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時(shí)間：2023-05-24 08:57:58
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中圖分類(lèi)號(hào):TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1009-9166(2009)020(c)-0098-01
優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求,合理確定各參數(shù),使產(chǎn)品取得較高的經(jīng)濟(jì)效益和較好的使用性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)一般步驟為:
(一)建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型;
(二)求出最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。
優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)形式,是反映設(shè)計(jì)問(wèn)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(jì)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(guò)程及其用適用范圍。
一、優(yōu)化設(shè)計(jì)模型
(一)成本――公差模型
產(chǎn)品加工成本在機(jī)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(lái)說(shuō)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)零件公差等級(jí)越高就越能保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)的基礎(chǔ),是建立機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)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(gè)通用的“成本―公差”關(guān)系式。較為常見(jiàn)的模型:
⑴
式中:ci――第i個(gè)零件的加工成本; ai――與公差無(wú)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(gè)零件的公差。
通過(guò)選取多個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本,對(duì)統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(biāo)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(lái)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(dá)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(jì)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(jì)公差模型:
⑸
式中:ξi――第i個(gè)公差傳遞系數(shù); Ki――第i個(gè)公差相對(duì)分布系數(shù);
K――輸出特性公差相對(duì)分布系數(shù),零件尺寸成正態(tài)分布時(shí)取1。
由式⑴可知產(chǎn)品總制造費(fèi)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(jì)算通式:
⑺
(三)質(zhì)量――公差――成本模型
田口玄一博士認(rèn)為:“質(zhì)量損失是指產(chǎn)品出廠(chǎng)后給社會(huì)帶來(lái)的損失”,質(zhì)量損失給社會(huì)帶來(lái)的損失的后果,首先反映在用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)該產(chǎn)品的意愿上,并且直接影響到該產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率,最終也要給產(chǎn)品制造企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)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(biāo)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(biāo)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(jì)的重要內(nèi)容:優(yōu)化模型的建立。介紹了三種常見(jiàn)的機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型:“成本――公差模型”、“質(zhì)量――公差模型”,“質(zhì)量――公差―成本”。“成本――公差模型”常用于零件優(yōu)化設(shè)計(jì),常用于優(yōu)化單個(gè)零件的成本和公差。“質(zhì)量―公差模型”常用于產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì),用于優(yōu)化產(chǎn)品組成零件的公差優(yōu)化問(wèn)題。“質(zhì)量―公差―成本模型”常用于產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)和成本控制,使產(chǎn)品的制造成本、經(jīng)濟(jì)效益和合格率達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。
作者單位:重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
參考文獻(xiàn):
[1]韓之俊.三次設(shè)計(jì)[M].北京,機(jī)械工業(yè)出版社,1992
[2]孫國(guó)正.優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京,人民交通出版社,2000
[3]林秀雄.田口方法實(shí)戰(zhàn)技術(shù)[M].廣東,海天出版社,2008
雖然隨著機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步以及管理流程的簡(jiǎn)化，新時(shí)期的機(jī)械設(shè)計(jì)成本開(kāi)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(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的成本開(kāi)支進(jìn)行削減，要基于保障設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提；倘若成本的控制要以犧牲質(zhì)量為代價(jià)，則這樣的控制手法必須果斷舍棄。在機(jī)械設(shè)計(jì)中采取優(yōu)化設(shè)計(jì)路線(xiàn)，能夠減輕前期和設(shè)計(jì)過(guò)程中的成本開(kāi)支，為設(shè)計(jì)單位節(jié)省一筆不小的資金。優(yōu)化設(shè)計(jì)的最佳方案往往是符合設(shè)計(jì)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(fèi)多余的人力、財(cái)力和物力。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠節(jié)約機(jī)械設(shè)計(jì)的開(kāi)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(jì)可以提高機(jī)械產(chǎn)品的科技附加值，從而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益
機(jī)械設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是一種自然屬性但是具備商業(yè)價(jià)值的“商品”，這就必然要與市場(chǎng)發(fā)生關(guān)聯(lián)。同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能夠增加機(jī)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(lái)越高，機(jī)械設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)化正在形成，即機(jī)械設(shè)計(jì)可以作為一個(gè)單獨(dú)的工程鏈條存在。如果把機(jī)械設(shè)計(jì)的產(chǎn)品作為一個(gè)普通商品看待，這種商品必須是價(jià)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(chǎng)中取得占有率，企業(yè)才能因此獲取利益最大化。所以，機(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)都在努力追求“這樣的機(jī)械產(chǎn)品”，而這樣的產(chǎn)品往往需要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
優(yōu)化設(shè)計(jì)為機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的技藝提升、附加值增大提供了全新的路徑，也為機(jī)械設(shè)計(jì)單位和企業(yè)的發(fā)展增添了新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。例如，隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)有一種或多種新技術(shù)的注入，最終的機(jī)械產(chǎn)品往往“飽含科技”，其技術(shù)附加值自然可以達(dá)到一個(gè)高位。類(lèi)似這樣的高附加值機(jī)械產(chǎn)品，在市場(chǎng)中的價(jià)格是可以預(yù)見(jiàn)的，企業(yè)因此帶來(lái)的收益也很高。由此可見(jiàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于當(dāng)今的機(jī)械設(shè)計(jì)的重要性。
二、實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效策略
優(yōu)化設(shè)計(jì)可以為機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)方案，使之產(chǎn)生明顯的效果。從當(dāng)前的情況看，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從如下角度考量。其一，機(jī)械設(shè)計(jì)的一維搜索優(yōu)化方法，這種方法也是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)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(guò)搜索區(qū)間的確定，來(lái)保證優(yōu)化方案的有效性。一維搜索方法是一維問(wèn)題的最基本方法，也是多維機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)方法。
眾所周知，機(jī)械設(shè)計(jì)大都是多維的，很少有一維的情況，但是這恰恰說(shuō)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(gè)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(xì)胞”。一維搜索方法在機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用，往往直接影響優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的求解速度。其二，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)用到約束優(yōu)化方法和無(wú)約束優(yōu)化方法。在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用的是約束優(yōu)化的方法。除此之外，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以通過(guò)線(xiàn)性規(guī)劃方法、多目標(biāo)及離散變量?jī)?yōu)化方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。總之，諸多優(yōu)化方法的存在和操作為機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了多元化的路徑。（本文來(lái)自于《黑龍江科學(xué)》雜志?！逗邶埥茖W(xué)》雜志簡(jiǎn)介詳見(jiàn)。）
中圖分類(lèi)號(hào)：TM 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）25-0060-01
機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展實(shí)際上也是社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)步，而這就集中的體現(xiàn)在了設(shè)計(jì)者的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，在這一過(guò)程中，很多的機(jī)械設(shè)備都要符合社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，而在這之中也存在著非常強(qiáng)的邏輯性。機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)通常就是指通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型的方式來(lái)找到最佳設(shè)計(jì)方案的過(guò)程，當(dāng)前，機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)也逐漸成為了機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的一個(gè)因素。所以當(dāng)前，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化途徑進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和探討是十分必要的。
1、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性
這里我們所說(shuō)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上不僅僅局限于機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都有著比較廣泛的應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計(jì)在本質(zhì)上就是指通過(guò)各種各樣的方式和手段對(duì)研究的步驟和方法進(jìn)行不斷的改進(jìn)和研究，這樣就可以選出很多解決問(wèn)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(shí)現(xiàn)了路線(xiàn)選擇的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而在機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，主要應(yīng)該考慮的是以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。
1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)可以充分的保證設(shè)計(jì)的工藝和質(zhì)量
在機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員一定要充分的對(duì)設(shè)計(jì)的主要流程、設(shè)計(jì)的時(shí)間和設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用到的成本和功效等問(wèn)題都進(jìn)行嚴(yán)格的控制，而在這一過(guò)程中更為重要的是設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工藝水準(zhǔn)和實(shí)際的用途，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中也可以將其理解成設(shè)計(jì)產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量，通常我們?cè)趯?shí)際的工作中，機(jī)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(xiàng)目當(dāng)中的，其質(zhì)量的好壞會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)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(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)也就無(wú)法很好的得到良好的保障，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)中就必須要找準(zhǔn)設(shè)計(jì)的思路和策略，所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題就是保持良好的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)工藝，優(yōu)化設(shè)計(jì)雖然不能很好的在設(shè)計(jì)的過(guò)程中作為衡量設(shè)計(jì)質(zhì)量的唯一標(biāo)準(zhǔn)，但是優(yōu)化設(shè)計(jì)在應(yīng)用的過(guò)程中可以為施工提供更多可以選擇的設(shè)計(jì)方案，這樣設(shè)計(jì)師就可以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中有更多的參考，在實(shí)際操作的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者通常要使用數(shù)學(xué)的模型或者是函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案的綜合性進(jìn)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(jì)方案通常都應(yīng)該具備以下幾個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是方案在應(yīng)用的過(guò)程中效率應(yīng)該是最高的，同時(shí)成本上也應(yīng)該是最低的。一個(gè)是方案的可操作性非常強(qiáng)，可以非常好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的規(guī)劃和要求。總體上來(lái)說(shuō)，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程實(shí)際上就是對(duì)諸多方案進(jìn)行對(duì)比和選擇的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中方案選擇必須要充分的考慮到現(xiàn)實(shí)需求，這也是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)可以最大限度的節(jié)約設(shè)計(jì)開(kāi)支和成本
機(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)繁瑣、浩大的工程，往往需要很久的時(shí)間才能完全，不存在所謂的捷徑和“小道”。所以，在維系長(zhǎng)時(shí)間設(shè)計(jì)流程的同時(shí)，必須做好高額開(kāi)支和成本支出的準(zhǔn)備。
事實(shí)證明，機(jī)械設(shè)計(jì)的成本開(kāi)支往往令主管單位“不堪重負(fù)”。誠(chéng)然，隨著機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步以及管理流程的簡(jiǎn)化，新時(shí)期的機(jī)械設(shè)計(jì)成本開(kāi)支以及有所降低，但是仍然有壓縮的空間。要清楚的是，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的成本開(kāi)支進(jìn)行削減，完全要基于保障設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提；倘若成本的控制要以犧牲質(zhì)量為代價(jià)，那么這樣的控制手法必須果斷舍棄。
在機(jī)械設(shè)計(jì)中采取優(yōu)化設(shè)計(jì)路線(xiàn)，能夠減輕前期和設(shè)計(jì)過(guò)程中的成本開(kāi)支，為設(shè)計(jì)單位節(jié)省一筆不小的資金。之所以這樣說(shuō)，是因?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)的最佳方案往往是符合設(shè)計(jì)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(fèi)多余的人力、財(cái)力和物力因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠節(jié)約機(jī)械設(shè)計(jì)的開(kāi)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(jì)可以提高機(jī)械產(chǎn)品的科技附加值
