机械优化设计论文范文
机械优化设计论文范文第1篇
德国人发明的这一种变元法，是目前世界上最为科学易懂的变元方法，它能够衍生出许多不同的方法，具有很大的可塑性。这种方法的内涵主要有两部分：它变化内容多样，包括材料、数量、位置、尺寸、形状、连接、工艺七个方面；另一部分是上述七个方面的具体运用，运用的前提条件是机械基本结构，这些元素在其基本结构的基础上进行一定的变化，这样就有不同的形式，新的机械结构设计方案就创造出来了，这样就达到了优化设计机械结构的目的。接下来笔者将会重点介绍七种创新方案在机械结构设计的具体运用，其最终目的还是满足整个机械产品的生产的要求，这也是目前机械工作者普遍使用的方案。
1.1材料变元
现实生活中很多种材料都可以用来设计机械结构，不一样的材料要求的加工方法和手段不一样、适用的结构类别不一样、零件需要的大小也不一样。材料的变元可以变化出不一样的结构模式。比如说：在进行钢材料的结构设计过程中，零件的截面面积越大，材料结构强度就越大、越硬；在铁材料的结构设计中，为了使结构变强变硬，人们通常使用加强筋和隔板的方法；在塑料材料的结构设计中，塑料件的筋板和壁厚应该无差而别且对称均匀。
1.2数量变元
在产品的结构当中主要包括以下几个方面，即零件以及轮廓面、线和加工、工作面共同构成了产品本身，如果想要将机械的结构目的进行改变，那么就可以通过调节上述结构元素而实现。就好比在铸件的过程中，是希望越简单便捷越好的。能够节省一些不必要的零件配置，又能在安装的时候方便人们的使用，这在无形中就提高了工作效率，比如安装一个螺丝钉的时候，如果按照螺钉和垫圈以及弹簧垫圈才能结合在一起的模式去安装，那么就需要最少三个步骤，但是如果把它们设计为一体的话，就可以大量地节省安装的时间，提高了效率。
1.3位置变元
在实际操作过程中，产品结构的元素之间的位置是可以进行调换的，这样可以无形中使结构本身的设计更加完善。比如，零件的焊缝位置应该对应中性轴或者至少需要靠近中性轴，这样便于将收缩力减少或者能够避免产品的变形。除此之外，零件的摆放问题也十分重要，如果杂乱无章则会大大阻碍操作速度。
1.4尺寸变元
零件的尺寸必须符合使用的标准才行，必须在各项标准合格之后才可以进行操作，比如：在冷冲压弯这一工艺中，就需要零件按照既定的需求进行弯曲，如果零件在加工的过程中，实现了标准的弯度，那么就算是一个成品，不需要再度进行加工。如果不符合产品的需求那么还需要进一步的加工整形来达到产品的要求。
1.5形状变元
机械整体的结构目的可以通过调整零件的形状或者改变其规格的大小而实现。比如在弹簧的生产过程中需要考虑多个问题，首先是弹簧的大小及其相对的螺丝垫圈的规格，能否让弹簧和使用的螺旋面以及被需要压紧的零件相吻合，就需要设计出不同规则的产品，无论零件的形状面如何都需要相匹配的弹簧来配合才行，如果零件之间的距离过大，或者不能够将压力有效融合，那么零件在安装过后就不算是合格，如果这一类零件销售在市场中，很可能造成一系列事故，那么为了防止拉簧因为这些问题而失去使用效率，就势必要将弹簧的设计空间放大，并且实现它的自身独特性，即使它在单独使用的过程中也可以实现跟其他零件的配合。
1.6分析连接变元
一是联接方法，主要的模式有焊接、胶结以及螺纹联接等方式。二是联接的方式，根据结构类型的不同而不同，因此为了丰富联接方式以及寻找到最为契合的联接方式，各个联接的结构以及联接的方式都可以进行相对应的合理调整。比如：针对一些需要拆卸的零件，如果在联接的方式上不能选择好，那么就会在联接和拆卸方面造成一定的困难，此类的零件需要便捷的拆卸模式，比如日常生活中所购买的一些产品，像是随声听的后盖，就可以任意拆卸下来安装电池来维持继续使用，这样的结构也方便用户使用，从未为其提供便捷的操作模式。
1.7分析工艺变元
零件在产生之前，往往会有其自己的设计图纸，而设计图纸上面的结构内容直接决定了产品属于何种工艺级别的零件，因为每一个设备的零件都不是完全相同的，所以零件的设计以及成本也千差万别，如果设计工艺在产品出产之前没有得到完善，那么势必会影响到零件自身的质量，一旦零件没有合乎要求，那么产品的整体结构就会受到一定的影响。因此在零件铸造之前对于零件图纸的研究必须给予深度的重视，现在的加工技艺正呈现着不断创新和完善的趋势，但是问题也就随之而来，这些加工工艺虽然具有创新性，但是还不够成熟，并非达到了理想中的需求，因此还需要进一步的对此加大研究的力度。
2机械结构创新的尝试及优化测评
2.1机械结构设计的创新尝试
防腐剂在石油以及一些石化设备中具有十分重要的作用，下文以其为例，阐述变元法在其中重要的作用。石油和石化设备必须进行防腐蚀性的设计，这样一来，在设计的最初就应该考虑到防腐蚀性的大小和影响因素，从而采取必要的保护和防治措施，主要有以下几个方面。首先，在总体的设计上面，对停车间给予了严格的要求，不能堆放杂乱，不能潮湿，不能含有其他不利于防腐的物质存在。其次，设备的使用年限与设备本身一些极为细小的间隙区有着十分重大的联系，这些缝隙极有可能在人眼看不到的地方发生腐蚀问题，或者这些缝隙人是无法凭借手工去进行操作控制的，就像是一些产品的焊接点，这些产品貌似看起来已经不存在腐蚀的可能，但是难免会有看不到的缝隙存在，应该进行必要的封存和填补，或者干脆将缝隙扩大，这样便于对其进行维修补救和防护。再次，温度较高以及质量较高的浓度阶梯，局部势差问题往往在这种情况和产品中产生，一旦发生了腐蚀则不可控制。此外，每一种金属都有着自己独特的属性，产品在构建的过程中不一定是一种金属构建而成，多半是几种金属共同组合而成，但是不同的金属势必会产生接触面的腐蚀，应该对此进行绝缘处理。最后，面积越小腐蚀的点也就越小，因此要针对产品的不同设计缩小表面积从而减少腐蚀。
2.2对机械结构变元创新设计的优化评测
机械结构在完成变元创新实践之后。要根据目前的性能以及使用效果进行一个综合的测评，首先要进行模糊测评，运用理论研究和一些理想化的模型设计一种测评模式，但是这种测评模式并不是实际操作中的模型，而是通过一定的数学模型，根据先进的设计理念和规划，对其进行变化创新设计的检测。在测试的过程中测试者凭借自己多年的使用经验和研究理念进行对其综合评价的过程，并根据现有的先进思维对其进行构建，在测试的过程中还需要考虑到社会实际问题，产品在经过变元之后，使用方面是否安全，便捷，可维修性是否达到了指标，并且要将逻辑推理的思维运用到其中，选择出使用其整体变元的方案，最后针对已经选择好了的方案，进行进一步地修改和完善，从而作用于产品的机械结构构建当中，服务于产品的整体功能。
3结束语
机械优化设计论文范文第2篇
1.1《机械优化设计》课程理论教学研究与改革
《机械优化设计》课程理论教学体系的建设主要包括优化课程内容、制定课程教学大纲、编写课程教案几个方面。如前所述，机械优化设计课程教学需要克服“四个脱节”。因此在课程体系研究方面主要解决实现理论基础教学和应用能力培养相结合，以及课程内容与技术发展相结合两个问题。
（1）实现理论基础教学和应用能力培养相结合针对因该课程数学基础较多导致工科学生畏难情绪大，学习热情不高等问题，在课程数学理论基础等知识点方面，侧重算法原理的讲解而非算法过程的介绍；侧重使学生掌握使用现有数学工具解决工程问题，而非自行编制算法程序求解数值问题。从而使学生从算法原理和理论基础中跳出来，提升到知识的应用的层次。
（2）课程内容与技术发展相结合机械设计问题已经从求解小规模单一问题发展到求解大规模复杂性问题。因此优化方法也从经典的优化方法发展到多学科设计优化、智能优化方法、基于仿真的优化等领域。因此课程内容应和技术发展相结合，适当引入先进优化方法的介绍。为学生从解决简单数值问题过渡到今后解决复杂工程问题提供知识储备。适应“卓越计划”提出的培养学生工程能力的要求。
1.2《机械优化设计》实验课程体系的建设
《机械优化设计》实验课程体系的建设主要包括实验内容与实验项目的设置、制定实验教学大纲、编写实验指导书几个方面。实验体系建设的主要目的是使实验项目设置与工程问题相结合，实验内容与工程实践所需的综合性知识应用相适应。
（1）首先在实验项目设置时，根据“卓越计划”的要求，以培养学生的工程能力和知识的综合运用能力为目标。通过建立知识-能力-实验内容关系矩阵。将各个知识点的能力培养落实到各个实验项目环节。并且实验项目的设置突出和其他相关课程内容、工程问题相结合。避免知识点与工程应用脱节，从而达到工程技术人才的具备知识的综合运用能力的培养要求。
