机械优化设计范文

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

作用。

2 现代工业的优化设计应用

现代高新设计方法在机械优化设计中的应用已越来越广泛。但应该看到，现代的设计不仅仅是单一的完成给定产品的设计，而应该要将产品使用及设备维修等因素统一进行考虑。所以，机械优化设计在强调环保设计和可靠性设计等考虑综合性因素的机械优化设计应用工作更为活跃，机械优化设计的应用领域更加广泛，涉及到航空航天工程机械及通用机械与机床的机械优化设计；涉及到水利、桥梁和船舶机械优化设计；涉及到汽车和铁路运输行业及通讯行业机械优化设计；涉及到轻工纺织行业、能源工业和军事工业机械优化设计；涉及到建筑领域机械优化设计；涉及到石油及石化行业机械优化设计；涉及到食品机械等机械优化设计。机械优化设计的应用还能够解决具有复杂结构的系统问题。

2.1 优化设计网络软件的应用

优化算法的研究已经有所成绩，利用网络平台逐渐开发一些工业化在线优化软件，便于工业设计使用。对于在线机械优化设计软件来说，亟待解决的问题就是模型问题，对于非常复杂的系统来说，结构、流程、物料和系统参数等，都非常复杂，如果计算对象比较模糊，运算效率会受到严重的影响，这就给在线优化软件带来了巨大的困难。为了解决这种情况，通过合适的算法解决辨别模型，结合神经网络和学习特点进行数据的识别，让在线优化软件也能够良好的应用于各种模型，比如国内比较成熟的 NEUMAX 软件包，基于神经遗传算法的在线优化软件包，都能够良好的实现各种模型的遗传算法，这些软件已经成功应用于甲醇合成机械设计的优化工作中。

2.2 优化设计在MATLAB中的应用

在机械设计中引入优化设计方法不仅能使设计的机械零件满足性能要求，还能使其在某些特定方面达到最优。利用 MATLAB优化工具箱求解机械优化设计问题不仅避免了传统的设计方法中人工试凑、分析比较过程中的繁杂与重复，而且编程简单、结果可靠。在上述实例中，利用 MATLAB 软件中FEMINCON函数求解夹具设计问题，最 终设计的 夹具要比采用传统设计方法设计的质量轻、成本低，并且设计效率高。

2.3 人工神经网络法在机械优化设计中的应用

人工神经网络是人类模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处理系统，是理论化的人脑神经网络的数学模型。人工神经网络从事例中学习，可以处理非线性问题，特别擅长处理那些需要人直观判断的信息匮乏的问题，如不完全数据集合，模糊信息以及高度复杂问题等。人工神经网络应用于优化设计，主要体现在以下两个方面：

Hopfield 网络 2.BP 网络

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1优化设计在农业机械设计中应用的意义

要提高我国农机产品的质量，就要大力提高农机生产制造水平和设计水平，对传统的农机产品设计进行改进。传统的农业机械零部件设计一般采用经验类比，通过力学简单计算来完成。传统的设计优化方式对设计人员的经验要求较高，很多创新设计和优化设计都缺乏数据支持，过度的设计导致机械综合性能提高的同时，制造成本大幅上升。

2优化设计的基本思路

优化设计是从若干种可行性方案中择优选出一种最佳的设计方法，这种选择是以初始数据为基础，采用计算机技术联合实现的。优化设计对软件计算能力和模型构建能力有较高的依赖，近年来随着计算机科技的不断发展和软件开发能力的不断提高，计算机在机械设计中发挥了重要的作用。同时，计算机的发展也使优化设计理念得以实现，优化设计的思路也越来越开阔。

3计算机软件在优化设计中的应用

要实现优化设计在农业机械设计中的应用，先进的软件技术是必不可少的。设计软件是设计者的工具，对于农业机械设计者来讲，能够熟练应用软件完成虚拟制造、实验和测试，对参数进行分析，是实现农业机械优化设计的必要因素[2]。

3.1ANSYS软件

ANSYS软件是一种大型有限元分析软件，由美国ANSYS公司研发，这种软件能够与多种计算机辅助设计软件实现数据的共享和交换，被普遍应用于汽车工业、建筑桥梁等方面设计中。

3.2ADAMS软件

ADAMS软件是一种对机械系统动力学进行自动分析的软件，由美国机械动力公司开发，通过ADAMS软件，能够建立机械系统几何模型，对虚拟机械系统进行动力学分析，预测机械系统的性能、碰撞加速和运动范围等[3]。

4优化设计在农业机械设计中的应用

4.1几何模型的建立

结合设计零部件的特征、材质和其他约束条件，通过Pro/E软件进行几何模型的建立，本次研究基于Pro/E软件应用的基础上，采用旋转建模的方法，建立齿轮轴模型。齿轮过渡段圆的半径R=8.6mm。

4.2模型材料属性设置

模型材料属性包含材料材质、密度、弹性模量、泊松比等。

4.3约束与载荷

齿轮的驱动轴两端，靠的是轴承作为支撑，加载载荷较为复杂，本文通过两种方式加载扭矩，一种是通过运动学模块进行扭矩分析，分析的受力情况信息传递到结构分析模块中；一种是取相近的加载扭矩数值输入到结构分析模块中。经过判定，本文采用第二种方式。沿着轴向建立起圆柱坐标系，加载圆柱面的壳，厚度取值1mm，这种取值也是为了便于分析，然后找到扭矩加载点，进行扭矩加载。这个环节需要注意，驱动力矩要在轴的中部位置加载，扭矩为8600N.mm，在轴的两端加阻力扭矩，两端本别为4300N.mm。

4.4模型分析

在模型分析环节中，完成受力和约束参数设置后，在利用Pro/E软件进行静态模型构建，然后对静态模型进行相应的分析。通过软件对构建模型的分析结果可以确定，最大的应力为16.7N/mm2,而设计所用材料材质为45号钢，最大的屈服应力能够达到350N/mm2以上，钢材的屈服应力范围远远大于设计零部件的最大应力，可见在尺寸选择中相对比较保守。

4.5设计参数的建立

设计的过程主要是模型建立的过程，而在模型建立的过程中，设计者将要建立许多参数，其中包括物理性能参数、结构设计参数等，这些参数代表着所用材料的基本属性和要达到的设计性能，当参数发生了变化，建立的模型性能也将随着发生变化。如果针对所有参数进行优化，将增加设计过程中庞大的计算量，这样就需要设计者对这些参数进行优选，结合不同参数对模型的影响程度，和对设计部件的使用性能的影响，可以优先选择对模型性能影响最大的参数设置，这种处理方式，也体现出优化设计的理念，实现参数选择上的优化，最有效的、影响最大的参数信息将被利用，而影响较小的参数将被忽略。在本次分析案例中，将过渡段尺寸参数当做设计变量，设计变量的初始值为8.6mm。

4.6优化设计

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中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0060-01

机械设计的发展实际上也是社会生产力的进步，而这就集中的体现在了设计者的优化设计当中，在这一过程中，很多的机械设备都要符合社会的发展趋势，而在这之中也存在着非常强的逻辑性。机械的优化设计通常就是指通过建立数学模型的方式来找到最佳设计方案的过程，当前，机械的优化设计也逐渐成为了机械设计过程中非常重要的一个因素。所以当前，对机械设计的优化途径进行简要的分析和探讨是十分必要的。

1、机械优化设计的重要性

这里我们所说的优化设计实际上不仅仅局限于机械设计当中，在社会生产的各个领域都有着比较广泛的应用，优化设计在本质上就是指通过各种各样的方式和手段对研究的步骤和方法进行不断的改进和研究，这样就可以选出很多解决问题的方法和手段，然后再在这些方案当中选择最佳的方案，从而实现了路线选择的优化设计，而在机械的优化设计工作中，主要应该考虑的是以下几个方面的内容。

1.1 优化设计可以充分的保证设计的工艺和质量

在机械设计的过程中，设计人员一定要充分的对设计的主要流程、设计的时间和设计过程中需要用到的成本和功效等问题都进行严格的控制，而在这一过程中更为重要的是设计产品的工艺水准和实际的用途，在设计的过程中也可以将其理解成设计产品的品质和质量，通常我们在实际的工作中，机械产品一般都是需要使用在工业生产和大型的工程项目当中的，其质量的好坏会对整个机械的质量和性能造成十分重大的影响，在这样的情况下我们也就需要重视所以简单的来说就是机械设计的质量一定要放在首要的位置，如果失去了一些质量上的保障，这种机械设计也就无法很好的得到良好的保障，因此在实际的设计中就必须要找准设计的思路和策略，所以在设计的过程中一个非常关键的问题就是保持良好的设计质量和设计工艺，优化设计虽然不能很好的在设计的过程中作为衡量设计质量的唯一标准，但是优化设计在应用的过程中可以为施工提供更多可以选择的设计方案，这样设计师就可以在设计的过程中有更多的参考，在实际操作的过程中，设计者通常要使用数学的模型或者是函数对设计方案的综合性进行更加科学的分析，这样就可以做出更好的选择。最佳的设计方案通常都应该具备以下几个特点，一个是方案在应用的过程中效率应该是最高的，同时成本上也应该是最低的。一个是方案的可操作性非常强，可以非常好的实现设计的规划和要求。总体上来说，机械优化设计的过程实际上就是对诸多方案进行对比和选择的过程，在这个过程中方案选择必须要充分的考虑到现实需求，这也是保证设计质量的一个重要环节。