機(jī)械設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是一種自然屬性但是具備商業(yè)價(jià)值的“商品”，這就必然要與市場(chǎng)發(fā)生關(guān)聯(lián)。同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能夠增加機(jī)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，這對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)而言無(wú)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(lái)越高，機(jī)械設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)化正在形成，即機(jī)械設(shè)計(jì)可以作為一個(gè)單獨(dú)的工程鏈條存在。如果我們把機(jī)械設(shè)計(jì)的產(chǎn)品作為一個(gè)普通商品看待，那么這種商品必須是價(jià)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(chǎng)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(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)都在努力的追求“這樣的機(jī)械產(chǎn)品”，而這樣的產(chǎn)品往往需要透過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，優(yōu)化設(shè)計(jì)為機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的技藝提升、附加值增大提供了全新的路徑，也為機(jī)械設(shè)計(jì)單位和企業(yè)的發(fā)展增添了新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。例如，隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)有一種或多種新技術(shù)的注入，最終的機(jī)械產(chǎn)品往往“飽含科技，其技術(shù)附加值自然可以達(dá)到一個(gè)高位。類(lèi)似這樣的高附加值機(jī)械產(chǎn)品，在市場(chǎng)中的價(jià)格是可以想見(jiàn)的，企業(yè)因此帶來(lái)的收益也是很高的。所以，如果把機(jī)械設(shè)計(jì)中優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一種生產(chǎn)選擇方式來(lái)衡量，那么優(yōu)化設(shè)計(jì)為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和流動(dòng)，為設(shè)計(jì)單位、企業(yè)的利益最大化帶來(lái)的貢獻(xiàn)是很難估量。由此可見(jiàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于當(dāng)今的機(jī)械設(shè)計(jì)是多么的重要。
2、機(jī)械設(shè)計(jì)中優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)路徑
既然優(yōu)化設(shè)計(jì)可以為機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)方案，使之產(chǎn)生明顯的效果。從當(dāng)前的情況看，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從如下角度考量。
首先，機(jī)械設(shè)計(jì)的一維搜索優(yōu)化方法，這種方法也是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)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(guò)搜索區(qū)間的確定，來(lái)保證優(yōu)化方案的有效性。一維搜索方法是一維問(wèn)題的最基本方法，也是多維機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)方法。眾所周知，機(jī)械設(shè)計(jì)大都是多維的，很少有一維的情況，但是這恰恰說(shuō)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(gè)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(xì)胞”。所以，一維搜索方法在機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用，往往直接影響優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的求解速度。其次，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)用到約束優(yōu)化方法和無(wú)約束優(yōu)化方法。在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用的是約束優(yōu)化的方法。
此外，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以采用線(xiàn)性規(guī)劃的方法、多目標(biāo)和離散邊梁優(yōu)化方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作，而優(yōu)化方法的采用可以讓機(jī)械設(shè)計(jì)有更多的可能，同時(shí)它也可以有效的提高機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平。
3、結(jié)語(yǔ)
在機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)的質(zhì)量會(huì)對(duì)機(jī)械整體性能的實(shí)現(xiàn)有著非常重要的意義，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一定要充分的考慮到各個(gè)因素對(duì)機(jī)械質(zhì)量產(chǎn)生的影響，同時(shí)根據(jù)實(shí)際的要求去選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案，只有這樣，機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)。
參考文獻(xiàn)
中圖分類(lèi)號(hào)：TD402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用而在設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的多元交叉學(xué)科。工程實(shí)際中還逐漸出現(xiàn)了許多新的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。隨著社會(huì)的發(fā)展、人們思想觀(guān)念的更新和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而提出，對(duì)節(jié)能、環(huán)保、改進(jìn)產(chǎn)品性能和增加產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力等方面的重要性而受到越來(lái)越多的重視。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)用力學(xué)和數(shù)學(xué)形成經(jīng)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、近似系數(shù)或類(lèi)比等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。我們熟悉的優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元法等,這些設(shè)計(jì)方法已經(jīng)較為成熟,形成了完整的設(shè)計(jì)體系。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是在進(jìn)行某種機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)規(guī)定的約束條件，優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)，使某項(xiàng)或幾項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)獲得最優(yōu)值。
它是以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為目標(biāo)的一個(gè)總的知識(shí)群體的統(tǒng)稱(chēng)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期，是為了適應(yīng)市場(chǎng)劇烈競(jìng)爭(zhēng)的需要，以及計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用。60年代以來(lái)，在設(shè)計(jì)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(jì)的“最優(yōu)值”或“最佳值”，系指在滿(mǎn)足多種設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件下所獲得的最令人滿(mǎn)意和最適宜的值。最優(yōu)值的概念是相對(duì)的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及設(shè)計(jì)條件的變動(dòng)，最優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)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(mǎn)足各種設(shè)計(jì)要求，而且又使設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值。由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所用的計(jì)算方法和參考數(shù)據(jù)偏重于經(jīng)驗(yàn)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(jì)和選取、經(jīng)驗(yàn)或狀態(tài)的存儲(chǔ)和調(diào)用等還沒(méi)有一個(gè)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(jì)速度和設(shè)計(jì)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(jì)問(wèn)題就是一種用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計(jì)算機(jī)自動(dòng)選優(yōu)技術(shù)來(lái)求解最優(yōu)化的問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)反映了人們對(duì)客觀(guān)世界認(rèn)識(shí)的深化，它要求人們根據(jù)事物的客觀(guān)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(jì)方案。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)可解決設(shè)計(jì)方案參數(shù)的最佳選擇問(wèn)題。
1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法
1.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)
創(chuàng)新是設(shè)計(jì)的本質(zhì)，隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈。們消費(fèi)觀(guān)念不斷變化，產(chǎn)品的創(chuàng)新性，創(chuàng)新產(chǎn)品能滿(mǎn)足甚至創(chuàng)造出新的需求宜人性等因素愈來(lái)愈受到重視，大量科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)著突出地位。在這種形勢(shì)下，創(chuàng)新設(shè)計(jì)是產(chǎn)品適應(yīng)新的市場(chǎng)形勢(shì)的最好途徑，因而必然有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1.2 智能設(shè)計(jì)
為了提高制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化，在CIMS環(huán)境下，設(shè)計(jì)正在向集成化、自動(dòng)化等方向發(fā)展。就必須大大加強(qiáng)設(shè)計(jì)專(zhuān)家與計(jì)算機(jī)工具，使計(jì)算機(jī)能在更大范圍內(nèi)，這一人機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中機(jī)器的智能，更高水平上幫助或代替人類(lèi)專(zhuān)家處理數(shù)據(jù)、信息與知識(shí)，大幅度提高設(shè)計(jì)自動(dòng)化的水平。智能設(shè)計(jì)就是要研究如何提高人機(jī)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)的智能水平， 做出各種設(shè)計(jì)決策，使計(jì)算機(jī)更好地承擔(dān)設(shè)計(jì)中各種復(fù)雜任務(wù)，智能化是設(shè)計(jì)活動(dòng)的顯著特點(diǎn)，也是走向設(shè)計(jì)自動(dòng)化的重要途徑。
1.3 響應(yīng)設(shè)計(jì)
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，使得產(chǎn)品的更新?lián)Q代不斷加快，市場(chǎng)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(chǎng)動(dòng)態(tài)需求信息的決策機(jī)制。實(shí)施快速響應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)，適應(yīng)市場(chǎng)環(huán)境的變化，面對(duì)瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)環(huán)境，用戶(hù)需求的轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，能抓稍縱即逝的機(jī)遇，變被動(dòng)適應(yīng)用戶(hù)，這樣才能保證企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。在這種時(shí)代背景下，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)就轉(zhuǎn)移到速度上來(lái)，快速提高更高的性能/價(jià)格比產(chǎn)品的企業(yè)，將具有更高的競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)動(dòng)態(tài)信息，并及時(shí)作出正確的預(yù)測(cè)和決策。
2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(gè)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，參照同類(lèi)產(chǎn)品，通過(guò)估算、經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比或試驗(yàn)等方法來(lái)確定產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)方案，是人工試湊和定性分析比較的過(guò)程。機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，一般需要經(jīng)過(guò)需求分析、方案設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、市場(chǎng)調(diào)查、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程繪圖和編制技術(shù)文件等一系列工作過(guò)程。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通常是在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的研究和應(yīng)用實(shí)踐，從經(jīng)驗(yàn)、感性和類(lèi)比為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法過(guò)渡到科學(xué)、理性和立足于計(jì)算分析的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，又能滿(mǎn)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(jì)方法發(fā)生了根本變革，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)正在逐步向自動(dòng)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(jì)方案，可能存在有較大改進(jìn)和提高的余地。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的任務(wù)就是使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品既具有優(yōu)良的技術(shù)性能指標(biāo)，且消耗和成本最低等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或直觀(guān)判斷對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改。但是由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法受到計(jì)算方法和手段等條件的限制，設(shè)計(jì)人員可以在有限的幾種合格設(shè)計(jì)方案中，這是很難找出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的。
2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)
隨著計(jì)算機(jī)及其計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型進(jìn)行加載與求解。工程設(shè)計(jì)中較復(fù)雜的一些優(yōu)化問(wèn)題取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果，把狀態(tài)變量提取出來(lái)供優(yōu)化處理器進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)。促進(jìn)了工程優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展，并結(jié)合工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，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(biāo)函數(shù)是否達(dá)到了最小。在多目標(biāo)優(yōu)化，混合離散變量?jī)?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(jì)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(jì)變量，逐步形成以計(jì)算機(jī)和優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)的近代優(yōu)化設(shè)計(jì)。
結(jié)論
從機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全局來(lái)看，目前比較先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大多數(shù)還停留在設(shè)計(jì)方案后參數(shù)優(yōu)化方面，面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)，應(yīng)將優(yōu)化設(shè)計(jì)拓寬到機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的全生命周期過(guò)程，是適應(yīng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。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(jī)械先進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)將進(jìn)行新一輪的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2001.
