首頁 > 優(yōu)秀范文 > 機械優(yōu)化設(shè)計
時間：2023-05-24 08:57:58
序論：速發(fā)表網(wǎng)結(jié)合其深厚的文秘經(jīng)驗，特別為您篩選了11篇機械優(yōu)化設(shè)計范文。如果您需要更多原創(chuàng)資料，歡迎隨時與我們的客服老師聯(lián)系，希望您能從中汲取靈感和知識！
中圖分類號:TH122 文獻標識碼:B 文章編號:1009-9166(2009)020(c)-0098-01
優(yōu)化設(shè)計是指在據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求,合理確定各參數(shù),使產(chǎn)品取得較高的經(jīng)濟效益和較好的使用性能。優(yōu)化設(shè)計一般步驟為:
(一)建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型;
(二)求出最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。
優(yōu)化設(shè)計模型是設(shè)計問題的數(shù)學(xué)形式,是反映設(shè)計問題各主要因素之間內(nèi)在聯(lián)系的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。本文主要討論三種優(yōu)化設(shè)計模型:“成本――公差”模型、“質(zhì)量――公差”模型、“質(zhì)量――公差――成本”模型的建立過程及其用適用范圍。
一、優(yōu)化設(shè)計模型
(一)成本――公差模型
產(chǎn)品加工成本在機械產(chǎn)品的總成本中占有重要地位,影響加工成本的因素眾多,其中零件公差起著重要的作用。一般來說在產(chǎn)品設(shè)計時零件公差等級越高就越能保證產(chǎn)品設(shè)計要求,但這必然導(dǎo)致產(chǎn)品加工成本提高?！肮瞑D成本”模型是公差優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ),是建立機械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)的依據(jù)。但是由于影響產(chǎn)品加工成本的因素很多,因此難以確定一個通用的“成本―公差”關(guān)系式。較為常見的模型:
⑴
式中:ci――第i個零件的加工成本; ai――與公差無關(guān)的成本常數(shù);
bi――與公差有關(guān)的成本系數(shù); ti――第i個零件的公差。
通過選取多個統(tǒng)計樣本,對統(tǒng)計樣本數(shù)據(jù)進行回歸分析,便可得成本-公差模型參數(shù)值如下:
⑵
⑶
(二)質(zhì)量――公差模型
機械產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上是與產(chǎn)品的工作精度等輸出性能指標聯(lián)系在一起的。在一般情況下,產(chǎn)品的輸出特性參數(shù)都是構(gòu)成產(chǎn)品的零部件參數(shù)的映射。因此,產(chǎn)品的輸出特性都可用其零部件參數(shù)按照一定得數(shù)學(xué)關(guān)系來描述。同樣的道理,產(chǎn)品精度與零件公差之間也可以建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達式:
T=F(t1,t2,……,t3) ⑷
式中:T――產(chǎn)品輸出特性(T)的公差。
為了將產(chǎn)品設(shè)計精度T按一定的規(guī)則分配給相關(guān)零件公差,且使得產(chǎn)品制造成本最少,先確定產(chǎn)品輸出特性誤差的傳遞途徑,再引入統(tǒng)計公差模型:
⑸
式中:ξi――第i個公差傳遞系數(shù); Ki――第i個公差相對分布系數(shù);
K――輸出特性公差相對分布系數(shù),零件尺寸成正態(tài)分布時取1。
由式⑴可知產(chǎn)品總制造費用,用C表示:
⑹
聯(lián)合⑸、⑹兩式,以總成本ΣT最小為公差分配判據(jù),可求得各零件公差計算通式:
⑺
(三)質(zhì)量――公差――成本模型
田口玄一博士認為:“質(zhì)量損失是指產(chǎn)品出廠后給社會帶來的損失”,質(zhì)量損失給社會帶來的損失的后果,首先反映在用戶購買該產(chǎn)品的意愿上,并且直接影響到該產(chǎn)品的市場占有率,最終也要給產(chǎn)品制造企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。田口玄一博士提出的質(zhì)量損失函數(shù),描述了產(chǎn)品輸出特性與質(zhì)量損失之間的定量關(guān)系:產(chǎn)品輸出特性值偏離目標值越大,損失越大,即質(zhì)量越差,反之,質(zhì)量就越好。質(zhì)量損失函數(shù)如下:
L(T)=N(T-M)2 ⑻
式中:M――產(chǎn)品輸出特性的目標值; N――質(zhì)量損失系數(shù)。
由于產(chǎn)品輸出特性公差T=|T-M|,故有:
L(T)=N(T)2 ⑼
根據(jù)田口玄一質(zhì)量理論,產(chǎn)品總損失為產(chǎn)品成本與產(chǎn)品質(zhì)量損失的總和,用L表示,則
L=L(T)+C ⑽
將⑺帶入⑹式,得到:
⑾
由⑵、⑶、⑹、⑾四式可得“質(zhì)量―公差―成本”優(yōu)化模型:
⑿
二、結(jié)論與推廣
本文探討了優(yōu)化設(shè)計的重要內(nèi)容:優(yōu)化模型的建立。介紹了三種常見的機械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的模型:“成本――公差模型”、“質(zhì)量――公差模型”,“質(zhì)量――公差―成本”?！俺杀鲸D―公差模型”常用于零件優(yōu)化設(shè)計,常用于優(yōu)化單個零件的成本和公差?！百|(zhì)量―公差模型”常用于產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計,用于優(yōu)化產(chǎn)品組成零件的公差優(yōu)化問題。“質(zhì)量―公差―成本模型”常用于產(chǎn)品可靠性設(shè)計和成本控制,使產(chǎn)品的制造成本、經(jīng)濟效益和合格率達到預(yù)期指標。
作者單位:重慶大學(xué)機械工程學(xué)院
參考文獻:
[1]韓之俊.三次設(shè)計[M].北京,機械工業(yè)出版社,1992
[2]孫國正.優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用[M].北京,人民交通出版社,2000
[3]林秀雄.田口方法實戰(zhàn)技術(shù)[M].廣東,海天出版社,2008
雖然隨著機械設(shè)計技術(shù)的進步以及管理流程的簡化，新時期的機械設(shè)計成本開支已經(jīng)有所降低，但是仍然有可以壓縮的空間。需要注意的是，運用優(yōu)化設(shè)計的方法對機械設(shè)計的成本開支進行削減，要基于保障設(shè)計質(zhì)量的前提；倘若成本的控制要以犧牲質(zhì)量為代價，則這樣的控制手法必須果斷舍棄。在機械設(shè)計中采取優(yōu)化設(shè)計路線，能夠減輕前期和設(shè)計過程中的成本開支，為設(shè)計單位節(jié)省一筆不小的資金。優(yōu)化設(shè)計的最佳方案往往是符合設(shè)計流程的，是可以發(fā)揮出現(xiàn)有材料、設(shè)備和人員最大能量的，所以不需要額外耗費多余的人力、財力和物力。因此，優(yōu)化設(shè)計能夠節(jié)約機械設(shè)計的開支成本是有科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)的。
2.優(yōu)化設(shè)計可以提高機械產(chǎn)品的科技附加值，從而提高產(chǎn)品的競爭力和提高企業(yè)的經(jīng)濟效益
機械設(shè)計的產(chǎn)品是一種自然屬性但是具備商業(yè)價值的“商品”，這就必然要與市場發(fā)生關(guān)聯(lián)。同時，優(yōu)化設(shè)計方法在機械設(shè)計中的應(yīng)用，能夠增加機械產(chǎn)品的科技含量和技術(shù)附加值，大大提高產(chǎn)品的市場競爭力。例如，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及相互之間融合度越來越高，機械設(shè)計的產(chǎn)業(yè)化正在形成，即機械設(shè)計可以作為一個單獨的工程鏈條存在。如果把機械設(shè)計的產(chǎn)品作為一個普通商品看待，這種商品必須是價格最低、質(zhì)量最好、科技含量最高的，這樣該產(chǎn)品才能在市場中取得占有率，企業(yè)才能因此獲取利益最大化。所以，機械設(shè)計企業(yè)都在努力追求“這樣的機械產(chǎn)品”，而這樣的產(chǎn)品往往需要通過優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)。
優(yōu)化設(shè)計為機械設(shè)計產(chǎn)品的技藝提升、附加值增大提供了全新的路徑，也為機械設(shè)計單位和企業(yè)的發(fā)展增添了新的利潤增長點。例如，隨著信息技術(shù)、計算機技術(shù)、材料技術(shù)、液壓技術(shù)、加工制造工藝的不斷發(fā)展和成熟，機械設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)都會有一種或多種新技術(shù)的注入，最終的機械產(chǎn)品往往“飽含科技”，其技術(shù)附加值自然可以達到一個高位。類似這樣的高附加值機械產(chǎn)品，在市場中的價格是可以預(yù)見的，企業(yè)因此帶來的收益也很高。由此可見，優(yōu)化設(shè)計對于當(dāng)今的機械設(shè)計的重要性。
二、實現(xiàn)機械設(shè)計優(yōu)化設(shè)計的有效策略
優(yōu)化設(shè)計可以為機械設(shè)計提供質(zhì)量和效益的保證，因此必須引入科學(xué)有序的優(yōu)化設(shè)計方案，使之產(chǎn)生明顯的效果。從當(dāng)前的情況看，機械優(yōu)化設(shè)計可以從如下角度考量。其一，機械設(shè)計的一維搜索優(yōu)化方法，這種方法也是當(dāng)前機械設(shè)計優(yōu)化方法的最典型代表，以數(shù)學(xué)函數(shù)為理論基礎(chǔ)，透過搜索區(qū)間的確定，來保證優(yōu)化方案的有效性。一維搜索方法是一維問題的最基本方法，也是多維機械設(shè)計的基礎(chǔ)方法。
眾所周知，機械設(shè)計大都是多維的，很少有一維的情況，但是這恰恰說明了一維的重要性和基礎(chǔ)。就好比數(shù)學(xué)中的從0到9的10個數(shù)字，它們構(gòu)筑了數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，成為數(shù)學(xué)的理論“細胞”。一維搜索方法在機械設(shè)計的應(yīng)用，往往直接影響優(yōu)化設(shè)計問題的求解速度。其二，機械優(yōu)化設(shè)計會用到約束優(yōu)化方法和無約束優(yōu)化方法。在機械優(yōu)化設(shè)計中，經(jīng)常使用的是約束優(yōu)化的方法。除此之外，機械優(yōu)化設(shè)計還可以通過線性規(guī)劃方法、多目標及離散變量優(yōu)化方法來實現(xiàn)?？傊?，諸多優(yōu)化方法的存在和操作為機械優(yōu)化設(shè)計提供了多元化的路徑。（本文來自于《黑龍江科學(xué)》雜志?！逗邶埥茖W(xué)》雜志簡介詳見。）
中圖分類號：TM 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）25-0060-01
機械設(shè)計的發(fā)展實際上也是社會生產(chǎn)力的進步，而這就集中的體現(xiàn)在了設(shè)計者的優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中，在這一過程中，很多的機械設(shè)備都要符合社會的發(fā)展趨勢，而在這之中也存在著非常強的邏輯性。機械的優(yōu)化設(shè)計通常就是指通過建立數(shù)學(xué)模型的方式來找到最佳設(shè)計方案的過程，當(dāng)前，機械的優(yōu)化設(shè)計也逐漸成為了機械設(shè)計過程中非常重要的一個因素。所以當(dāng)前，對機械設(shè)計的優(yōu)化途徑進行簡要的分析和探討是十分必要的。
1、機械優(yōu)化設(shè)計的重要性
這里我們所說的優(yōu)化設(shè)計實際上不僅僅局限于機械設(shè)計當(dāng)中，在社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有著比較廣泛的應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計在本質(zhì)上就是指通過各種各樣的方式和手段對研究的步驟和方法進行不斷的改進和研究，這樣就可以選出很多解決問題的方法和手段，然后再在這些方案當(dāng)中選擇最佳的方案，從而實現(xiàn)了路線選擇的優(yōu)化設(shè)計，而在機械的優(yōu)化設(shè)計工作中，主要應(yīng)該考慮的是以下幾個方面的內(nèi)容。
1.1 優(yōu)化設(shè)計可以充分的保證設(shè)計的工藝和質(zhì)量