1.2 优化设计可以最大限度的节约设计开支和成本

机械设计是一项繁琐、浩大的工程，往往需要很久的时间才能完全，不存在所谓的捷径和“小道”。所以，在维系长时间设计流程的同时，必须做好高额开支和成本支出的准备。

事实证明，机械设计的成本开支往往令主管单位“不堪重负”。诚然，随着机械设计技术的进步以及管理流程的简化，新时期的机械设计成本开支以及有所降低，但是仍然有压缩的空间。要清楚的是，运用优化设计的方法对机械设计的成本开支进行削减，完全要基于保障设计质量的前提；倘若成本的控制要以牺牲质量为代价，那么这样的控制手法必须果断舍弃。

在机械设计中采取优化设计路线，能够减轻前期和设计过程中的成本开支，为设计单位节省一笔不小的资金。之所以这样说，是因为优化设计的最佳方案往往是符合设计流程的，是可以发挥出现有材料、设备和人员最大能量的，所以不需要额外耗费多余的人力、财力和物力因此，优化设计能够节约机械设计的开支成本是有科学依据和理论基础的。

1.3 优化设计可以提高机械产品的科技附加值

机械设计的产品是一种自然属性但是具备商业价值的“商品”，这就必然要与市场发生关联。同时，优化设计方法在机械设计中的应用，能够增加机械产品的科技含量和技术附加值，大大提高产品的市场竞争力，这对机械设计企业而言无疑是一大利好。例如，随着现代科技的发展以及相互之间融合度越来越高，机械设计的产业化正在形成，即机械设计可以作为一个单独的工程链条存在。如果我们把机械设计的产品作为一个普通商品看待，那么这种商品必须是价格最低、质量最好、科技含量最高的，唯有此，该产品才能在市场中取得占有率，企业才能因此获取利益最大化。所以，所有的机械设计企业都在努力的追求“这样的机械产品”，而这样的产品往往需要透过优化设计来实现。所以，优化设计为机械设计产品的技艺提升、附加值增大提供了全新的路径，也为机械设计单位和企业的发展增添了新的利润增长点。例如，随着信息技术、计算机技术、材料技术、液压技术、加工制造工艺的不断发展和成熟，机械设计的每一个环节都会有一种或多种新技术的注入，最终的机械产品往往“饱含科技，其技术附加值自然可以达到一个高位。类似这样的高附加值机械产品，在市场中的价格是可以想见的，企业因此带来的收益也是很高的。所以，如果把机械设计中优化设计作为一种生产选择方式来衡量，那么优化设计为产品的开发和流动，为设计单位、企业的利益最大化带来的贡献是很难估量。由此可见，优化设计对于当今的机械设计是多么的重要。

2、机械设计中优化设计的实现路径

既然优化设计可以为机械设计提供质量和效益的保证，那么就必须引入科学有序的优化设计方案，使之产生明显的效果。从当前的情况看，机械优化设计可以从如下角度考量。

首先，机械设计的一维搜索优化方法，这种方法也是当前机械设计优化方法的最典型代表，以数学函数为理论基础，透过搜索区间的确定，来保证优化方案的有效性。一维搜索方法是一维问题的最基本方法，也是多维机械设计的基础方法。众所周知，机械设计大都是多维的，很少有一维的情况，但是这恰恰说明了一维的重要性和基础。就好比数学中的从0到9的10个数字，它们构筑了数学的基础，成为数学的理论“细胞”。所以，一维搜索方法在机械设计的应用，往往直接影响优化设计问题的求解速度。其次，机械优化设计会用到约束优化方法和无约束优化方法。在机械优化设计中，经常使用的是约束优化的方法。

此外，机械优化设计还可以采用线性规划的方法、多目标和离散边梁优化方法来进行设计和操作，而优化方法的采用可以让机械设计有更多的可能，同时它也可以有效的提高机械设计的质量和水平。

3、结语

在机械设计的过程中，设计的质量会对机械整体性能的实现有着非常重要的意义，在设计的过程中，一定要充分的考虑到各个因素对机械质量产生的影响，同时根据实际的要求去选择适当的设计方案，只有这样，机械的质量和性能才能得到更好的保证，因此这也将成为机械设计中重要的一环。

参考文献

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1.前言

在机械自动化设计中对于优化设计的应用越来越广泛，在机械设计中利用优化设计，不但可以使机械设备零件得到改善，而且也可以省到10%-35%左右的材料。所以说优化设计受到了人们的高度关注。

2.实现机械自动化优化设计的途径

机械自动化在形式可以代替人或者是人的大脑进和一些劳动及生产；机械自动化在功能上可以取代人力或者脑力劳动者。机械自动化技术之所以可以做到这些，主要是因为利用了自动化技术，使生产周期缩短，生产效率提高，生产成本减少等。让企业可以在保质保量的情况下，利用机械自动化技术。机械自动化技术不仅涉及到机械设备自动化技术应用上，还包括了机械设备自动化的设计中。

根据目前我国的现状，可以有效地实现机械自动化优化设计的重要途径是：利用现在先进的科学技术，提高对机械自动设计，在此基础上对机械自动化优化设计研究新的设计方法，将机械自动化尽快与国际接轨。

3.我国机械自动化的现状分析

机械自动化设计中的CAD技术设计，对于设计的效率的提高以及设计方案的优化都有着一定的功效，还可以减轻设计人员的工作压力，工作周期以及设计标准等。

虽然CAD机械设计技术得到广泛的应用。而且也已经被一些大的企业所应用。但是CAD技术应有较高的局限性。对于一些三维及防真设计上还存在缺陷。CAPP技术的出现对于设计人员的劳动强度，以及设计效率大大提高了，而且对机械自动化设计中的工艺设计也提高了不少，对于数据之间实现了人机一体化。将人作为系统中的核心者，使企业生产中可以将生产效率提高，减少成本消耗，保证了产品的质量问题。

CIMS机械自动化设计技术是集合于CAD、CAPP、QIS等一系列的系统在计算机为基础的条件下所构成的。[1]它是如今机械电子自动化设计中的核心。在如今社会条件下，对于机械自动化的优化设计不是所谓的所有的机械设备连合在一起，所有的生产车间联合在一起，而是将机械自动化为中心，以制造自动化系统为基础。制造自动化系统不只是CIMS的数据汇合地，还是CIMS的一个重要部分。对机械自动化来说，可以有效地利用这一基础。在这种生产条件下，使各个车间的机械设备进行自动化控制，以人为中心，各个部门的机械设备可以做到相互之间的各谐工作与优化运行。

4.对机械自动化设计的优化分析

通过对以上机械自动化设计现状的分析，应当通过以下几个方面对机械自动化设计进行优化设计分析：

4.1.机械自动化设计迈向数字化

作为机械制造技术中的核心环节，通过对数据进行数字化的方式实现快速传递，相互交流，并以机械设备的市场为基础，对机械自动化优化设计进行科学地、正确地、分析处理。[2]以及对机械设备的防真模拟，正确数据的提供，对生机械自动化设计中的信息提供了全面的支持。对于机械设备占领市场也提供了便利的条件，并且对机械设备自动化的市场变化进行有效地调整。

4.2.机械自动化设计走向智能化

自打有了人工智能化这一说法以后，人们就可以逐渐地感觉到智能化将比其它所有的技术能都要强悍，都要有优势。在机械自动化的发展过程上，已经难以离开智能制造系统了，这种系统其实就是将智能化的机器和人们的智慧结合在一起共同地行的人机一体化。[3]在对机械设备进行自动化设计时，人工智能系统不可以解决一些传统方法中不能解决的问题。智能化机械电动化设计不仅可以达到人与机器的和谐合作，还可以使人们更好地利用机械自动化。大大减少了人们脑力劳动。对于人们在机械自动化设计中的脑力劳动可以得到很好地发展及延伸。人类已经可以很好地进行思维的复杂化，而人工智能系统可以将人类的这种复杂化思维能力得以辅地延续，并将有效地利用在机械自动化的优化设计中去。将机械自动化优化设计迈向智能化，达到一个新的飞跃。这就需要我们作出努力加强探索。加大机械自动化迈向智能化设计的分析研究。可以使机械自动化转向智能化在企业自身发展中有一个平稳有效地发展。