隨著現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的概念和思維方式也在不斷發(fā)生變化，機(jī)械設(shè)計(jì)能夠在一定程度上反映出社會(huì)群體對(duì)客觀(guān)世界的認(rèn)知，并且遵循客觀(guān)事物的發(fā)展規(guī)律來(lái)開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此加大力度探討機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法，能夠?yàn)闄C(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展指明方向。
1 機(jī)械傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)比
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是基于最優(yōu)化設(shè)計(jì)的，主要以數(shù)學(xué)模型作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本途徑。優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法及思維屬于優(yōu)化方法的范疇之內(nèi)，這種設(shè)計(jì)思想會(huì)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(jì)算的條件下，從各種可行性相對(duì)較強(qiáng)的設(shè)計(jì)方案中擇優(yōu)選取最佳的設(shè)計(jì)方案。由于設(shè)計(jì)方案較多，那么就需要使用電子計(jì)算機(jī)加以篩選，這主要得益于電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度非?？欤瑥亩鴱闹T多設(shè)計(jì)方案中篩選出最優(yōu)方案。雖然在實(shí)際的數(shù)學(xué)建模過(guò)程中需要進(jìn)行一定地簡(jiǎn)化處理，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算所得的結(jié)果與實(shí)際值存在一定的差距，但是其基于客觀(guān)規(guī)律以及數(shù)據(jù)，又無(wú)需花費(fèi)太高的費(fèi)用，所以說(shuō)，這種建模計(jì)算的方法具有經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比或者試驗(yàn)途徑不可比擬方面的優(yōu)勢(shì)之處，再加上一定的經(jīng)驗(yàn)依據(jù)，就能夠獲得一個(gè)非常理想的設(shè)計(jì)結(jié)果。雖然傳統(tǒng)設(shè)計(jì)也追求最優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果，一般是基于調(diào)查、分析，按照實(shí)際需求以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參照類(lèi)似于工程設(shè)計(jì)，經(jīng)估算、類(lèi)比以及試驗(yàn)等過(guò)程，對(duì)尋優(yōu)過(guò)程進(jìn)行構(gòu)思、評(píng)估、再構(gòu)思以及再評(píng)估等，從而最終確定設(shè)計(jì)方案，最后開(kāi)展剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。然而在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，存在主觀(guān)方面、時(shí)間以及工作量過(guò)多等方面的影響，由于這些影響因素的存在，使得設(shè)計(jì)結(jié)果的最優(yōu)化選擇無(wú)法正常進(jìn)行，這些設(shè)計(jì)結(jié)果的計(jì)算也僅僅具有校對(duì)、核驗(yàn)以及補(bǔ)充等方面的作用，只能對(duì)原有方案的可行性加以證實(shí)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往需要花費(fèi)高額的資金以及人力，而且最終結(jié)果也與初始設(shè)計(jì)試驗(yàn)范圍差不離。所以說(shuō)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要受到主觀(guān)因素的影響，得到的僅僅屬于滿(mǎn)足最初設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)結(jié)果，并非最優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。
2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的評(píng)判指標(biāo)
效率要高、可靠性要高、采用成熟的計(jì)算程序、穩(wěn)定性要好。另外選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法時(shí)要進(jìn)行深入的分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)復(fù)雜性、準(zhǔn)確性等條件結(jié)合個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。優(yōu)化設(shè)計(jì)的選擇取決于數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，通常認(rèn)為，對(duì)于目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)不太多的問(wèn)題，采用懲罰函數(shù)法較好；對(duì)于只含線(xiàn)性約束的非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，最適應(yīng)采用梯度投影法；對(duì)于求導(dǎo)非常困難的問(wèn)題應(yīng)選用直接解法，例如復(fù)合形法；對(duì)于高度非線(xiàn)性的函數(shù)，則應(yīng)選用計(jì)算穩(wěn)定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內(nèi)點(diǎn)懲罰函數(shù)相結(jié)合的方法。
3 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法
3.1 準(zhǔn)則優(yōu)化法
在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法中，所謂準(zhǔn)則優(yōu)化法，就是指以物理學(xué)和力學(xué)等原則來(lái)構(gòu)造并優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)的方案，以促進(jìn)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。準(zhǔn)則優(yōu)化法在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的優(yōu)勢(shì)，其概念直觀(guān)性較強(qiáng)，并且計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便，即便是在約束條件相對(duì)較少的條件下，準(zhǔn)則優(yōu)化法的實(shí)際優(yōu)化效率相對(duì)較高，因此在工程中具有良好的應(yīng)用效果。但就機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際情況來(lái)看，準(zhǔn)則優(yōu)化法也不可避免的存在一些不足，尤其是在實(shí)際應(yīng)用中，其所考慮的范圍具有一定局限性，一旦實(shí)際約束條件較多，會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，因此在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)此項(xiàng)因素進(jìn)行深入衡量和分析，以全面提高機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效果。
3.2 線(xiàn)性規(guī)劃法
在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法中，線(xiàn)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(biāo)函數(shù)、約束條件以及設(shè)計(jì)變形的線(xiàn)性?xún)?yōu)化為主要因素進(jìn)行分析，以此作為主要的求解方式。線(xiàn)性規(guī)劃法中常用的兩種方式是單純形法與序列線(xiàn)性規(guī)劃法。
其中單純形法是美國(guó)學(xué)者所提出的一種具有直觀(guān)性的線(xiàn)性問(wèn)題求解方法。單純形法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中也存在一定不足，極易受到收斂條件、壓縮因子以及擴(kuò)展因子等多種因素的影響導(dǎo)致難以準(zhǔn)確計(jì)算出機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的最優(yōu)解。因此為保障機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，應(yīng)當(dāng)全面衡量各項(xiàng)因素，包括初始單純形的各頂點(diǎn)線(xiàn)性獨(dú)立情況以及新單純形構(gòu)成后對(duì)實(shí)際收斂情況進(jìn)行準(zhǔn)確的驗(yàn)算，并嚴(yán)格檢查計(jì)算結(jié)果是否滿(mǎn)足相關(guān)精度要求，從而全面提高機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效果。
序列線(xiàn)性規(guī)劃法則相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是在初始位置將目標(biāo)函數(shù)集約條件進(jìn)行展開(kāi)，促使非線(xiàn)性規(guī)劃向近似線(xiàn)性規(guī)劃逐漸轉(zhuǎn)化，并對(duì)最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行求解，并采取科學(xué)合理的計(jì)算方式進(jìn)行反復(fù)求解，直至滿(mǎn)足機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的精度標(biāo)準(zhǔn)，從而提高機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效果。
3.3 非線(xiàn)性規(guī)劃法
就機(jī)械工程的實(shí)際情況來(lái)看，大部分機(jī)械工程的性質(zhì)都屬于非線(xiàn)性規(guī)劃，隨著非線(xiàn)性程度的不斷加大，難以將其完全簡(jiǎn)化為線(xiàn)性問(wèn)題。非線(xiàn)性規(guī)劃正是基于數(shù)學(xué)極值的原理所開(kāi)展的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)無(wú)約束直接法、無(wú)約束間接法和約束直接法、約束間接法等對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行不斷求解，以保證機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效果。
3.4 現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法
在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，往往存在不同種類(lèi)的約束、變量及目標(biāo)函數(shù)，為保證機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效果，機(jī)械優(yōu)化準(zhǔn)則法能夠結(jié)合機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，積極推導(dǎo)出不同的優(yōu)化準(zhǔn)則，但其實(shí)際通用性并不理想。規(guī)劃法在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行多次重復(fù)驗(yàn)算，此種情況下往往需投入大量的人力物力資源，并且實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)械工程項(xiàng)目?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用深度和廣度。隨著現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械工程中優(yōu)化設(shè)計(jì)的難度也不斷加大，有必要積極選取合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)提高機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的總體質(zhì)量和效果。
結(jié)束語(yǔ)
總而言之，機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化是基于傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上所提出的，通過(guò)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的協(xié)調(diào)配合，促進(jìn)一種科學(xué)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的形成，在機(jī)械工程中，有助于改善機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效果，促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品達(dá)到高質(zhì)量和高水平。隨著現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也不斷進(jìn)步，每一種機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法都具有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，能夠針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的性能及其他因素選取核實(shí)的設(shè)計(jì)變量和最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法，從而促進(jìn)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
中圖分類(lèi)號(hào)：C35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
引言
煤礦行業(yè)主要是對(duì)我國(guó)的自然可利用資源進(jìn)行開(kāi)采，以滿(mǎn)足人類(lèi)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(jī)械是必不可少的組成部分。因此，如何加強(qiáng)對(duì)煤礦開(kāi)采機(jī)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(jī)械裝備的重要性
煤炭資源一直是我國(guó)的最為重要的生產(chǎn)資源。在我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)，煤炭在我國(guó)的消費(fèi)市場(chǎng)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(guó)的總消費(fèi)量就高達(dá)29.66億噸，占全國(guó)一次性消費(fèi)能源總量的66%，按這種開(kāi)采的速度和消費(fèi)情況來(lái)看，我國(guó)剩余的煤炭資源還可供開(kāi)采100年以上。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展及企業(yè)對(duì)煤炭資源的需求，我國(guó)近幾年來(lái)成立了多個(gè)大型的煤炭開(kāi)采基地。但同時(shí)，由于煤炭開(kāi)采過(guò)程中機(jī)械設(shè)備問(wèn)題，使在煤炭開(kāi)采過(guò)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(kāi)采過(guò)程中機(jī)械設(shè)備跟不上時(shí)代的發(fā)展需求所至，據(jù)國(guó)內(nèi)不完全資料數(shù)據(jù)顯示表明，每年因煤礦機(jī)械裝備所造成的傷亡人數(shù)占整體煤礦開(kāi)采中傷亡人數(shù)的百分之七十左右。對(duì)于這種情況而言，隨著煤炭開(kāi)采事業(yè)的發(fā)展，負(fù)責(zé)人員也在不斷地總結(jié)著經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，對(duì)煤礦技術(shù)機(jī)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(jī)械裝備的好壞直接影響著整個(gè)煤礦開(kāi)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(duì)煤礦機(jī)械進(jìn)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(guó)煤礦生產(chǎn)機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀
