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.