩(wěn)，空載起動，室內(nèi)工作，使用壽命5年，在溫州職業(yè)技術學院工業(yè)中心單件生產(chǎn)，機器人機械手轉矩T3=20 N?m，轉速n3=5rpm，為優(yōu)化設計對象，要求在保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度的條件下，獲得轉矩最大、體積最小、重量最輕的傳動裝置。應用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機轉矩做最大值優(yōu)化，即應用fmincon函數(shù)對電機轉矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉矩最大的情況下，齒輪傳動體積最小，實際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。因此以轉矩最大為優(yōu)化目標，建立優(yōu)化設計數(shù)學模型。
1 目標函數(shù)
①工作載荷計算功率P3。
因為T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上機器工作載荷系數(shù)K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②應用針擺傳動效率η2=97%，計算第二級針擺傳動功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③應用漸開線齒輪傳動效率η1=95%，計算第一級齒輪傳動功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④應用電機傳動效率η=99%，計算電機功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤計算電機轉矩。
因為RV減速器總傳動比為i=-Z2/Z1*Zb，則電機轉速為n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以電機轉矩為T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N?m
對于第二級針擺傳動，設計采用一齒差擺線針輪行星傳動，因此針齒齒數(shù)Zb必須為偶數(shù)，Zb用數(shù)學表達式來表達，即Zb=2*k，而10≤k≤50，則電機轉矩表達式為
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N?m。
所以，電機轉矩表達式有3個變量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表達式變?yōu)門=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
機械手的工作要求是轉矩足夠大，而MATLAB軟件的fmincon函數(shù)只能進行最小值優(yōu)化，所以對電機轉矩求倒數(shù)，對電機轉矩的倒數(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)機器人抓握機械手工況條件、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；轉矩也不大，約為20N?m，電機轉矩理論上應該可以控制在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減速器對總傳動比有范圍要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成兩個表達式，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構成非線性約束條件2、3。
綜上，非線性約束條件共3個，
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大，漸開線齒輪傳動中心距a應是針齒基圓半徑R的0.35～0.65倍，這個可歸為結構尺寸條件。
因為要設計出在轉矩最大前提下，體積最小質(zhì)量最輕的RV減速器，必須使齒輪傳動的中心距最小，RV減速器的結構緊湊，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。因為
a=1/2*m*（Z2+Z1），因為模數(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，展成兩個表達式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26構成線性約束條件1、2。
②線性約束條件3、線性約束條件4。
為使第二級擺線針輪行星傳動部分輸入轉矩不至過大，第一級漸開線齒輪傳動的傳動比必須控制為i≥1.5，但單級齒輪傳動比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成兩個表達式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0構成線性約束條件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，展成兩個表達式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20構成線性約束條件5、6。
大齒輪齒數(shù)的取值范圍Z2≤100，即x（2）≤100構成線性約束條件7。
④線性約束條件8、9。
因為Zb必須為偶數(shù)，所以Zb用數(shù)學表達式來表達，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成兩個表達式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50構成線性約束條件8、9。