目前我國(guó)的煤礦資源分為露天煤礦和井下煤礦兩種，因此，開(kāi)采機(jī)械也分為露天機(jī)械和井下機(jī)械兩種。據(jù)國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)表明，至十一五以來(lái)，我國(guó)煤礦技術(shù)中機(jī)械的需求量達(dá)50萬(wàn)臺(tái)，總投資量超過(guò)了950億元。其中，應(yīng)要求新增的機(jī)械數(shù)量達(dá)23萬(wàn)臺(tái)，總投資量達(dá)650億元。而煤礦機(jī)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(dá)250億元。截至2012年底，國(guó)家針對(duì)115家煤礦機(jī)械使用情況進(jìn)行了調(diào)查，數(shù)據(jù)表明，在這115家煤礦開(kāi)采企業(yè)中，至2008年底機(jī)械更新及結(jié)構(gòu)優(yōu)化所投入的資金額達(dá)650億元，所產(chǎn)出的直接收入高達(dá)780多億元。至2012年底，用于煤礦機(jī)械裝備更換與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的資金已高達(dá)860億元，所產(chǎn)出的直接收益高達(dá)1100億元。就我國(guó)煤礦資源調(diào)查結(jié)果表明，我國(guó)煤礦資源將來(lái)還有500多億元的可開(kāi)發(fā)利用空間，而開(kāi)采設(shè)備也將逐漸由傳統(tǒng)的中小型開(kāi)采機(jī)械裝備向大型煤礦機(jī)械開(kāi)采裝備演變。
三、我國(guó)煤礦機(jī)械裝備企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力構(gòu)建途徑
（一）強(qiáng)化新的科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用
在現(xiàn)代企業(yè)中，需要進(jìn)一步的營(yíng)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(diǎn)，其中的關(guān)鍵便是在思想形成正確的認(rèn)識(shí)。比如，在造成煤礦機(jī)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(qiáng)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(duì)性的應(yīng)用到不同煤礦機(jī)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(jī)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(jī)械裝備的形體設(shè)計(jì)。
（二）以現(xiàn)代化管理模式促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展
對(duì)現(xiàn)代煤礦機(jī)械裝備制造來(lái)說(shuō)，管理制度即便是軟件，但是對(duì)于這類(lèi)企業(yè)的發(fā)展卻會(huì)起到重要的保障作用。為此，要進(jìn)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(yíng)管理水平，重點(diǎn)在產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量監(jiān)管、銷(xiāo)售服務(wù)等相關(guān)領(lǐng)域展開(kāi)與世界市場(chǎng)之間的合作與交流，全面的建立營(yíng)銷(xiāo)、技術(shù)服務(wù)和用戶(hù)之間的一體化的信息系統(tǒng)，以超前的意識(shí)，強(qiáng)化企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力。
（三）優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)時(shí)代對(duì)企業(yè)的要求截然不同，當(dāng)然，主要是用戶(hù)的需求之間存在較大的差異。在當(dāng)前的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，煤礦機(jī)械裝備企業(yè)的發(fā)展一定要以動(dòng)態(tài)化的視角進(jìn)行生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)，唯有如此，才能對(duì)市場(chǎng)的變化做出積極的反應(yīng)。為此，煤礦機(jī)械裝備企業(yè)應(yīng)該優(yōu)化其涉及方法，根據(jù)待開(kāi)采煤層的賦存條件的不同，要有針對(duì)性的選擇采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與工作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；根據(jù)待掘進(jìn)巷道的煤巖物理機(jī)械性質(zhì)的差異以及巷道斷面的尺寸差異，對(duì)掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸與工作結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行重新的比對(duì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。只有這樣，才能最大限度的縮短設(shè)計(jì)周期，全面的向用戶(hù)展示設(shè)計(jì)方案。
（四）建設(shè)一支學(xué)術(shù)高、敬業(yè)精神強(qiáng)的管理隊(duì)伍
在煤礦設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們首先要建立一個(gè)高素質(zhì)、高標(biāo)準(zhǔn)的管理隊(duì)伍，因?yàn)?，在設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行設(shè)備加工的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員仍然要時(shí)常與制作單位保持密切的聯(lián)系，以便及時(shí)的解決在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)上的疏漏和問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的記錄，備于日后的資料查閱，給下一個(gè)設(shè)計(jì)研發(fā)工作提供參考的前例；加工制作完成以后的驗(yàn)收工作仍然很重要，我們要盡可能的在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，觀(guān)察其可靠性是否達(dá)到設(shè)計(jì)研發(fā)的要求，如果一旦出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)糾正更改設(shè)計(jì)，最終達(dá)到合格的效果，驗(yàn)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(qiáng)的管理隊(duì)伍是非常有必要的。
四、煤礦技術(shù)中機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
（一）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)劃
在煤礦技術(shù)機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，我們要做的是計(jì)劃好設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案，在計(jì)劃前，我們首先應(yīng)該對(duì)改煤礦的舊設(shè)備進(jìn)行了解及調(diào)查，然后對(duì)就設(shè)備存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，然后制定出可以實(shí)施 的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，然后做出設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)大體上應(yīng)該包括：機(jī)器的功能，經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性的估計(jì)，制造要求方面的大致估計(jì)，基本使用要求，以及完成設(shè)計(jì)任務(wù)的預(yù)計(jì)期限等。
（二）加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的安裝調(diào)試
對(duì)改設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試和運(yùn)轉(zhuǎn)，確保該設(shè)備可以滿(mǎn)足相應(yīng)的使用要求，機(jī)械設(shè)備安裝固定的步驟如下：
1.設(shè)備基礎(chǔ)的檢驗(yàn)，目前，施工單位安裝機(jī)械設(shè)備的位置一般采用混凝土，故需要對(duì)基礎(chǔ)施工單位提供的混凝土力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，確保設(shè)備基礎(chǔ)能夠承受機(jī)械設(shè)備因振動(dòng)而產(chǎn)生的各個(gè)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(jī)械設(shè)備則相對(duì)較為簡(jiǎn)單，容易進(jìn)行，要是大型的設(shè)備就對(duì)起重作業(yè)有了嚴(yán)格的要求。例如一個(gè)大型軋機(jī)的安放，底座和牌坊顯然要分步安放。
3.安裝精度檢測(cè)調(diào)整與設(shè)備固定，安裝精度的檢測(cè)調(diào)整是進(jìn)行機(jī)械設(shè)備安裝的重要過(guò)程之一。
4.拆卸、清洗和裝配，對(duì)于解體機(jī)械和整體機(jī)械放置時(shí)間超過(guò)規(guī)定時(shí)間的機(jī)械設(shè)備，要根據(jù)其設(shè)計(jì)圖紙，確定其機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后按照拆卸原理進(jìn)行拆卸。
5.設(shè)備的 ， 這是機(jī)械設(shè)備安裝的結(jié)尾工作，是保證機(jī)械設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。
6.機(jī)械設(shè)備的調(diào)試，機(jī)械設(shè)備安裝后要進(jìn)行調(diào)試，以確保機(jī)械設(shè)備的正常工作。進(jìn)行機(jī)械設(shè)備調(diào)試的原則為從局部到整體，先進(jìn)行部件調(diào)試，然后進(jìn)行整體調(diào)試。
（三）煤礦生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)及模擬化設(shè)計(jì)
在煤礦生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)及模擬話(huà)設(shè)計(jì)中，我們要結(jié)合煤礦目前的實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行考慮，因?yàn)椋旱V作業(yè)需在較為惡劣條件下進(jìn)行，同時(shí)也需要高投資以及高科技的支持，因此，在設(shè)計(jì)研發(fā)的時(shí)候所需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且，如果單純使用老套的設(shè)計(jì)方式，不單會(huì)增加大量的投入經(jīng)費(fèi)，還會(huì)使研發(fā)周期擴(kuò)至更久，這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)與市場(chǎng)要求的同步性。因此，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們可以將研發(fā)、仿真、模擬等集于一身，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種思想很有可能會(huì)對(duì)我國(guó)邁向全球化發(fā)展的軌道起著重要的作用，所以，對(duì)于動(dòng)態(tài)模擬模擬設(shè)計(jì)必須要加強(qiáng)研究。煤礦生產(chǎn)的惡劣條件會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備造成極大影響，所以，相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須全面考慮實(shí)際生產(chǎn)發(fā)生的種種問(wèn)題，爭(zhēng)取在損耗與生產(chǎn)之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。
結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，煤礦技術(shù)中機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高設(shè)備的使用年限以及設(shè)備的運(yùn)行安全都是十分重要的。因此，在機(jī)械設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要針對(duì)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行合理的改正與設(shè)計(jì)，從而保證機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，提高整個(gè)機(jī)械的運(yùn)行能力。
參考文獻(xiàn)
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中圖分類(lèi)號(hào)：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）10（a）-0034-03
網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)是一種先進(jìn)的聯(lián)合設(shè)計(jì)手段，可以將不同的設(shè)計(jì)主體（專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員）通過(guò)共享的網(wǎng)絡(luò)平系起來(lái)，設(shè)計(jì)人員之間可以使用功能各異（異構(gòu)）的工具設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程協(xié)作，在這個(gè)共享平臺(tái)中階段性?xún)?yōu)化已有方案、模塊化分析、并行修改，以遠(yuǎn)超出非協(xié)同條件下設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。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(shí)在產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)階段也會(huì)用到各種計(jì)算軟件工具如MATLAB等，在使用中可采用兩種方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的協(xié)同化設(shè)計(jì)，其一是采用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，該方式是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)以及STEP標(biāo)準(zhǔn)。XML（即系統(tǒng)基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）技術(shù)，IGES標(biāo)準(zhǔn)（即利用圖形數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)）和STEP標(biāo)準(zhǔn)（即產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)），使用商業(yè)化或編制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，從而實(shí)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(duì)三維建模軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在工作端嵌入相應(yīng)開(kāi)發(fā)模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)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(jì)原型系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。
1 產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)
1.1 產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)概述
產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括多種設(shè)計(jì)項(xiàng)目?jī)?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(jì)算手段分析建模，初步制定制造計(jì)劃和概算等。通常狀況下，這階段工作必須通過(guò)設(shè)計(jì)方案、確認(rèn)架構(gòu)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、仿真和樣機(jī)測(cè)試性能、效果等過(guò)程對(duì)方案的可行性、有效性進(jìn)行最終檢驗(yàn)。此階段工作涉及諸多不同類(lèi)型資源，譬如產(chǎn)品市場(chǎng)情況和開(kāi)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(kù)、仿真設(shè)計(jì)（數(shù)字化）、物理及樣機(jī)模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)實(shí)施所需諸多設(shè)施、裝置等[1]，不過(guò)上述資源多數(shù)散布于多處。