（2）其次在实验项目设置时，对不同类型的实验项目，优化其实验方法及其目的。主要改革体系现在以下三个方面：算法原理类实验，避免要求学生采用通用语言编写成熟优化算法的实验。而采用数值计算软件验证，并要求主要对比分析不同算法的求解过程的特点。工程问题类实验。侧重于工程优化问题数学模型的构建，如何选择合适的优化方法求解。综合类实验，和考核环节的课程project相结合，采取开放式的实验方式。侧重于培养学生对知识的综合运用能力、工程素质和合作意识。
1.3《机械优化设计》教学方法研究
教学方法有多种，不同的方法有不同的特点和其适应性。本项目研究的一个重要内容之一是拟比较几种方法的特点，将其融入到不同实验的教学过程中。
（1）对于基础理论的介绍，以板书教学为主，多媒体教学为辅。这样有利于学生理解理论基础，克服学生对数学推导的畏惧心理。
（2）对于各种算法的介绍，在简单介绍其原理的基础上，采用对比教学的方法，侧重于各种算法特点和适用性的比较。并应用结合成熟的数值计算软件，采取现场实验教学的方法进行讲解。
（3）在考核形式方面。除日常的考核和实验成绩考核以外，结合课程项目教学的方法，让学生以组为单位完成一个自选的项目（Project），并以组为单位做一个展示（Presentation）。一方面锻炼学生运用知识综合解决问题的能力，另一方面培养学生的团队协作和工程素质。
2改革特色及成效
“卓越计划”强调学生工程实践能力的培养。因此结合“卓越计划”的实施契机，在对课程建设中存在的问题进行系统深入地分析的基础上，经过不断的教学研究与实践，我校《机械优化设计》实验教学已初步形成了特色。并取得了一定的成效。主要体现在以下几个方面：
（1）在理论教学建设方面实现理论基础教学和应用能力培养相结合；课程内容与技术发展相结合。从而使学生从算法原理和理论基础中跳出来，提升到知识的应用的层次。适应“卓越计划”提出的培养学生工程能力的要求。
（2）在实验课程建设方面根据“卓越计划”的要求，以培养学生的工程能力和知识的综合运用能力为目标。通过建立知识-能力-实验内容关系矩阵。将各个知识点的能力培养落实到各个实验项目环节。并针对不同类型实验，优化其实验方法。
机械优化设计论文范文第3篇
关键词：机械优化设计 实验 考核 Matlab
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0179-02
“机械优化设计”是机械类专业的一门专业发展的重要课程，主要内容包括优化设计的基本概念、优化设计方法和机械优化设计实例等内容。机械优化设计是将最优化原理和计算技术应用于机械设计领域，为机械设计提供一种重要的科学设计方法。采用机械优化设计方法，人们可以从众多的设计方案中找出最佳设计方案，提高设计效率和质量。
该文简要介绍了“机械优化设计”课程的作用，针对课程教学中存在的问题，从课程实验、课程考核的方式和内容等方面，提出了一系列的改革方法与措施，注重与科学计算软件Matlab的结合，从实验和考核方式的改变引导教学的改变，提高了教学效果与教学质量，取得了较好地实践效果。
1 课程作用简介
“机械优化设计”课程的目标是使学生树立优化设计的思想，掌握优化设计的概念和方法，将最优化和计算技术应用于设计领域，获得解决机械优化设计问题的能力[1]。“机械优化设计”课程是中国机械工程教育专业认证通用标准毕业要求“能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题”和“能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论”的具体体现。“优化设计”是现代设计理论和方法的重要领域，所以“优化设计”也是“现代设计方法”课程的重要组成部分。
2 课程现状
在笔者所在学院机械类专业的培养体系中，机械优化设计课程是一门实践性很强的技术基础课，重在培养学生的建模能力、编制优化程序的能力和灵活运用优化设计方法解决工程实际问题的能力。课程教学包括课堂和上机实验，通过实验，使学生进一步巩固和加深对基本知识的理解，能够独立编制计算机程序，掌握常用优化方法程序的使用方法，最终达到灵活运用优化设计方法解决工程实际问题[1]。
在近几次的大纲修订中，为了加强对学生应用能力的培养，在总学时不变的情况下，机械优化设计课程的实验学时有所增加，但实验的内容并没有本质的提升。在机械优化设计原来的教学大纲中，课程的考核以实验成绩为主，这种考核方式很难全面反映出学生对知识的掌握程度。
机械优化设计课程所采用的经典教材中常用优化方法的程序是基于FORTRAN语言完成，现在本科生基本没有学习FORTRAN语言。世界上最优秀的科学计算软件Matlab及其优化工具箱不论是在编写优化程序，还是在直接使用Matlab软件内置优化函数方面，都有较大的优势，很多学生都选修了Matlab相关课程，但优化设计与Matlab软件的结合不论是在Matlab选修课，还是在机械优化设计课程中，都没有得到很好的体现，这不利于学生知识面的拓宽和综合素质的提高[2-4]。
3 实验教学改进
机械优化设计实验是实现机械优化设计教学目标，培养学生创新意识和实践能力的重要教学环节。针对教学中存在的问题，主要从以下几方面进行教学改革的实践。
（1）在一维搜索方法和无约束优化方法课程实验中，主要内容包括基于Matlab语言的一维搜索和无约束优化方法程序的编写、调试和考核，程序能够求解相应的程序考题。同时要求会使用Matlab软件的优化函数：求一元函数极小值的函数fminbnd，求无约束极小值的函数fminunc，fminsearch。求解相同的程序考题，与Matlab语言编制程序的求解结果进行比较，验证编制程序的正确性和有效性。
（2）阅读并理解已有的基于Matlab语言的约束优化算法程序，了解程序的结构特点，会用程序求解约束优化方法的程序考题。同时要求会使用Matlab软件的优化函数――求约束极小值函数fmincon，求解相同的程序考题，与Matlab语言编写程序的求解结果进行比较，验证编写程序的正确性和有效性。
（3）在调用Matlab软件中的优化函数fminbnd、fminsearch、fminunc和fmincon时，既会使用程序调用，还要会使用Matlab软件的优化工具箱GUI直接调用，有精力的学生可以继续通过Matlab软件的帮助功能了解fminbnd、fminsearch、fminunc和fmincon函数的数学原理，了解这4个函数所使用的优化算法。
（4）对机械设计问题，如机床主轴结构优化设计、圆柱齿轮减速器优化设计、平面连杆机构优化设计、汽车悬架系统的优化设计、热压机机架结构的优化设计、月生产计划的最优安排等，参考教材中建立适当的优化设计数学模型，基于已有的程序和Matlab内置优化函数，进行优化设计计算。通过与机械专业相关的实例，激发学生的学习兴趣，增强学生分析和解决工程实际问题的能力。
4 考核方式的改进
针对以实验成绩为主的成绩考核方式很难全面的反映出学生对知识的掌握程度的问题，合理分配课程总成绩的构成，改为平时成绩20%，实验成绩40%，考试成绩40%，兼顾平时、实验和考试各个方面。平时成绩主要包括课堂表现，如学生主动参与课堂练习、讨论，创造性地提出问题的能力等，以及作业完成情况、课堂考勤等。考试环节，以课堂讲解的内容为主，主要考察学生对机械优化设计基本概念的掌握情况，优化设计方法理论的理解与运用情况。实验成绩主要包括完成自编优化方法程序的情况，考核题计算结果及分析，以及实验报告的撰写情况等。
对于有精力的学生可以布置相应的机械优化设计研究小课题，要求学生提交研究报告，根据学生收集资料能力，研究设计能力，解决实际问题能力和合作研究能力等评定成绩，作为实验成绩评定的加分项，加到实验成绩100分止。还可以向学生介绍现在工程优化的前沿――拓扑优化，建议学生去拓扑优化的权威OLE SIGMUND教授的个人主页http：//topopt.dtu.dk/下载拓扑优化相关Matlab程序运行，培养学生兴趣和科研能力。
5 结语
通过机械优化设计课程的实验和考核方式改进，使得学生不但掌握了优化设计的基础知识，而且还掌握了使用科学计算软件Matlab解决机械优化实例的初步能力。学生可以掌握基于Matlab语言编写机械优化设计程序，还能掌握Matlab软件的优化设计工具箱的使用， 为今后各门功课的学习和工作打下基础。课程教改内容在大纲修订中得到体现，取得了较好地实践效果，更好地发挥了机械优化设计在从“基础课”和“专业基础”课通向“专业应用”的桥梁作用，加深对学生综合素质的培养。
参考文献
[1] 梁迎春，孙靖民.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社， 2014.
[2] 温建明，马继杰，程光明.基于MATLAB的机械优化设计课程数字化教学改革[J].吉林教育学院学报，2011，27（5）：81-82.