4.3.机械自动化优化设计的基础--虚拟自动化

对于每个机械自动化设计中都离不开图纸进行设计，对机械设备成品的试验中也是离不开图纸的展示，最后达到机械自动化设计的完成。这样的操作程序不仅浪费时间，而且对人员的浪费，时间上的浪费，以及企业财力方面的浪费都是一批不小的开支。当下计算机技术的发展迅速，以及各种联系方式的发展，电子，网络的迅速普遍。这就给机械自动化优化设计走向模拟化提供了十分便利的条件。人们可以有效地利用电子计算机技术及设备，对于传统中大量的图纸模型以及一些数据上的统计利用计算机将它们模拟出来。利用网络的模拟，可以节省大量的人力，财力以及时间等。利用计算机网络的模拟不仅可以第一时间对机械自动化设计数据进行沟通，交流。

机械自动化设计中不仅要全面地掌握计算机技术，还应该使虚拟环境下的各种技术之间的相互交换，以及各种设备之间的相互交换做到合理性。在一个充分虚拟的环境中将机械自动化进行优化设计工作。

4.4.机械自动化的环保优化设计

随着人们生活水平的提高，对生活环境的要求也越来越高。由于地球的生态环境正在急剧地下降以及恶化中。 现在的人们已经开始慢慢地认识到对于环境的珍贵与保护当中。

机械制造业作为一个环境污染的重点企业。对于环境的污染已经够成了相当大的危险。[4]如果环境已经出现了非常重要的污染。所以在进行机械自动化设计时，环保是首先要考虑在内的。在对机械自动化进行优化设计时，顺应环保要求下进行优化设计，要降低机械对于能源的消耗，以于机械在排放可以做节能减排。机械自动化设计的必然趋势是迈向环保型优化设计。

5.总结

机械自动化技术应用在每个国家都有着非常重要的地位，在我国更是如此，机械自动化的优化设计不仅要与世界先进的设计水平共求发展，还要在此基础上研究出技术更高的机械自动化设计技术。使我国的机械制造业可以达到一个整体地发展。机械自动化技术的优化设计要基于以上几个方面基础上而创新发展。才可以有效地推进我国机械制造业的迅速发展。

参考文献：

[1]李振华. 机械自动化技术发展趋势探讨[J]. 科技致富向导，2013，21：339.

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机械可靠性设计时以成品的可靠性作为基准，将外载力、零部件尺寸、承受能力等各项参数融合起来考虑。然后应用力学理论、概率理论、数据统计学等做出机械可靠性保障方案。传统机械设计方法又被称为安全系数法，其在机械可靠性优化设计的时候只要确保安全设计系数大于规定的数值即可，但是在实际应用中机械可靠性设计往往忽略了设计参数的随机性。因此在实际研究中应注意将力学作为随机变量，机械可靠性设计中认为各个受力因素会受到环境的影响，因为环境因素也是一个变量，还存在着一定的规律性可循[1]。机械强度受到材料的性能、加工精度、工艺环节的波动等影响，也呈现出一种波动性规律变化。机械可靠性设计的时候，应根据设计的不同的要求选取不同的特征函数，注意在计算的时候应考虑其离散性，使用概率统计方法进行计算求解。机械可靠性设计的时候应考虑到各个参数的随机分布，还应据此来分析出机械的实际工作状况。

2机械可靠性优化设计案例

本次机械可靠性优化设计研究选取蜗杆减速器优化设计作为研究的主要内容，一级蜗杆减速器的主要失效形式有：涡轮齿面点蚀、涡轮齿折断、键压溃、轴折断、轴承实效等几类。针对蜗杆进行可靠性优化设计的时候，其优化模型为：Rs=Rcf?Rch?Rz?Rj?Rg。其中Rcf表示蜗轮齿根弯曲疲劳的可靠度；Rch表示涡轮齿面接触疲劳可靠度；Rz表示轮轴的可靠度；Rg表示滚动轮轴可靠度；Rj表示键可靠度。蜗杆减速器进行变量设计的时候，将蜗杆的模数定为m，蜗杆直径系数为q、蜗杆轴直径ds、蜗杆头数zl、传动比i、涡轮轴长度L。可靠性设计变量表示如图1所示，其中X={m，z1、q、L、i、ds}。

图1 蜗杆减速器变量优化设计图

蜗杆减速器的体积主要受到蜗轮、蜗轮轴、蜗杆等因素的影响，因此取三者的体积作为目标函数：

Minf1（x）=π/4{B2（mz2）2+L1（mq）2+m?（q-2.4）2（0.9mz2-L1）+ds2[L-（1.5ds-B2）]}。其中蜗轮齿宽度为B2=[m（q+2）-0.5m]sina+0.8m。a=50°，a表示蜗轮齿宽度。则根据蜗杆可靠性优化设计相关计算，必须建立相应的约束条件，其中 ，其中式子中的 表示蜗杆允许的接触应力。蜗轮轴的强度为 。其中式子中的MD表示危险截面积的弯矩均值。

3 机械可靠性设计建议

3.1 权衡和耐环境设计

针对机械进行耐环境和权衡和设计，有利于设计者找出机械相对可靠的设计方案，并对机械的质量、成本、体积以及可靠性等完成优化。耐环境设计主要是基于综合考虑的一种设计方式，从机械的零部件出发，将零部件的寿命周期内的各种环境考虑进去[2]。

3.2 预防故障设计法

机械设备正常运行与否关系到机械设备的整体运作功能是否在完整的串联中各自发挥出自身的作用。整体功能大于部分功能将成为机械可靠性设计的重要目标，机械优化设计中首先要重视机械设备的可靠性，并对零部件进行严格的需求控制和选择控制。预防故障法设计中应对选用的零部件和通用不见进行验证分析，最大限度对故障进行分析。

3.3 简化以及余度设计优化

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中图分类号：C35 文献标识码： A

引言

煤矿行业主要是对我国的自然可利用资源进行开采，以满足人类的发展需求为最终目的行业。在煤矿行业发展中，机械是必不可少的组成部分。因此，如何加强对煤矿开采机械的结构优化，已经成为了当前煤矿行业最为重视的事情，也是必须要彻底解决的事情。

一、煤矿技术中机械装备的重要性

煤炭资源一直是我国的最为重要的生产资源。在我国改革开放以来，煤炭在我国的消费市场中占首要位置。据相关的资料调查显示，就2010年一年间，煤炭在我国的总消费量就高达29.66亿吨，占全国一次性消费能源总量的66%，按这种开采的速度和消费情况来看，我国剩余的煤炭资源还可供开采100年以上。随着我国经济建设的发展及企业对煤炭资源的需求，我国近几年来成立了多个大型的煤炭开采基地。但同时，由于煤炭开采过程中机械设备问题，使在煤炭开采过程中受伤或死亡的人数也在逐年递增，这主要是由于在煤炭开采过程中机械设备跟不上时代的发展需求所至，据国内不完全资料数据显示表明，每年因煤矿机械装备所造成的伤亡人数占整体煤矿开采中伤亡人数的百分之七十左右。对于这种情况而言，随着煤炭开采事业的发展，负责人员也在不断地总结着经验与教训，对煤矿技术机械装备的结构优化组合也做出了一系列的改革措施，煤矿技术机械装备的好坏直接影响着整个煤矿开采施工工程是否可以顺利完工，也直接影响着施工人员的生命安全。因此，对煤矿机械进行结构优化是煤矿事业发展的必经之路。

二、我国煤矿生产机械装备结构的设计现状

目前我国的煤矿资源分为露天煤矿和井下煤矿两种，因此，开采机械也分为露天机械和井下机械两种。据国内资料统计表明，至十一五以来，我国煤矿技术中机械的需求量达50万台，总投资量超过了950亿元。其中，应要求新增的机械数量达23万台，总投资量达650亿元。而煤矿机械中需要结构优化与更新的设备超出了一半以上，所需投入资金达250亿元。截至2012年底，国家针对115家煤矿机械使用情况进行了调查，数据表明，在这115家煤矿开采企业中，至2008年底机械更新及结构优化所投入的资金额达650亿元，所产出的直接收入高达780多亿元。至2012年底，用于煤矿机械装备更换与结构优化的资金已高达860亿元，所产出的直接收益高达1100亿元。就我国煤矿资源调查结果表明，我国煤矿资源将来还有500多亿元的可开发利用空间，而开采设备也将逐渐由传统的中小型开采机械装备向大型煤矿机械开采装备演变。

三、我国煤矿机械装备企业核心竞争力构建途径

（一）强化新的科学技术的应用

在现代企业中，需要进一步的营造将科学技术看做是第一生产力的氛围，使科学技术在企业中发挥更加关键的作用。而为了做到这一点，其中的关键便是在思想形成正确的认识。比如，在造成煤矿机械失效的诸多因素之中，要将科学技术领域最新的研究成果应用其中，全面的、最大限度的展现新技术的生命力。具体而言，可以将陶瓷材料、碳纤维复合材料以及超强度聚合材料和金属基复合材料等新的材料技术有针对性的应用到不同煤矿机械装备的关键零部件中，这样不但可以明显的提高煤矿机械装备的可靠性能，最大限度的降低其重量，更为重要的是，还能够全面的改变煤矿机械装备的形体设计。