利用遠(yuǎn)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(jì)階段中MATLAB優(yōu)化解析方法的推廣利用。在特殊條件下，運(yùn)用MATLAB優(yōu)化分析方法遠(yuǎn)程優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的前提要件是確定模型參數(shù)，通過(guò)增加產(chǎn)品性能、模型設(shè)計(jì)和優(yōu)化的多個(gè)參數(shù)，輔助改進(jìn)設(shè)計(jì)，必然有益于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，還能夠擴(kuò)大系統(tǒng)運(yùn)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(duì)于持有此資源的主體來(lái)說(shuō)，能夠提升利用此資源的整體效率，提高利潤(rùn)水平，另外利用此資源主體所需費(fèi)用較少，因此整個(gè)研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中所耗成本也更低，產(chǎn)品在市場(chǎng)上自然具備更強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1.2 產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程
產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述如下。
（1）方案設(shè)計(jì)。此階段工作主要包含下述兩個(gè)內(nèi)容：第一，企業(yè)根據(jù)顧客要求設(shè)計(jì)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(jì)方案均需交換許多不同類(lèi)型數(shù)據(jù)和資料，最終必然能夠確定最優(yōu)設(shè)計(jì)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(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，運(yùn)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(jì)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)已經(jīng)優(yōu)化確定的產(chǎn)品方案，運(yùn)用CAD程序完成建模，并協(xié)同完成裝配過(guò)程。
（4）樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。在車(chē)間內(nèi)產(chǎn)出樣機(jī)，對(duì)踴進(jìn)行性能測(cè)試，研究驗(yàn)證產(chǎn)品性能，保證性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析
許多機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過(guò)程可分為3個(gè)部分：合成和分析、評(píng)價(jià)以及更改參數(shù)3個(gè)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(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)性能以及設(shè)計(jì)要求之間的關(guān)系，這是對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型的處理。產(chǎn)品的性能和設(shè)計(jì)要求的分析，相當(dāng)于評(píng)估目標(biāo)函數(shù)是否改善或達(dá)到最佳，即測(cè)試數(shù)學(xué)模型中的約束每一條都滿(mǎn)足。選擇參數(shù)部分是利用不同優(yōu)化方法，使該目標(biāo)函數(shù)（數(shù)學(xué)模型）求解，并根據(jù)該優(yōu)化方法來(lái)求得最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提是選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法。而哪一種方法最優(yōu)，主要根據(jù)具體設(shè)計(jì)優(yōu)化的問(wèn)題情況、特點(diǎn)和具體設(shè)計(jì)來(lái)定。通常來(lái)講，可以有下述幾點(diǎn)評(píng)價(jià)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(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例
機(jī)械層面的設(shè)計(jì)優(yōu)化視為協(xié)同設(shè)計(jì)工作平臺(tái)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之一，通過(guò)傳送輸入/出文件，可以在異地完成計(jì)算并運(yùn)用結(jié)果，下面以齒輪減速器為案例說(shuō)明基于Web的協(xié)同設(shè)計(jì)下的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，案例中所選擇的優(yōu)化算法為遺傳算法（Genetic Algorithm，簡(jiǎn)稱(chēng)GA）。這是一個(gè)模擬達(dá)爾文生物遺傳進(jìn)化選擇歷程檢索獲取最優(yōu)結(jié)果的方法[2]。在機(jī)械層面的設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題中，運(yùn)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)方案都最優(yōu)的更好解。該研究運(yùn)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(jiǎn)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(jì)優(yōu)化、輸入/輸出、造型產(chǎn)出4個(gè)主體模塊。其中第一個(gè)模塊的主要任務(wù)是：完成齒輪設(shè)計(jì)過(guò)程線(xiàn)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(xiàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)模塊主要應(yīng)用Matlab語(yǔ)言，根據(jù)從第三個(gè)模塊獲取的轉(zhuǎn)速、傳遞功率、負(fù)載性質(zhì)以及傳動(dòng)比等數(shù)個(gè)已經(jīng)確定的參數(shù)數(shù)據(jù)，運(yùn)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(jì)[3]。其中第三個(gè)模塊主要負(fù)責(zé)：運(yùn)用完成VB、Matlab、 SolidWorks API多個(gè)軟件中數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)改用。其中第四個(gè)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(jì)的協(xié)同工作端自動(dòng)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(biāo)函數(shù)為齒輪減速器體積最小，同時(shí)，在選擇齒輪強(qiáng)度的影響參數(shù)時(shí)使用以下4個(gè)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(gè)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量建立數(shù)學(xué)模型。
（1）設(shè)計(jì)變量。
（2）目標(biāo)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(shí)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(guò)主要包含信息正向傳播與誤差的反向傳播兩個(gè)過(guò)程。BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模式識(shí)別、函數(shù)逼近和數(shù)據(jù)壓縮方面都顯示出較強(qiáng)的映射能力[4]。下面是齒形系數(shù)YFa計(jì)算關(guān)系映射的實(shí)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(shí)現(xiàn)。
第三步，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。利用訓(xùn)練函數(shù)train實(shí)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(jì)算任意齒數(shù)zv0時(shí)的齒形系數(shù)YFa0，通過(guò)sim函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)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(shí)精度達(dá)到很高水平，滿(mǎn)足要求。
3.3 遺傳算法程序?qū)崿F(xiàn)
該文運(yùn)用遺傳算法來(lái)計(jì)算優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)，結(jié)合運(yùn)用Matlab軟件中的遺傳工具箱完成優(yōu)化，整個(gè)過(guò)程不僅簡(jiǎn)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(jì)變量。
②目標(biāo)函數(shù)。
③約束條件。
（2）建立目標(biāo)函數(shù)的m文件FitnessFcn.m文件內(nèi)容如下。
（3）建立非線(xiàn)性約束的m文件nonlconfun.m；文件內(nèi)容如下。
（4）把線(xiàn)性約束所對(duì)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(guò)程中，還能夠運(yùn)用動(dòng)態(tài)DLL鏈接庫(kù)、DDE數(shù)據(jù)和ActiveX自動(dòng)化3種技術(shù)手段，具體詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。該研究運(yùn)用ActiveX技術(shù)，利用VB編程時(shí)調(diào)取Matlab優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)程序的部分代碼如下：
當(dāng)齒輪優(yōu)化分析計(jì)算完畢，齒輪優(yōu)化分析結(jié)果上傳并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，但此時(shí)非優(yōu)化設(shè)計(jì)客戶(hù)端用戶(hù)只能瀏覽及下d計(jì)算數(shù)據(jù)文本，如果客戶(hù)端沒(méi)有安裝二次開(kāi)發(fā)模塊，仍然無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模處理，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)工作端需要對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以SolidWorks軟件為例，可以運(yùn)用ActiveX技術(shù)和API函數(shù)，結(jié)合VB語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)SolidWorks，運(yùn)用優(yōu)化所得結(jié)果實(shí)現(xiàn)齒輪的三維參數(shù)化造型在所開(kāi)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(kāi)，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(xiàng)。
…
4 結(jié)語(yǔ)
該文探討了基于Web的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)框架下，產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)部分作為協(xié)同設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分（工作端）的優(yōu)化過(guò)程，并以齒輪優(yōu)化分析作為具體案例進(jìn)行分析，文中融合了編程開(kāi)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(jì)變量時(shí)，設(shè)計(jì)的優(yōu)化，使得優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)工作效率得到提升，繼而實(shí)現(xiàn)了整體設(shè)計(jì)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(gè)工作端進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換最終將此優(yōu)化實(shí)現(xiàn)和三維參數(shù)化造型結(jié)合融于一體，在諸個(gè)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(jì)齒輪工作效率和品質(zhì)，加快系統(tǒng)制造速度。
參考文獻(xiàn)
[1] 周偉.基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)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(chǎng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)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(guò)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(huì)縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，產(chǎn)品的成本也會(huì)降低，產(chǎn)品提高市場(chǎng)的占有率和競(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)提高。所以在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)是滿(mǎn)足市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。
1 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
目前，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，很多的機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中都會(huì)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，才用優(yōu)化設(shè)計(jì)能解決結(jié)構(gòu)重量擴(kuò)展到降低應(yīng)力水平，還還能改進(jìn)結(jié)構(gòu)性能以及提高產(chǎn)品安全壽命等問(wèn)題。
對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用方法有：用遺傳算法對(duì)空間桿桁架的桿截面進(jìn)行尺寸優(yōu)化，從而得到空間桁架較好的結(jié)構(gòu)。對(duì)一些結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有：用數(shù)值解法計(jì)算機(jī)械產(chǎn)品的形狀優(yōu)化，并采用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法進(jìn)行形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面介紹下在振動(dòng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的對(duì)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(duì)開(kāi)式截面的結(jié)構(gòu)，作用很明顯；而對(duì)閉式結(jié)構(gòu)作用影響不大。筋板作為壁板加強(qiáng)時(shí)，剛度作用增強(qiáng)，能抵抗局部變形。
無(wú)論采用何種優(yōu)化方法，在迭代過(guò)程中求解目標(biāo)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(biāo)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(jì)變量的高階非線(xiàn)性函數(shù)。如果采用經(jīng)典的力學(xué)公式能獲得滿(mǎn)足工程要求的結(jié)果，則在優(yōu)化過(guò)程中，不斷調(diào)用這些公式計(jì)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(dá)為顯式，因而計(jì)算所化的時(shí)間和存儲(chǔ)量以當(dāng)前的計(jì)算機(jī)技術(shù)看來(lái)是不難做到的。但是，對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，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(jī)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(lèi)問(wèn)題，包括靜力、動(dòng)力、彈塑性、熱傳導(dǎo)等，因此，隨著計(jì)算機(jī)的軟件和硬件技術(shù)快速發(fā)展，在過(guò)去經(jīng)常被視作瓶頸的計(jì)算速度和存儲(chǔ)量，對(duì)于一般的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)不是太大的問(wèn)題時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中越來(lái)越多地采用數(shù)學(xué)規(guī)劃+數(shù)值計(jì)算的模式。這種模式最大的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性好，使用方便，適合各類(lèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)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(jì)。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(duì)于大規(guī)模的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，特別是涉及動(dòng)力、可靠性問(wèn)題，如果單次有限元分析的時(shí)間就很長(zhǎng)，再加上求偏導(dǎo)數(shù)時(shí)的重分析時(shí)間將可能使求解變得過(guò)于耗時(shí)，以致不可行。