机械优化设计论文范文第4篇
关键词：机械 可靠性设计 发展 应用
我国著名科学家钱学森曾提到：“产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的。”而其中，设计的可靠性无疑对产品的固有可靠性有着决定性的影响。据相关文献统计，因设计因素引发的机械故障，占到机械产品故障总数的60%以上，可见提升机械设计质量的重要性。目前，我国逐渐开始对可靠性设计理论与方法进行，但就目前成果来看，与发达国家还有着较大的差距，此外，随着我国机械产业的快速发展，可靠性设计理论的应用价值不断提高，在此背景下，强化对机械可靠性设计理论的研究与应有有着很强的必要性。
1可靠性设计概述
根据GJB451——90给出可靠性的定义：可靠性指的是“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的能力或性质”，可靠性的概率度量称为可靠度。可靠性的研究最早可追溯到二战期间，发展至今已有近半个世纪的历史，在美国、英国、日本等机械设计方面较为发达的国家，机械的可靠性设计已经成为一门相对独立的科学，且有着较为丰富的研究和实践成果。相比之下，我国对机械产品可靠性理论的研究就起步较晚，与上述国家仍然存在较大的距离。且由于机械设计涉及领域宽泛、可靠性研究的任务繁重，内容庞杂，因而研究进度远远不如电子产品可靠性研究快。
从理论应用方面看，我国机械可靠性设计还处于起步阶段，强化可靠性分析理论与数学规划方法在机械设计中的应用，是促进机械设计可靠性提升的重要途径；从实用性工程方面看，强化可靠性设计对于提升传统设计的合理性，以及对节约生产成本与提升经济效益均有着重要的作用，因而对可靠性设计理论与方法进行积极探索，对推进我国机械设计水平的提高有着重要的意义。
2 可靠性设计的应用
可靠性理论和方法在机械产品设计领域中的应用，主要体现在可靠性优化设计、可靠性灵敏度设计和可靠性稳健设计三个方面：
2.1 可靠性优化设计
机械优化设计理念产生于本世纪60年代，是数学规划与现代计算机设计在机械设计领域的集中应用，有着减低材料消耗、提升设计可靠性的应用价值。机械产品的优化设计通常是根据设计标准和需求对各种参数进行优化调整，将可靠性设计理论融入机械优化设计过程，能有效提升优化设计效率和质量。通常，可靠性优化设计包含质量、成本、可靠度三个主要因素，方法是在给定的成本和质量要求下对技术参数进行约束和优化，进而实现产品安全性能和使用性能平衡。要使机械产品既保证具有可靠性要求，又保证具有最佳的工作性能和参数，应将可靠性设计与优化设计理论和方法充分结合起来，以发挥两种设计方法各自的长处，一方面达到机械产品设计的可靠性要求，使其性能更高、更实用，另一方面达到节约控制成本和提升效益的要求，通过较小的花费创作较大的应用价值。
2.2 可靠性灵敏度设计
灵敏度是机械设计质量的重要评价指标之一，在传统机械设计中，为了保证机械产品的灵敏度，每次进行方案修改时都需要进行重新试验测试，但这往往需要耗费大量人力、物力，因而许多设计单位在进行方案修改时往往凭经验判断灵敏度，导致设计方案具有较大盲目性。因而引入一种科学的灵敏度分析方法，对于优化机械设计方案，提升设计方案可靠性有着重要的意义。可靠性设计基于对数学规划理论与可靠性分析理论的结合，强化了对数学模型在结构系统优化设计过程中的应用，通过找出对参数变化敏感的因素并建立数学模型，能够对模型中的参数变化进行较为可靠的预测，进而实现对机械产品设计过程可靠性的提升。此外，应用人机交互辅助设计，不但能有效利用数学规划分析结果，也能充分发挥设计者的经验和判断力，从而进一步提升设计方案科学性。几十年来，在灵敏度分析方面已有了大量的成果，给出了特征值问题、静态和动态响应以及机械产品参数优化设计等方面的灵敏度分析的许多方法，如直接法、伴随变量法、有限差分法、Green函数法、FAST法等等。
2.3 可靠性稳健设计
稳健性设计是一种强调低成本、高质量的机械设计思想，稳健性设计方法的核心是通过对机械产品性能、成本和质量的综合考虑，选择出能够降低成本和提高质量的最优设计，强化稳健性设计的应用，对于提升产品质量稳定性有着重要的意义。稳健性设计最初源于日本学者田口博士创立的三次设计法即系统设计、参数设计、容差设计，随着计算机技术在机械设计领域的广泛应用，近年来稳健设计的内涵得到不断扩充。近年来，机械产品的稳健设计与灵敏度设计得到有机结合，即通过灵敏度分析降低机械产品对不确定因素的敏感度，进而提高产品稳健度。通过这种设计，不但确保了机械产品在使用过程中的性能稳定性和可靠性，也大大降低了机械设备的维护维修成本，从而有效降低了经济损失，提升了经济效益。
3 总结
随着我国机械设计技术的不断发展，可靠性设计理论逐渐受到学界的关注，通过可靠性设计的应用，不但能够全面提升机械使用性能、安全性和可靠性，更能提升机械设计经济性，提升经济效益。与此同时，可靠性设计能够大大节约机械设计过程中所花费的人力、物力、财力，在提升设计质量的同时缩短设计周期，并避免以往机械设计中常见的质量问题，同时减少能耗和材耗，具有一定的节能环保意义和社会效益。
参考文献：
[1]陈靖.机械可靠性设计的内涵与递进[J].中国机械.2013（7）：91.
[2]李茂娟.浅谈机械零件可靠性设计[J].中国科技博览.2013（24）：345.
机械优化设计论文范文第5篇
关键词：动态优化设计 深层次动态优化设计 非线性理论
中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（b）-0111-01
现代机械动态优化设计是在产品的研究和开发过程中，对机械产品的运动学和动力学等问题进行分析和计算，以保证所研究和开发的设备具有优良的结构性能及其他相关性能[1]。
随着科技的发展，动态设计的广度与深度正发生变化，总体上分为以下三个方向：（1）就广度而言，由狭义的向广义的方向发展；（2）就深度而言，由传统的动态优化设计向深层次的动态优化设计发展；（3）就内容而言，从一般机械的动态设计扩展到包括振动机械在内的动态设计[2]。
1 深层次动态优化设计的内涵
传统的动态优化以提高产品结构性能为主要目标、以线性动力学理论为基础的动态优化设计法。
深层次的动态优化设计主要是以非线性动力学理论为基础，使产品能够获得优良的结构性能，研究内容包括以非线性动力学理论为基础的动态设计和以非线性可靠性理论为基础的机器及其零部件可靠性设计。
2 深层次动态优化设计法的研究意义
动态优化设计是机械设计内容中最重要和最具广泛性的问题。而目前机械设计中，以静态设计为主，或采用传统动态设计方法。但这对大型机械装备来说，这远远不能满足需要的。对重大机械产品设备进行深层次的动力学设计，引入非线性动力学理论与方法，是十分必要的[3]。
3 深层次动态优化设计的应用现状
3.1 在振动机械中的应用
振动机械是泛指利用振动原理而工作的机械，它是化工、冶金、建筑等领域常见的设备，虽种类繁多，但基本工作原理相同[4]。随着振动机械向大型化发展，对机械性能的要求越来越高。例如对冶炼设备中的关键设备—— 振动筛的动负荷的要求随即增大，所以在振动状态下常会引起筛体结构强度和刚度不足，导致筛体变形过大，甚至使筛体出现断梁、侧板断裂等故障，造成严重后果。以往对这种设备结构上的不合理设计可能引起的故障缺少测试手段，因此往往在故障发生后才被重视，造成难以挽回的损失。随着振动机械性技术的发展和社会对振动机械要求的不断提高，传统的动态优化设计方法已经不能满足要求，以非线性理论为基础的深层次动态优化设计理论的研究和应用将会成为振动机械领域的主流方向。
3.2 在机床领域中的应用
现代机床要求高的加工精度和表面质量，并具有高的生产率。由于加工过程存在各种振动，机床主轴受迫振动的干扰力主要来自轴上不平衡旋转零件所产生的周期变化的惯性力和不均匀切削时时变的切削力。机床运转时，由于强迫干扰谐振力引起主轴上工件或刀具切削部位的振幅等，使加工过程达不到预定的加工精度和表面质量[5]。
在机床设计方面，优化设计方法也得到了应用，取得了一定的成果。在国外，Michigan大学的T.jiang和M.Chiredast[6]在应用有限元法和动态分析的基础上，提出一种数学模型来模拟机床结构的联结形式，建立整机的模型并对机床结合面的联接件的位置和数量进行优化设计。在国内，西安交通大学张波、陈天宁[7]等在ANSYS环境中建立了机床主轴部件的有限元动力学模型，并对主轴部件进行了静、动态特性的计算和动态优化设计。他们建立了简化的有限元动力学模型，在ANSYS中分析其前8阶的模态频率，确定动态优化设计的目标，然后设计和修改主轴的结构使之达到预期的动态特性。
随着技术的进步，社会对机械零部件的加工精密度要求越来越高，深层次动态优化设计的应用空间也将越来越大。
3.3 在交通工具研究中的应用
随着社会的进步，生活水平的提高，人们对交通工具的要求也越来越高，这体现在对交通工具乘坐舒适性、安全性、外观的美观性等。
目前，我国大力发展高速列车的研究和使用。据报道，2010年5月27日，新一代高速列车“和谐号”380A首辆车在长春下线，最高时速可达380km。对于高速列车这样的复杂系统，传统的动态优化设计方法已经失去了作用，深层次动态优化设计法成为了必然的理论基础。
在汽车领域，汽车在行驶时，路面的不平度会引起汽车的振动。为提高汽车的平顺性，减少其振动，一方面要改善路面质量，减少振动的来源；另一方面要求汽车对路面不平度有良好的隔振特性。车辆的减振一般有三个环节，即轮胎、悬架和座椅，其中，起重要作用的是由弹性元件和阻尼元件构成的车辆悬架系统。而车辆悬架系统是典型的非线性模型，只有利用深层次动态优化设计法才能建立其准确的模型。
4 结论
本文对深层次动态优化设计理论的研究内容及意义进行了分析，并通过在振动机械、机床、交通工具等典型领域为例，介绍了深层次动态优化设计的应用现状。
在过去的这些年里，深层次动态优化设计理论的研究已经取得了很大的进步，也有了很多比较成功的应用实例。但是科技是不断向前进步的，对机械设备各方面性能的要求也越来越高，深层次动态优化设计理论依然有待于完善，其应用前景将会更加光明。
参考文献
[1] 闻邦椿，韩清凯，姚红良，等.产品的结构性能及动态优化设计[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2] 陈新，贾玉兰，等.机械结构动态设计理论方法及应用[M].北京：机械工业出版社，1997.
[3] 李小彭.面向产品广义质量的“1+3+X”综合设计法及其应用研究[D].沈阳：东北大学，2005.
[4] 孙伟，韩清凯，闻邦椿，等.可视动态设计法在振动机械设计中的应用[J].第十一届全国机械设计年会，机械设计，2005（增刊）：41-42.
[5] 傅晓锦.机床主轴多目标优化设计[J].机床与液压，1999.6：51-52.