（二）以现代化管理模式促进企业可持续发展

对现代煤矿机械装备制造来说，管理制度即便是软件，但是对于这类企业的发展却会起到重要的保障作用。为此，要进一步的建立和规范现代化企业制度，提高企业的经营管理水平，重点在产品研发、质量监管、销售服务等相关领域展开与世界市场之间的合作与交流，全面的建立营销、技术服务和用户之间的一体化的信息系统，以超前的意识，强化企业的可持续发展能力。

（三）优化设计方法

计划经济时代和市场经济时代对企业的要求截然不同，当然，主要是用户的需求之间存在较大的差异。在当前的市场经济条件下，煤矿机械装备企业的发展一定要以动态化的视角进行生产和经营，唯有如此，才能对市场的变化做出积极的反应。为此，煤矿机械装备企业应该优化其涉及方法，根据待开采煤层的赋存条件的不同，要有针对性的选择采煤机的运动学参数与工作机构的结构参数；根据待掘进巷道的煤岩物理机械性质的差异以及巷道断面的尺寸差异，对掘进机结构尺寸与工作结构的运动学参数进行重新的比对和优化设计。只有这样，才能最大限度的缩短设计周期，全面的向用户展示设计方案。

（四）建设一支学术高、敬业精神强的管理队伍

在煤矿设备结构的优化设计过程中，我们首先要建立一个高素质、高标准的管理队伍，因为，在设计完成后，进行设备加工的时候，设计人员仍然要时常与制作单位保持密切的联系，以便及时的解决在生产过程中出现的设计上的疏漏和问题，并对其进行详细的记录，备于日后的资料查阅，给下一个设计研发工作提供参考的前例；加工制作完成以后的验收工作仍然很重要，我们要尽可能的在现场对设备进行连续运转试验，观察其可靠性是否达到设计研发的要求，如果一旦出现问题及时纠正更改设计，最终达到合格的效果，验收合格才可以允许发货。因此，建立一支学术高、敬业精神强的管理队伍是非常有必要的。

四、煤矿技术中机械装备结构优化设计

（一）加强结构优化设计的计划

在煤矿技术机械装备结构优化过程中，我们要做的是计划好设备结构优化的方案，在计划前，我们首先应该对改煤矿的旧设备进行了解及调查，然后对就设备存在的问题进行分析，然后制定出可以实施 的机械设备结构的设计方案，然后做出设计任务书。设计任务书大体上应该包括：机器的功能，经济性及环保性的估计，制造要求方面的大致估计，基本使用要求，以及完成设计任务的预计期限等。

（二）加强机械设备结构的安装调试

对改设备进行相应的调试和运转，确保该设备可以满足相应的使用要求，机械设备安装固定的步骤如下：

1.设备基础的检验，目前，施工单位安装机械设备的位置一般采用混凝土，故需要对基础施工单位提供的混凝土力学性能进行检测，确保设备基础能够承受机械设备因振动而产生的各个方向的力。

2.设备就位，所谓的设备就位就是将设备安全放到基础上，如果是小型的机械设备则相对较为简单，容易进行，要是大型的设备就对起重作业有了严格的要求。例如一个大型轧机的安放，底座和牌坊显然要分步安放。

3.安装精度检测调整与设备固定，安装精度的检测调整是进行机械设备安装的重要过程之一。

4.拆卸、清洗和装配，对于解体机械和整体机械放置时间超过规定时间的机械设备，要根据其设计图纸，确定其机械结构，然后按照拆卸原理进行拆卸。

5.设备的 ， 这是机械设备安装的结尾工作，是保证机械设备能够正常运转最为重要的一个环节。

6.机械设备的调试，机械设备安装后要进行调试，以确保机械设备的正常工作。进行机械设备调试的原则为从局部到整体，先进行部件调试，然后进行整体调试。

（三）煤矿生产的网络动态及模拟化设计

在煤矿生产的网络动态及模拟话设计中，我们要结合煤矿目前的实际情况对其进行考虑，因为，煤矿作业需在较为恶劣条件下进行，同时也需要高投资以及高科技的支持，因此，在设计研发的时候所需要的时间比较长，而且，如果单纯使用老套的设计方式，不单会增加大量的投入经费，还会使研发周期扩至更久，这样就无法实现与市场要求的同步性。因此，在进行网络化设计的时候，我们可以将研发、仿真、模拟等集于一身，对其进行设计，这种思想很有可能会对我国迈向全球化发展的轨道起着重要的作用，所以，对于动态模拟模拟设计必须要加强研究。煤矿生产的恶劣条件会对机械设备造成极大影响，所以，相关设计人员必须全面考虑实际生产发生的种种问题，争取在损耗与生产之间找到一个平衡点。

结束语

综上所述，煤矿技术中机械装备结构优化设计对提高设备的使用年限以及设备的运行安全都是十分重要的。因此，在机械设备优化设计时，要针对机械设备结构中出现的问题进行合理的改正与设计，从而保证机械结构优化设计的有效性，提高整个机械的运行能力。

参考文献

[1]任彬. 精密塑料注射成型装备产品数字化设计关键技术及平台构建[D].浙江大学，2010.

[2]吴昭雄. 农业机械化投资行为与效益研究[D].华中农业大学，2013.

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提升机械零件的可靠性，需要从设计的环节解决机械产品固有的可靠性要求，同时还需要在制造过程中提供可靠保证。面对市场的激烈竞争，机械产品需要具备良好的可靠性指标，才能拥有最基础的立足根本，由此可见机械零件的可靠性优化设计至关重要。机械零件的设计应该跟随时代的发展适当的创新，同时体现出时代的特色，注重零件的使用质量和安全可靠，掌握科学合理的优化设计技巧。

一、机械零件可靠性优化设计的意义

可靠性对于机械零件来说具有至关重要的影响，主要是指通过形成产品的可靠性作目标的设计方案，同时也被称作概率设计，主要是涵盖了外荷载、承受能力及想相关尺寸等具体的指标，在服从随机因素的基础上，避免零部件出现破坏，从而形成合理的科学的设计方案，保证机械零件的可靠性和结构的安全可靠，控制好失效的发生概率。优化设计方案的提出，可以依照具体的计算展开设计的过程，确保产品的可靠程度，同时根相关的任务指标，确立可靠性标准，同时归纳零件的具体参数，帮助设计人员和生产者更好的掌握零件设计的可靠性原则。

二、机械零件可靠性优化设计的现状分析

现阶段，依靠可靠性优化设计的方案仍然较为传统，因此在设计零件的时候，还是会将零件的具体强度、应力和安全系数等作为单值分析，把安全系数和根据具体使用的某一数值进行比较分析，发现如果前者相较于后者更大，则证明零件符合安全标准。但是并没有分析各个参数存在的随机性，将各个设计参数看作是单一的确定值，无法准确的预测零部件可靠运行的实际概率，所以难以客观的选出最优方案，相关的设计人员也难以把握设计产品的可靠性。

通过概率论和数理统计的方式，可以准确的分析零件的可靠性设计技巧，这个过程就避开了主观人为因素的影响，同时，也能更加准确的把握外界条件的变化，确保设计的结果更加贴合客观情况。可靠性的设计被广泛的运用于机械零件可靠性优化设计的多种问题中，通过更加科学的方案，解决了诸多较为繁琐的传统设计方式带来的不便，更有助于满足现代社会对于精巧设计的需求。

三、机械零件可靠性优化设计的具体方案

机械零件可靠性优化设计的具体方案应该跟随时代的发展不断创新，同时也需要时刻关注零件的具体质量，确保在可靠性设计的时候，更好的掌握科学的方式方法。机械零件的可靠性优化设计相较于传统的机械设计方案来说，更有助于综合分析机械产品的功能和结构形态，体现出因势利导的优势。

（一）权衡与耐环境设计

权衡设计对于机械零件的可靠性影响深远，因此可以综合分析零件的质量、体积和成本等各个要素，确保制定出更为合理科学的设计方案。耐环境设计则可以综合分析，涉及到机械零件的诞生到运用，在机械零件生产之初，可以充分考虑到零件在整个寿命周期内所能遭遇到的各种环境，其中涉及到运输的碰撞问题、空气的干湿程度对机械零件产生的影响，经过对相关环境因素的综合分析，可以对零件生产过程中的用料、技艺等适当优化，由此确保零件自身和整个设备的安全可靠。

（二）预防故障设计法

机械设备在实际运作的过程中，往往需要调动整体运作，所以始终处于串联式的系统中。为了实现整体功能之和大于部分功能之和的目标，需要适当的优化机械零件的可靠性设计，通过对机械零件的严格挑选和控制，加之对外购零件的严格分析，可以及时明确零件本身存在的主要问题。在选用相关的零件时，还应该经过分析与验证的过程，确保在最大的程度上分析故障成果，利用较为成熟到位的经验适当分析验证零件的可靠性。