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用趨勢(shì)
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(lái)， 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(jì)偏向于采用接近實(shí)際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型來(lái)模擬一些大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 由于設(shè)計(jì)的變量數(shù)目比較大，所以研究新的準(zhǔn)則優(yōu)化方法非常受到重視，但是如何去針對(duì)一些特殊的結(jié)構(gòu)才設(shè)計(jì)相應(yīng)的公式，解決在數(shù)值計(jì)算與推導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題，同時(shí)還可以使用一些機(jī)械系統(tǒng)的分解與優(yōu)化方法， 在機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，可以按優(yōu)化多級(jí)分解或進(jìn)行子結(jié)構(gòu)分解，對(duì)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(gè)子問(wèn)題之間的耦合關(guān)系，比如可以通過(guò)采用線(xiàn)性分解和使用最優(yōu)解對(duì)參數(shù)的靈敏度等方法來(lái)建立起耦合關(guān)系，讓一些子問(wèn)題的解相容，從而確保迭代收斂，但是問(wèn)題是怎樣保證一定能求解。并采用計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(lái)被機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展很快。它們對(duì)連續(xù)混合與離散變量的全局優(yōu)化， 這對(duì)發(fā)展結(jié)構(gòu)近似重分析的專(zhuān)家系統(tǒng)有重要的作用?，F(xiàn)在的問(wèn)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?fù)鋬?yōu)化和材料優(yōu)化的集成在機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中具有非常重要的價(jià)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(diǎn)。
拓?fù)鋬?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(jì)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(shí)際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?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(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)算量非常大，應(yīng)力需要約束處理、對(duì)“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失有可能會(huì)引起計(jì)算模型病態(tài)等問(wèn)題。
機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的具有非常重要的實(shí)用價(jià)值，如要解決優(yōu)化設(shè)計(jì)中有限元模型的龐大性問(wèn)題、多學(xué)科設(shè)計(jì)與解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題交叉問(wèn)題。對(duì)于機(jī)械設(shè)備、結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的健壯性與可靠性是機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)非常關(guān)心的問(wèn)題， 綜合考慮健壯性、可靠性及成本的全性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、理論及其應(yīng)用，則會(huì)給出更加接近實(shí)際的結(jié)果，應(yīng)當(dāng)應(yīng)予重視[3]。在研究這類(lèi)問(wèn)題中，對(duì)包括隨機(jī)性和模糊性的不確定因素也應(yīng)當(dāng)應(yīng)予注意。為增強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)盡可能的為工程實(shí)際所服務(wù)， 進(jìn)一步開(kāi)展設(shè)計(jì)的實(shí)用性。所以開(kāi)發(fā)和完善通用性的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)變得十分迫切。
從近幾年來(lái)國(guó)家自然科學(xué)基金所資助的項(xiàng)目來(lái)看，單就機(jī)械學(xué)科相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的項(xiàng)目就有將近20項(xiàng)，其中包括廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)，模糊優(yōu)化，全性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，分解優(yōu)化設(shè)計(jì)，可靠性?xún)?yōu)化，人機(jī)一體化設(shè)計(jì)與光機(jī)電一體化，有機(jī)械傳動(dòng)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(jī)電耦合設(shè)計(jì)理論與方法與系統(tǒng)解耦研究以及機(jī)電產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)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(jì)方法， 面向產(chǎn)品的創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)等課題， 這些方面的研究充分反映出我國(guó)已經(jīng)非常重視機(jī)械設(shè)計(jì)的研究工作和機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向[4]。
參考文獻(xiàn)
[1] 張紅友.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少建筑投資成本[J].陜西建筑，2008（11）.
中圖分類(lèi)號(hào)：F407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
引言
機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，隨之而來(lái)的是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的不斷提高，因此，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要在滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，改變?cè)瓉?lái)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的功能充分發(fā)揮創(chuàng)造力，綜合運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)，借鑒優(yōu)秀的研究成果，在全新的設(shè)計(jì)理念和基本設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，創(chuàng)造出更具有價(jià)值的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
1、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述
對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)而言，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方法生產(chǎn)出來(lái)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(jià)值和特性進(jìn)行選擇，充分利用機(jī)械結(jié)構(gòu)材料自身的性能；同時(shí)，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(huì)明顯降低；切削加工過(guò)程中，選用切削加工費(fèi)用低的方法；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)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(biāo)準(zhǔn)刀具以及量具，適合標(biāo)注尺寸等
2、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則
2.1應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)用要求
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)可以有效實(shí)現(xiàn)預(yù)定的指標(biāo)；同時(shí)，還要確保設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可有效完成任務(wù)，滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、精確度以及使用壽命的要求，同時(shí)還要確保該機(jī)械結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中的安全可靠性。
2.2應(yīng)當(dāng)有效滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求
對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，其經(jīng)濟(jì)性實(shí)際上是一個(gè)綜合性的指標(biāo)，全面體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用全過(guò)程。其中，設(shè)計(jì)與制造經(jīng)濟(jì)性，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的成本有效控制；應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性，主要表現(xiàn)在高生產(chǎn)率、高效率等方面，同時(shí)還要求維護(hù)費(fèi)用較低。這些都是設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)充分考慮的問(wèn)題。
2.3應(yīng)當(dāng)關(guān)注機(jī)械設(shè)備操作人員的安全
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意技術(shù)安全問(wèn)題，最大限度地去改善操作人員的勞動(dòng)條件、強(qiáng)度；同時(shí)，還要注意機(jī)械結(jié)構(gòu)外形的美觀(guān)度，并能有效滿(mǎn)足特殊要求，比如機(jī)床在長(zhǎng)期應(yīng)用中的精度、大型機(jī)械的運(yùn)輸方便性等。
2.4與質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)相適應(yīng)
由于機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器產(chǎn)品的基本組成要素，因此對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的要求十分嚴(yán)格，但質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)越高，用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造上的成本和時(shí)間也越多，當(dāng)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，再添加其它的要求勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致工時(shí)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(lái)的結(jié)構(gòu)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)最理想的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)工藝性必須在滿(mǎn)足使用條件的前提下與質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)最高的實(shí)用性和最大的經(jīng)濟(jì)效益。
3、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
3.1理論設(shè)計(jì)
理論設(shè)計(jì)主要以人們已掌握的合乎規(guī)律的理論和實(shí)踐知識(shí)為基礎(chǔ)，結(jié)合理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、金屬學(xué)等理論知識(shí)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的整體載荷情況，運(yùn)用理論計(jì)算公式確定結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。結(jié)構(gòu)的尺寸計(jì)算必須滿(mǎn)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(yùn)用計(jì)算公式初步確定機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸及形狀后，再利用校核計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)剖面的安全系數(shù)計(jì)算值進(jìn)行校核。這個(gè)過(guò)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(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也適用于應(yīng)力分布規(guī)律簡(jiǎn)單但必須已知結(jié)構(gòu)尺寸的情況，如軸和彈簧的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一些具有足夠?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工作者也常為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，在粗略的估算和相關(guān)資料的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后采用校核計(jì)算。理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是熟知機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料性能和應(yīng)力分布規(guī)律，是經(jīng)過(guò)大量感性知識(shí)而總結(jié)出來(lái)的設(shè)計(jì)規(guī)律，因此是一種具有一定科學(xué)性和先進(jìn)性的設(shè)計(jì)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(jì)當(dāng)作完美的機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
3.2模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要針對(duì)一些尚無(wú)法運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)分析的大型的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有一定重要性的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，就是對(duì)結(jié)構(gòu)作出初步設(shè)計(jì)，形成模型，對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以修改。這種設(shè)計(jì)方法同樣也是對(duì)理論不足的一種彌補(bǔ)，同時(shí)也有效地避免了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中缺乏科學(xué)性的成分。模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為理論設(shè)計(jì)的途徑之一。
3.3經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法