在機械設(shè)計的過程中，設(shè)計人員一定要充分的對設(shè)計的主要流程、設(shè)計的時間和設(shè)計過程中需要用到的成本和功效等問題都進行嚴格的控制，而在這一過程中更為重要的是設(shè)計產(chǎn)品的工藝水準和實際的用途，在設(shè)計的過程中也可以將其理解成設(shè)計產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量，通常我們在實際的工作中，機械產(chǎn)品一般都是需要使用在工業(yè)生產(chǎn)和大型的工程項目當(dāng)中的，其質(zhì)量的好壞會對整個機械的質(zhì)量和性能造成十分重大的影響，在這樣的情況下我們也就需要重視所以簡單的來說就是機械設(shè)計的質(zhì)量一定要放在首要的位置，如果失去了一些質(zhì)量上的保障，這種機械設(shè)計也就無法很好的得到良好的保障，因此在實際的設(shè)計中就必須要找準設(shè)計的思路和策略，所以在設(shè)計的過程中一個非常關(guān)鍵的問題就是保持良好的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計工藝，優(yōu)化設(shè)計雖然不能很好的在設(shè)計的過程中作為衡量設(shè)計質(zhì)量的唯一標準，但是優(yōu)化設(shè)計在應(yīng)用的過程中可以為施工提供更多可以選擇的設(shè)計方案，這樣設(shè)計師就可以在設(shè)計的過程中有更多的參考，在實際操作的過程中，設(shè)計者通常要使用數(shù)學(xué)的模型或者是函數(shù)對設(shè)計方案的綜合性進行更加科學(xué)的分析，這樣就可以做出更好的選擇。最佳的設(shè)計方案通常都應(yīng)該具備以下幾個特點，一個是方案在應(yīng)用的過程中效率應(yīng)該是最高的，同時成本上也應(yīng)該是最低的。一個是方案的可操作性非常強，可以非常好的實現(xiàn)設(shè)計的規(guī)劃和要求。總體上來說，機械優(yōu)化設(shè)計的過程實際上就是對諸多方案進行對比和選擇的過程，在這個過程中方案選擇必須要充分的考慮到現(xiàn)實需求，這也是保證設(shè)計質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。
1.2 優(yōu)化設(shè)計可以最大限度的節(jié)約設(shè)計開支和成本
機械設(shè)計是一項繁瑣、浩大的工程，往往需要很久的時間才能完全，不存在所謂的捷徑和“小道”。所以，在維系長時間設(shè)計流程的同時，必須做好高額開支和成本支出的準備。
事實證明，機械設(shè)計的成本開支往往令主管單位“不堪重負”。誠然，隨著機械設(shè)計技術(shù)的進步以及管理流程的簡化，新時期的機械設(shè)計成本開支以及有所降低，但是仍然有壓縮的空間。要清楚的是，運用優(yōu)化設(shè)計的方法對機械設(shè)計的成本開支進行削減，完全要基于保障設(shè)計質(zhì)量的前提；倘若成本的控制要以犧牲質(zhì)量為代價，那么這樣的控制手法必須果斷舍棄。
在機械設(shè)計中采取優(yōu)化設(shè)計路線，能夠減輕前期和設(shè)計過程中的成本開支，為設(shè)計單位節(jié)省一筆不小的資金。之所以這樣說，是因為優(yōu)化設(shè)計的最佳方案往往是符合設(shè)計流程的，是可以發(fā)揮出現(xiàn)有材料、設(shè)備和人員最大能量的，所以不需要額外耗費多余的人力、財力和物力因此，優(yōu)化設(shè)計能夠節(jié)約機械設(shè)計的開支成本是有科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)的。
1.3 優(yōu)化設(shè)計可以提高機械產(chǎn)品的科技附加值
機械設(shè)計的產(chǎn)品是一種自然屬性但是具備商業(yè)價值的“商品”，這就必然要與市場發(fā)生關(guān)聯(lián)。同時，優(yōu)化設(shè)計方法在機械設(shè)計中的應(yīng)用，能夠增加機械產(chǎn)品的科技含量和技術(shù)附加值，大大提高產(chǎn)品的市場競爭力，這對機械設(shè)計企業(yè)而言無疑是一大利好。例如，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及相互之間融合度越來越高，機械設(shè)計的產(chǎn)業(yè)化正在形成，即機械設(shè)計可以作為一個單獨的工程鏈條存在。如果我們把機械設(shè)計的產(chǎn)品作為一個普通商品看待，那么這種商品必須是價格最低、質(zhì)量最好、科技含量最高的，唯有此，該產(chǎn)品才能在市場中取得占有率，企業(yè)才能因此獲取利益最大化。所以，所有的機械設(shè)計企業(yè)都在努力的追求“這樣的機械產(chǎn)品”，而這樣的產(chǎn)品往往需要透過優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)。所以，優(yōu)化設(shè)計為機械設(shè)計產(chǎn)品的技藝提升、附加值增大提供了全新的路徑，也為機械設(shè)計單位和企業(yè)的發(fā)展增添了新的利潤增長點。例如，隨著信息技術(shù)、計算機技術(shù)、材料技術(shù)、液壓技術(shù)、加工制造工藝的不斷發(fā)展和成熟，機械設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)都會有一種或多種新技術(shù)的注入，最終的機械產(chǎn)品往往“飽含科技，其技術(shù)附加值自然可以達到一個高位。類似這樣的高附加值機械產(chǎn)品，在市場中的價格是可以想見的，企業(yè)因此帶來的收益也是很高的。所以，如果把機械設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計作為一種生產(chǎn)選擇方式來衡量，那么優(yōu)化設(shè)計為產(chǎn)品的開發(fā)和流動，為設(shè)計單位、企業(yè)的利益最大化帶來的貢獻是很難估量。由此可見，優(yōu)化設(shè)計對于當(dāng)今的機械設(shè)計是多么的重要。
2、機械設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計的實現(xiàn)路徑
既然優(yōu)化設(shè)計可以為機械設(shè)計提供質(zhì)量和效益的保證，那么就必須引入科學(xué)有序的優(yōu)化設(shè)計方案，使之產(chǎn)生明顯的效果。從當(dāng)前的情況看，機械優(yōu)化設(shè)計可以從如下角度考量。
首先，機械設(shè)計的一維搜索優(yōu)化方法，這種方法也是當(dāng)前機械設(shè)計優(yōu)化方法的最典型代表，以數(shù)學(xué)函數(shù)為理論基礎(chǔ)，透過搜索區(qū)間的確定，來保證優(yōu)化方案的有效性。一維搜索方法是一維問題的最基本方法，也是多維機械設(shè)計的基礎(chǔ)方法。眾所周知，機械設(shè)計大都是多維的，很少有一維的情況，但是這恰恰說明了一維的重要性和基礎(chǔ)。就好比數(shù)學(xué)中的從0到9的10個數(shù)字，它們構(gòu)筑了數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，成為數(shù)學(xué)的理論“細胞”。所以，一維搜索方法在機械設(shè)計的應(yīng)用，往往直接影響優(yōu)化設(shè)計問題的求解速度。其次，機械優(yōu)化設(shè)計會用到約束優(yōu)化方法和無約束優(yōu)化方法。在機械優(yōu)化設(shè)計中，經(jīng)常使用的是約束優(yōu)化的方法。
此外，機械優(yōu)化設(shè)計還可以采用線性規(guī)劃的方法、多目標和離散邊梁優(yōu)化方法來進行設(shè)計和操作，而優(yōu)化方法的采用可以讓機械設(shè)計有更多的可能，同時它也可以有效的提高機械設(shè)計的質(zhì)量和水平。
3、結(jié)語
在機械設(shè)計的過程中，設(shè)計的質(zhì)量會對機械整體性能的實現(xiàn)有著非常重要的意義，在設(shè)計的過程中，一定要充分的考慮到各個因素對機械質(zhì)量產(chǎn)生的影響，同時根據(jù)實際的要求去選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方案，只有這樣，機械的質(zhì)量和性能才能得到更好的保證，因此這也將成為機械設(shè)計中重要的一環(huán)。
參考文獻
中圖分類號：TD402 文獻標識碼：A
現(xiàn)代設(shè)計方法是隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用而在設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學(xué)科。工程實際中還逐漸出現(xiàn)了許多新的設(shè)計思想和設(shè)計方法。隨著社會的發(fā)展、人們思想觀念的更新和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而提出，對節(jié)能、環(huán)保、改進產(chǎn)品性能和增加產(chǎn)品市場競爭能力等方面的重要性而受到越來越多的重視。傳統(tǒng)的設(shè)計運用力學(xué)和數(shù)學(xué)形成經(jīng)驗作為設(shè)計的依據(jù)，通過經(jīng)驗公式、近似系數(shù)或類比等方法進行設(shè)計。我們熟悉的優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、計算機輔助設(shè)計、有限元法等,這些設(shè)計方法已經(jīng)較為成熟,形成了完整的設(shè)計體系。機械優(yōu)化設(shè)計是在進行某種機械產(chǎn)品設(shè)計時，根據(jù)規(guī)定的約束條件，優(yōu)選設(shè)計參數(shù)，使某項或幾項設(shè)計指標獲得最優(yōu)值。
它是以設(shè)計產(chǎn)品為目標的一個總的知識群體的統(tǒng)稱，提高設(shè)計質(zhì)量和縮短設(shè)計周期，是為了適應(yīng)市場劇烈競爭的需要，以及計算機在設(shè)計中的廣泛應(yīng)用。60年代以來，在設(shè)計領(lǐng)域相繼誕生與發(fā)展的一系列新興學(xué)科的集成。產(chǎn)品設(shè)計的“最優(yōu)值”或“最佳值”，系指在滿足多種設(shè)計目標和約束條件下所獲得的最令人滿意和最適宜的值。最優(yōu)值的概念是相對的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及設(shè)計條件的變動，最優(yōu)化的標準也將發(fā)生變化。這種選擇不僅保證多參數(shù)的組合方案滿足各種設(shè)計要求，而且又使設(shè)計指標達到最優(yōu)值。由于傳統(tǒng)設(shè)計所用的計算方法和參考數(shù)據(jù)偏重于經(jīng)驗的概括和總結(jié)，往往忽略了一些難解或非主要因素。在信息處理、參量統(tǒng)計和選取、經(jīng)驗或狀態(tài)的存儲和調(diào)用等還沒有一個理想的有效方法，解算和繪圖也多用手工完成，這不僅影響設(shè)計速度和設(shè)計質(zhì)量的提高，也難以做到精確和優(yōu)化的效果。因此，求解優(yōu)化設(shè)計問題就是一種用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計算機自動選優(yōu)技術(shù)來求解最優(yōu)化的問題。優(yōu)化設(shè)計反映了人們對客觀世界認識的深化，它要求人們根據(jù)事物的客觀規(guī)律，在一定的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件下，得出最優(yōu)的設(shè)計方案。機械優(yōu)化設(shè)計可解決設(shè)計方案參數(shù)的最佳選擇問題。
1 現(xiàn)代設(shè)計方法
1.1 創(chuàng)新設(shè)計
創(chuàng)新是設(shè)計的本質(zhì)，隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，產(chǎn)品的市場競爭也日益激烈。們消費觀念不斷變化，產(chǎn)品的創(chuàng)新性，創(chuàng)新產(chǎn)品能滿足甚至創(chuàng)造出新的需求宜人性等因素愈來愈受到重視，大量科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，在競爭中占據(jù)著突出地位。在這種形勢下，創(chuàng)新設(shè)計是產(chǎn)品適應(yīng)新的市場形勢的最好途徑，因而必然有較強的市場競爭力。
1.2 智能設(shè)計
為了提高制造業(yè)對市場變化，在CIMS環(huán)境下，設(shè)計正在向集成化、自動化等方向發(fā)展。就必須大大加強設(shè)計專家與計算機工具，使計算機能在更大范圍內(nèi)，這一人機結(jié)合的設(shè)計系統(tǒng)中機器的智能，更高水平上幫助或代替人類專家處理數(shù)據(jù)、信息與知識，大幅度提高設(shè)計自動化的水平。智能設(shè)計就是要研究如何提高人機系統(tǒng)中計算機的智能水平， 做出各種設(shè)計決策，使計算機更好地承擔(dān)設(shè)計中各種復(fù)雜任務(wù)，智能化是設(shè)計活動的顯著特點，也是走向設(shè)計自動化的重要途徑。
1.3 響應(yīng)設(shè)計
隨著市場競爭的加劇，使得產(chǎn)品的更新?lián)Q代不斷加快，市場壽命周期不斷縮短。現(xiàn)代科技的日新月異，建立快速捕捉市場動態(tài)需求信息的決策機制。實施快速響應(yīng)設(shè)計技術(shù)，適應(yīng)市場環(huán)境的變化，面對瞬息萬變的市場環(huán)境，用戶需求的轉(zhuǎn)移，增強企業(yè)市場競爭的有效途徑。更要求企業(yè)具有高度的靈敏性，不斷地迅速開發(fā)新產(chǎn)品，能抓稍縱即逝的機遇，變被動適應(yīng)用戶，這樣才能保證企業(yè)在競爭中立于不敗之地。在這種時代背景下，市場競爭的焦點就轉(zhuǎn)移到速度上來，快速提高更高的性能/價格比產(chǎn)品的企業(yè)，將具有更高的競爭力。為提高快速響應(yīng)能力，企業(yè)首先應(yīng)當(dāng)能迅速捕捉復(fù)雜多變的市場動態(tài)信息，并及時作出正確的預(yù)測和決策。