机械优化设计论文范文第6篇
关键词：农业机械化及其自动化；《优化设计》；教学内容；教学方法；网络教学平台
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）09-0069-04
一、前言
优化设计是工程设计中重要的科学设计方法。最初在20世纪50年代，应用数学领域发展形成了以线性规划和非线性规划为主要内容的数学规划理论，应用于解决工程设计问题，形成了工程设计的优化设计理论和方法。随着优化设计理论和方法的不断推广和应用，优化设计在各个行业得到广泛的应用，优化设计在农业工程领域也有着重要的应用。因此在农业机械化及其自动化本科专业中，开设优化设计课程，学习优化设计的理论和方法，培养分析和解决优化设计问题的初步能力，为将来从事工程设计工作打下一定基础。
二、农业机械化及其自动化专业《优化设计》课程的定位与课程目标
农业机械化及其自动化本科专业是昆明理工大学工学专业之一，其开设背景是2000年5月，根据昆明理工大学的综合办学条件，结合新农村建设、农业现代化发展、西部开发和云南省新型工业化发展战略，针对以工业化改造传统农业过程中对农业工程专业人才的需求特点，经有关专家认真论证研究后，昆明理工大学于成立了现代农业工程学院。建院以来，在学校领导下，农业工程学院在师资队伍建设、学科建设、办学规模、实验室建设、科研建设、对外联合办学等方面都取得了较大进展，积极为学校的本科教学工作和人才培养作贡献。学院坚持学校的办学指导思想，积极探索在理工大学综合办学条件下农业工程类高级专业人才培养模式，旨在培养基础扎实、知识面广、能力强、素质高并具有创新实践能力的本科应用型人才。现设有农业机械化及其自动化、农业水土工程、农业电气化与自动化和园林四个本科专业，设有农业工程、农业机械化工程、农业水利工程、农业生物环境与能源工程和农业电气化与自动化五个硕士学位授权点。昆明理工大学农业机械化及自动化专业虽然成立时间不长，但具有特色和优势。昆明理工大学的办学理念是建设理、工、文、法、经、管多科性协调发展的高水平大学。昆明理工大学办学定位、人才培养目标和生源情况是：建设成为特色鲜明的高水平大学，成为我省和西部地区培养高层次科技人才和应用人才的重要基地。生源来自全国各地。昆明理工大学理、工、文、法、经、管多科性协调发展，学科门类比较齐全，学科综合优势十分明显，而且农业机械化及自动化专业的主要学科基础正是学校的一批优势学科。这就使得农业机械化及自动化专业能很好地汲取学科交叉的优势，在学科交叉中获得新的生长点，使专业得到再生和发展。同样，依托学校理工综合优势，对农业机械化及其自动化专业教学改革将形成有利条件。与从农业院校中成长起来的农业机械化及自动化专业相比，在培养学生实践动手能力、工程素质、创新能力和创新精神上具有无以比拟的优势。《优化设计》课程正是突出专业理工特色和优势的一门学科基础课。在农业机械化及其自动化本科专业的培养方案中，《优化设计》课程一直列为学科基础课，旨在培养学生的工程设计能力，掌握科学的设计方法，培养学生在农业机械领域的工程设计能力，突出学生的理工优势和特色。
三、《优化设计》课程特点
优化设计是现代设计方法中的一个重要领域，是工程设计的重要组成部分，也是工程技术人员必须掌握的设计方法，《优化设计》课程已经成为高校普遍开设的重要课程之一。《优化设计》课程以重在培养学生的创新精神和实践能力的教育思想为指导，更新教育观念，坚持“强化基础，恰当拓宽，提高综合能力”的原则，加强学生的综合素质和工程设计能力的培养，向以“知识、技能、方法、能力、素质”综合培养目标的教育体系转化。《优化设计》课程将“基本设计方法”与“优化设计思想”紧密结合，着重介绍优化设计的基本概念、基本原理和基本方法，学习优化设计方法的实用程序，使学生在学习“优化设计方法”的同时，也能够获得工程应用能力的训练。进而培养他们的创新能力和科学思维方法。通过《优化设计》课程的学习，培养学生掌握优化设计的基本概念和基本知识，掌握常用优化方法的基本原理和计算方法，熟悉常用工程软件的优化分析和计算的功能，了解优化设计在工程设计方面的应用。所以，学生应达到下列四个基本要求，一是树立工程优化设计和优化决策的思想；二是掌握优化设计的基本概念、基本知识和常用方法；三是了解常用工程软件进行优化分析和计算的功能；四是具有解决工程设计中一般优化设计问题的能力。优化设计的教学大都是基于机械优化设计的。因此，以优化设计理论为基础，以计算机为工具，将优化设计方法用于机械设计中，形成了机械优化设计，成为优化设计的典型代表和重要内容。机械优化设计是机械现代设计方法中的重要方法之一。在国内大多数机械类本科专业中，大都开设了机械《优化设计》课程，为将来从事机械设计工作打下一定基础。甚至也有很多机械类硕士研究生培养方案中开设有机械《优化设计》课程，进行更深入的理论学习。《优化设计》课程的教学改革，应根据专业培养方案，从专业特点和实际需要出发，对教学内容进行改革，因此，结合农业机械化及其自动化专业本科培养，开展《优化设计》课程教学改革是十分必要的。
四、教学内容改革
机械优化设计论文范文第7篇
关键词:现代设计方法;机械创新设计;研究
中图分类号:TH12 文献标志码:A 文章编号:1671－1602(2016)10－0044－02
1现代设计的定义和方法
现代设计是把传统的设计理论和设计方法作为基础，把计算机的应用作为标志，是具有信息化时代特征的新型设计技术。目前，现代设计已经逐渐发展到产品规划、产品制造、产品营销、产品运行、产品回收等各个层面，除开传统设计的理论和方法外，与设计相关连的技术和学科，特别是自动化的技术、制造工艺、材料知识、自然科学的知识、系统的管理技术等在现代设计中也是十分必要的内容。现代设计的方法是对把产品作为目标的知识的总称，其涵盖的内容和方法非常广泛，主要包括可靠性的设计、优化的设计、有限元的设计、计算机的辅助设计、价值工程等。
2机械设计
机械设计是属于综合性较强的工程技术，其在社会生活和生产中有着无可替代的重要作用。例如:人类生活所需的各种用品和工具，工业生产中所需的各种仪器和设备等都和机械设计紧密相连。在机械设计中，主要把机械设计的过程分为以下四个阶段:①产品规划的阶段;②方案设计的阶段;③技术设计的阶段;④制造和试验的阶段。
3机械创新设计的思路
机械的创新设计是设计者在对创造力充分发挥的前提下，使用现有的科学技术进行创造性的构思，从而设计出实用性、创造性、新颖性的产品。在机械创新设计中要着重解决的问题是对机械产品的创造模式、机理、方法、过程等进行探讨，通过对机械产品的程式化、算法化、符号化、定量化来强化机械设计的质量、效率、可靠性。虽然机械创新设计要基于机械设计的传统方法，但是机械创新设计更追求创造性，因为要加强机械产品的竞争力就必须强调设计的创新性。在机械创新设计中，虽然设计的投入只有产品总投入的5%，但是设计的决策在产品投入中占70%。由于在设计阶段就要对产品的结构、性能、成本、质量、维护等因素进行确定，且创新设计不仅是关于产品使用周期的设计，还是关于用户和市场的设计，因此只有通过机械设计的创新才能使机械产品具有更加良好的竞争力。机械的创新设计不仅繁杂、耗时、费脑力，还紧张、繁重、费体力，要有效地提升创新设计的效率，就要使用科学的设计工具和设计方法，而设计的自动化便是创新设计的理想目标。在机械的创新设计中，其科学性一方面可以让设计者从系统的层面认识设计，从而有效地避免不良设计;另一方面可以实现设计工具的寻求愿望，因此机械创新设计不仅是设计工作的实际需求，更是机械设计中CAD技术的未来发展趋势。
4现代设计创新的研究
机械创新设计是在设计者对创造力充分发挥的前提下，使用现有的科学技术创造性的构思，从而设计出实用性、创造性、新颖性的产品。机械的优化设计、计算机的辅助设计、有限元设计、系统设计、创新设计等形成了现代设计的系统方法库，且现代设计对利于设计思想和设计方法的学科不断吸收。专家系统、思维科学、人脑研究、人工智能等的发展使创新设计在机械设计中越来越重要，因为不仅专家系统、思维科学、人脑研究、人工智能等已经给创新设计奠定了理论基础，而且创新设计的发展还能促进创造思维的机理解释和科学技术的发展。在机械的创新设计中，创新设计的内容主要包括两个方面:①完善机械产品的经济性、技术性、适用性、可靠性;②设计和创造满足生活和生产需求的新产品。在机械的创新设计中，其关键的核心主要是对机械产品的创造模式、机理、方法进行探索，并对机械产品的创新设计进行定量化和程式化。
5现代设计未来的发展趋势