即實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)某類(lèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)現(xiàn)有設(shè)計(jì)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)設(shè)計(jì)人員自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選一類(lèi)比法進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然該種方法沒(méi)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(jì)性特點(diǎn)，因此應(yīng)用價(jià)值也比較大。實(shí)踐中可以看到，因該種方法是基于通過(guò)實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，所以它經(jīng)得起實(shí)踐檢驗(yàn)。比如，機(jī)架以及變速箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法便可在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加以應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上它是理論設(shè)計(jì)的初級(jí)方法。
4、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展展望
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(lái)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)趨向于采用接近實(shí)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(jì)變量數(shù)目大，研究新的有效的準(zhǔn)則優(yōu)化方法受到重視，但仍有如何去解決針對(duì)各種特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題建立相應(yīng)的公式，解決解析推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題；再是使用大型系統(tǒng)的分解優(yōu)化方法，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以按子結(jié)構(gòu)分解或者進(jìn)行多級(jí)分解優(yōu)化，對(duì)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(gè)子問(wèn)題之間的稿合關(guān)系，比如通過(guò)使用最優(yōu)解對(duì)參數(shù)的靈敏度和采用線(xiàn)性分解等法建立起稿合關(guān)系，使得子問(wèn)題的解相容，從而保證迭代收斂，問(wèn)題是如何保證一定能求解。并行計(jì)算技術(shù)引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)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(lái)被引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并發(fā)展很快。它們對(duì)離散與連續(xù)混合變量的全局優(yōu)化，對(duì)發(fā)展結(jié)構(gòu)近似重分析的專(zhuān)家系統(tǒng)有其獨(dú)到之處?，F(xiàn)在的問(wèn)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?fù)鋬?yōu)化、材料優(yōu)化和形狀優(yōu)化的集成在機(jī)械結(jié)構(gòu)和部件設(shè)計(jì)中具有重要的實(shí)用價(jià)值，是近年來(lái)出現(xiàn)的并行設(shè)計(jì)的重要組成部分，仍將是下一步研究工作的重點(diǎn)。拓?fù)鋬?yōu)化能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)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(jì)階段即可靈活地、理性地優(yōu)選方案，有望用于大型實(shí)際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)求解。但是要處理龐大的有限元和優(yōu)化模型計(jì)算量增大，應(yīng)力約束處理、對(duì)“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失可能會(huì)對(duì)計(jì)算模型造成病態(tài)等問(wèn)題。
從近幾年來(lái)國(guó)家自然科學(xué)基金所資助的內(nèi)容來(lái)看，單就機(jī)械學(xué)科涉及優(yōu)化設(shè)計(jì)的項(xiàng)目就有近20項(xiàng)，有廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)，全性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，模糊優(yōu)化，可靠性?xún)?yōu)化，分解優(yōu)化設(shè)計(jì)，光機(jī)電一體化與人機(jī)一體化設(shè)計(jì)，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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)性能優(yōu)化，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)解稿與稿合設(shè)計(jì)理論與方法研究，機(jī)電產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)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(jì)，軋制件模具的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法等課題，反映我國(guó)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?fù)鋬?yōu)化，多學(xué)科優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化建模，可靠性問(wèn)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(wèn)題求解，因特網(wǎng)應(yīng)用等都是繼續(xù)深入研究的熱門(mén)課題。
結(jié)束語(yǔ)
機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)思想重視和設(shè)計(jì)思路創(chuàng)新，只有這樣才能確保設(shè)計(jì)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
現(xiàn)有工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常見(jiàn)的問(wèn)題
現(xiàn)有的工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)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(wèn)題,導(dǎo)致工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)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(rèn)識(shí)到目前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的各種問(wèn)題,然后采取針對(duì)性的措施加以解決,目前工程機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及設(shè)備存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不夠齊全由于應(yīng)用到工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各種配件不夠齊全,型號(hào)不一,類(lèi)型不同,因此各種測(cè)量型的儀表組合并不能完全滿(mǎn)足工程機(jī)械的監(jiān)測(cè)要求,從而造成對(duì)工程機(jī)械的一體化監(jiān)測(cè)無(wú)法發(fā)揮擁有的功能,存在諸多問(wèn)題,其中一個(gè)突出表現(xiàn)就是監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目不齊全。工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目涉及的范圍和領(lǐng)域非常豐富,常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含了電流、氣壓、電流、氣壓、油壓、油溫、水溫、轉(zhuǎn)速等,而對(duì)于這些項(xiàng)目?jī)H僅依靠一個(gè)設(shè)備或者不同類(lèi)型的設(shè)備組合是不行的,因此在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不夠齊全,直接影響了工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)的效果和質(zhì)量,例如關(guān)于電壓的監(jiān)測(cè)設(shè)備就一般具有對(duì)油壓的監(jiān)測(cè)功能,無(wú)法計(jì)算相應(yīng)的流量和工作時(shí)間數(shù)等。監(jiān)測(cè)設(shè)備質(zhì)量不過(guò)關(guān),無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常化多數(shù)用于工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)的設(shè)備在質(zhì)量上由于無(wú)法匹配工程機(jī)械的性能和操作系統(tǒng),因此其監(jiān)測(cè)的儀表過(guò)多而且比較復(fù)雜,其面板的布置也相當(dāng)不方便?，F(xiàn)有的監(jiān)測(cè)儀表大多是很多廠(chǎng)家外購(gòu)的產(chǎn)品,其種類(lèi)型號(hào)都是不同的,因此用于工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)的儀表種類(lèi)繁多,質(zhì)量上無(wú)法完全達(dá)到工程機(jī)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(jī)械一體化的儀盤(pán)表看起來(lái)十分混亂,不容易觀(guān)察和監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù),直接影響到了工程機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的正常化,影響工程機(jī)械一體化的工作效率和質(zhì)量。工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)設(shè)備容易損壞而出現(xiàn)故障在工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中,由于種類(lèi)、型號(hào)繁多,生產(chǎn)廠(chǎng)家不同導(dǎo)致其在工作中無(wú)法正常運(yùn)行。再加上在運(yùn)行中,如果工程機(jī)械的操作使用人員對(duì)于某個(gè)型號(hào)的設(shè)備的工作原理不能理解,或者理解不透,都會(huì)帶來(lái)種種問(wèn)題。此外受到生產(chǎn)廠(chǎng)家技術(shù)水平的影響,監(jiān)測(cè)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(jī)械在使用與操作過(guò)程中,一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備不能經(jīng)常性的使用,就會(huì)導(dǎo)致這些設(shè)備在工程機(jī)械操作過(guò)程中失去作用,而操作人員只能在工程機(jī)械監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下,完全依靠自身的經(jīng)驗(yàn)去判斷和操作,直接影響了工程機(jī)械的使用效率和質(zhì)量。2.4工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜不容易操作對(duì)于工程機(jī)械一體化的監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō),提高其系統(tǒng)的操作性將是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前很多機(jī)械上的監(jiān)測(cè)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(cè)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(qiáng)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難度而且對(duì)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(jī)械一體化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分必要的。
工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容
中央處理器可采用目前比較成熟的單片機(jī)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(jī)TMP87CH46N/47U為例,其ROM為16kB,RAM為512kB,有8個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器,2個(gè)8位計(jì)時(shí)器和2個(gè)16位計(jì)時(shí)器等,且具有功能強(qiáng)大的指令系統(tǒng),其RAM可實(shí)時(shí)采集并存貯機(jī)械在一定時(shí)間內(nèi)的測(cè)量參數(shù),需要時(shí)可通過(guò)處理器的輸出接口輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)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(jī)械的使用要求。目前常見(jiàn)的此種顯示屏可具有內(nèi)置國(guó)標(biāo)漢字庫(kù)、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(cè)數(shù)據(jù),即直觀(guān),又準(zhǔn)確,完全可以適應(yīng)工程機(jī)械監(jiān)測(cè)的顯示之用。控制裝置可隨時(shí)控制顯示模式,選定顯示參數(shù),各測(cè)量參數(shù)即可固定顯示,也可按控制裝置的設(shè)定自動(dòng)輪流顯示。系統(tǒng)開(kāi)始工作后,各個(gè)傳感器直接將收集的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換然后發(fā)送至處理器,處理器通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并進(jìn)行判斷,如果經(jīng)過(guò)分析判斷系統(tǒng)為正常狀態(tài),那么則繼續(xù)監(jiān)測(cè)工作,如果判斷系統(tǒng)為異常,則開(kāi)始報(bào)警。然后系統(tǒng)會(huì)自行開(kāi)始對(duì)出現(xiàn)的故障和問(wèn)題進(jìn)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(guò)診斷發(fā)現(xiàn)不了原因,則需要將發(fā)生故障時(shí)的各種技術(shù)參數(shù)記錄下來(lái),然后借助專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)將這些故障記錄下來(lái),從而形成知識(shí)庫(kù)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件利用中央處理器自身的控制指令,用匯編語(yǔ)言編寫(xiě),通過(guò)編程器輸入CPU,機(jī)械啟動(dòng)后,該系統(tǒng)自動(dòng)加電啟動(dòng),經(jīng)對(duì)各端口及寄存器進(jìn)行初始化后,開(kāi)始接收各傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù),并對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,經(jīng)端口檢驗(yàn),將接收到的數(shù)據(jù)與該端口測(cè)量參數(shù)的故障極限數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,若超出正常數(shù)據(jù)值,則經(jīng)聲光方式給予報(bào)警,若所測(cè)數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi),則不予報(bào)警,并將數(shù)據(jù)存入RAM,然后將數(shù)據(jù)送入顯示模塊進(jìn)行顯示。為有效利用該系統(tǒng)的功能,各測(cè)量數(shù)據(jù)由軟件設(shè)計(jì)自動(dòng)存入其RAM內(nèi),需要時(shí)可通過(guò)系統(tǒng)的輸出接口輸入到外部計(jì)算機(jī)內(nèi),在計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析,以進(jìn)一步了解其工作狀況及故障發(fā)生時(shí)的情況。從以上分析來(lái)看,關(guān)于工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)工程機(jī)械自身的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行,系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)基本目標(biāo)是要注重監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性有穩(wěn)定性,要在注重經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),采取一些相對(duì)簡(jiǎn)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(cè)系統(tǒng)的整體性能。