2 現(xiàn)代設(shè)計優(yōu)化技術(shù)方法
2.1 現(xiàn)代方法與傳統(tǒng)方法比較
整個傳統(tǒng)設(shè)計的過程，參照同類產(chǎn)品，通過估算、經(jīng)驗類比或試驗等方法來確定產(chǎn)品的初步設(shè)計方案，是人工試湊和定性分析比較的過程。機械產(chǎn)品的設(shè)計，一般需要經(jīng)過需求分析、方案設(shè)計、分析計算、市場調(diào)查、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程繪圖和編制技術(shù)文件等一系列工作過程。傳統(tǒng)設(shè)計方法通常是在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計理論的研究和應(yīng)用實踐，從經(jīng)驗、感性和類比為主的傳統(tǒng)設(shè)計方法過渡到科學(xué)、理性和立足于計算分析的現(xiàn)代設(shè)計方法，又能滿足生產(chǎn)的工藝性、使用的可靠性和安全性要求，使傳統(tǒng)設(shè)計方法發(fā)生了根本變革，機械產(chǎn)品設(shè)計正在逐步向自動化、集成化和智能化方向發(fā)展，按照傳統(tǒng)方法得出的設(shè)計方案，可能存在有較大改進和提高的余地。機械產(chǎn)品設(shè)計工作的任務(wù)就是使設(shè)計的產(chǎn)品既具有優(yōu)良的技術(shù)性能指標，且消耗和成本最低等。根據(jù)經(jīng)驗或直觀判斷對設(shè)計參數(shù)進行修改。但是由于傳統(tǒng)設(shè)計方法受到計算方法和手段等條件的限制，設(shè)計人員可以在有限的幾種合格設(shè)計方案中，這是很難找出最優(yōu)設(shè)計方案的。
2.2 優(yōu)化設(shè)計
隨著計算機及其計算技術(shù)的迅速發(fā)展，對結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型進行加載與求解。工程設(shè)計中較復(fù)雜的一些優(yōu)化問題取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟效果，把狀態(tài)變量提取出來供優(yōu)化處理器進行優(yōu)化參數(shù)評價。促進了工程優(yōu)化設(shè)計理論和方法的發(fā)展，并結(jié)合工程優(yōu)化設(shè)計的特點，為以后軟件修正模型提供可能。如果最優(yōu)，完成迭代，退出優(yōu)化循環(huán)圈。利用CAE軟件的參數(shù)化建模功能，將要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)定義為模型參數(shù)，重新投入循環(huán)，與上次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)作比較之后確定該次循環(huán)目標函數(shù)是否達到了最小。在多目標優(yōu)化，混合離散變量優(yōu)化、模糊優(yōu)化以及人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法，應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計等方面都獲得一些顯著的成果，已完成的優(yōu)化循環(huán)和當(dāng)前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設(shè)計變量，逐步形成以計算機和優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)的近代優(yōu)化設(shè)計。
結(jié)論
從機械產(chǎn)品設(shè)計的全局來看，目前比較先進的優(yōu)化設(shè)計，大多數(shù)還停留在設(shè)計方案后參數(shù)優(yōu)化方面，面向產(chǎn)品設(shè)計，應(yīng)將優(yōu)化設(shè)計拓寬到機械設(shè)計產(chǎn)品的全生命周期過程，是適應(yīng)機械產(chǎn)品設(shè)計。隨著CAD技術(shù)不斷地發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)支持下，現(xiàn)代機械先進優(yōu)化設(shè)計技術(shù)將進行新一輪的發(fā)展。
參考文獻
[1]現(xiàn)代設(shè)計方法[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2001.
隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械設(shè)計領(lǐng)域的概念和思維方式也在不斷發(fā)生變化，機械設(shè)計能夠在一定程度上反映出社會群體對客觀世界的認知，并且遵循客觀事物的發(fā)展規(guī)律來開展優(yōu)化設(shè)計。因此加大力度探討機械優(yōu)化設(shè)計理論方法，能夠為機械優(yōu)化設(shè)計的未來發(fā)展指明方向。
1 機械傳統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的對比
機械優(yōu)化設(shè)計是基于最優(yōu)化設(shè)計的，主要以數(shù)學(xué)模型作為優(yōu)化設(shè)計的基本途徑。優(yōu)化設(shè)計的方法及思維屬于優(yōu)化方法的范疇之內(nèi)，這種設(shè)計思想會使得各種參數(shù)順著理想的方向能夠自我調(diào)節(jié)，在這種模型精確計算的條件下，從各種可行性相對較強的設(shè)計方案中擇優(yōu)選取最佳的設(shè)計方案。由于設(shè)計方案較多，那么就需要使用電子計算機加以篩選，這主要得益于電子計算機的運行速度非常快，從而從諸多設(shè)計方案中篩選出最優(yōu)方案。雖然在實際的數(shù)學(xué)建模過程中需要進行一定地簡化處理，可能會導(dǎo)致計算所得的結(jié)果與實際值存在一定的差距，但是其基于客觀規(guī)律以及數(shù)據(jù)，又無需花費太高的費用，所以說，這種建模計算的方法具有經(jīng)驗類比或者試驗途徑不可比擬方面的優(yōu)勢之處，再加上一定的經(jīng)驗依據(jù)，就能夠獲得一個非常理想的設(shè)計結(jié)果。雖然傳統(tǒng)設(shè)計也追求最優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果，一般是基于調(diào)查、分析，按照實際需求以及實踐經(jīng)驗，參照類似于工程設(shè)計，經(jīng)估算、類比以及試驗等過程，對尋優(yōu)過程進行構(gòu)思、評估、再構(gòu)思以及再評估等，從而最終確定設(shè)計方案，最后開展剛度、強度以及穩(wěn)定性等方面的計算。然而在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，存在主觀方面、時間以及工作量過多等方面的影響，由于這些影響因素的存在，使得設(shè)計結(jié)果的最優(yōu)化選擇無法正常進行，這些設(shè)計結(jié)果的計算也僅僅具有校對、核驗以及補充等方面的作用，只能對原有方案的可行性加以證實。傳統(tǒng)設(shè)計往往需要花費高額的資金以及人力，而且最終結(jié)果也與初始設(shè)計試驗范圍差不離。所以說，傳統(tǒng)設(shè)計主要受到主觀因素的影響，得到的僅僅屬于滿足最初設(shè)計要求的設(shè)計結(jié)果，并非最優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。
2 優(yōu)化設(shè)計方法的評判指標
效率要高、可靠性要高、采用成熟的計算程序、穩(wěn)定性要好。另外選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法時要進行深入的分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標函數(shù)，根據(jù)復(fù)雜性、準確性等條件結(jié)合個人的經(jīng)驗進行選擇。優(yōu)化設(shè)計的選擇取決于數(shù)學(xué)模型的特點，通常認為，對于目標函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計變量個數(shù)不太多的問題，采用懲罰函數(shù)法較好；對于只含線性約束的非線性規(guī)劃問題，最適應(yīng)采用梯度投影法；對于求導(dǎo)非常困難的問題應(yīng)選用直接解法，例如復(fù)合形法；對于高度非線性的函數(shù)，則應(yīng)選用計算穩(wěn)定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內(nèi)點懲罰函數(shù)相結(jié)合的方法。
3 機械優(yōu)化設(shè)計理論方法
3.1 準則優(yōu)化法
在機械優(yōu)化設(shè)計理論方法中，所謂準則優(yōu)化法，就是指以物理學(xué)和力學(xué)等原則來構(gòu)造并優(yōu)化機械設(shè)計的方案，以促進機械優(yōu)化設(shè)計的順利進行。準則優(yōu)化法在實際應(yīng)用中具有良好的優(yōu)勢，其概念直觀性較強，并且計算過程簡便，即便是在約束條件相對較少的條件下，準則優(yōu)化法的實際優(yōu)化效率相對較高，因此在工程中具有良好的應(yīng)用效果。但就機械優(yōu)化設(shè)計的實際情況來看，準則優(yōu)化法也不可避免的存在一些不足，尤其是在實際應(yīng)用中，其所考慮的范圍具有一定局限性，一旦實際約束條件較多，會嚴重影響機械優(yōu)化設(shè)計的效率，因此在機械優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)對此項因素進行深入衡量和分析，以全面提高機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。
3.2 線性規(guī)劃法
在機械優(yōu)化設(shè)計理論方法中，線性規(guī)劃法是基于數(shù)學(xué)極值的基本原理上所提出的，以目標函數(shù)、約束條件以及設(shè)計變形的線性優(yōu)化為主要因素進行分析，以此作為主要的求解方式。線性規(guī)劃法中常用的兩種方式是單純形法與序列線性規(guī)劃法。
其中單純形法是美國學(xué)者所提出的一種具有直觀性的線性問題求解方法。單純形法在機械優(yōu)化設(shè)計中也存在一定不足，極易受到收斂條件、壓縮因子以及擴展因子等多種因素的影響導(dǎo)致難以準確計算出機械優(yōu)化設(shè)計的最優(yōu)解。因此為保障機械優(yōu)化設(shè)計的實際效果，應(yīng)當(dāng)全面衡量各項因素，包括初始單純形的各頂點線性獨立情況以及新單純形構(gòu)成后對實際收斂情況進行準確的驗算，并嚴格檢查計算結(jié)果是否滿足相關(guān)精度要求，從而全面提高機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。
序列線性規(guī)劃法則相對簡單，主要是在初始位置將目標函數(shù)集約條件進行展開，促使非線性規(guī)劃向近似線性規(guī)劃逐漸轉(zhuǎn)化，并對最優(yōu)結(jié)果進行求解，并采取科學(xué)合理的計算方式進行反復(fù)求解，直至滿足機械優(yōu)化設(shè)計的精度標準，從而提高機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。
3.3 非線性規(guī)劃法
就機械工程的實際情況來看，大部分機械工程的性質(zhì)都屬于非線性規(guī)劃，隨著非線性程度的不斷加大，難以將其完全簡化為線性問題。非線性規(guī)劃正是基于數(shù)學(xué)極值的原理所開展的機械優(yōu)化設(shè)計，通過無約束直接法、無約束間接法和約束直接法、約束間接法等對優(yōu)化問題進行不斷求解，以保證機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。
3.4 現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計理論方法
在機械優(yōu)化設(shè)計中，往往存在不同種類的約束、變量及目標函數(shù)，為保證機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果，機械優(yōu)化準則法能夠結(jié)合機械優(yōu)化設(shè)計的實際情況，積極推導(dǎo)出不同的優(yōu)化準則，但其實際通用性并不理想。規(guī)劃法在實際應(yīng)用中需要進行多次重復(fù)驗算，此種情況下往往需投入大量的人力物力資源，并且實際優(yōu)化設(shè)計的效率并不理想，甚至在一定程度上限制了規(guī)劃法在現(xiàn)代機械工程項目優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用深度和廣度。隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械工程中優(yōu)化設(shè)計的難度也不斷加大，有必要積極選取合理的優(yōu)化設(shè)計方法來提高機械優(yōu)化設(shè)計的總體質(zhì)量和效果。
結(jié)束語