把9個線性約束條件寫矩陣表達式，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
把上述計算過程編寫成MATLAB程序，應用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機轉矩做最大值優(yōu)化，即應用fmincon函數(shù)對電機轉矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉矩最大的情況下，RV減速器中心距最小，實際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。
該數(shù)學模型為3個設計變量、12個約束條件的多元函數(shù)最小值問題，采用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱求解最優(yōu)結果，進行非線性有約束多元函數(shù)最小值計算，命令函數(shù)為fmincon，主程序如圖1，非線性約束條件如圖2，程序運行結果如圖3。
程序經(jīng)過6次迭代計算，MATLAB計算優(yōu)化結果：
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
因為齒數(shù)一定為整數(shù)，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因為Z1
因為齒輪模數(shù)m=0.5mm，所以齒輪傳動中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，滿足初定的齒輪傳動中心距取值范圍11～26mm。
用優(yōu)化處理的參數(shù)計算電機轉矩的最大值T=0.24 N?m。
6 比較與結論
RV減速器齒輪傳動原設計電機轉矩為0.2N?m，中心距為20mm，經(jīng)過MATLAB軟件優(yōu)化工具箱優(yōu)化處理，電機轉矩增至0.24N?m，中心距降為15mm，滿足齒根彎曲疲勞強度條件和齒面接觸疲勞強度條件，在保證傳動能力的前提下減速器體積減少了約30%，效能非?？捎^。
參考文獻：
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1 引言
甘蔗是多年生宿根植物，目前國內(nèi)的甘蔗收割機械普遍存在甘蔗宿根破頭率較高的問題，嚴重影響甘蔗來年的發(fā)芽率。當切割器旋轉速度和收割機前進速度都處于理想狀態(tài)時，宿根破頭率的主要影響因素是切割器刀盤的振動。引起刀盤振動的因素既有路面和柴油機等外部激勵作用，也和刀盤自身高速旋轉有關，并且在切割甘蔗時受到?jīng)_擊載荷也會引起振動。因此，我們不可能一個個消除引起振動的因素，可行的方法是提高刀盤自身的動態(tài)性能。
本文對已生產(chǎn)出樣機的小型甘蔗收割機的砍蔗刀盤的結構參數(shù)，基于APDL進行了優(yōu)化設計。區(qū)別與常見的以最大應變或應力做約束條件的優(yōu)化，本文的優(yōu)化以刀盤的前3階固有頻率作為約束條件，并取得了良好的效果，為砍蔗刀盤的設計提供了指導，對小型甘蔗收割機的設計具有重要意義。
2 砍蔗刀盤參數(shù)化模型的建立
砍蔗刀盤上安裝有間隔90°角的四個刀片，并和轉軸組成切割器。采用自底向上的建模方式，建模時，簡化掉四個刀片，并以位移約束代替轉軸上聯(lián)軸器，得到最簡模型，如圖1所示?？痴岬侗P的的半徑與切割系統(tǒng)半徑及刀片的懸伸長度有關，為不考慮優(yōu)化的參數(shù)，取為195 mm，厚度H1=8mm；加強盤半徑為R，直接影響刀盤的動態(tài)性能，為待優(yōu)化參數(shù)，取為95mm，厚度H2=15mm。
砍蔗刀盤的模型有ANSYS參數(shù)化設計語言（APDL）建立，為方便施加聯(lián)軸器對轉軸的位移約束，用ASBW命令將轉軸的外圓柱面分為兩個面。
3 砍蔗刀盤的模態(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號單元和Block Lanczos模態(tài)提取方法。由于影響系統(tǒng)動態(tài)性能的是前面幾階低頻模態(tài)，所以提取前砍蔗刀盤的前5階固有頻率，如表1所示。
砍蔗刀盤的第1、2階振型是繞X軸和Y軸的傾斜偏轉變形，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。這些都對甘蔗宿根切割質(zhì)量造成很大影響。
此外，柴油機的工作頻率為36.43HZ，刀盤的工作轉速為900r/min，頻率為15HZ?？痴岬侗P的前5階固有頻率雖然避開了柴油接的工作頻率，但和刀盤的工作頻率都很接近，亟待提高。
4 砍蔗刀盤的結構優(yōu)化
結構優(yōu)化的基本思想是以最少的材料獲得最好的結構性能。常見的結構優(yōu)化以結構的靜態(tài)性能為約束，有以最大節(jié)點位移的[7]，也有以綜合應力或特征應力的[8]，很少有以反應系統(tǒng)動態(tài)性能的固有頻率作為約束的。
5 結論
以系統(tǒng)的動態(tài)性能作為約束，對砍蔗刀盤進行了結構優(yōu)化設計。優(yōu)化后刀盤的前5階固有頻率均有提高，說明刀盤的動態(tài)性能得到了改善。此外，刀盤的前5節(jié)固有頻率差值也得到了擴大，這有利于減少刀盤工作時越過共振區(qū)。
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[8] 胡迎春，陳樹勛，李尚平.基于全局協(xié)調(diào)的甘蔗收割機多學科優(yōu)化設計研究[J].中國機械工程，2007，18（11）：1355～1358.