加強(qiáng)工程機(jī)械一體化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),已經(jīng)成為改善工程機(jī)械一體化作業(yè)精確度和效率的重要途徑。針對(duì)目前監(jiān)測(cè)設(shè)備容易出現(xiàn)各種問(wèn)題的實(shí)際情況,本文對(duì)于工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,可以在某種程度上解決當(dāng)前工程機(jī)械一體化操作帶來(lái)的問(wèn)題,從而提高工程機(jī)械一體化運(yùn)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,將微電子控制技術(shù)作為核心的機(jī)電一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)必將在工程機(jī)械使用以及操作、改造中發(fā)揮重要的作用,極大推動(dòng)工程機(jī)械自身性能的改進(jìn)和技術(shù)的創(chuàng)新,這對(duì)于推動(dòng)工程機(jī)械技術(shù)的發(fā)展,提高工程機(jī)械的使用效率,將產(chǎn)生重要的影響和價(jià)值。相信未來(lái)機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍將會(huì)更加的廣泛和深入,因此工程機(jī)械一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)作為一個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究課題具有深遠(yuǎn)的意義。
中圖分類(lèi)號(hào)：C35文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
一、機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用概況
在機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論中，其根本思想是按照產(chǎn)品功能的要求來(lái)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)需要改進(jìn)的部分進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，并做動(dòng)態(tài)性分析，然后根據(jù)產(chǎn)品在動(dòng)態(tài)性上的要求或預(yù)定的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的修改、再設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足機(jī)械結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)性上的設(shè)計(jì)要求。
目前，機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)在我國(guó)的機(jī)械行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，其在汽車(chē)、航空航天、船舶行業(yè)、建筑機(jī)械等行業(yè)中均取得了重大的成果。在汽車(chē)行業(yè)中，隨著社會(huì)的發(fā)展和人們需求的更新，汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了客車(chē)車(chē)身輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)、汽車(chē)車(chē)身形態(tài)仿生的優(yōu)化設(shè)計(jì)、汽車(chē)車(chē)身安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及面向行人下肢碰撞保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等目標(biāo)。在航空航天行業(yè)，其作為國(guó)家科學(xué)技術(shù)綜合水平和實(shí)力的體現(xiàn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)上。在船舶行業(yè)，我國(guó)經(jīng)過(guò)自主創(chuàng)新研究，對(duì)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(jì)進(jìn)行了研究，旨在提高船舶行業(yè)各研究對(duì)象的性能。與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在高速公路瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)、液壓縮管機(jī)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(jì)上也發(fā)揮著重要的作用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
二、優(yōu)化策略與流程
1.優(yōu)化策略結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)變量的類(lèi)型和求解難易程度，可分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化三個(gè)層次，每個(gè)層次對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)階段。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)化，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)：首先，根據(jù)產(chǎn)品功能要求建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，將剛度、強(qiáng)度等約束條件參數(shù)化，利用拓?fù)鋬?yōu)化方法計(jì)算冗余材料所在單元（即要?dú)⑺赖膯卧?，并進(jìn)行冗余材料邊界單元和節(jié)點(diǎn)的遍歷搜索，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)資源情況建立邊界關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)原模型進(jìn)行參數(shù)化變形設(shè)計(jì)，得到拓?fù)鋬?yōu)化后的模型；然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性要求對(duì)其進(jìn)行邊界形狀優(yōu)化和尺寸參數(shù)的優(yōu)化，并通過(guò)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)模型的更新，最終得到滿(mǎn)足剛、強(qiáng)度要求的CAD模型。
2.三級(jí)優(yōu)化流程
在參數(shù)優(yōu)化三級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，拓?fù)鋬?yōu)化階段主要通過(guò)變密度法求解密度較小的單元，自動(dòng)生成拓?fù)鋬?yōu)化后的概念模型。形狀優(yōu)化階段首先針對(duì)前期優(yōu)化結(jié)果模型進(jìn)行微小單元的去除，充分利用曲線(xiàn)擬合技術(shù)構(gòu)建密度較小的冗余單元邊界關(guān)鍵點(diǎn)組成的輪廓，并根據(jù)零部件生產(chǎn)資源情況進(jìn)行邊界形狀的修正，通過(guò)參數(shù)化變形設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)原模型進(jìn)行布爾減操作，得到拓?fù)鋬?yōu)化后的CAD模型，將其導(dǎo)入CAE系統(tǒng)，然后通過(guò)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(jì)變量及其變化范圍，建立目標(biāo)函數(shù)，然后通過(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)模型，生成優(yōu)化結(jié)果模型。方法流程如圖1所示。
三、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析
1.機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化
過(guò)去一般機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，而對(duì)于機(jī)械零部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很少涉及。但是，隨著人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新意識(shí)的提高，特別是機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的提出和應(yīng)用，人們對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求――機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。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?fù)鋬?yōu)化，推動(dòng)了連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化發(fā)展。同時(shí)，連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化已經(jīng)從平面問(wèn)題擴(kuò)展到板殼和三維連續(xù)體問(wèn)題。另外，一些新的方法，如生物生長(zhǎng)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?fù)鋬?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(shí)例。機(jī)械結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化將把結(jié)構(gòu)優(yōu)化推到一個(gè)新的、更高的產(chǎn)品設(shè)計(jì)層次。
2.機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化
在機(jī)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(duì)機(jī)械零部件的性能影響很大。因此，機(jī)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(jì)80年代開(kāi)始，機(jī)械行業(yè)開(kāi)始興起結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的研究，Haftka、Ding和Hassani進(jìn)行了綜述，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了許多該方面的研究成果，伊莉、錢(qián)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(jì)；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(duì)應(yīng)于彈塑性結(jié)構(gòu)響應(yīng)的拓?fù)渑c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(shí)提出了半解析法，并被普遍采用。機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化也是提高零部件機(jī)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(jì)的重要研究領(lǐng)域，特別是機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，優(yōu)化迭代次數(shù)很多。因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)優(yōu)化算法要求很高，主要要求優(yōu)化算法具有強(qiáng)收斂性、高可靠性、強(qiáng)穩(wěn)定性等，研究人員不斷地進(jìn)行優(yōu)化算法的發(fā)展和改進(jìn)。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(jì)問(wèn)題的求解，優(yōu)化準(zhǔn)則法也是一種有效的算法，國(guó)內(nèi)也開(kāi)發(fā)了一些優(yōu)化設(shè)計(jì)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(kù)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(wèn)題的求解，用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)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(guò)研究人員的努力，一定能夠在機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到推廣和應(yīng)用。
四、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展展望
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(lái)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)趨向于采用接近實(shí)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(jì)變量數(shù)目大，研究新的有效的準(zhǔn)則優(yōu)化方法受到重視，但仍有如何去解決針對(duì)各種特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題建立相應(yīng)的公式，解決解析推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題；再是使用大型系統(tǒng)的分解優(yōu)化方法，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以按子結(jié)構(gòu)分解或者進(jìn)行多級(jí)分解優(yōu)化，對(duì)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(gè)子問(wèn)題之間的稿合關(guān)系，比如通過(guò)使用最優(yōu)解對(duì)參數(shù)的靈敏度和采用線(xiàn)性分解等法建立起稿合關(guān)系，使得子問(wèn)題的解相容，從而保證迭代收斂，問(wèn)題是如何保證一定能求解。并行計(jì)算技術(shù)引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)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(lái)被引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并發(fā)展很快。它們對(duì)離散與連續(xù)混合變量的全局優(yōu)化，對(duì)發(fā)展結(jié)構(gòu)近似重分析的專(zhuān)家系統(tǒng)有其獨(dú)到之處。現(xiàn)在的問(wèn)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?fù)鋬?yōu)化、材料優(yōu)化和形狀優(yōu)化的集成在機(jī)械結(jié)構(gòu)和部件設(shè)計(jì)中具有重要的實(shí)用價(jià)值，是近年來(lái)出現(xiàn)的并行設(shè)計(jì)的重要組成部分，仍將是下一步研究工作的重點(diǎn)。拓?fù)鋬?yōu)化能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)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(jì)階段即可靈活地、理性地優(yōu)選方案，有望用于大型實(shí)際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)求解。但是要處理龐大的有限元和優(yōu)化模型計(jì)算量增大，應(yīng)力約束處理、對(duì)“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失可能會(huì)對(duì)計(jì)算模型造成病態(tài)等問(wèn)題。動(dòng)態(tài)特性?xún)?yōu)化是機(jī)械系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究的一個(gè)重要方向f}P-zo。特征向量、動(dòng)力響應(yīng)量的靈敏度分析、高度密集頻率的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，大型動(dòng)力優(yōu)化問(wèn)題的建模和求解方法，非線(xiàn)性分析在優(yōu)化中的應(yīng)用，使優(yōu)化技術(shù)的作用從對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化延伸到加工工藝過(guò)程的優(yōu)化，仍是極富有研究和應(yīng)用價(jià)值。
綜上所述，未來(lái)，機(jī)械行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)的運(yùn)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(jìn)步。
參考文獻(xiàn)：