现代设计是把分析软件和工程设计作为基础，把计算机作为工具，通过现代的设计理念进行设计的新型方法。ADAMS、PRO－E、SolidEdge、I－DEAS、UG、SolidWorks、NASTRAN、ADINA等都是现代设计中使用较多的分析软件。现代设计的方法中，在使用分析软件和计算机的同时，要遵循常规设计的内容，且在现代设计的方法强调中，不能忽视了常规设计的重要作用。现代设计的方法较多，且涉及学科较广，虚拟的设计、优化的设计、计算机辅助的设计、可靠性的设计、并行的设计、有限元的设计等都是现代设计中经常使用的设计方法。由于现代设计方法的通用性较强，比如:在优化的设计方法中，其理论基础不仅可以在机构的和零件的优化设计中使用，还能在建筑工程和电子工程等领域中使用，因此现代设计的发展较为快速。现代设计发展迅速的表现如下:1、机构的计算机辅助设计和计算机辅助设的并行发展。2、机械的优化化设计和优化设计。3、机械的可靠性设计和可靠性设计。4、设计过程更为数字化，既要对工程中确定性变量的数学建模和描述进行完善，还要对非确定性变量的数学建模和描述进行研究。5、设计过程更为智能化和自动化，不仅要对各种方法库、数据库、知识库进行研究、健全、发展，还要对商品软件的研发自学习、自适应、自编程，例如:对信息、数据、知识获取和处理技术的研究。6、对多目标和不可微模型进行优化、对工程的不确定模型和动态的多变量进行优化等优化程序和优化方法的研究，并且优化程序和优化方法的研究已经发展到了对广义工程系统领域的优化。7、对网络的协同设计和并行设计的技术研究、方法研究、软件研究。8、对仿真虚拟的试验研究、对虚拟设计的研究、对快速形成仿真虚拟的研究，这种研究是把计算机的仿真作为研究基础，集智能技术、人机工程、成形技术、多媒体技术、光电传感的技术、并行工程、材料、计算机的图形学等为一体的综合性研究。9、对CAD技术应用、推广、发展的研究，在CAD技术的研究中其关键内容是对功能性较强的商品软件进行研发。10、对微型机电系统的应用技术、设计方法、设计理论进行研究，例如:智能计算、纳米技术、微型机械的系统和微型机器人的系统的设计与计算。11、对关于生态设计的理论研究和方法研究，例如:对绿色的产品进行设计、对生产过程的清洁化进行设计、对产品的可回收进行设计等。12、对基础的设计理论和共性的设计技术进行研究。
参考文献:
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［2］鲁绪芝，赖惠芬．基于现代设计方法学的机械创新设计研究［J］．现代制造工程，2007，(7):111－113．DOI:10．3969/j．issn．1671－3133．2007．07．035．
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［4］李旭．现代机械设计的创新方法［J］．科技经济市场，2015，(5):199－199．DOI:10．3969/j．issn．1009－3788．2015．05．146．
［5］罗煜林．现代机械设计方法分析［J］．中国科技纵横，2014，(9):83－83．DOI:10．3969/j．issn．1671－2064．2014．09．061．
机械优化设计论文范文第8篇
关键词：现代；传统；机械设计；优劣
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.24.248
0 前言
现阶段，科学技术是我国的发展主导。从主观的角度来分析，机械设计工作的执行，其目的在于更好的满足社会及市场上的需求，越是好的产品，越是在设计方面投入了更多的研究。现代机械设计比较注重的是科学方法及精确的手段，传统机械设计比较注重的是经验的积累和用户的体验，二者既有各自的优势和劣势，同时也可以在不同的产品上进行相互融合。因此，机械设计在未来的拓展空间上是比较大的，可以深入研究。
1 现代机械设计和传统机械设计的方法对比
在机械设计的过程中，我国经历了从无到有、从有到多、从多到精的过程，现下所具备的能力，完全可以更好的应对社会上的需求。可是从长远的角度来分析，单纯在机械设计本身进行研究，并不能获得十足的进步，还必须进行阶段性的整理、分析、讨论，将自身的优势和劣势予以高度的明确，为日后的工作发展与市场、社会把握，提供更多的参考。结合以往的工作经验和当下的工作标准，认为现代机械设计和传统机械设计，在方法的对比中，优劣势集中在以下几点：
（1）传统设计方法在执行的过程中，其最大的优势在于积累的时间特别长，很多经验已经表现出了科学的特点，同时在可靠性、可行性方面都比较的肯定。传统机械设计方法，都是上一辈的人员经验总结，再加上下一辈的传承拓展来完成的，面对不同时代的需求，往往是表现出了多样化的特点[1]。当然，也有后辈前辈理论的情况出现。劣势则在于，传统机械设计的主观性比较强，很多设计方法都是为了应对小众的需求，并没有在大众乃至社会层面做出较多的努力，因此在操作性和专业性方面，都需要依托较少的人员来完成，在传承的过程中，精通人员不断减少。
（2）现代机械设计的开展，得到了更多人的欢迎。在时代的角度上分析，现代机械设计的运用、操作、试验、分析等等，都在各种科学数据上完成的，同时在开放性方面也比较高，能够经得住各个专业的筛选与探查。从优势上分析，现代机械设计的方法更加简单，运用较多的设计软件和设计设备，能够在较短的时间内得到机械产品的模型和初步定义，之后的更新与优化，将会在功能上、效果上不断的完善，最终确保得到社会上的肯定[3]。从劣势上分析，现代机械设计方法过于简单，仅仅拥有很少的经验和理论就可以从事相关工作，以至于市场上的某些假冒伪劣产品不断的增加，一定程度上对消费者产生了误导作用。同时，近年来的现代机械设计虽然比较多元化，可是在某些指标的突破上未获得较大的成果。
2 设计特点对比
机械设计的执行过程中，一定要在特点上有所把控。传统机械设计虽然逐步的退出了历史的舞台，但是认可的群体毕竟较多，同时其在经验的指导上和方法的总结上，仍然有很多的内容值得去探索与分析，因此在未来的很长一段时间内，还会得到很高的关注度。在优劣的分析中，有必要针对现代机械设计和传统机械设计的特点进行分析。
（1）传统机械设计的特点在于精益求精。很多机械产品的实施，都是经过了无数次的失败以后才得到的。一般而言，传统机械设计的执行过程中，在最开始就设定了非常远大的目标，基本上每一代产品的出现，都是对上一代产品的完全更替，从性能上到操作上，实现对上一代产品的全面碾压，由此来达到更好的更替效果[3]。但是，这种特点的劣势在于，研究过程非常的困难，有很多的固有难题需要进行突破，不仅容易耗费几代人的心血，而且最终的成功率也不是特别的高，还存在一定的偶然性情况。
（2）现代机械设计强化了传统机械设计对强度准则的要求。有限单元法和断裂力学等领域的研究成果在现代机械设计中的应用，强化了设计者强度设计的能力，现代设计的准则也因此拓宽到产品设计的更多领域。现代消费者对产品的需求从实用需求上升到物质与精神享受并重的层次，对现代机械设计提出了艺术和美学方面的要求。另外，现代设计根据各种给定的条件，运用优化设计的原理和方法，借助计算机求取最佳设计参数和设计方案。在现代设计中，优化意识还延伸到产品的总体方案论证，产品结构和工艺设计各个方面，并产生了遗传算法、模糊算法等许多新的理论方法。
3 总结
本文对现代机械设计和传统机械设计的优劣对比进行讨论，从得到的成果来看，二者的优势和劣势都非常的突出，未来的研究方法，应趋向于将两者有效的结合，在各个层面对机械设计的方法、手段进行完善处理，特别是在产品的体验上要不断的提升，有意识的增加实质性内容，为社会和市场提供最需要的帮助。
参考文献：
[1]杨柳，姜海涛.浅谈现代机械设计的特点及创新[J].机电信息，2013（03）：155+157.
机械优化设计论文范文第9篇
【关键词】机械；优化设计；方法特点
一、机械优化概述
机械优化设计是为了适应于不断发展的生产现代化而发展起来的。它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上，通过有效的实验数据和科学的评价体系来从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案。该领域的研究和应用进展非常迅速，并且取得了可观的经济效益。那就让我们关注机械优化设计中那些重要的量。
1.设计变量
设计变量是指在设计过程中我们必须全面考虑确定的各项独立参数，一旦这些设计参数全部确定了，设计方案也就完全确定了。他们在整个设计过程中相当于一个个变量，变量的多少与数值大小直接影响着优化工作的复杂程度。也就是说，设计变量数目越多，设计空间的维数越大，优化设计工作也就越复杂，同时效益也越显著。因此在选择设计变量时。必须兼顾优化效果的显著性和优化过程的复杂性。
2.约束条件
约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件，而优化设计问题大多数是约束的优化问题。针对优化设计数学模型要素的不同情况，可将优化设计方法进行分类。约束条件的形式有显约束和隐约束两种，前者是对某个或某组设计变量的直接限制，后者则是对某个或某组变量的间接限制。等式约束对设计变量的约束严格，起着降低设计变量自由度的作用。优化设计的过程就是在设计变量的允许范围内，找出一组优化的设计变量值，使得目标函数达到最优值。
3.目标函数
在优化设计过程中，每一个变量之间都存在着一定的相互关系这就是用目标函数来反映。他可以直接用来评价方案的好坏。在优化设计中，可以根据变量的多寡将优化设计分为单目标优化问题和多目标优化问题，而我们最常见的就是多目标函数优化。
一般而言，目标函数越多，设计的综合效果越好，但问题求解越复杂。在实际的设计问题中，常常会遇到在多目标函数的某些目标之间存在矛盾的情况，这就要求设计者正确处理各目标函数之间的关系。对这类多目标函数的优化问题的研究，至今还没有单目标函数那样成熟。
二、机械优化设计的特点
在优化设计过程中，每一种优化方法都是针对某一种问题而产生的，都有各自的特点和各自的应用领域。优化设计是以建立数学模型进行设计的。它引用了一些新的概念和术语，如前面所述的设计变量、目标函数、约束条件等用来作为机械优化设计的理论依托。设计师可以将机械设计的具体要求构造成数学模型，将机械设计的问题转化为具体的数学问题，然后应用理论推理和验算来找到最优解决途径。优化设计改变了传统的设计方式，开创了应用新的有效的解决机械设计问题的途径。传统设计方法是被动地重复分析产品的性能，而现代的优化设计却能够主动设计产品的参数，从整体的大局出发找寻最优方案。优化设计的一般过程与传统设计方法有所不同。它是以计算机自动设计选优为其基本特征的。借助于计算机的高速高效率，我们可以可以从大量的方案中选出最优方案。