（三）简化及余度的设计

简化设计主要是指在满足了特定的功能基础上，设计的过程必须要适当的简化，比如零部件的数量应该适当的减少，避免出现冗余的情况。在机械设备运用的过程中，如果涉及到的零部件较多，则越容易出现一系列的问题和错误，可见可靠性的优化设计极为重要。简化和余度设计属于可靠性优化设计的基本原则，能够有效的避免故障并提升可靠性。简化的过程就是适当的减少不必要的部分，但是并不是减少超负荷的工作，零部件的简化应该从全方位的角度分析，仔细的分析零件的组合和具体的配合方式。余度设计需要适当的结合整体分析，也可以将其看作是备份过程。经过对完成功能设置重复的结构和备件等，确保因为局部的故障问题，影响机械设备整体系统的稳定性。

（四）概率设计法

这种方式主要是通过应力-强度干涉理论的指导作用，将应力和强度变作是分布随机变量的处理。处理设计的对象是机械零件的参数和变量部分，同时也应该符合特定的统计规律随机变量，确保构建起更为合理的可靠性设计标准概率数学模型。经过概率和数理统计理论的应用，在给定的条件下，得出零件发生破坏时的概率公式，由此计算出相应的尺寸和寿命等，确保设计出更符合要求的参数。这种方式可以及时弥补常规设计的缺陷，同时又能及时贴近生产的实际过程。

结语

综合分析，机械可靠性优化设计就是对传统设计方式的发展和完善。机械零件的可靠性优化设计能够及时掌握相关参数的随机性，同时也能在设计的过程中，及时预测零部件的可靠程度，确保更好的实现全局性的贯穿。为了更好的在竞争中占有一席之地，机械零件生产商应该注重可靠性优化设计的实践，通过正视机械零件可靠性的优化设计的重要性，在展开相关课题的讨论时，适当的加入创新思想，从而更贴合时代的发展需要。

参考文献

[1]赵雷.关于CAD技术在机械可靠性优化设计中的应用分析[J].科技展望，2015，36：45.

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作者简介：王林军（1982-），男，湖北黄冈人，三峡大学机械与材料学院，讲师；吴海华（1970-），男，湖北黄冈人，三峡大学机械与材料学院，教授。（湖北 宜昌 443002）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）04-0104-01

双语教学不仅在美国、加拿大、卢森堡、新西兰等双语国家或多语国家获得了成功，而且在俄罗斯、日本、澳大利亚、保加利亚、匈牙利等单语国家实施也获得了良好的效果。反思国内的双语教学情况，虽然英语教师非常努力地教，学生也非常认真地学，但所取得的效果十分不理想。[1-2]国内一些211和985重点院校（如浙江大学、北京大学等）的双语教学工作开展顺利，已在双语教学教材、师资队伍建设以及教学内容和教学方法方面取得许多研究成果。但地方本科院校的机械工程类双语教学工作进展十分缓慢，尤其是针对本科生开设的“机械优化设计”双语教学在教学内容与体系、英语教学环境、教学队伍建设、考核方式等方面严重不足，其主要原因是学生英语基础差、自学能力较弱，“机械优化设计”双语教学师资也相对薄弱。[3]上述差异决定了地方本科院校难以照搬重点院校的机械工程类双语教学模式，因此探索一条适合于地方本科院校的“机械优化设计”双语教学模式极为重要。

一、“机械优化设计”双语课程现状

“机械优化设计”是一门把机械设计与优化设计理论及方法相结合、实践性很强的课程，而双语教学主要是指教师采用英语或第二语言进行课堂教学。但如何有系统有组织地开展符合三峡大学（以下简称“我校”）特点的“机械优化设计”双语教学，如何处理教材的问题、如何在学时数原本紧张的前提下开展双语教学、双语教学方法和教学手段该如何改进、如何建立双语教学考核体系、如何提高学生的学习兴趣等等，这些都是在开展“机械优化设计”双语教学时所需要研究的问题。虽然目前不少地方本科院校已经开设了机械优化设计双语课程教学，但大学生英语水平良莠不齐，不少教师的英语水平同样还没有达到能真正像汉语一样熟练地运用英语教学的地步，这使得双语教学在“机械优化设计”课程中的研究与实践中碰到以下问题：[4-6]

1.双语教学效果差

目前国内英语教育主要以应试为目标，大学生的英语听说能力普遍较弱。“机械优化设计”双语教学中涉及许多专业词汇和复杂的句型，如果采用比较单一的授课方式，学生既无兴趣，又感到难以接受，无法准确理解该课程专业知识。

2.教学内容单一

我校该课程双语教学的对象是机械制造及其自动化专业三年级学生，他们虽然已具备一定的数理基础，但许多同学依然对机械优化设计过程和内容无法真正理解，甚至产生厌学情绪。这就要求双语教师在进行教学内容的设计时应更加丰富多彩。

3.教学方法问题

在进行“机械优化设计”双语教学时，若还是采用传统的满堂灌教学模式，课程本身的难度和英语的听力障碍将会导致教学效果不理想。而国际上知名大学多数采取的是引导式、启发式、互动式相结合的教学方法，后者更为有效，与“机械优化设计”双语课程教学相适应。

二、双语教学方法的改革与实践

依据机械工程类专业的特殊性，应从以下几方面进行改革和实践：

1.科学合理选择教学内容

考虑到我校机械制造及其自动化专业本科教学培养方案的特点及人才培养需要，对“机械优化设计”双语教学课程内容进行科学设计，主要包括以下教学内容：绪论（介绍机械优化设计的基本概念与发展趋势）；优化设计方法的数学基础（介绍矩阵运算和微积分的基础知识，凸集、凸函数与凸规划的基本理论）；常用的优化设计方法（介绍一维搜索方法、基于导数的优化方法和非导数优化方法等，包括智能优化方法）；约束优化问题的处理；多目标优化方法和优化设计结果的灵敏度分析技术；MATLAB在机械优化设计实例中的应用。这要求学生一方面掌握优化设计基础理论，另一方面应学会运用大型通用优化设计工具软件解决实际工程问题，真正做到学以致用。此外，在双语教学过程中，应安排大学生讲述自己完成机械优化设计过程，以提高大学生英语表达能力，并达到相互启发的作用。

2.努力营造英文教学环境，提高学生英语水平

作为教师，应认真备好每一堂课，板书、考试和作业批改中都要使用英语，采取全英语对学生进行提问，要求学生用英语回答，这样有助于锻炼学生的专业口语能力。同时，教师在给学生布置作业时，最好也是英语的，严格要求学生用英语完成，这样有助于锻炼学生的专业写作能力，为将来可能地进一步深造学习奠定了坚实的论文撰写基础。实际上，教师在双语教学活动中，除了布置一些该课程的课后英语作业外，还应当引导学生查找和阅读与该课程相关的专业英语读物，比如英文论文等，这样有助于增强学生的专业英语使用能力，而且还能培养该专业大三学生用英语思考的良好习惯，为将来的进一步学习和深造打下一定的基础。

3.努力加强我校双语师资队伍建设

为了提高教师的英语水平，每年安排教师参加由我校国际交流学院主办的暑期雅思培训班，取得雅思6.0分及以上成绩的教师才能担任双语教学课程。为了促进教师英文水平的稳步提高，以提升本校教师科研业务水平，学校定期派中青年教师出国交流学习，这势必将会对双语教学和师资队伍建设有一个很大的促进和提升作用。

4.充分利用本校网络教学平台

三峡大学求索学堂为全校提供网络教学服务，网络教学平台包括公共教学平台、多媒体课件制作系统、网络实时交互答疑系统。网络公共教学平台包括学生工作区、教师工作区、管理工作区三大部分，主要功能模块有公告栏、答疑、讨论区、在线自测、在线作业、下载区、资源等。多媒体课件制作系统提供辅助教师教学的多媒体课件制作平台；网络实时交互答疑系统是一个可以在网上传递五种不同模式的电子教学、实时协作和通信的平台，提供网络教学中的教学双边多媒体交互环境。充分利用本校求索学堂，可以促使教师和学生的沟通，同时还可以培养学生的知识获取能力和自主学习能力。

5.对本校传统的考核方式进行科学合理的改革

“机械优化设计”课程是机械设计制造及其自动化专业非常重要的一门专业基础课，属于专业必修课程，该课程考核方式过去经常是采取闭卷形式。这种考核方式有很大的不足，例如学生死记硬背优化公式，而忽略了利用该课程核心内容优化设计方法理论从工程上解决实际问题的能力，从而不能体现本校人才培养的要求。针对以上这些弊端，对该门课程的传统考核方式进行了改革，主要分为以下三个部分：闭卷考试成绩（占40%）：主要是考查学生对优化理论方法的理解和掌握程度；上机实验考试成绩（占40%）：重点考核学生运用计算机对优化方法的编程和实现能力；平时成绩（占20%）：主要是考核学生平时表现和出勤情况。