總而言之，機械設(shè)計優(yōu)化是基于傳統(tǒng)機械設(shè)計理論基礎(chǔ)上所提出的，通過與現(xiàn)代設(shè)計方法的協(xié)調(diào)配合，促進一種科學(xué)化的優(yōu)化設(shè)計方法的形成，在機械工程中，有助于改善機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果，促進機械產(chǎn)品達到高質(zhì)量和高水平。隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械優(yōu)化設(shè)計方法也不斷進步，每一種機械優(yōu)化設(shè)計方法都具有各自的特點和應(yīng)用領(lǐng)域，能夠針對機械產(chǎn)品的性能及其他因素選取核實的設(shè)計變量和最優(yōu)的設(shè)計方法，從而促進機械優(yōu)化設(shè)計目標的實現(xiàn)，為機械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。
參考文獻
中圖分類號：C35 文獻標識碼： A
引言
煤礦行業(yè)主要是對我國的自然可利用資源進行開采，以滿足人類的發(fā)展需求為最終目的行業(yè)。在煤礦行業(yè)發(fā)展中，機械是必不可少的組成部分。因此，如何加強對煤礦開采機械的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，已經(jīng)成為了當(dāng)前煤礦行業(yè)最為重視的事情，也是必須要徹底解決的事情。
一、煤礦技術(shù)中機械裝備的重要性
煤炭資源一直是我國的最為重要的生產(chǎn)資源。在我國改革開放以來，煤炭在我國的消費市場中占首要位置。據(jù)相關(guān)的資料調(diào)查顯示，就2010年一年間，煤炭在我國的總消費量就高達29.66億噸，占全國一次性消費能源總量的66%，按這種開采的速度和消費情況來看，我國剩余的煤炭資源還可供開采100年以上。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展及企業(yè)對煤炭資源的需求，我國近幾年來成立了多個大型的煤炭開采基地。但同時，由于煤炭開采過程中機械設(shè)備問題，使在煤炭開采過程中受傷或死亡的人數(shù)也在逐年遞增，這主要是由于在煤炭開采過程中機械設(shè)備跟不上時代的發(fā)展需求所至，據(jù)國內(nèi)不完全資料數(shù)據(jù)顯示表明，每年因煤礦機械裝備所造成的傷亡人數(shù)占整體煤礦開采中傷亡人數(shù)的百分之七十左右。對于這種情況而言，隨著煤炭開采事業(yè)的發(fā)展，負責(zé)人員也在不斷地總結(jié)著經(jīng)驗與教訓(xùn)，對煤礦技術(shù)機械裝備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合也做出了一系列的改革措施，煤礦技術(shù)機械裝備的好壞直接影響著整個煤礦開采施工工程是否可以順利完工，也直接影響著施工人員的生命安全。因此，對煤礦機械進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是煤礦事業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。
二、我國煤礦生產(chǎn)機械裝備結(jié)構(gòu)的設(shè)計現(xiàn)狀
目前我國的煤礦資源分為露天煤礦和井下煤礦兩種，因此，開采機械也分為露天機械和井下機械兩種。據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計表明，至十一五以來，我國煤礦技術(shù)中機械的需求量達50萬臺，總投資量超過了950億元。其中，應(yīng)要求新增的機械數(shù)量達23萬臺，總投資量達650億元。而煤礦機械中需要結(jié)構(gòu)優(yōu)化與更新的設(shè)備超出了一半以上，所需投入資金達250億元。截至2012年底，國家針對115家煤礦機械使用情況進行了調(diào)查，數(shù)據(jù)表明，在這115家煤礦開采企業(yè)中，至2008年底機械更新及結(jié)構(gòu)優(yōu)化所投入的資金額達650億元，所產(chǎn)出的直接收入高達780多億元。至2012年底，用于煤礦機械裝備更換與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的資金已高達860億元，所產(chǎn)出的直接收益高達1100億元。就我國煤礦資源調(diào)查結(jié)果表明，我國煤礦資源將來還有500多億元的可開發(fā)利用空間，而開采設(shè)備也將逐漸由傳統(tǒng)的中小型開采機械裝備向大型煤礦機械開采裝備演變。
三、我國煤礦機械裝備企業(yè)核心競爭力構(gòu)建途徑
（一）強化新的科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用
在現(xiàn)代企業(yè)中，需要進一步的營造將科學(xué)技術(shù)看做是第一生產(chǎn)力的氛圍，使科學(xué)技術(shù)在企業(yè)中發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。而為了做到這一點，其中的關(guān)鍵便是在思想形成正確的認識。比如，在造成煤礦機械失效的諸多因素之中，要將科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最新的研究成果應(yīng)用其中，全面的、最大限度的展現(xiàn)新技術(shù)的生命力。具體而言，可以將陶瓷材料、碳纖維復(fù)合材料以及超強度聚合材料和金屬基復(fù)合材料等新的材料技術(shù)有針對性的應(yīng)用到不同煤礦機械裝備的關(guān)鍵零部件中，這樣不但可以明顯的提高煤礦機械裝備的可靠性能，最大限度的降低其重量，更為重要的是，還能夠全面的改變煤礦機械裝備的形體設(shè)計。
（二）以現(xiàn)代化管理模式促進企業(yè)可持續(xù)發(fā)展
對現(xiàn)代煤礦機械裝備制造來說，管理制度即便是軟件，但是對于這類企業(yè)的發(fā)展卻會起到重要的保障作用。為此，要進一步的建立和規(guī)范現(xiàn)代化企業(yè)制度，提高企業(yè)的經(jīng)營管理水平，重點在產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量監(jiān)管、銷售服務(wù)等相關(guān)領(lǐng)域展開與世界市場之間的合作與交流，全面的建立營銷、技術(shù)服務(wù)和用戶之間的一體化的信息系統(tǒng)，以超前的意識，強化企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力。
（三）優(yōu)化設(shè)計方法
計劃經(jīng)濟時代和市場經(jīng)濟時代對企業(yè)的要求截然不同，當(dāng)然，主要是用戶的需求之間存在較大的差異。在當(dāng)前的市場經(jīng)濟條件下，煤礦機械裝備企業(yè)的發(fā)展一定要以動態(tài)化的視角進行生產(chǎn)和經(jīng)營，唯有如此，才能對市場的變化做出積極的反應(yīng)。為此，煤礦機械裝備企業(yè)應(yīng)該優(yōu)化其涉及方法，根據(jù)待開采煤層的賦存條件的不同，要有針對性的選擇采煤機的運動學(xué)參數(shù)與工作機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；根據(jù)待掘進巷道的煤巖物理機械性質(zhì)的差異以及巷道斷面的尺寸差異，對掘進機結(jié)構(gòu)尺寸與工作結(jié)構(gòu)的運動學(xué)參數(shù)進行重新的比對和優(yōu)化設(shè)計。只有這樣，才能最大限度的縮短設(shè)計周期，全面的向用戶展示設(shè)計方案。
（四）建設(shè)一支學(xué)術(shù)高、敬業(yè)精神強的管理隊伍
在煤礦設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程中，我們首先要建立一個高素質(zhì)、高標準的管理隊伍，因為，在設(shè)計完成后，進行設(shè)備加工的時候，設(shè)計人員仍然要時常與制作單位保持密切的聯(lián)系，以便及時的解決在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的設(shè)計上的疏漏和問題，并對其進行詳細的記錄，備于日后的資料查閱，給下一個設(shè)計研發(fā)工作提供參考的前例；加工制作完成以后的驗收工作仍然很重要，我們要盡可能的在現(xiàn)場對設(shè)備進行連續(xù)運轉(zhuǎn)試驗，觀察其可靠性是否達到設(shè)計研發(fā)的要求，如果一旦出現(xiàn)問題及時糾正更改設(shè)計，最終達到合格的效果，驗收合格才可以允許發(fā)貨。因此，建立一支學(xué)術(shù)高、敬業(yè)精神強的管理隊伍是非常有必要的。
四、煤礦技術(shù)中機械裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
（一）加強結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的計劃
在煤礦技術(shù)機械裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，我們要做的是計劃好設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案，在計劃前，我們首先應(yīng)該對改煤礦的舊設(shè)備進行了解及調(diào)查，然后對就設(shè)備存在的問題進行分析，然后制定出可以實施 的機械設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，然后做出設(shè)計任務(wù)書。設(shè)計任務(wù)書大體上應(yīng)該包括：機器的功能，經(jīng)濟性及環(huán)保性的估計，制造要求方面的大致估計，基本使用要求，以及完成設(shè)計任務(wù)的預(yù)計期限等。
（二）加強機械設(shè)備結(jié)構(gòu)的安裝調(diào)試
對改設(shè)備進行相應(yīng)的調(diào)試和運轉(zhuǎn)，確保該設(shè)備可以滿足相應(yīng)的使用要求，機械設(shè)備安裝固定的步驟如下：
1.設(shè)備基礎(chǔ)的檢驗，目前，施工單位安裝機械設(shè)備的位置一般采用混凝土，故需要對基礎(chǔ)施工單位提供的混凝土力學(xué)性能進行檢測，確保設(shè)備基礎(chǔ)能夠承受機械設(shè)備因振動而產(chǎn)生的各個方向的力。
2.設(shè)備就位，所謂的設(shè)備就位就是將設(shè)備安全放到基礎(chǔ)上，如果是小型的機械設(shè)備則相對較為簡單，容易進行，要是大型的設(shè)備就對起重作業(yè)有了嚴格的要求。例如一個大型軋機的安放，底座和牌坊顯然要分步安放。
3.安裝精度檢測調(diào)整與設(shè)備固定，安裝精度的檢測調(diào)整是進行機械設(shè)備安裝的重要過程之一。
4.拆卸、清洗和裝配，對于解體機械和整體機械放置時間超過規(guī)定時間的機械設(shè)備，要根據(jù)其設(shè)計圖紙，確定其機械結(jié)構(gòu)，然后按照拆卸原理進行拆卸。
5.設(shè)備的 ， 這是機械設(shè)備安裝的結(jié)尾工作，是保證機械設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn)最為重要的一個環(huán)節(jié)。
6.機械設(shè)備的調(diào)試，機械設(shè)備安裝后要進行調(diào)試，以確保機械設(shè)備的正常工作。進行機械設(shè)備調(diào)試的原則為從局部到整體，先進行部件調(diào)試，然后進行整體調(diào)試。
（三）煤礦生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)及模擬化設(shè)計
在煤礦生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)及模擬話設(shè)計中，我們要結(jié)合煤礦目前的實際情況對其進行考慮，因為，煤礦作業(yè)需在較為惡劣條件下進行，同時也需要高投資以及高科技的支持，因此，在設(shè)計研發(fā)的時候所需要的時間比較長，而且，如果單純使用老套的設(shè)計方式，不單會增加大量的投入經(jīng)費，還會使研發(fā)周期擴至更久，這樣就無法實現(xiàn)與市場要求的同步性。因此，在進行網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計的時候，我們可以將研發(fā)、仿真、模擬等集于一身，對其進行設(shè)計，這種思想很有可能會對我國邁向全球化發(fā)展的軌道起著重要的作用，所以，對于動態(tài)模擬模擬設(shè)計必須要加強研究。煤礦生產(chǎn)的惡劣條件會對機械設(shè)備造成極大影響，所以，相關(guān)設(shè)計人員必須全面考慮實際生產(chǎn)發(fā)生的種種問題，爭取在損耗與生產(chǎn)之間找到一個平衡點。
結(jié)束語
綜上所述，煤礦技術(shù)中機械裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對提高設(shè)備的使用年限以及設(shè)備的運行安全都是十分重要的。因此，在機械設(shè)備優(yōu)化設(shè)計時，要針對機械設(shè)備結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的問題進行合理的改正與設(shè)計，從而保證機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的有效性，提高整個機械的運行能力。
參考文獻
[1]任彬. 精密塑料注射成型裝備產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及平臺構(gòu)建[D].浙江大學(xué)，2010.
[2]吳昭雄. 農(nóng)業(yè)機械化投資行為與效益研究[D].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.