作为一项设计不仅要求方案可行、合理，而且应该是一些指标达到最优的理想方案，这样才能使机械产品为企业带来可观效益。
三、优化设计方法的评判指标
根据优化设计中所要解决问题的特点，选择适当的优化方案是非常关键的。因为解决同一个问题可能有多种方法，而每一种方法也有可能会导致不同的结果，而我们需要的是可以更加体现生产目标的最优方案。所以我们在选择方案时一定要考虑一下四个原则：（1）效率要高。（2）可靠性要高。（3）采用成熟的计算程序。（4）稳定性要好。另外选择适当的优化方法时要进行深入的分析优化模型的约束条件、约束函数及目标函数，根据复杂性、准确性等条件结合个人的经验进行选择。优化设计的选择取决于数学模型的特点，通常认为，对于目标函数和约束函数均为显函数且设计变量个数不太多的问题，采用惩罚函数法较好；对于只含线性约束的非线性规划问题，最适应采用梯度投影法；对于求导非常困难的问题应选用直接解法，例如复合形法；对于高度非线性的函数，则应选用计算稳定性较好的方法，例如BFGS变尺度法和内点惩罚函数相结合的方法。
四、结论
机械优化设计作为传统机械设计理论基础上结合现代设计方法而出现的一种更科学的优化设计方法，可使机械产品的质量达到更高的水平。近年来，随着数学规划理论的不断发展和工作站计算能力的不断挖掘，机械优化设计方法和手段都有非常大的突破。且优化设计思路不断的开阔。总之，每一种优化设计方法都是针对某一类问题而产生的，都有各自的特点，都有各自的应用领域，机械优化设计就是在给定的载荷和环境下，在对机械产品的性能、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设计方法，其方法多样依据不同情形选择合理的优化方法才能更简便高效的达到目标。当今的优化正逐步的发展到多学科优化设计，充分利用了先进计算机技术和科学的最新成果。所以机械优化设计的研究必须与工程实践、数学、力学理论、计算机紧密联系起来，才能具有更广阔的发展前景。
参考文献
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机械优化设计论文范文第10篇
【关键词】机械工程;可靠性;优化设计
1.前言
当今社会，科学技术飞速发展，人们不仅对多功能产品有强烈的需求，也需要多功能产品可以实现其应具备的功能。产品的可靠性优化设计是以产品功能的可靠性使用为目的而应运而生的产物，从产生开始到现在，已经得到了迅速的发展与广泛地使用[1]。在进行机械工程的产品设计时，将可靠性理论与技术应用于其中，并根据需要与可能，将产品的可靠性使用作为优先考虑的设计准则；在满足时间、费用及性能的基础上，让设计出的机械工程产品符合可靠性的要求。可靠性的设计问题在涉及传统的设计技术的同时，也与价值工程、系统工程、环境工程及质量控制工程等有着密切的关系。因此，可靠性设计是多学科与多技术相互交叉融合的一种新兴技术。
2.机械工程产品的可靠性优化设计现状分析
由于我国的特殊历史原因，机械工程制造业与西方发达国家机械制造业相比，显得相对落后，尤其是在可靠性设计的研究方面更是显得滞后。直到二十世纪八十年代，我国在机械工程的可靠性研究才取得了一些初步的成效，在某些个别的行业还成立了专门从事可靠性优化设计研究的组织与团体，并为社会培养了大批的可靠性优化设计研究的技术人才，制定出了整套可靠性优化设计的规范标准[2]。从总体上来看，过去的可靠性优化设计研究比较偏重于理论，但在生产实践中，对于理论的应用则是比较少，就这一点而言，与制造业相对较为发达的国家相比较，存在着许多不足之处。
3.可靠性优化设计在机械工程中的应用
机械工程产品的可靠性优化设计在产品的生产与使用周期的各环节都起着重要作用。这些环节主要有产品的设计、制造、使用及售后维修等。以下就机械工程产品的设计、制造及使用三个环节展开讨论可靠性优化设计问题。
3.1机械工程产品设计环节可靠性优化设计
机械工程产品的设计主要包括装配整体设计与零件组装设计。对机械产品进行可靠性优化设计时，可以将其当作一个整体，设计的方法主要有两种，第一种方法为：先大致了解机械的完整系统，并分析组成整体的零部件具有多大程度的可靠性，据此推断出整体具有多大程度的可靠性；这种方法即为预测整体设计可靠性的手段，预测的结果必须与设计指标相符合[3]。第二种方法为：将整体机械工程可靠性优化设计所要求的指标分配到其零部件的设计上，要求零部件必须满足各自的可靠性指标要求；常用的可靠性的分配方法有：再分配、等分配、比例分配及综合评分的分配方法。设计单个零件时，尽量采用符合国家规定且已经在生产中大量投入使用的常规零件，并用不同设计方法对重要程度不相同的零件进行优化设计，设计关键部件之前，要先行可靠性的试验。除此之外，要反复验证及修改机械工程产品设计的可靠性，直到其能够满足于可靠性优化设计所要求的标准为止。设计机械工程的人机系统也很重要，这方面的设计包括适应性及操作的舒适性设计。
3.2机械工程产品制造中的可靠性优化设计
要保证一个产品的质量，在制造环节的质量控制是最关键的部分，因此，机械产品在制造的过程中进行可靠性优化设计是非常重要的。加工的设备可靠性要得到保证，在选择加工工艺与工艺流程时，要注意其技术水平，保证制造水平尽量达到最优化。产品制造工艺流程是一个完整的系统，其中的各个方案与工序是工艺流程系统中的子系统，对每个子系统进行可靠性优化设计时，都要综合考虑各方面的因素，如工艺装备、加工设备、加工材料与工作人员素质等；只有这样才能为各个子系统设计出可靠性与合理的指标；最后，整合分析各个子系统的指标，并通过合理的方法将总系统的可靠性及优化指标整理出来。
3.3机械工程产品的使用与维修的可靠性优化设计
对机械产品进行维修，能有效延长其使用寿命；良好的售后服务水平是一个公司获得发展的必备条件。因此，生产机械设备的厂家要认真对待售后服务与维修的问题，运用先进的逻辑分析法，制定出科学的维修内容与维修方式，对机械产品的合理使用寿命作出规划。机械工程产品具有可维修性及可靠性，两者在很大程度上是相似的，可维修性是可靠性的具体指标之一[4]。对机械工程产品进行设计时就应当首先考虑到可靠性指标，以便能使设计出的机械产品在发生故障的情况下，易于检查与维修。进行机械产品维修的可靠性优化设计时，要充分考虑维修费用的问题，负责设计工作的人员在进行机械工程可靠性优化设计时，要以最少的费用获得最高程度可靠性作为设计的原则，以便能够尽量减少发现故障的时间。因此，以可靠性优化设计理论作为维修设计的基础，是非常合理的，也是非常重要的；制定经济合理的维修设计在现代化与科学化的进程中意义重大。使用符合标准的维修设备进行维修，提高维修工作人员的技能水平，使机械产品的维修工作能够朝现代化与科学化的方向发展。
4.结语
在以往机械工程的优化设计的过程中，很少将可靠性方面的指标考虑进去，因此不能够将机械工程产品的可靠性真实地反映出来；在可靠性的设计方法当中一般不会考虑机械产品的重量、体积及成本等方面的指标[5]。而在很多机械工程的设计方案中，只考虑进行可靠性方面的设计或只考虑优化方面的设计，就很难达到理想设计的效果。因此，只有在机械工程的设计中综合考虑可靠性与优化设计，并将两者的优势有机结合在一起，方能取得理想的设计效果。随着现代经济建设的步伐不断加快，机械工程制造业的发展也在日趋繁荣，且正朝着更具深度、更为复杂的方向迈进。当前人们对机械工程产品的可靠性优化设计的要求变得更高；目前，机械工程产品正日趋大型化与复杂化，因此，机械工程产品的可靠性优化设计的方法的应用也将会变得更广泛。对产品的使用也会变得更广泛，现代企业的发展也要以此作为发展的指标。
参考文献
[1]万耀青.机电工程现代设计方法[M].北京理工大学出版社,2009(03):183-184
[2]何社全.工程机械产品的满意性设计[J].建筑机械化,2010(02):419-420
[3]张立博.探讨机械工程的可靠性优化设计[M].工程技术与产业经济,2012(03):63-64
机械优化设计论文范文第11篇
【关 键 词】机械设计 现代机械设计方法 包装机械
【中图分类号】TB486【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0179-01
我国的包装机械行业起步于20世纪70年代，在80年代末和90年代中得到迅速发展。已成为机械工业中的10大行业之一，无论是产量，还是品种上，都取得了令人瞩目的成就，为我国包装工业的快速发展提供了有力的保障。目前，我国已成为世界包装机械工业生产和消费大国之一。但在包装机械设计领域，绝大多数设计人员仍沿用传统的设计方法。随着科学的不断发展以及市场竞争的加剧，客户的需求也越来越高。体现在以下几个方面：为了满货期和降低生产成本的需要以及包装机械和生产机械相衔接必须提高生产效率；为了更好地适应新变化的需要，包装机械要具有高的柔性和灵活性；当设备出现故障时，能进行远程诊断服务；利于环境保护、噪声、粉尘和废弃物少；设备购置投资尽可能少，价格要尽可能低。而传统的设计方法根本无法满足这些要求。
1、现代机械设计方法