该课程考核方式的改革，势必将会促使学生更好地理解和掌握该课程的重难点内容，也会提高学生利用计算机编写优化程序解决工程实际问题的能力，同时将会提高机械工程类本科生的综合素质和能力，这也非常符合本校这种“高素质、强能力、应用型”的人才培养目标。

三、结论

双语教学不但能够提高学生的学习兴趣，而且还可以提高教师和学生的双语应用能力，对复合型人才的培养具有非常重要的意义。同时，在进行双语教学的过程中，要根据本校教师的英文水平和学生的认知和接受程度，精心准备和设计教学手段，科学合理安排教学内容，科学而有效地使用评价方法，这样不仅有助于学生及时了解和掌握本专业的前沿动态，还可以培养其直接阅读经典、前沿外文资料的能力。本文在对“机械优化设计”课程双语教学进行了多轮教学实践的基础上，对该课程双语教学的背景、教学内容与体系、英语教学环境、师资队伍建设、考核方式等问题进行了总结和改革，以期望对二本院校机械工程类“机械优化设计”课程双语教学与改革有一定的促进作用。

参考文献：

[1]廖迎春，樊后保，黄荣珍，等.本科院校双语教学改革的思考及建议[J].科技信息，2010，（19）.

[2]张素芳.对高校双语教学若干问题的探讨[J].中国电力教育，

2007，（1）.

[3]刘卓夫，罗中明，李永波.双语教学改革存在的问题与思考[J].黑龙江教育学院学报，2010，29（2）：62-64.

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中图分类号：F407 文献标识码： A

引言

机械制造业的不断发展，随之而来的是对机械结构设计要求的不断提高，因此，对于机械结构的设计需要在满足机械设计原则的基础上不断创新，改变原来的设计方法，根据机械产品的功能充分发挥创造力，综合运用先进的技术，借鉴优秀的研究成果，在全新的设计理念和基本设计原则的指导下，创造出更具有价值的机械结构。

1、机械结构设计概述

对于机械结构而言，根据不同的设计方法生产出来的结构也不尽相同，比如在材料、毛坯选择上，应当根据材料价值和特性进行选择，充分利用机械结构材料自身的性能；同时，还要注意利用代用材料。如果只是制造毛坯，则制造难度就会明显降低；切削加工过程中，选用切削加工费用低的方法；机械结构设计过程中，要求结构应当便于装夹和定位，并且适用于标准刀具以及量具，适合标注尺寸等

2、机械结构设计原则

2.1应当满足机械结构的应用要求

在结构设计过程中，机械结构应当可以有效实现预定的指标；同时，还要确保设计出来的机械结构可有效完成任务，满足强度、刚度、精确度以及使用寿命的要求，同时还要确保该机械结构在使用过程中的安全可靠性。

2.2应当有效满足经济性要求

对于机械结构设计而言，其经济性实际上是一个综合性的指标，全面体现在设计、制造和应用全过程。其中，设计与制造经济性，主要体现在设计、制造过程中的成本有效控制；应用过程中的经济性，主要表现在高生产率、高效率等方面，同时还要求维护费用较低。这些都是设计过程中应当充分考虑的问题。

2.3应当关注机械设备操作人员的安全

机械结构设计过程中，应当注意技术安全问题，最大限度地去改善操作人员的劳动条件、强度；同时，还要注意机械结构外形的美观度，并能有效满足特殊要求，比如机床在长期应用中的精度、大型机械的运输方便性等。

2.4与质量技术指标相适应

由于机械结构是机器产品的基本组成要素，因此对结构质量的要求十分严格，但质量技术指标越高，用在结构设计和制造上的成本和时间也越多，当质量技术指标达到要求时，再添加其它的要求势必会导致工时和成本急剧增加，生产效率明显下降。在这样的条件下，生产出来的结构将无法实现最理想的经济效益。因此，在对机械结构的结构进行设计时，结构的结构工艺性必须在满足使用条件的前提下与质量技术指标相适应，实现机械结构最高的实用性和最大的经济效益。

3、机械结构设计方法

3.1理论设计

理论设计主要以人们已掌握的合乎规律的理论和实践知识为基础，结合理论力学、材料力学、机械原理、金属学等理论知识进行机械结构的结构设计。根据结构的整体载荷情况，运用理论计算公式确定结构的几何尺寸。结构的尺寸计算必须满足载荷情况、材料性能、结构工作情况和应力分布规律等方面的条件。运用计算公式初步确定机械结构的尺寸及形状后，再利用校核计算对结构危险剖面的安全系数计算值进行校核。这个过程多用于应力分布规律复杂，但又能用材料力学公式表示出来的结构设计，同时也适用于应力分布规律简单但必须已知结构尺寸的情况，如轴和弹簧的设计。在进行机械结构的结构设计时，一些具有足够实践经验的设计工作者也常为了简化计算过程，在粗略的估算和相关资料的基础上直接进行结构设计，然后采用校核计算。理论设计的基础是熟知机械结构的材料性能和应力分布规律，是经过大量感性知识而总结出来的设计规律，因此是一种具有一定科学性和先进性的设计方法，值得广泛采用。但是任何一种理论都存在不完善的地方，所以不应把理论设计当作完美的机械结构机构设计方法。

3.2模型实验设计

模型实验设计主要针对一些尚无法运用理论知识进行详细分析的大型的、结构复杂且具有一定重要性的机械结构进行结构设计。具体来说，就是对结构作出初步设计，形成模型，对模型进行反复试验，再根据实验结果加以修改。这种设计方法同样也是对理论不足的一种弥补，同时也有效地避免了经验设计中缺乏科学性的成分。模型实验设计决定了大型复杂结构中的工作应力分布情况和结构的极限承受能力，是将经验设计转化为理论设计的途径之一。

3.3经验设计法

即实际设计过程中，根据某类机械结构现有设计、应用经验，总结出经验公式，根据设计人员自身的设计经验，选一类比法进行设计。虽然该种方法没有较为详尽的理论科学分析依据，但也具有科学统计性特点，因此应用价值也比较大。实践中可以看到，因该种方法是基于通过实践总结出来的经验，所以它经得起实践检验。比如，机架以及变速箱设计过程中，经验设计法便可在理论设计的基础上加以应用和实现，实际上它是理论设计的初级方法。

4、机械结构优化的发展展望

结构优化设计随着最优化方法的不断发展和改善，已逐渐得以发展。近些年来，在结构优化算法方面，结构优化设计趋向于采用接近实际的复杂结构模型模拟大型结构系统，由于设计变量数目大，研究新的有效的准则优化方法受到重视，但仍有如何去解决针对各种特殊的结构优化问题建立相应的公式，解决解析推导和数值计算的实现问题；再是使用大型系统的分解优化方法，对于大型结构优化，可以按子结构分解或者进行多级分解优化，对于多学科的复杂系统可以按学科分解优化。分解算法的关键在于建立各个子问题之间的稿合关系，比如通过使用最优解对参数的灵敏度和采用线性分解等法建立起稿合关系，使得子问题的解相容，从而保证迭代收敛，问题是如何保证一定能求解。并行计算技术引入结构优化设计是一个较新的方向。像遗传算法，人工神经网络的方法，在近十年来被引入结构优化设计并发展很快。它们对离散与连续混合变量的全局优化，对发展结构近似重分析的专家系统有其独到之处。现在的问题是怎样提高优化质量、精度、加快收敛，增加方法的通用性。

拓扑优化、材料优化和形状优化的集成在机械结构和部件设计中具有重要的实用价值，是近年来出现的并行设计的重要组成部分，仍将是下一步研究工作的重点。拓扑优化能够为结构的方案设计提供科学的依据，使复杂结构和部件在概念设计阶段即可灵活地、理性地优选方案，有望用于大型实际结构优化设计求解。但是要处理庞大的有限元和优化模型计算量增大，应力约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失可能会对计算模型造成病态等问题。

从近几年来国家自然科学基金所资助的内容来看，单就机械学科涉及优化设计的项目就有近20项，有广义优化设计，全性能优化设计，模糊优化，可靠性优化，分解优化设计，光机电一体化与人机一体化设计，有基于人工神经网络的复杂结构优化研究及机械传动系统性能优化，复杂机电系统解稿与稿合设计理论与方法研究，机电产品的绿色设计理论与方法等，以及今年提出的面向产品的创新的概念设计，轧制件模具的现代设计方法等课题，反映我国已经注意追踪或跨入世界领先领域的研究工作。另外，优化新方法的研究，形状优化和拓扑优化，多学科优化，结构优化建模，可靠性问题，结构重分析与灵敏度分析，遗传算法，神经网络，人工智能，大规模问题求解，因特网应用等都是继续深入研究的热门课题。