中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0034-03
網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計是一種先進的聯(lián)合設(shè)計手段，可以將不同的設(shè)計主體（專業(yè)技術(shù)人員）通過共享的網(wǎng)絡(luò)平系起來，設(shè)計人員之間可以使用功能各異（異構(gòu)）的工具設(shè)計遠程協(xié)作，在這個共享平臺中階段性優(yōu)化已有方案、模塊化分析、并行修改，以遠超出非協(xié)同條件下設(shè)計的效率和質(zhì)量完成產(chǎn)品設(shè)計。其使用到的工具可以包括且不僅限于SolidWorks、PRT（Pro/E）、PRT（UG）、DWG、CATIA等，同時在產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計階段也會用到各種計算軟件工具如MATLAB等，在使用中可采用兩種方式實現(xiàn)產(chǎn)品的協(xié)同化設(shè)計，其一是采用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，該方式是實現(xiàn)異構(gòu)平臺條件下同一產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成與共享的主要方式。其所采用的主要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化手段包括利用XML技術(shù)、IGES標準以及STEP標準。XML（即系統(tǒng)基于可擴展標記語言）技術(shù)，IGES標準（即利用圖形數(shù)據(jù)交換標準）和STEP標準（即產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準），使用商業(yè)化或編制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的幾何特征提取和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。其二是對三維建模軟件進行二次開發(fā)，在工作端嵌入相應(yīng)開發(fā)模塊，以實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計節(jié)點所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的三維建模，基于Web的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計原型系統(tǒng)原理見圖1。
1 產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計
1.1 產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計概述
產(chǎn)品設(shè)計包括多種設(shè)計項目內(nèi)容，譬如確定產(chǎn)品規(guī)格、技術(shù)規(guī)范、性能解析、采取多種計算手段分析建模，初步制定制造計劃和概算等。通常狀況下，這階段工作必須通過設(shè)計方案、確認架構(gòu)、設(shè)計優(yōu)化、仿真和樣機測試性能、效果等過程對方案的可行性、有效性進行最終檢驗。此階段工作涉及諸多不同類型資源，譬如產(chǎn)品市場情況和開發(fā)此產(chǎn)品相關(guān)的理論，譬如文本闡述、圖表圖形、城市、數(shù)據(jù)庫、仿真設(shè)計（數(shù)字化）、物理及樣機模型實驗和實驗實施所需諸多設(shè)施、裝置等[1]，不過上述資源多數(shù)散布于多處。
利用遠程MATLAB優(yōu)化分析系統(tǒng)與CAD軟件融合利用，不僅加速系統(tǒng)研發(fā)工作，使得系統(tǒng)更為可靠，并且非常有益于產(chǎn)品設(shè)計階段中MATLAB優(yōu)化解析方法的推廣利用。在特殊條件下，運用MATLAB優(yōu)化分析方法遠程優(yōu)化設(shè)計方案的前提要件是確定模型參數(shù)，通過增加產(chǎn)品性能、模型設(shè)計和優(yōu)化的多個參數(shù)，輔助改進設(shè)計，必然有益于系統(tǒng)功能的擴展，還能夠擴大系統(tǒng)運用范疇。此外，把散布的分析和優(yōu)化工作所需資源有效歸集，對于持有此資源的主體來說，能夠提升利用此資源的整體效率，提高利潤水平，另外利用此資源主體所需費用較少，因此整個研發(fā)設(shè)計過程中所耗成本也更低，產(chǎn)品在市場上自然具備更強競爭力。
1.2 產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計過程
產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計過程可以簡單描述如下。
（1）方案設(shè)計。此階段工作主要包含下述兩個內(nèi)容：第一，企業(yè)根據(jù)顧客要求設(shè)計完產(chǎn)品；第二，企業(yè)能夠依據(jù)市調(diào)結(jié)果，自主研發(fā)推出新產(chǎn)品。兩種產(chǎn)品設(shè)計方案均需交換許多不同類型數(shù)據(jù)和資料，最終必然能夠確定最優(yōu)設(shè)計方案。
（2）參數(shù)優(yōu)化分析。為確保研發(fā)產(chǎn)品性能可靠，滿足設(shè)計需要，運用MATLAB優(yōu)化研究軟件優(yōu)化產(chǎn)品，令其更為可靠。
（3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計人員根據(jù)已經(jīng)優(yōu)化確定的產(chǎn)品方案，運用CAD程序完成建模，并協(xié)同完成裝配過程。
（4）樣機實驗。在車間內(nèi)產(chǎn)出樣機，對踴進行性能測試，研究驗證產(chǎn)品性能，保證性能滿足設(shè)計要求。
2 優(yōu)化設(shè)計方法分析
許多機械產(chǎn)品設(shè)計中需要進行優(yōu)化，優(yōu)化過程可分為3個部分：合成和分析、評價以及更改參數(shù)3個部分組成。其中，合成和分析部分的功能主要是建立產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)和設(shè)計性能以及設(shè)計要求之間的關(guān)系，這是對設(shè)計產(chǎn)品進行建立數(shù)學(xué)模型的處理。產(chǎn)品的性能和設(shè)計要求的分析，相當(dāng)于評估目標函數(shù)是否改善或達到最佳，即測試數(shù)學(xué)模型中的約束每一條都滿足。選擇參數(shù)部分是利用不同優(yōu)化方法，使該目標函數(shù)（數(shù)學(xué)模型）求解，并根據(jù)該優(yōu)化方法來求得最佳設(shè)計參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計的前提是選擇最優(yōu)的設(shè)計方法。而哪一種方法最優(yōu)，主要根據(jù)具體設(shè)計優(yōu)化的問題情況、特點和具體設(shè)計來定。通常來講，可以有下述幾點評價方案。
（1）可靠性。（2）精度。（3）效率。（4）通用性。（5）穩(wěn)定。（6）全局收斂方法。（7）初始條件靈敏度。（8）多變量靈敏度。（9）約束靈敏度。
3 齒輪傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計案例
機械層面的設(shè)計優(yōu)化視為協(xié)同設(shè)計工作平臺內(nèi)節(jié)點之一，通過傳送輸入/出文件，可以在異地完成計算并運用結(jié)果，下面以齒輪減速器為案例說明基于Web的協(xié)同設(shè)計下的優(yōu)化設(shè)計過程，案例中所選擇的優(yōu)化算法為遺傳算法（Genetic Algorithm，簡稱GA）。這是一個模擬達爾文生物遺傳進化選擇歷程檢索獲取最優(yōu)結(jié)果的方法[2]。在機械層面的設(shè)計優(yōu)化問題中，運用這一方法，能夠有效避免產(chǎn)生局部最優(yōu)解，最終獲得對整個系統(tǒng)方案都最優(yōu)的更好解。該研究運用遺傳算法用作齒輪優(yōu)化方法，再結(jié)合Matlab遺傳工具箱完成優(yōu)化，不僅簡單而且高效。
優(yōu)化分析系統(tǒng)一般能夠劃分成處置數(shù)據(jù)、設(shè)計優(yōu)化、輸入/輸出、造型產(chǎn)出4個主體模塊。其中第一個模塊的主要任務(wù)是：完成齒輪設(shè)計過程線圖、處置數(shù)據(jù)，根據(jù)各種條件、狀況，能夠靈活選擇查表、插值、擬合曲線、數(shù)據(jù)庫和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射等多種手段完成工作。其中第二個模塊主要應(yīng)用Matlab語言，根據(jù)從第三個模塊獲取的轉(zhuǎn)速、傳遞功率、負載性質(zhì)以及傳動比等數(shù)個已經(jīng)確定的參數(shù)數(shù)據(jù)，運用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法兩大工具箱，優(yōu)化齒輪設(shè)計[3]。其中第三個模塊主要負責(zé)：運用完成VB、Matlab、 SolidWorks API多個軟件中數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)改用。其中第四個模塊的主要任務(wù)是，依據(jù)前一模塊產(chǎn)出結(jié)果，在優(yōu)化設(shè)計的協(xié)同工作端自動完成齒輪的三維參數(shù)化造型。
3.1 建立數(shù)學(xué)模型
選擇目標函數(shù)為齒輪減速器體積最小，同時，在選擇齒輪強度的影響參數(shù)時使用以下4個參數(shù)，分別是法向模數(shù)mn、小齒輪齒數(shù)z1、齒寬系數(shù)φd以及螺旋角β，以上4個參數(shù)為設(shè)計變量建立數(shù)學(xué)模型。
（1）設(shè)計變量。
（2）目標函數(shù)。
（3）約束條件。
①模數(shù)約束：1.5≤χ1≤20。
②根切約束：g1≤0。
③齒寬系數(shù)約束條件：0.2≤χ4≤1.2。
④螺旋角約束：8≤c3≤25。
⑤齒面接觸應(yīng)力約束：g2≤0。
⑥齒根彎曲應(yīng)力約束：g3≤0，g4≤0。
其中：
斜齒齒輪接觸疲勞應(yīng)力為：。
斜齒齒輪彎曲疲勞應(yīng)力為：。
3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射程序的實現(xiàn)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP（Back Propagation），是目前在多學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用范圍最為普及和成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其組成經(jīng)過主要包含信息正向傳播與誤差的反向傳播兩個過程。BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模式識別、函數(shù)逼近和數(shù)據(jù)壓縮方面都顯示出較強的映射能力[4]。下面是齒形系數(shù)YFa計算關(guān)系映射的實現(xiàn)步驟（使用Matlab7.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，共4步）。
第一步，讀入訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)。
第二步，初始化網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)newff實現(xiàn)。
第三步，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。利用訓(xùn)練函數(shù)train實現(xiàn)。
。
第四步，函數(shù)逼近。
利用上步訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)代替原有的
函數(shù)關(guān)系，計算任意齒數(shù)zv0時的齒形系數(shù)YFa0，通過sim函數(shù)實現(xiàn)。
對比樣本數(shù)據(jù)和映射之后產(chǎn)出數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)變差的最高值為0.006，證明此人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識精度達到很高水平，滿足要求。
3.3 遺傳算法程序?qū)崿F(xiàn)
該文運用遺傳算法來計算優(yōu)化齒輪設(shè)計，結(jié)合運用Matlab軟件中的遺傳工具箱完成優(yōu)化，整個過程不僅簡單而且高效，其中遺傳算法優(yōu)化步驟如下。
（1）將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成如下適用于Matlab的形式。
①設(shè)計變量。
②目標函數(shù)。
③約束條件。
（2）建立目標函數(shù)的m文件FitnessFcn.m文件內(nèi)容如下。
（3）建立非線性約束的m文件nonlconfun.m；文件內(nèi)容如下。
（4）把線性約束所對應(yīng)的向量與系數(shù)矩陣賦予下述變量A、b、Aeq、beq，將邊界（上/下）值分別賦予下述變量LB、UB。
（5）調(diào)用。
3.4 VB與Matlab混合編程
VB、Matlab結(jié)合完成編程過程中，還能夠運用動態(tài)DLL鏈接庫、DDE數(shù)據(jù)和ActiveX自動化3種技術(shù)手段，具體詳見文獻[4]。該研究運用ActiveX技術(shù)，利用VB編程時調(diào)取Matlab優(yōu)化齒輪設(shè)計程序的部分代碼如下：
當(dāng)齒輪優(yōu)化分析計算完畢，齒輪優(yōu)化分析結(jié)果上傳并存儲到數(shù)據(jù)庫中，但此時非優(yōu)化設(shè)計客戶端用戶只能瀏覽及下d計算數(shù)據(jù)文本，如果客戶端沒有安裝二次開發(fā)模塊，仍然無法對數(shù)據(jù)進行建模處理，所以在優(yōu)化設(shè)計工作端需要對軟件進行二次開發(fā)，以SolidWorks軟件為例，可以運用ActiveX技術(shù)和API函數(shù)，結(jié)合VB語言二次開發(fā)SolidWorks，運用優(yōu)化所得結(jié)果實現(xiàn)齒輪的三維參數(shù)化造型在所開發(fā)的VB程序內(nèi)增加下述代碼，將完成的程序編輯產(chǎn)出*.dll文件，在SolidWorks中打開，在菜單欄中就能夠加入“齒輪”“斜齒圓柱齒輪”菜單和下拉菜單選項。
…
4 結(jié)語
該文探討了基于Web的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計框架下，產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計部分作為協(xié)同設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分（工作端）的優(yōu)化過程，并以齒輪優(yōu)化分析作為具體案例進行分析，文中融合了編程開發(fā)軟件：VB、Matlab，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法（人工智能領(lǐng)域），成功完成了存在離散（或連續(xù)）設(shè)計變量時，設(shè)計的優(yōu)化，使得優(yōu)化齒輪設(shè)計工作效率得到提升，繼而實現(xiàn)了整體設(shè)計協(xié)同作業(yè)效率的提升，并獲得了最佳方案。下一步可考慮在諸個工作端進行有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換最終將此優(yōu)化實現(xiàn)和三維參數(shù)化造型結(jié)合融于一體，在諸個工作端所用CAD/CAM軟件條件下，也能夠完成有限元分析并產(chǎn)出NC代碼，有效提升設(shè)計齒輪工作效率和品質(zhì)，加快系統(tǒng)制造速度。
參考文獻
[1] 周偉.基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換及管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場產(chǎn)品競爭也越來越激烈，產(chǎn)品品種的換代速度加快，產(chǎn)品的復(fù)雜性在不斷增加。所以產(chǎn)品生產(chǎn)正在以小批量、多品種的生產(chǎn)方式取代過去的單一品種大批量生產(chǎn)方式[1]。而這種生產(chǎn)方式，肯定會縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，產(chǎn)品的成本也會降低，產(chǎn)品提高市場的占有率和競爭力也會提高。所以在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用優(yōu)化設(shè)計是滿足市場競爭的需要。