为了寻求保证设计质量、加快设计速度、避免和减少设计失误的方法和措施，并适应科学技术发展的要求，使设计工作现代化，引发了现代设计方法的研究。现代设计方法的特点是动态的、科学的、计算机化的方法。它将那些在科学领域内得到应用的所有科学方法论应用到工程设计中。现代设计方法实质上是科学方法论在设计中的应用。冠以“现代”二字是为了引起重视，其实有些方法也并非是现代的。可归纳为下列具有普遍意义的方法：信息论方法、系统论方法、控制论方法、优化论方法、对应论方法、智能论方法、寿命论方法、离散论方法、模糊论方法、突变论方法、艺术论方法。把以上现代设计方法应用到机械设计中来，则称其为现代机械设计方法。
2、现代机械设计方法在包装机械设计中的应用
首先在设计理念上要借鉴先进国家的经验，以用户的需求为设计的目标，并结合柔性设计、模块化设计的理念，一机多基本一样，但设计阶段侧重点不同如：总体设计时，要全面考虑整个包装机系统的布局、运动协调性、造型设计、人-机环境以及装箱运输等。模块化设计是一种先进的设计方法，它的核心思想是将系统根据功能分为若干模块，将包装机中同一功能的单元设计成具有不同性能、可以互换的模块，通过模块的不同组合，使包装机多功能化、系列化。采用这种方法的优点是：（1）使包装机更新换代速度加快。因为新机型的替代，往往是局部改进。将先进技术引进相应的模块，比较容易实现局部改进；（2）缩短设计周期。当用户提出要求后，只需更换模块，或设计制造部分模块，即可得到新的机型，满足用户需求；（3）降低成本，便于维修；（4）性能稳定可靠。另外现代包装机设计应该满足“绿色设计”，即人性化设计的要求。它是面向质量设计、装配设计、制造设计、维修设计、可靠性设计的综合设计。我国人口众多，人均消费水平比发达国家低，而且城乡差异较大，包装系统的设计应以价廉物美为主，不能盲目追求高精尖。要考虑到可靠性、安全性、环保性、低噪音等各方面的因素。充分体现原理优化、结构优化、制造优化、造型优化。
3、包装机械可靠性的设计方法
机械可靠性设计可分为定性可靠性设计和定量可靠性设计。所谓定性可靠性设计就是在进行故障模式影响及危害性分析的基础上，有针对性地应用成功的设计经验使所设计的产品达到可靠的目的。所谓定量可靠性设计就是充分掌握所设计零件的强度分布和应力分布以及各种设计参数的随机性基础上，通过建立隐式极限状态函数或显式极限状态函数的关系设计出满足规定可靠性要求的产品。机械可靠性设计方法是常用的方法，是目前开展机械可靠性设计的一种最直接有效的方法，无论结构可靠性设计还是机构可靠性设计都是大量采用的常用方法。可靠性定量设计虽然可以按照可靠性指标设计出满足要求的恰如其分的零件，但由于材料的强度分布和载荷分布的具体数据目前还很缺乏，加之其中要考虑的因素很多，从而限制其推广应用，一般在关键或重要的零部件的设计时采用。机械可靠性设计由于产品的不同和构成的差异，可以采用的可靠性设计方法：预防故障设计、简化设计、余度设计、耐环境设计、权衡设计等，将这些方法应用到包装机械设计中去即为现代包装机械可靠性设计，当然，机械可靠性设计的方法绝不能离开传统法，如机械计算机辅助设计、有限元分析等。
目前，微电子技术、信息技术、网络技术、材料科学等学科迅猛发展，而且不断向机械工业渗透。现代设计技术也不断地与机械设计技术相结合，向集成化、敏捷化、网络化、智能化的方向进一步发展。在包装机械设计中引用现代机械设计方法，使得包装机械的设计周期大大地缩短，提高了产品的性能，而且还有助于经济效益的提高。随着设计新手段、新方法、新技术不断地涌现，广大技术人员应不断更新设计思维，采用现代设计技术，真正提高产品的开发能力和设计水平，以增强市场竞争力。
参考文献
[1] 梁尚明，殷国富.现代机械优化设计方法.北京：化学工业出版社， 2005
机械优化设计论文范文第12篇
中图分类号：TP39文献标识码：A 文章编号：1672-3791 （2010)04(a)-0000-00
机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、方法等进行构思、分析和计算并将这些转化为具体的描述以人为制造依据的工作过程。传统的机械设计也称常规设计，是一种以强度和低压控制为中心的安全系数设计、经验设计、类比设计和机电分离设计。随着现代科学技术的发展，现代机械产品设计更加强调创造性，在注重整体功能的基础上以现代化的设计方法和计算机技术作为工具，提高了设计的质量、效率和精度，满足了产品对经济性、适应性和可靠性统一的要求。与传统设计相比，现代机械设计在功能、结构和产品的设计要求方面都有明显的优势。
一、现代设计方法和传统设计方法比较
1、传统的设计方法。传统设计方法以直觉设计、经验设计、静态设计为基础，所使用的设计方法有理论设计和经验设计两种。（1)根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计。实际情况往往复杂多变，理论设计对问题的考虑不够全面，若安全系数选择过大，则产品可能超大。若安全系数过小，又很难保证产品的安全性。（2)经验设计指根据某类零件已有的设计方法与经验关系式，或者按照设计者个人的工作经验用类比方法进行的设计。随着设计产品的技术含量不断提高，技术系统变得越来越复杂，产品更新的速度也在逐渐加快，经验类比的设计方法已远远不能满足市场的需求。
2、现代机械设计方法。现代设计方法是以思维科学、设计理论系统工程为基础，以计算机作为工具的各种技术和程序的总和。与传统设计方法比较，传统设计是静态系统、以经验作为方法，纯手工手段的；现代设计是动态系统，以科学为方法，用计算机手段。在设计方法上，与传统机械设计相比现代设计在机械零件的设计上更可靠、更优化。
现代设计将传统设计方法中涉及到的设计变量如材料强度、尺寸、应力等，当成服从某种分布的随机变量，并根据产品的可靠性指标要求，用概率统计的方法得出零部件和元器件的主要结构参数和尺寸。根据概率论的观点，安全系数必须和对应的可靠性联系起来才有意义。如：按传统设计法，安全系数大于1的零件是不应该失效的，而实际应用中，安全系数很大的零件也有可能发生失效。按传统的设计方法，对绝大多数零件(如齿数、轮齿宽、螺旋角等)的设计结果虽然在刚度、强度两方面满足了设计要求，往往因为经验性和盲目性，很难达到最优化结果。现代优化设计跳出了传统的设计思维，在符合一系列条件的前提下，求出满足最优效果的设计参数解。
此外，传统设计往往需要人工资料检索、手工计算和绘图，需要耗费较多的时间和人力，设计质量受到影响。计算机辅助集合人的经验和智慧，将计算机的高速运算功能和人的创造力结合起来，加速了设计进程。
二、现代机械设计与传统设计特点比较
现代科学技术的发展与计算机的广泛应用，使现代机械设计形成了自己的理论方法和体系，汇集了多个专业和领域的知识，成为一门交叉学科。与传统的机械设计相比，现代机械设计具有很多明显的优点。
1、传统机械设计思维比较被动，现代机械设计具有较强的主动性。传统设计依靠灵感和经验，思维往往比较被动。而随着现代技术的迅速发展和市场竞争的日益激烈，人们必须不断的提出新的、大胆的开发目标和设想，并运用现有的最新科学技术创造出全新的产品。传统依靠经验的设计已经不能适应这一需求。现代设计在进行研究创造设计思维本身的规律时，运用灵感、方案、优化设计产生的内在逻辑，并由此产生了创造学、价值工程、设计方法学等理论。
2、传统设计注重机械本身预定功能的实现，现代机械设计要求把对象置身于大系统中，并对系统作出设计，将预定的功能在人—机—环境之间进行合理分配。充分考虑到人的生理和心理因素，力求在人际之间做出最佳设计。此外，现代设计还考虑到机械从原料图区、加工装配、投入使用至报废回收等全部生命周期中各个阶段与环境的关系，以减少对自然环境的伤害并保证生态平衡。
3、现代机械设计强化了传统机械设计对强度准则的要求。有限单元法和断裂力学等领域的研究成果在现代机械设计中的应用，强化了设计者强度设计的能力，现代设计的准则也因此拓宽到产品设计的更多领域。现代消费者对产品的需求从实用需求上升到物质与精神享受并重的层次，对现代机械设计提出了艺术和美学方面的要求。
4、传统设计历时长、耗费大，现代机械设计周期短，耗费低。传统机械设计一般先根据目标和任务做出第一个方案并造出样机，然后对样机评定、考核，进行修改，形成第二套方案，如此反复，到满意为止，设计过程周期长、耗费高。现代设计根据各种给定的条件，运用优化设计的原理和方法，借助计算机求取最佳设计参数和设计方案。在现代设计中，优化意识还延伸到产品的总体方案论证，产品结构和工艺设计各个方面，并产生了遗传算法、模糊算法等许多新的理论方法。
5、传统设计受思维进度的约束，现代机械设计利用计算机改变了这一缺陷。在传统的设计中，从概念设计、技术设计到编制工艺、计算工时成本，有许多部门用串行工作方法参与，需要一个漫长的过程，而现代的并行设计技术，使人们在作出一个方案的设计时，通过计算机网络同时获得后续过程相关信息，使设计者有可能及时修改方案，寻求一个全面、综合的优化方案。
三、小结
现代机械与传统设计相比，在功能、结构和产品的设计要求方面都有明显的优势，改变并完善了传统机械设计的缺陷。它将许多学科和领域融合，并将这些技术在现实机械中实现了完美的结合。但现代机械设计不仅仅个人行为，在设计群体中，所有成员都应掌握现代机械设计的有关知识，做到相互了解和配合，并建立全局观念，才能实现现代机械的完美设计。
参考文献：
[1] 胡玲凤.现代设计技术在机械设计中的应用分析[J]. 农机化研究, 2005(6):92-96.