结束语

机械结构优化设计是提高产品性能、节约生产成本的有效方法。其直接关系着整个机械产品的性能和质量，因此在机械结构机构设计过程中，应当加强思想重视和设计思路创新，只有这样才能确保设计质量。

参考文献

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中图分类号：S611文献标识码： A

一、电梯机械故障概述

由于我国的经济发展尤为迅猛，使得我国的建筑行业也迈进了高速发展时期，大型的房地产项目如雨后竹笋般层出不穷，带动起建筑行业以及相关行业的进步。而电器身为高层建筑的必备品，也有了新的意义。我国的自主品牌不断革

新，提升了电梯的质量，在设计、制造、销售等方面形成一体化的发展模式，所以，我国电梯销售量也不断刷新纪录。随着经济的不断进步，电梯的需求量也随之增长，电梯的保有量也获得提高，通过统计不难发现，在 2013 年末，我国的电梯总产量约为 57.97 万台，同比增速约为 9.58%，保有量约为 292.24 万台，俨然成为当之无愧的产销及保有量强国。电梯在建筑楼房中的需求量也同房地产行业进行变化。

在我国现代化经济与建设当中，电梯机械设备在企业提高劳动生产效率，实现生产自动化、机械化的过程当中发挥着不可替代的作用，成为了企业生产过程中必备的运输设备。电梯机械设备因为其载荷运载形式的不同而存在差异，其主要是由各种钢结构件连接构成，由控制、操作和驱动等构成主体结构，而在电梯机械设备的钢结构的各个功能部件中又安装了电气结构。因此，加强电梯机械的故障诊断和做好电梯机械故障诊断系统的优化设计可以减少因电梯机械故障而产生的一系列挤伤、吊物（具）坠落、触电、冲顶、高处坠落吊钩破断、溜梯等安全事故的发生。

二、电梯机械故障的诊断

（一）机械疲乏形成的故障

当前较多电梯使用了电磁式称量设备，给电梯控制系统给予了持续变化的载荷讯号。如此一来不但能够有利于群控系统的调度工作，还有利于把载荷信号传输给电梯的启动体系，在电梯的启动及运转过程里调动供给电流，协调转矩，确保电梯的正常运转。

（二）体系引发的故障

电梯门出现故障的频率也较高，因此，通常会安装两个微动装置，其中一个在电梯到达 80%负载时运作，电梯在满载运行过程中，只响应轿厢里的指令，直接到达呼叫站点。而另一个装置要在电梯到达 110%超载时运作，电梯判断是超载，电梯将无法运行，门为打开状态，并发出警报声。微动开关透过螺丝固定于活动轿厢的底盘处，只要对螺丝进行调节，就能够将载重量的范围进行调节。

（三）自然磨损引发的故障

机械设备在工作的过程里，一定会造成磨损，一旦无法及时进行更换或调整，就会令滑动、滚动部件的磨损状况更加严重，最后导致机械磨损报废，酿成故障。

三、电梯机械故障诊断系统的优化设计

当轿厢的重量超过额定负载时，电梯的超载保护装置则会被触发，超载保护装置会发出警告信号予以提醒，同时超载保护装置会自动停止轿厢的启动和运行。由于电梯的超载保护装置有各种各样的类型，所以超载保护装置会被安装在各个位置，例如有的电梯是安装在机房，有的电梯是安装在轿厢底部，有的电梯是安装在轿厢顶绳头组合处。以下是常见的几种电梯的超载保护装置。

（一）活动轿厢

活动轿厢的轿厢底盘与轿厢架固定底盘之间一般固定一些橡胶垫，而这些橡胶垫就是活动轿厢的称重元件，当轿厢超载时，载重的压力会使轿厢底盘向下运动，从而使橡胶垫变形，微动开关被触发，电梯相应的控制功能则会被切断。活动轿厢这种超载保护装置虽然更换维修过程比较繁琐，但是因其低廉的价格，可靠的安全性得到了广泛的应用。

（二）活动轿厢地板

这一超载装置通常被固定在轿厢上，它的四周与轿壁之间存在一定的空隙，称量装置对轿底起一定的支撑作用，由于轿底承载的重量不同，轿底会进行轻微地移动。如果电梯超出了正常的负载量，活动轿厢地板就会出现下陷的状况，从而接通开关，电梯接受控制信号。

（三）轿顶称量装置

轿顶称量装置的称重原件是压缩弹簧组，当电梯承受不同载荷的时候，绳头组合会带动轿顶称量装置设置在轿厢架上梁的绳头组合处的超载装置的杠杆产生上下摇摆的运动，当轿厢超载时，微动开关则会被摇摆的杠杆所触发，电梯相应的控制功能就会被切断。

（四）机房称量装置

机房称重装置是将超载装置装设在机房中，一般是在电梯采用 2：l绕法，轿底和轿顶都不方便安装超载装置时采用，与轿顶称量装置的结构和原理类似，超载装置被安装在机房的绳头板上，机房的绳头组合会带动称量装置杠杆随着电梯载荷的不同而产生上下摇摆的运动，当电梯超载时，微动开关则会被摇摆的杠杆所触发，电梯相应的控制功能就会被切断。

（五）电磁式称量装置

近些年来，电梯技术表现出了极快的发展速度，尤其是群控技术的广泛应用，特别需要电梯的控制系统准确把握每一台电梯的承载中央，这样才能将电梯的运

转调整到最佳状态。

（六）管理优化

1、强化优化生产的组织及管理

一般为制订了优化方式的准则、进行的步骤以及优化方式所要参照的制度。通过我国相应的政策及规定，创建科学的管理方法及制度，拟定合理的优化费用范围，令优化的费用合理化，提前做好经济分析及经济核算，以提升设备使用率为前提，通过降低优化的费用来提升经济效益。

2、提升和优化维护决策

维护决策包含了维护形式决策以及维护类别决策。维护形式决策指的是选择一个良好的管理方式，提前对故障具有预知、排查、预防的作用。当前较常使用的形式大多是预防优化和酌情优化。维护的类别是通过设备状态来选择相符的方法。在应用的过程里，透过优化维护来保证设备状态的良好，令油、燃油、轮胎、配件的耗费量达到最低，各个总成及零部件技术保持良好，实现最长大修间隔时间的目标。

3、关注备件管理及运行管理

包含了备件技术方面的计划、采购、仓库管理、技术管理等等。执行实时故障信息采集的方式，对故障进行具体分析，将故障资料收集后进行诊断与优化。

四、电梯机械故障诊断系统的应用效果

想要保证电梯安全平稳的运行，则需要保证电梯的各个部件的状态和功能的安全，即保证电梯的各个部分的安全装置能够顺利的传递安全要求及安全信息。在电梯拥有合理的结构和足够机械强度的各组成部件的基础上，对于电梯的基本使用功能即在高大的建筑物内对人员和物料进行垂直的升降运输保证其安全平稳性，即在考虑到全部的动、静载荷和发生意外情况安全装置采取紧急措施后会产生的载荷的基础上，当电梯发生了额定满额时，不会导致电梯发生破坏。

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一、中职机械制图教学优化设计实践理论

现代教育技术引入到机械制图教学中，能够使教学过程和教学活动更加丰富和优化。在机械制图教学实践中发现，以多媒体教学、翻转课堂、微课教学等为代表的现代教育技术模式发挥了突出的作用。现代教育技术冲击了传统的中职教育模式，对教师的工作方式产生了巨大的影响，改变了师生双方在教学活动中的角色和地位，使学生更多地站在了学习的主体地位，这极大地激发了学生的学习兴趣和学习欲望。基于现代教育技术的中职机械制图教学设计以系统方法为指导，重视对学生的分析，教学设计要包含整个教学过程和教学操作。此外，教学设计还应重视教学效果的评价，要从评价中获得更优秀的设计方案。通常来说，基于现代教育技术的机械制图教学设计优化由以下几个基本要素构成，即学习需求分析、学习内容分析、学习者特征分析、学习目标阐明、学习策略制定、教学媒体选择以及教学设计成果评价。