1 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法
目前，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域，很多的機械產(chǎn)品在設(shè)計中都會采用優(yōu)化設(shè)計，才用優(yōu)化設(shè)計能解決結(jié)構(gòu)重量擴展到降低應(yīng)力水平，還還能改進結(jié)構(gòu)性能以及提高產(chǎn)品安全壽命等問題。
對機械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用方法有：用遺傳算法對空間桿桁架的桿截面進行尺寸優(yōu)化，從而得到空間桁架較好的結(jié)構(gòu)。對一些結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設(shè)計方法有：用數(shù)值解法計算機械產(chǎn)品的形狀優(yōu)化，并采用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法進行形狀優(yōu)化設(shè)計。下面介紹下在振動機械優(yōu)化設(shè)計中的對比分析 ：
筋板在連接結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁，能提高其抗彎和抗扭剛度；對開式截面的結(jié)構(gòu)，作用很明顯；而對閉式結(jié)構(gòu)作用影響不大。筋板作為壁板加強時，剛度作用增強，能抵抗局部變形。
無論采用何種優(yōu)化方法，在迭代過程中求解目標函數(shù)和約束函數(shù)的值是必不可少的，在一些方法中，需要求解目標函數(shù)和約束函數(shù)的1階甚至2階偏導(dǎo)數(shù)。這些約束函數(shù)往往是結(jié)構(gòu)的性能要求，如結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、頻率、穩(wěn)定性、可靠性等，這些性能經(jīng)常是設(shè)計變量的高階非線性函數(shù)。如果采用經(jīng)典的力學(xué)公式能獲得滿足工程要求的結(jié)果，則在優(yōu)化過程中，不斷調(diào)用這些公式計算當(dāng)前函數(shù)值或?qū)?shù)值，就可以完成優(yōu)化迭代。在這樣的方法中，由于函數(shù)最終表達為顯式，因而計算所化的時間和存儲量以當(dāng)前的計算機技術(shù)看來是不難做到的。但是，對于復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)來說，采用力學(xué)公式求解往往就不能勝任了。在有限元等數(shù)值方法快速發(fā)展的今天，自然被用在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的分析中。由于這些數(shù)值方法應(yīng)用廣泛，可以求解結(jié)構(gòu)的各類問題，包括靜力、動力、彈塑性、熱傳導(dǎo)等，因此，隨著計算機的軟件和硬件技術(shù)快速發(fā)展，在過去經(jīng)常被視作瓶頸的計算速度和存儲量，對于一般的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)不是太大的問題時，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中越來越多地采用數(shù)學(xué)規(guī)劃+數(shù)值計算的模式。這種模式最大的優(yōu)點是適應(yīng)性好，使用方便，適合各類機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，包括大型桿系結(jié)構(gòu)、三維連續(xù)體和板殼結(jié)構(gòu)以及各種載荷和約束條件下的優(yōu)化設(shè)計。但是，隨著優(yōu)化迭代次數(shù)的增加，重分析次數(shù)也大幅度上升，尤其對于大規(guī)模的結(jié)構(gòu)問題，特別是涉及動力、可靠性問題，如果單次有限元分析的時間就很長，再加上求偏導(dǎo)數(shù)時的重分析時間將可能使求解變得過于耗時，以致不可行。
2 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用趨勢
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計隨著最優(yōu)化方法的不斷發(fā)展和改善， 已逐漸得以發(fā)展。近些年來， 在結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)算法的方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計偏向于采用接近實際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型來模擬一些大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 由于設(shè)計的變量數(shù)目比較大，所以研究新的準則優(yōu)化方法非常受到重視，但是如何去針對一些特殊的結(jié)構(gòu)才設(shè)計相應(yīng)的公式，解決在數(shù)值計算與推導(dǎo)實現(xiàn)的相關(guān)問題，同時還可以使用一些機械系統(tǒng)的分解與優(yōu)化方法， 在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，可以按優(yōu)化多級分解或進行子結(jié)構(gòu)分解，對于一些多學(xué)科的較為復(fù)雜的系統(tǒng)可以采用學(xué)科分解優(yōu)化的方法。分解的算法關(guān)鍵在于如何去建立各個子問題之間的耦合關(guān)系，比如可以通過采用線性分解和使用最優(yōu)解對參數(shù)的靈敏度等方法來建立起耦合關(guān)系，讓一些子問題的解相容，從而確保迭代收斂，但是問題是怎樣保證一定能求解。并采用計算技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中去。像人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， 遺傳算法等方法， 在最近十余年來被機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展很快。它們對連續(xù)混合與離散變量的全局優(yōu)化， 這對發(fā)展結(jié)構(gòu)近似重分析的專家系統(tǒng)有重要的作用。現(xiàn)在的問題就是該如何去提高優(yōu)化精度、質(zhì)量、加快收斂， 增加方法的通用性[2]。形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化和材料優(yōu)化的集成在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中具有非常重要的價值，是并行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要組成部分，也是以后的研究重點。
拓撲優(yōu)化在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中是重要的參考依據(jù)， 讓復(fù)雜部件和結(jié)構(gòu)在概念設(shè)計階段即可理性地、靈活地優(yōu)選方案，并有可能解決一些大型實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。拓撲優(yōu)化在研究中所提出的均勻化等方法，可以將形狀優(yōu)化、布局優(yōu)化和材料選擇集成一體，為機械設(shè)計結(jié)構(gòu)、工藝和材料提供科學(xué)的手段。但是如果要處理一些龐大的優(yōu)化模型和有限元的計算量非常大，應(yīng)力需要約束處理、對“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失有可能會引起計算模型病態(tài)等問題。
機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在工程機械設(shè)計中的具有非常重要的實用價值，如要解決優(yōu)化設(shè)計中有限元模型的龐大性問題、多學(xué)科設(shè)計與解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題交叉問題。對于機械設(shè)備、結(jié)構(gòu)和機構(gòu)的健壯性與可靠性是機械設(shè)計時非常關(guān)心的問題， 綜合考慮健壯性、可靠性及成本的全性能優(yōu)化設(shè)計方法、理論及其應(yīng)用，則會給出更加接近實際的結(jié)果，應(yīng)當(dāng)應(yīng)予重視[3]。在研究這類問題中，對包括隨機性和模糊性的不確定因素也應(yīng)當(dāng)應(yīng)予注意。為增強優(yōu)化設(shè)計盡可能的為工程實際所服務(wù)， 進一步開展設(shè)計的實用性。所以開發(fā)和完善通用性的結(jié)構(gòu)化設(shè)計軟件已經(jīng)變得十分迫切。
從近幾年來國家自然科學(xué)基金所資助的項目來看，單就機械學(xué)科相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計的項目就有將近20項，其中包括廣義優(yōu)化設(shè)計，模糊優(yōu)化，全性能優(yōu)化設(shè)計，分解優(yōu)化設(shè)計，可靠性優(yōu)化，人機一體化設(shè)計與光機電一體化，有機械傳動系統(tǒng)性能優(yōu)化也有基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，復(fù)雜機電耦合設(shè)計理論與方法與系統(tǒng)解耦研究以及機電產(chǎn)品的綠色設(shè)計方法與理論等，在今年還提出的軋制件模具的現(xiàn)代設(shè)計方法， 面向產(chǎn)品的創(chuàng)新的概念設(shè)計等課題， 這些方面的研究充分反映出我國已經(jīng)非常重視機械設(shè)計的研究工作和機械機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展方向[4]。
參考文獻
[1] 張紅友.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計減少建筑投資成本[J].陜西建筑，2008（11）.
中圖分類號：F407 文獻標識碼： A
引言
機械制造業(yè)的不斷發(fā)展，隨之而來的是對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的不斷提高，因此，對于機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要在滿足機械設(shè)計原則的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，改變原來的設(shè)計方法，根據(jù)機械產(chǎn)品的功能充分發(fā)揮創(chuàng)造力，綜合運用先進的技術(shù)，借鑒優(yōu)秀的研究成果，在全新的設(shè)計理念和基本設(shè)計原則的指導(dǎo)下，創(chuàng)造出更具有價值的機械結(jié)構(gòu)。
1、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計概述
對于機械結(jié)構(gòu)而言，根據(jù)不同的設(shè)計方法生產(chǎn)出來的結(jié)構(gòu)也不盡相同，比如在材料、毛坯選擇上，應(yīng)當(dāng)根據(jù)材料價值和特性進行選擇，充分利用機械結(jié)構(gòu)材料自身的性能；同時，還要注意利用代用材料。如果只是制造毛坯，則制造難度就會明顯降低；切削加工過程中，選用切削加工費用低的方法；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要求結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)便于裝夾和定位，并且適用于標準刀具以及量具，適合標注尺寸等
2、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計原則
2.1應(yīng)當(dāng)滿足機械結(jié)構(gòu)的應(yīng)用要求
在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，機械結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)可以有效實現(xiàn)預(yù)定的指標；同時，還要確保設(shè)計出來的機械結(jié)構(gòu)可有效完成任務(wù)，滿足強度、剛度、精確度以及使用壽命的要求，同時還要確保該機械結(jié)構(gòu)在使用過程中的安全可靠性。
2.2應(yīng)當(dāng)有效滿足經(jīng)濟性要求
對于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，其經(jīng)濟性實際上是一個綜合性的指標，全面體現(xiàn)在設(shè)計、制造和應(yīng)用全過程。其中，設(shè)計與制造經(jīng)濟性，主要體現(xiàn)在設(shè)計、制造過程中的成本有效控制；應(yīng)用過程中的經(jīng)濟性，主要表現(xiàn)在高生產(chǎn)率、高效率等方面，同時還要求維護費用較低。這些都是設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮的問題。
2.3應(yīng)當(dāng)關(guān)注機械設(shè)備操作人員的安全
機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)注意技術(shù)安全問題，最大限度地去改善操作人員的勞動條件、強度；同時，還要注意機械結(jié)構(gòu)外形的美觀度，并能有效滿足特殊要求，比如機床在長期應(yīng)用中的精度、大型機械的運輸方便性等。
2.4與質(zhì)量技術(shù)指標相適應(yīng)
由于機械結(jié)構(gòu)是機器產(chǎn)品的基本組成要素，因此對結(jié)構(gòu)質(zhì)量的要求十分嚴格，但質(zhì)量技術(shù)指標越高，用在結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造上的成本和時間也越多，當(dāng)質(zhì)量技術(shù)指標達到要求時，再添加其它的要求勢必會導(dǎo)致工時和成本急劇增加，生產(chǎn)效率明顯下降。在這樣的條件下，生產(chǎn)出來的結(jié)構(gòu)將無法實現(xiàn)最理想的經(jīng)濟效益。因此，在對機械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)工藝性必須在滿足使用條件的前提下與質(zhì)量技術(shù)指標相適應(yīng)，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)最高的實用性和最大的經(jīng)濟效益。
3、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
3.1理論設(shè)計
理論設(shè)計主要以人們已掌握的合乎規(guī)律的理論和實踐知識為基礎(chǔ)，結(jié)合理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械原理、金屬學(xué)等理論知識進行機械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)結(jié)構(gòu)的整體載荷情況，運用理論計算公式確定結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。結(jié)構(gòu)的尺寸計算必須滿足載荷情況、材料性能、結(jié)構(gòu)工作情況和應(yīng)力分布規(guī)律等方面的條件。運用計算公式初步確定機械結(jié)構(gòu)的尺寸及形狀后，再利用校核計算對結(jié)構(gòu)危險剖面的安全系數(shù)計算值進行校核。這個過程多用于應(yīng)力分布規(guī)律復(fù)雜，但又能用材料力學(xué)公式表示出來的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時也適用于應(yīng)力分布規(guī)律簡單但必須已知結(jié)構(gòu)尺寸的情況，如軸和彈簧的設(shè)計。在進行機械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一些具有足夠?qū)嵺`經(jīng)驗的設(shè)計工作者也常為了簡化計算過程，在粗略的估算和相關(guān)資料的基礎(chǔ)上直接進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后采用校核計算。理論設(shè)計的基礎(chǔ)是熟知機械結(jié)構(gòu)的材料性能和應(yīng)力分布規(guī)律，是經(jīng)過大量感性知識而總結(jié)出來的設(shè)計規(guī)律，因此是一種具有一定科學(xué)性和先進性的設(shè)計方法，值得廣泛采用。但是任何一種理論都存在不完善的地方，所以不應(yīng)把理論設(shè)計當(dāng)作完美的機械結(jié)構(gòu)機構(gòu)設(shè)計方法。