作者簡介：
項菲菲（1988-），女，漢族，江西豐城人，講師，碩士，研究方向： 結構優(yōu)化設計
閱讀，是閱讀主體通過與閱讀對象（文本）的對話和交流，尋求理解和自我理解，以達到構建“新我”的創(chuàng)造過程。閱讀的實質(zhì)和對話教學以及學習方式的優(yōu)化理解,為我們的閱讀課的學習方式優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)和行為準則。目前有的學者根據(jù)學生的發(fā)展和中學閱讀教學兩方面需要，把閱讀教學活動分為五種類型：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，可以設計出五種對應的閱讀課，并且將其與一定的學習方式相結合，使學習方式的優(yōu)化落實到具體的不同類型的閱讀教學活動中。
(1)流覽性閱讀——泛讀課
針對這種閱讀類型，我們重點是設計出泛讀課，進行瀏覽性閱讀能力訓練。可采取自主合作探究的學習方式，具體實施策略可以這樣優(yōu)化設計：自主查找資料——感知理解——觀點交流匯報——價值評判等環(huán)節(jié)。
(2)理解性閱讀——精讀課
針對理解性閱讀，我們設計出精讀課，可以組織學生就文本的重點、難點、特點質(zhì)疑問難，達到深入把握文章內(nèi)容和形式的目的；與這種教學相適應的學習方式可以采取合作探究式或研究性學習的方式來組織學習，具體的實施策略可以這樣優(yōu)化設計：自讀感知——多重對話——質(zhì)疑問難——自我總結。
(3)鑒賞性閱讀——欣賞課
鑒賞性閱讀，指為獲得審美愉悅而進行的閱讀。針對理解性閱讀，我們設計了欣賞課，對學生進行鑒賞性閱讀能力的訓練?？山M織學生閱讀課文中的典型作品和課外的經(jīng)典名著、精美時文。教師應當加強鑒賞的方法指導，并讓學生深入體驗，可采用體驗式學習方式，具體的實施策略可以這樣優(yōu)化設計：自主預習——誦讀涵詠——情境體驗——感悟交流——拓展延伸。
(4)借鑒性閱讀——讀寫課
借鑒性閱讀，指的是為提高寫作能力而進行的閱讀。針對借鑒性閱讀，我們設計出讀寫課，以讀促寫，讀寫結合。進行借鑒性閱讀訓練，可以組織學生揣摩分析范文，選定一個角度進行模仿。與這種閱讀教學相適應的學習活動可以這樣優(yōu)化設計：自讀指導——集體討論——作品分析——品讀促寫。
(5)探究性閱讀——研究課
探究性閱讀，指為研究特定的問題而進行的閱讀。這是一種極有發(fā)展價值的閱讀。通過精思細審，參照比較，使認識更全面，更深入，以至于產(chǎn)生創(chuàng)造性的見解。它可以鍛煉閱讀主體的才干。針對探究性閱讀，我們設置研究課，采用研究性學習的方式，組織學生圍繞一個或多個問題展開探究。與這種閱讀教學相適應的學習活動實施可以這樣優(yōu)化設計：問題的提出（發(fā)現(xiàn)）——資料的收集和整理——研究資料——討論心得——問題解決——書面報告。在此提供筆者的一個研究性學習的案例來說明：
研究性閱讀設計
研究內(nèi)容：大秦興亡之啟示
取材范圍：（1）文本材料
蘇教版高中語文必修二：蘇洵《六國論》，杜牧《阿房宮賦》
蘇教版語文讀本二：賈誼《過秦論》，蘇軾《六國論》，蘇轍《過秦論》
（2）音像材料《復活的軍團》
研究步驟：
一、材料解讀（1周）
1.學生結合工具書自主解讀教材中的有關文章，疏通文意，理解主旨。（對于文言解讀過程中出現(xiàn)的問題，學生在閱讀中標劃并提出，由教師協(xié)助解決。）
2.提出自己的認識與感想，與小組同學一起交流解讀心得，通過討論加深認識。
3.觀看音像材料，拓展閱讀視野，豐富知識積累。
二、論文選題（2課時）
1.閱讀往屆學生研究性論文佳作，了解研究性論文的寫作方式。教師點撥要點，作出本專題的論文選題及寫作指導。
2.分析總結自己的閱讀心得，確定研究的方向，報出論文題目。
3.論文選題交流。學生展示自己選定的題目，并簡單介紹寫作思路（或提綱）。同學共同評議，明確寫作方向。
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，或閱讀相關書籍，摘錄素材。
四、論文寫作（1周）
整理素材，梳理成文。
關鍵詞：機械設計；CAD技術
1CAD技術的發(fā)展
CAD(ComputerAidedDesign)是計算機輔助設計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數(shù)值計算能力，輔助工程技術人員進行工程或產(chǎn)品的設計與分析，達到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術。自1950年計算機輔助設計（CAD）技術誕生以來，已廣泛地應用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領域，產(chǎn)品的設計效率飛速地提高。現(xiàn)已將計算機輔助制造技術（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術（ProductDataManagement，PDM）及計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一體。
產(chǎn)品設計是決定產(chǎn)品命運的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設計工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計算和圖形處理功能的CAD系統(tǒng)發(fā)展成為結合人工智能技術的智能CAD系統(tǒng)（ICAD）(IntelligentCAD)。21世紀，ICAD技術將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時代制造業(yè)對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現(xiàn)代設計技術、智能活動是由設計專家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領域內(nèi)專家設計的過程，采用單一知識領域的符號推理技術，解決單一領域內(nèi)的特定問題。該系統(tǒng)把人工智能技術和優(yōu)化、有限元、計算機繪圖等技術結合起來，盡可能多地使計算機參與方案決策、性能分析等常規(guī)設計過程，借助計算機的支持，設計效率有了大大地提高。
2三維CAD技術在機械設計中的優(yōu)點
通過實際應用三維CAD系統(tǒng)軟件,筆者體會到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機械設計過程中具有更大的優(yōu)勢,具體表現(xiàn)在以下幾點:
2.1零件設計更加方便
使用三維CAD系統(tǒng),可以裝配環(huán)境中設計新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件,既方便又快捷,避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來,使人一目了然。
2.2裝配零件更加直觀
在裝配過程中,資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關系,若裝配不正確即予以顯示,另外,零件還可以隱藏,在隱藏了外部零件的時候,可清楚地看到內(nèi)部的裝配結構。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示,對于有一定運動行程要求的,可檢驗行程是否達到要求,及時對設計進行更改,避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報廢。
2.3縮短了機械設計周期