二、机械制图教学设计改进与优化

在中职机械专业教学中，机械制图课程是最基本也最重要的基础课程之一，机械制图教学要先进行传统的教学设计，然后在此基础上进行改造和优化。以机械制图课程中重点知识板块“组合体视图”为例进行课程教学设计。组合体视图主要由相贯线、截交线和组合体视图的补图补线等组成，对学生的空间想象能力具有一定的要求。1.机械制图传统教学设计模式结合课程设计的流程和内容，将机械制图课程中“组合体视图”教学设计分为七个环节。（1）机械制图的需求分析。在该课程环节，学生基本已经掌握了基本几何体表面求点、求线的知识，但对于几何体平面截切、贯穿截交线、相贯线的绘制等存在较多问题，多数学生混淆各种相贯线、截交线的形状，甚至不知其绘制方法，这对后续的教学产生了较大的影响。因此教学设计有较大的需求。（2）学习者分析和学习环境分析。教师在教学设计过程中必须结合学生的实际情况进行，否则容易使教学设计与教学过程脱节，进而影响教学效果。学习者分析的内容包括对该板块知识的掌握、学生的学习动机和学习能力水平、学习偏好和对教师的态度、学生在学习中的共性特征等；学习环境分析内容包括教学点对教学需求的满足程度、教学点模拟应用环境的适应性、在教学点运用多种教学策略的可行性、可营销教学设计和传递的限制等。（3）确立教学目标。“组合体视图”教学的知识技能目标设定为理解概念，将组合体拆分为基本几何体，培养学生组合体形状的空间想象能力，并补画出第三视图。教学过程中的目标是使学生达到自主观察与分析、自主操作的能力，并掌握组合体视图方法。要使学生树立起机械制图课程的兴趣，以积极向上的态度学习。总体来讲包括语言技能、智慧技能、动作技能、态度技能、认知技能。（4）明确教学难点和重点。在机械制图课程的“组合体视图”模块，学习的重点和难点为组合体的组合方式，读出组合体视图，并补画第三视图，要求学生掌握绘制组合体平面图的技能。（5）教学策略的选择和教学设计思路的确定。在“组合体视图”教学中，教师可选择任务驱动法、协作学习法、讨论交流学习法等教学方法。教学手段借助相关教学课件、平面图、组合体模型等。学生的方法为自主学习和小组协作学习相结合的方法，学习的过程则为“接受任务思考讨论合作操练总结巩固”。（6）制定清晰明确的教学过程。教学过程的整体内容包括教学环节、教师的教学活动和学生的学习活动、教学媒体的选择、设计意图和教学反馈评价。单纯从“组合体视图”知识模块的教学来讲，教学过程为：创设环境引入课前知识的引入引入新课分析组合体组合方式逐个绘制简单基本几何体的画法分析绘制几何体外部连接部分的画法分析绘制几何体内部衔接部分的画法想象组合体的空间立体形状通过组合体的空间立体性状并补画第三视图。（7）作业评价。在课堂教学环节结束之后，教师应结合“组合体视图”教学的实际情况给学生布置合适的作业，作业的内容为补画第三视图。教师对学生作业的评价方式与工具为三角板等绘图仪，评价的内容包括学生的作业是否符合视图投影规律，绘制图线是否达到要求，视图补画是否正确，包括外形正确和细节补画完整与否。2.机械制图教学改进设计与实践由于机械制图课程需要较高的空间想象能力，其在教学中最好能够给学生展现立体形象，这样能够加深学生对机械绘图的理解和记忆。三维形式的组合体视图展示对学生的学习至关重要，而现代教育技术的引入对于实现这种教学要求具有极大的帮助。因此在引入现代教育技术时，组合体视图教学需要对传统教学设计进行修改和优化。首先，教学目标需要结合现代教育技术进行修改和优化，补充学生空间思维能力培养、空间转化为平面作图能力、读图能力与计算机画图能力的培养。其次，整合调整教学内容，包括投影基础、制图基础、机械图、计算机基础等几个部分。在组合体视图教学中，将抽象的组合体平面图转化为三维立体图借助多媒体展现出来，实现实物与图的转换。在线面切割、拉伸、并、差等造型三维体教学展示中，引入三维CAD/CAM软件，使学生能够更为直观的观察和理解。对于生产中常见的标准件画法和读图、装配图展示，引入多媒体进行教学演示，加深学生记忆。其后，在“组合体视图”教学中引入建构主义理论，将教学过程分为五个环节，即进入知识情境、建立支架、独立自主探索、协作合作学习、总体效果评价。比如在“螺纹连接”教学环节，教师借助多媒体来演示螺栓结构，并用动画说明螺栓连接的工艺过程，然后让学生以小组的形式进行讨论交流，教师通过注释和演示细节来加深学生印象。然后，在现代教育技术的支持下，创新空间想象能力的培养方式，比如点线面的投影、借助CAD/CAM软件展示组合体立体模型的形成，让学生找到易切削的材料进行三维空间思维能力培训。最后，在多媒体的辅助下，教师将机械制图的教学理论和实践相结合，在教学中调整了实践性内容，加大徒手画草图的训练，并结合实际生产中的例子对学生进行讲解。

篇12

机械的最优化设计，主要讲以固定的负荷或者环境条件为前提的情况下，在对机械产品的性能、几何尺寸关联以及别的因素限制范围内，选择设计变量，构建目标函数且致使其可以得到最优值的一个设计办法[1]。近年来，越来越多语言的优化办法法程序能够提供选择，但是这些程度均有个人专属的特点与合适范围。另外，MATLAB语言是根据优化问题来设计原有的优化工具箱，工程技术人员能够直接调用效果高的优化函数进行求解，初始参数的输入步骤简单，语法简单易懂，十分容易上手，同时其编程工作量不大，优越性非常明显。

1.MATLAB语言及其优化工具箱内容

MATLAB来源于美国，是其某间公司研究开发的将科学计算、数据可视化以及程序设计集中在一起的工程运用软件，近年来被普遍地使用在自动控制、机械设计以及流体力学等等工程的范围里。工程技术者经过应用MATLAB供给的工具箱，能够有效的解决比较复杂的工程问题，同时还能够对系统开展动态的仿真，使用厉害的图形功能把数值计算的结果显示出来。当中对优化工具箱的使用内容包含：线性和非线性的最小化，方程求解以及曲线拟合等问题中大型课题有效的求解办法法，给优化办法在工程上的具体使用应用提供了更为便捷的路径。

2.MATLAB优化工具箱函数

2.1.求解无约束非线性规划的函数

非线性规划问题主要指在目标函数以及约束函数中，形成一个或者多个非线性函数的情况。而进行无约束优化问题的求解办法，分为直接搜索及梯度两种办法。直接搜索法适合运用在目标函数存在高度非线性，无导数或者导数求解艰难的现象，经常使用直接搜索法主要是单纯形法，其存在收敛速度较慢的缺点。

2.2.求解线性规划的函数

优化问题中的线性规划问题主要指目标函数属于优化变量的线性函数，并其受到的约束条件同时也属于优化变量的线性存在等式或者不等式的情况。此种问题由MATLAB优化工具箱中的linprog函数对线性规划问题进行求解，而单纯形法则是求解线性规划方法当中的一种效果比较高的算法。

2.3.求解有约束非线性规划的函数

MATLAB优化工具箱中出现约束规划使用工程优化设计问题大部分都是约束非线性规划方面的问题[2]。当前，处理非线性约束优化问题的方法非常多，可是这些算法只可以处理一类比较特别的非线性规划问题。过去的处理方法大多经过创立惩罚函数把出现约束最优化问题直接转变成为无约束最优化问题开展求解。目前，此办法已被效果更佳的以K-T方程解为基础的办法所代替。对约束最优化问题进行求解过程中的必要条件主要是K-T方程，且非线性规划算法还以其最为基础，这些算法可直接开展计算拉格朗日乘子。经过拟牛顿法的更新过程，为K—T方程积聚二阶信息，能够确保有约束拟牛顿法的线性得到收敛。这些方法还可以被称为序列二次规划法，是由于它们在每次主要的迭代过程中均对一次二次规划问题进行求解[3]。使用MATLAB处理工程当中遇到的实际问题，步骤主要如下：

2.3.1.按照设计的要求以及目的定义进行优化设计问题，对优化问题的类别开展判断。在分析的过程中需要将以下情况完全区分：单目标和多目标；线性和非线性以及是否为线性规划三方面的问题等几种情况。

2.3.2.按照优化问题的类别构建数学模型，将需要优化的函数选定。

2.3.3.明确以及肯定必要的数据与设计初始点。

2.3.4.按照目标函数的性态，给优化选项开展预定。

2.3.5.把全部的输入参数进行定义后，通过应用调用优化函数方法开展优化程序调试。

2.3.6.按照优化过程中的详细提示信息，对优化选项中的设置进行修改，直到全部符合优化函数需要的优化条件后才停止。

2.3.7.对所获得的优化数据及设计方案开展具有合理性与适应性特点的研究。

经过本文的具体介绍能够知道，运用MATLAB优化工具箱可以有效地取得优化设计算法的整个过程，并且其求解便捷快速，程序十分简明，结果牢固且可靠性大、精度非常高，收敛的效率极其大，在一定程度上增加了工作效率，存在非常大优越性，是所有可以处理机械优化设计问题工具中最重要的工具。特别是面临一些依靠人工不可以处理的问题时，经过对比其可以被称为是科技设计人员最有利的工具。

参考文献：

[1]焦丽丽.MATLAB软件在机械优化设计中的应用研究[J].科教文汇（上旬刊），2011，10（06）：56-57.

[2]李旻，李静，饶雄新等. MATLAB优化工具箱在机械优化设计教学中的应用[J].装备制造技术，2010，12（03）：156-157.