3.2模型實驗設(shè)計
模型實驗設(shè)計主要針對一些尚無法運用理論知識進行詳細分析的大型的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有一定重要性的機械結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。具體來說，就是對結(jié)構(gòu)作出初步設(shè)計，形成模型，對模型進行反復(fù)試驗，再根據(jù)實驗結(jié)果加以修改。這種設(shè)計方法同樣也是對理論不足的一種彌補，同時也有效地避免了經(jīng)驗設(shè)計中缺乏科學(xué)性的成分。模型實驗設(shè)計決定了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的工作應(yīng)力分布情況和結(jié)構(gòu)的極限承受能力，是將經(jīng)驗設(shè)計轉(zhuǎn)化為理論設(shè)計的途徑之一。
3.3經(jīng)驗設(shè)計法
即實際設(shè)計過程中，根據(jù)某類機械結(jié)構(gòu)現(xiàn)有設(shè)計、應(yīng)用經(jīng)驗，總結(jié)出經(jīng)驗公式，根據(jù)設(shè)計人員自身的設(shè)計經(jīng)驗，選一類比法進行設(shè)計。雖然該種方法沒有較為詳盡的理論科學(xué)分析依據(jù)，但也具有科學(xué)統(tǒng)計性特點，因此應(yīng)用價值也比較大。實踐中可以看到，因該種方法是基于通過實踐總結(jié)出來的經(jīng)驗，所以它經(jīng)得起實踐檢驗。比如，機架以及變速箱設(shè)計過程中，經(jīng)驗設(shè)計法便可在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上加以應(yīng)用和實現(xiàn)，實際上它是理論設(shè)計的初級方法。
4、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展展望
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計隨著最優(yōu)化方法的不斷發(fā)展和改善，已逐漸得以發(fā)展。近些年來，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計趨向于采用接近實際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型模擬大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，由于設(shè)計變量數(shù)目大，研究新的有效的準則優(yōu)化方法受到重視，但仍有如何去解決針對各種特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題建立相應(yīng)的公式，解決解析推導(dǎo)和數(shù)值計算的實現(xiàn)問題；再是使用大型系統(tǒng)的分解優(yōu)化方法，對于大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以按子結(jié)構(gòu)分解或者進行多級分解優(yōu)化，對于多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)可以按學(xué)科分解優(yōu)化。分解算法的關(guān)鍵在于建立各個子問題之間的稿合關(guān)系，比如通過使用最優(yōu)解對參數(shù)的靈敏度和采用線性分解等法建立起稿合關(guān)系，使得子問題的解相容，從而保證迭代收斂，問題是如何保證一定能求解。并行計算技術(shù)引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一個較新的方向。像遺傳算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，在近十年來被引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計并發(fā)展很快。它們對離散與連續(xù)混合變量的全局優(yōu)化，對發(fā)展結(jié)構(gòu)近似重分析的專家系統(tǒng)有其獨到之處。現(xiàn)在的問題是怎樣提高優(yōu)化質(zhì)量、精度、加快收斂，增加方法的通用性。
拓撲優(yōu)化、材料優(yōu)化和形狀優(yōu)化的集成在機械結(jié)構(gòu)和部件設(shè)計中具有重要的實用價值，是近年來出現(xiàn)的并行設(shè)計的重要組成部分，仍將是下一步研究工作的重點。拓撲優(yōu)化能夠為結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)和部件在概念設(shè)計階段即可靈活地、理性地優(yōu)選方案，有望用于大型實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計求解。但是要處理龐大的有限元和優(yōu)化模型計算量增大，應(yīng)力約束處理、對“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失可能會對計算模型造成病態(tài)等問題。
從近幾年來國家自然科學(xué)基金所資助的內(nèi)容來看，單就機械學(xué)科涉及優(yōu)化設(shè)計的項目就有近20項，有廣義優(yōu)化設(shè)計，全性能優(yōu)化設(shè)計，模糊優(yōu)化，可靠性優(yōu)化，分解優(yōu)化設(shè)計，光機電一體化與人機一體化設(shè)計，有基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究及機械傳動系統(tǒng)性能優(yōu)化，復(fù)雜機電系統(tǒng)解稿與稿合設(shè)計理論與方法研究，機電產(chǎn)品的綠色設(shè)計理論與方法等，以及今年提出的面向產(chǎn)品的創(chuàng)新的概念設(shè)計，軋制件模具的現(xiàn)代設(shè)計方法等課題，反映我國已經(jīng)注意追蹤或跨入世界領(lǐng)先領(lǐng)域的研究工作。另外，優(yōu)化新方法的研究，形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化，多學(xué)科優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化建模，可靠性問題，結(jié)構(gòu)重分析與靈敏度分析，遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，人工智能，大規(guī)模問題求解，因特網(wǎng)應(yīng)用等都是繼續(xù)深入研究的熱門課題。
結(jié)束語
機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是提高產(chǎn)品性能、節(jié)約生產(chǎn)成本的有效方法。其直接關(guān)系著整個機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，因此在機械結(jié)構(gòu)機構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)加強思想重視和設(shè)計思路創(chuàng)新，只有這樣才能確保設(shè)計質(zhì)量。
參考文獻
現(xiàn)有工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)常見的問題
現(xiàn)有的工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備由于不具有通用性,因此經(jīng)常出現(xiàn)各種問題,導(dǎo)致工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的功能得不到良好的發(fā)揮,效率得不到提升。因此有必要認識到目前監(jiān)測系統(tǒng)存在的各種問題,然后采取針對性的措施加以解決,目前工程機械監(jiān)測系統(tǒng)及設(shè)備存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面。系統(tǒng)監(jiān)測項目不夠齊全由于應(yīng)用到工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的各種配件不夠齊全,型號不一,類型不同,因此各種測量型的儀表組合并不能完全滿足工程機械的監(jiān)測要求,從而造成對工程機械的一體化監(jiān)測無法發(fā)揮擁有的功能,存在諸多問題,其中一個突出表現(xiàn)就是監(jiān)測的項目不齊全。工程機械一體化監(jiān)測項目涉及的范圍和領(lǐng)域非常豐富,常見的監(jiān)測項目包含了電流、氣壓、電流、氣壓、油壓、油溫、水溫、轉(zhuǎn)速等,而對于這些項目僅僅依靠一個設(shè)備或者不同類型的設(shè)備組合是不行的,因此在系統(tǒng)監(jiān)測項目不夠齊全,直接影響了工程機械一體化監(jiān)測的效果和質(zhì)量,例如關(guān)于電壓的監(jiān)測設(shè)備就一般具有對油壓的監(jiān)測功能,無法計算相應(yīng)的流量和工作時間數(shù)等。監(jiān)測設(shè)備質(zhì)量不過關(guān),無法實現(xiàn)系統(tǒng)的正?；鄶?shù)用于工程機械一體化監(jiān)測的設(shè)備在質(zhì)量上由于無法匹配工程機械的性能和操作系統(tǒng),因此其監(jiān)測的儀表過多而且比較復(fù)雜,其面板的布置也相當(dāng)不方便。現(xiàn)有的監(jiān)測儀表大多是很多廠家外購的產(chǎn)品,其種類型號都是不同的,因此用于工程機械一體化監(jiān)測的儀表種類繁多,質(zhì)量上無法完全達到工程機械一體化工作的要求,而且由于大小,樣式存在差異,導(dǎo)致工程機械一體化的儀盤表看起來十分混亂,不容易觀察和監(jiān)測到數(shù)據(jù),直接影響到了工程機械系統(tǒng)運行的正?；?影響工程機械一體化的工作效率和質(zhì)量。工程機械一體化監(jiān)測設(shè)備容易損壞而出現(xiàn)故障在工程機械一體化監(jiān)測設(shè)備運行過程中,由于種類、型號繁多,生產(chǎn)廠家不同導(dǎo)致其在工作中無法正常運行。再加上在運行中,如果工程機械的操作使用人員對于某個型號的設(shè)備的工作原理不能理解,或者理解不透,都會帶來種種問題。此外受到生產(chǎn)廠家技術(shù)水平的影響,監(jiān)測設(shè)備由于工作環(huán)境不合理,不恰當(dāng),導(dǎo)致這些設(shè)備容易損壞和失效。如果工程機械在使用與操作過程中,一些監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備不能經(jīng)常性的使用,就會導(dǎo)致這些設(shè)備在工程機械操作過程中失去作用,而操作人員只能在工程機械監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下,完全依靠自身的經(jīng)驗去判斷和操作,直接影響了工程機械的使用效率和質(zhì)量。2.4工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜不容易操作對于工程機械一體化的監(jiān)測來說,提高其系統(tǒng)的操作性將是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前很多機械上的監(jiān)測系統(tǒng)都是安裝比較復(fù)雜的設(shè)備,在信息的傳遞上效率不高,傳遞所使用的方式也比較落后。例如有些監(jiān)測設(shè)備的信息傳遞主要依靠管路傳遞,這些管路的使用不但增強了監(jiān)測系統(tǒng)難度而且對于安全性以及信息傳遞的可靠性也造成影響。因此優(yōu)化工程機械一體化的監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。
工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容
中央處理器可采用目前比較成熟的單片機處理種功能的軟、硬件技術(shù)。以日本東芝公司生產(chǎn)的單片機TMP87CH46N/47U為例,其ROM為16kB,RAM為512kB,有8個8位A/D轉(zhuǎn)換器,2個8位計時器和2個16位計時器等,且具有功能強大的指令系統(tǒng),其RAM可實時采集并存貯機械在一定時間內(nèi)的測量參數(shù),需要時可通過處理器的輸出接口輸入到計算機內(nèi)進行處理。顯示裝置可采用目前較為流行的彩色圖文液晶顯示屏,由于采用全固體器件,工作可靠,便于適應(yīng)工程機械的使用要求。目前常見的此種顯示屏可具有內(nèi)置國標漢字庫、串行通訊速率20k/s、指令代碼編程、16種顏色、單一電源供電等功能,而且可以以模擬與數(shù)字共同顯示方式顯示所測數(shù)據(jù),即直觀,又準確,完全可以適應(yīng)工程機械監(jiān)測的顯示之用?？刂蒲b置可隨時控制顯示模式,選定顯示參數(shù),各測量參數(shù)即可固定顯示,也可按控制裝置的設(shè)定自動輪流顯示。系統(tǒng)開始工作后,各個傳感器直接將收集的信號進行轉(zhuǎn)換然后發(fā)送至處理器,處理器通過專家系統(tǒng)來進行數(shù)據(jù)分析并進行判斷,如果經(jīng)過分析判斷系統(tǒng)為正常狀態(tài),那么則繼續(xù)監(jiān)測工作,如果判斷系統(tǒng)為異常,則開始報警。然后系統(tǒng)會自行開始對出現(xiàn)的故障和問題進行診斷,以發(fā)現(xiàn)其故障原因,并提示出可以采取的維修方式和方法。如果通過診斷發(fā)現(xiàn)不了原因,則需要將發(fā)生故障時的各種技術(shù)參數(shù)記錄下來,然后借助專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫將這些故障記錄下來,從而形成知識庫。系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件利用中央處理器自身的控制指令,用匯編語言編寫,通過編程器輸入CPU,機械啟動后,該系統(tǒng)自動加電啟動,經(jīng)對各端口及寄存器進行初始化后,開始接收各傳感器傳來的數(shù)據(jù),并對各數(shù)據(jù)進行處理,經(jīng)端口檢驗,將接收到的數(shù)據(jù)與該端口測量參數(shù)的故障極限數(shù)據(jù)進行比較,若超出正常數(shù)據(jù)值,則經(jīng)聲光方式給予報警,若所測數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi),則不予報警,并將數(shù)據(jù)存入RAM,然后將數(shù)據(jù)送入顯示模塊進行顯示。為有效利用該系統(tǒng)的功能,各測量數(shù)據(jù)由軟件設(shè)計自動存入其RAM內(nèi),需要時可通過系統(tǒng)的輸出接口輸入到外部計算機內(nèi),在計算機上對數(shù)據(jù)進行詳細分析,以進一步了解其工作狀況及故障發(fā)生時的情況。從以上分析來看,關(guān)于工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計應(yīng)該根據(jù)工程機械自身的特點來進行,系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計的一個基本目標是要注重監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性有穩(wěn)定性,要在注重經(jīng)濟性的同時,采取一些相對簡單而又能應(yīng)付惡劣工作環(huán)境的設(shè)備,從而提高監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能。