采用三維CAD技術,機械設計時間縮短了近1/3,大幅度地提高了設計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進行新機械的開發(fā)設計時,只需對其中部分零部件進行重新設計和制造,而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息,使機械設計的效率提高了3~5倍。同時,三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設計能力,能夠通過快速重構,得到一種全新的機械產(chǎn)品。
2.4提高機械產(chǎn)品的技術含量和質(zhì)量
由于機械產(chǎn)品與信息技術相融合,同時采用CADCIMS組織生產(chǎn),機械產(chǎn)品設計有了新發(fā)展。三維CAD技術采用先進的設計方法,如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設計、運動方針和優(yōu)化設計等,保證了產(chǎn)品的設計質(zhì)量。同時,大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工,一致性很好,保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
3CAD技術在機械設計中的應用
3.1零件與裝配圖的實體生成
3.1.1零件的實體建模。CAD的三維建模方法有三種,即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建模功能的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。對簡單的零件,可通過對其進行結構分析,將其分解成若干基本體,對基本體進行三維實體造型,之后再對其進行交、并、差等布爾運算,便可得出零件的三維實體模型。
對于有些復雜的零件,往往難以分解成若干個基本體,使組合或分解后產(chǎn)生的基本體過多,導致成型困難。所以,僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此,可在二維幾何元素構造中先定義零件的截面輪廓,然后在三維實體造型中通過拉伸或旋轉得到新的“基本體”,進而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。
3.1.2實體裝配圖的生成。在零件實體構造完成后,利用機器運動分析過程中的資料,在運動的某一位置,按各零件所在的坐標進行“裝配”,這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現(xiàn)。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學技術的不斷發(fā)展,制造行業(yè)的生產(chǎn)技術不斷提高,從普通機床到數(shù)控機床和加工中心,從人工設計和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業(yè)正向數(shù)字化和計算機化方向發(fā)展。同時,模具CAD/CAM技術、模具激光快速成型技術(RPM)等,幾乎覆蓋了整個現(xiàn)代制造技術。
一個完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個功能模塊組成的。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、動態(tài)顯示等。這些模塊應以工程數(shù)據(jù)庫為基礎,進行統(tǒng)一管理,而實體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來源之一。
3.3機械CAE軟件的應用
機械CAE系統(tǒng)的主要功能是:工程數(shù)值分析、結構優(yōu)化設計、強度設計評價與壽命預估、動力學/運動學仿真等。CAD技術在解決造型問題后,才能由CAE解決設計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態(tài)特性等。
4CAD前沿技術與發(fā)展趨勢
4.1圖形交互技術
CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具,務求易學好用,得心應手。一個友好的、智能化的工作環(huán)境可以開拓設計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。因此,智能化圖標菜單、“拖放式”造型、動態(tài)導航器等一系列人性化的功能，為設計師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術也正在研究之中。
4.2智能CAD技術
CAD/CAM系統(tǒng)應用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設計是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動。智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設計在運用知識化、信息化的基礎上，建立基于知識的設計倉庫,及時準確地向設計師提品開發(fā)所需的知識和幫助,智能地支持設計人員，同時捕獲和理解設計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能,使設計新手也能做出好的設計來,現(xiàn)代設計的核心是創(chuàng)新設計,人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術相結合應用到CAD技術中,用智能設計、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設計制造,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)實技術
虛擬現(xiàn)實技術在CAD中已開始應用,設計人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品,可以從人機工程學角度檢查設計效果,可直接操作模擬對象,檢驗操作是否舒適、方便,及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題,及早看到新產(chǎn)品的外形,從多方面評價所設計的產(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的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進行加工、測試、仿真和分析,以評價其性能,可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等,基于虛擬樣機的試驗仿真分析,可以在真實產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問題,從而降低產(chǎn)品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術在電子商務時代繼續(xù)發(fā)展的一個重要方向.另外,隨著協(xié)同技術、網(wǎng)絡技術、概念設計面向產(chǎn)品的整個生命周期設計理論和技術的成熟和發(fā)展,利用基于網(wǎng)絡的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術,實現(xiàn)真正的全數(shù)字化設計和制造,已成為機械設計制造業(yè)的發(fā)展趨勢。
參考文獻
[1]黃森彬主編.機械設計基礎.高等教育出版社.
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