加強工程機械一體化的監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,已經(jīng)成為改善工程機械一體化作業(yè)精確度和效率的重要途徑。針對目前監(jiān)測設(shè)備容易出現(xiàn)各種問題的實際情況,本文對于工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化,可以在某種程度上解決當(dāng)前工程機械一體化操作帶來的問題,從而提高工程機械一體化運行的效率和質(zhì)量?？傊?隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,尤其是計算機技術(shù)的發(fā)展,將微電子控制技術(shù)作為核心的機電一體化監(jiān)測技術(shù)必將在工程機械使用以及操作、改造中發(fā)揮重要的作用,極大推動工程機械自身性能的改進和技術(shù)的創(chuàng)新,這對于推動工程機械技術(shù)的發(fā)展,提高工程機械的使用效率,將產(chǎn)生重要的影響和價值。相信未來機電一體化技術(shù)在工程機械應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍將會更加的廣泛和深入,因此工程機械一體化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計作為一個理論與實踐相結(jié)合的研究課題具有深遠的意義。
中圖分類號：C35文獻標識碼： A
一、機械結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用概況
在機械結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計理論中，其根本思想是按照產(chǎn)品功能的要求來對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，或者根據(jù)機械結(jié)構(gòu)需要改進的部分進行動力學(xué)建模，并做動態(tài)性分析，然后根據(jù)產(chǎn)品在動態(tài)性上的要求或預(yù)定的動態(tài)設(shè)計目標，進行結(jié)構(gòu)的修改、再設(shè)計，以滿足機械結(jié)構(gòu)在動態(tài)性上的設(shè)計要求。
目前，機械結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)在我國的機械行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，其在汽車、航空航天、船舶行業(yè)、建筑機械等行業(yè)中均取得了重大的成果。在汽車行業(yè)中，隨著社會的發(fā)展和人們需求的更新，汽車行業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了客車車身輕量化的優(yōu)化設(shè)計、汽車車身形態(tài)仿生的優(yōu)化設(shè)計、汽車車身安全性的優(yōu)化設(shè)計以及面向行人下肢碰撞保護的優(yōu)化設(shè)計等目標。在航空航天行業(yè)，其作為國家科學(xué)技術(shù)綜合水平和實力的體現(xiàn)，機械結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計在航空航天行業(yè)得到了高度的重視，并應(yīng)用到航空航天技術(shù)中每一產(chǎn)品的設(shè)計上。在船舶行業(yè)，我國經(jīng)過自主創(chuàng)新研究，對潛艇外部液壓艙、油船剖面、潛艇結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化設(shè)計進行了研究，旨在提高船舶行業(yè)各研究對象的性能。與此同時，結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計在高速公路瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)、液壓縮管機模具、雙層組合套管、基床結(jié)構(gòu)等很多方面的優(yōu)化設(shè)計上也發(fā)揮著重要的作用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
二、優(yōu)化策略與流程
1.優(yōu)化策略結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計
根據(jù)設(shè)計變量的類型和求解難易程度，可分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化三個層次，每個層次對應(yīng)不同的設(shè)計階段。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計自動化，對產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計時：首先，根據(jù)產(chǎn)品功能要求建立優(yōu)化目標函數(shù)，將剛度、強度等約束條件參數(shù)化，利用拓撲優(yōu)化方法計算冗余材料所在單元（即要殺死的單元），并進行冗余材料邊界單元和節(jié)點的遍歷搜索，結(jié)合實際生產(chǎn)資源情況建立邊界關(guān)鍵點，對原模型進行參數(shù)化變形設(shè)計，得到拓撲優(yōu)化后的模型；然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性要求對其進行邊界形狀優(yōu)化和尺寸參數(shù)的優(yōu)化，并通過參數(shù)化驅(qū)動實現(xiàn)模型的更新，最終得到滿足剛、強度要求的CAD模型。
2.三級優(yōu)化流程
在參數(shù)優(yōu)化三級優(yōu)化設(shè)計過程中，拓撲優(yōu)化階段主要通過變密度法求解密度較小的單元，自動生成拓撲優(yōu)化后的概念模型。形狀優(yōu)化階段首先針對前期優(yōu)化結(jié)果模型進行微小單元的去除，充分利用曲線擬合技術(shù)構(gòu)建密度較小的冗余單元邊界關(guān)鍵點組成的輪廓，并根據(jù)零部件生產(chǎn)資源情況進行邊界形狀的修正，通過參數(shù)化變形設(shè)計技術(shù)對原模型進行布爾減操作，得到拓撲優(yōu)化后的CAD模型，將其導(dǎo)入CAE系統(tǒng)，然后通過形狀優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型尋找結(jié)構(gòu)的最佳邊界形狀或者內(nèi)部幾何形狀，以改善其力學(xué)特性。尺寸優(yōu)化階段根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況確定設(shè)計變量及其變化范圍，建立目標函數(shù)，然后通過遺傳算法迭代求解較優(yōu)的參數(shù)方案，從中選取最優(yōu)方案參數(shù)來驅(qū)動模型，生成優(yōu)化結(jié)果模型。方法流程如圖1所示。
三、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析
1.機械結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化
過去一般機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和設(shè)計，而對于機械零部件的拓撲結(jié)構(gòu)很少涉及。但是，隨著人們對機械產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新意識的提高，特別是機械產(chǎn)品概念設(shè)計的提出和應(yīng)用，人們對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提出了更高的要求――機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計。1985年，M.P.Bendsoe和N.Kikuchi將均勻化方法應(yīng)用于連續(xù)體的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，推動了連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化發(fā)展。同時，連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化已經(jīng)從平面問題擴展到板殼和三維連續(xù)體問題。另外，一些新的方法，如生物生長模擬法、密度法、泡泡法等，被提出并得到應(yīng)用。目前，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法也已被工業(yè)界所接受，例如Ford公司等正在加快研究步伐，推出了一些應(yīng)用的實例。機械結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化將把結(jié)構(gòu)優(yōu)化推到一個新的、更高的產(chǎn)品設(shè)計層次。
2.機械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化
在機械零部件中，連續(xù)體結(jié)構(gòu)非常多，形狀比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)分析存在一定的難度，而結(jié)構(gòu)形狀對機械零部件的性能影響很大。因此，機械零部件的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化可以大大提高其性能。20世紀80年代開始，機械行業(yè)開始興起結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的研究，Haftka、Ding和Hassani進行了綜述，國內(nèi)外出現(xiàn)了許多該方面的研究成果，伊莉、錢惠林、林橋等研究了壓力容器部分的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計；陳汝訓(xùn)、張東旭等研究了航空器部分零部件的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化；Schwarz研究了對應(yīng)于彈塑性結(jié)構(gòu)響應(yīng)的拓撲與形狀優(yōu)化；等等。靈敏度分析是結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的關(guān)鍵之一，程耿東和Haftka同時提出了半解析法，并被普遍采用。機械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化也是提高零部件機械性能的重要方法之一。
3.智能優(yōu)化算法和仿生優(yōu)化
算法優(yōu)化算法的研究一直是優(yōu)化設(shè)計的重要研究領(lǐng)域，特別是機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中一般零部件的結(jié)構(gòu)分析非常復(fù)雜，有限元分析需要很長的計算時間，優(yōu)化迭代次數(shù)很多。因此，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對優(yōu)化算法要求很高，主要要求優(yōu)化算法具有強收斂性、高可靠性、強穩(wěn)定性等，研究人員不斷地進行優(yōu)化算法的發(fā)展和改進。目前，數(shù)學(xué)規(guī)劃法中一些算法（如SQP等）比較適合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題的求解，優(yōu)化準則法也是一種有效的算法，國內(nèi)也開發(fā)了一些優(yōu)化設(shè)計軟件包，例如大連理工大學(xué)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序系統(tǒng)DDDU、華中科技大學(xué)（原華中理工大學(xué)）的優(yōu)化方法程序庫OPB―2等。由于現(xiàn)代學(xué)科之間的大量交叉，特別是人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、不確定數(shù)學(xué)、基因遺傳等理論和方法的引入，為優(yōu)化算法的發(fā)展提供了新的發(fā)展空間，例如遺傳算法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法、螞蟻算法、模擬退火法等等。這些新的算法已經(jīng)成功應(yīng)用于優(yōu)化問題的求解，用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的求解目前正處于研究階段。這些算法具有很好的特性，經(jīng)過研究人員的努力，一定能夠在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中得到推廣和應(yīng)用。
四、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展展望
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計隨著最優(yōu)化方法的不斷發(fā)展和改善，已逐漸得以發(fā)展。近些年來，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計趨向于采用接近實際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型模擬大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，由于設(shè)計變量數(shù)目大，研究新的有效的準則優(yōu)化方法受到重視，但仍有如何去解決針對各種特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題建立相應(yīng)的公式，解決解析推導(dǎo)和數(shù)值計算的實現(xiàn)問題；再是使用大型系統(tǒng)的分解優(yōu)化方法，對于大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以按子結(jié)構(gòu)分解或者進行多級分解優(yōu)化，對于多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)可以按學(xué)科分解優(yōu)化。分解算法的關(guān)鍵在于建立各個子問題之間的稿合關(guān)系，比如通過使用最優(yōu)解對參數(shù)的靈敏度和采用線性分解等法建立起稿合關(guān)系，使得子問題的解相容，從而保證迭代收斂，問題是如何保證一定能求解。并行計算技術(shù)引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一個較新的方向。像遺傳算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，在近十年來被引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計并發(fā)展很快。它們對離散與連續(xù)混合變量的全局優(yōu)化，對發(fā)展結(jié)構(gòu)近似重分析的專家系統(tǒng)有其獨到之處。現(xiàn)在的問題是怎樣提高優(yōu)化質(zhì)量、精度、加快收斂，增加方法的通用性。
拓撲優(yōu)化、材料優(yōu)化和形狀優(yōu)化的集成在機械結(jié)構(gòu)和部件設(shè)計中具有重要的實用價值，是近年來出現(xiàn)的并行設(shè)計的重要組成部分，仍將是下一步研究工作的重點。拓撲優(yōu)化能夠為結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)和部件在概念設(shè)計階段即可靈活地、理性地優(yōu)選方案，有望用于大型實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計求解。但是要處理龐大的有限元和優(yōu)化模型計算量增大，應(yīng)力約束處理、對“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失可能會對計算模型造成病態(tài)等問題。動態(tài)特性優(yōu)化是機械系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用研究的一個重要方向f}P-zo。特征向量、動力響應(yīng)量的靈敏度分析、高度密集頻率的動力學(xué)問題的分析和優(yōu)化設(shè)計，大型動力優(yōu)化問題的建模和求解方法，非線性分析在優(yōu)化中的應(yīng)用，使優(yōu)化技術(shù)的作用從對設(shè)計方案的優(yōu)化延伸到加工工藝過程的優(yōu)化，仍是極富有研究和應(yīng)用價值。
綜上所述，未來，機械行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計、動態(tài)化的優(yōu)化設(shè)計和技術(shù)的運用，還需要不斷分析與探討.只有不斷完善技術(shù)力量，才能更好地跟隨科技的變化而不斷地進步。
參考文獻：