机械优化设计论文范文第13篇
【关键词】机械设计 可靠性 灵敏度 方案期
1 机械设计可靠性概述
机械设计的可靠性建立在传统设计之上，将与待设计对象相关的参数等要素进行一定的处理，使之转变成随机变量，参照设计原则构建概率数学模式，依据概率论、统计学理论和强度理论，计算出机械零件出现破坏的概率公式。然后参照公式明确该可靠性条件下的零件外观尺寸、使用寿命，在满足基本的运行使用要求的同时，获得理想的设计参数。这有效填补了常规设计中的缺陷，设计方案也更加真实。现阶段，可靠性设计被大范围地应用在飞机、汽车等关键产品以及机械零件结构设计中，它具有以下特点。
第一，人为应力以及强度均属于随机变量。在设计的过程依据不同标准的设计要求，合理选择相应的特征函数，除了要考虑均值，还应考虑离散性，通过概率统计方法计算。
第二，人为设计的机械产品不可避免地存在失效概率。在实际设计过程中应依据实际需求提前监控失效概率可靠性，全面考虑所有参数的随机性和分布规律，进而准确映射机械零件的实际工作状态。
第三，可靠性设计分析与普通的安全系数法相比，更加合理。通过这种设计方法可获得最理想的设计，而安全系数法较为保守。由此可知，机械零件结构设计的可靠性分析可获得较为理想的结构，并节省材料成本、缩减加工制作时间，为机械加工制造创造更多的经济效益。
2 机械工程产品的可靠性优化设计现状分析
2.1 可靠性优化设计的基本理论
20世纪60年代，机械优化设计获得了最广阔的发展。在这一时期，计算机技术和数学规划有机地结合起来，推动了机械优化设计向更高的层次发展。优化设计的方法被广泛应用于工程设计领域，并伴随着计算机技术的飞速发展和数学规划理念的不断成熟，发挥着越来越重要的作用，取得了令人瞩目的成果。具体来讲，所谓可靠性优化设计主要包含三个方面，即产品的质量、成本和可靠度。
可靠性优化设计从系统的、整体的角度对产品的可靠度进行分析，并对其性能进行约束与优化，在确保产品性能和质量的前提下，将产品的合理性和安全性有机结合，从而使得产品的可靠度实现最大化。通过可靠性优化设计，在满足产品可靠性的同时，还使得能源以及资源获得充分的利用，避免了能源和资源的不合理使用及浪费现象。采用可靠性优化设计所生产出来的产品，具有体积小、质量轻的特点，并使用节能材料，顺应当前可持续发展和保护环境的趋势。对机械产品进行优化设计的根本宗旨，即为了满足安全的需要或者为了实现特定的预期点，通过最优化的方式，对产品进行处理。在进行优化设计时，需要考虑多种因素给产品性能带来的影响，其中需要注意的两点即结构参数以及各种载荷的随机性。
2.2 近年来可靠性优化设计发展
近年来，高新科技不断融入机械设计领域，许多现代化的设计方法和设计理念应运而生，可靠性设计和优化设计也获得了飞速的发展。然而从设计的角度来看，可靠性设计和优化设计是设计的两个不同方面，而对于机械产品的设计来说，如果单纯地考虑其中的一方面是无法达到设计要求的。这就需要在实际的设计工作中，将两者相结合，从而发挥其潜在的巨大作用。可靠性设计不同于优化设计，可靠性设计是以产品的可靠性为设计宗旨的，因此设计的结果并非其工作性能或参数的最佳点。此外，优化设计有别于可靠性设计，优化设计并不考虑产品的可靠性，因此有可能导致事故，造成经济损失。另外，单纯的优化设计也无法保证产品在特定的时间和条件下达到预期的功能或目的。
机械产品的结构通常都比较复杂，所涉及到的设计参数也非常多，而单纯的可靠性设计并不十分适用于多个设计参数的系统设计。因此，在进行可靠性优化设计时，要分清设计的重点以及明确设计的步骤，在保证机械产品可靠性的前提下，实现产品工作性能和设计参数的最优化。只有这样，才能设计出既满足可靠性又符合最优化性能的机械产品，实现产品性能与成本的统一。
3 机械设计不同时期的可靠行设计
3.1 计划期的可靠性设计
计划期的工作依据是新型科研成果、市场需要程度与客户订货实际情况。设计工作人员要利用准确翔实的市场情报与技术指标，制定出可行性技术方案，对多种方案进行利弊比较，综合考虑到可靠性、适用性与经济性指标，完成合理的设计任务目标制定工作。
在这一时期，可靠性工作实际上就是产品可靠性展望。
此工作目的有两个，一是找出产品可能存在的薄弱环节，给接下来的技术设计时期提出纠正指导。二是寻找到值得改进的方向，使产品再度开发成为可能。可靠性展望若想完成指标的分配确定，需要根据产品自身的功能及客户的实际要求，完成相对应的指标数据值建立，比如说寿命、可靠程度、失效率等等。再按照特定的方法原则，逐步分配可靠指标。
3.2 方案期的可靠性设计
在这一时期，需要正确处理创新同借鉴的关系。第一要分析机械的功能，第二是由设计人员提出各种可行性方案，第三是把不同的方案进行技术分解，寻找到最佳的组合形式。在方案设计期，是对机械整体进行初始设计，在此阶段，机械设计工作人员一定要对准备解决的方案进行正确评价。可靠性评价及可靠性设计指的是同一体系内，根据工作原理图、拟定方案，进行抽象简化而得出来的设计体系。如果从可靠性指标来看，越复杂的机械系统，其可靠程度就会越低。若想保证系统可靠，就一定要增加并联系统，而这样做，当然会使产品成本上升。所以在这一阶段，可靠性方法的确定需要拟定系统初步的验算分析，继而确定系统整体事件，及整体同部分之间的关联。
3.3 技术期的可靠性设计
机械设计的技术期发展目标是形成总装配图以及各个部件的装配图，用草图的设计来确定各个零件的基本尺寸与外形，还包括每一部件间的相连方式，部件外形与尺寸等等。最后，需要确定零件的总装配图、分部件装配图、工作流程图。这一时期首先需要对机械设备进行动力与运动设计，在此基础上完成零部件的设计，并对重点部位及零部件进行工作性能校验，接下来设计分部装配草图以及总装配草图。所有草图完成之后，需要进行精确性核验。
正因为技术期是整个机械设计中最为重要的时期，所以，这个时期的可靠性工作就相对比较多。对于单个零件设计来说，这个阶段已经确定了其荷载，同时根据刚度、强度、稳定性的实际情况，来确定出零部件的设计尺寸范围，这样才能够保证零件的质量。
3.4 编制期的可靠性设计
上面的工作基本就是通过相关的数据和经验来进行机械设计，而这个阶段主要任务就是对机械产品采取一些方法进行实验，通过对实验结果的仔细分析，得出产品的性能。把机械设计的可靠性理论研究运用到实际的可靠性实践当中，能够更好地提高机械设计的可靠性，提高产品质量。但是在实际工作的过程中，我们需要对具体的实践操作进行指标确认，并把得出的数据编制到生产的技术文件当中，进而给可靠性生产提供支持。
3.5 保养期的可靠性设计
保养期是机械设计的最后一个阶段，做好机械的维护和保养能够延长机械的使用寿命。但这一阶段总容易所被忽略，一些大型的制造企业在生产过程中，这个阶段的费用往往会很高且十分复杂，这就需要我们了解机械设计可靠性在这个阶段的重点内容。例如，制定机械设计保养计划、维修计划以及确定机械产品的实际适应情况。机械设备在使用的过程中随着年限的增长会导致使用性逐渐下降，甚至会影响到正常工作。为了延长机械设备使用的年限，我们必须重视机械设计的保养期工作，为企业赢得更多的经济效益。
4 机械设计可靠性的发展方向
4.1 可靠性灵敏度设计
可靠性灵敏度设计建立在可靠性之上，有效映射不同设计参数对机械零件的实际影响程度，进而确定对机械零件灵敏度影响程度最大的随机变量，并重新分析和设计此参数。预估设计变量变差以及约束变差对产品效能指标的影响程度，调整对产品设计参数影响程度相对较大的设计参数，进而使产品失去对因素变差的灵敏性。这种设计以极限状态方程为基础，然后求解出设计参数相应的偏导数，获得灵敏度计算公式，从而明确每个设计参数的灵敏度，并以此为依据，不断修整设计，调整参数。
4.2 可靠性优化设计
可靠性优化设计也是建立在可靠性之上，这种设计模式不仅能够更好地满足产品投入使用过程中的可靠性，还能优化产品外观尺寸、加工成本以及安全性等参数，进而使产品预估效能更加接近实际效能。此种方法有效融合可靠性分析理论和规划方法，以可靠度为基础构建优化目标函数，调整机械零件的外形尺寸、成本等参数，实现最小化，然后以刚度、强度等设计要求充当约束条件，构建数学模式，参照数学模型合理选择具体的优化方法，最终求解最理想的设计变量。
4.3 可靠性试验
现阶段，可靠性理论趋于成熟，然而可靠性试验尚不健全。可靠性试验是一种考察、分析和评判产品可靠性的手段，旨在通过可靠性试验及时发现产品设计、原材料以及加工工艺存在的缺陷，进而进一步完善产品，提升成功率，降低维修养护成本，判断其是否满足可靠性定量要求。然而一旦具体的设计方案出现变更，则应重新开展试验分析，造成了不必要的资源浪费，因此，我们应充分利用高性能软件，缩减试验次数，节省成本。
结语
综上，在进行机械设计时，设计人员在满足机械可靠性的前提下，实现产品最优化的目标。充分发挥可靠性设计和优化设计的巨大潜力，达到产品最佳点以及最可靠点。可靠性优化设计具有先进性和实用性的特点，在机械设计领域的应用也越来越广泛，在提升产品质量的同时还带来了巨大的经济效益，其发展的前景十分广阔。
参考文献
[1]莫文辉，黄其柏.机械可靠性的灵敏度[J].攀枝花学院学报，2006（02）.
机械优化设计论文范文第14篇
关键词：社会经济；结构设计；机械生产
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。
机械优化设计论文范文第15篇
【关键词】控制系统 联合仿真 协同优化
针对机械臂而言，其机械系统和控制系统是密切相关的，两个系统的性能共同决定了机械臂的整体性能，最根本的体现就是在机械臂末端的重复定位精度上。
为了优化机械结构以提升机械系统性能指标，满足设计要求，结构优化设计的概念被提出。结构优化设计就是在工程设计的过程中，不再局限的依靠设计者给定具体的设计方案，而是结合最优化理论的数学思想，在设计变量的取值范围内寻找最优的设计方案，大大缩短了设计周期，提升了设计效率和质量。
目前，利用结构优化设计方法来完成机器人的结构设计工作被越来越多的设计人员所采用，并取得了大量的研究成果。根据设计变量的不同，可以将机器人的结构优化设计分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。
就机械臂而言，其拓扑优化设计主要包括两方面的研究内容：
（1）对于机械臂机构，在机器人概念设计初期，在初始设计空间，根据设计指标，对机器人整体机构形式进行拓扑优化设计；
（2）对于机械臂零件，在零件所受载荷确定的情况下，对其拓扑结构进行优化设计。拓扑优化在优化过程中改变拓扑构型的同时也改变了尺寸及形状参数，与尺寸优化和形状优化相比具有更大的自由度。
结构拓扑优化设计由设计变量、约束条件和目标函数三要素组成。拓扑优化是选取结构单元的有无作为设计变量，目的是寻求结构刚度在设计空间的最佳分布形式，达到材料的合理分配，以优化结构的某些特性或减轻结构的重量，在产品概念设计阶段，寻求产品最优的拓扑结构具有重要的意义。
尽管经历了三十多年的研究发展，拓扑结构优化技术已经有了长足发展，也在工程上被越来越多的人所重视和利用起来。但是受到其自身分析求解规模大、优化结果难以识别、拓扑构型难以定量描述或参数化等问题的限制，使得结构拓扑优化技术的应用更多的体现在构件及简单工况的层面上，较多的应用在概念设计阶段。
控制系统是决定机械臂功能和性能的主要因素之一，在一定程度上制约着机器人技术的发展。它的主要任务就是控制机械臂在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。机械臂控制系统的优劣，直接影响到机械臂的速度、精度与可靠性。而机械臂控制系统的参数调节过程就是优化控制系统的一项基本步骤。
目前机器人控制系统参数调节过程主要依靠工程经验和简化数学模型进行调节，然后再实物样机上进行调试，调节流程复杂，调节周期长，效率低下。
机械系统从根本上限制了机械臂末端重复定位精度可以达到的最优程度。而关节伺服控制系统直接决定了机械臂末端的跟随误差。两者综合作用共同决定了机械臂末端的重复定位精度，两者不应被单独割裂开来进行分析。
基于上述论述，本文提出了一种基于Simulink&ADAMS联合仿真的机械臂机械结构&控制系统参数的协同优化研究方法。
1 运动学分析
1.1 正运动学分析
1.1.1 \动学数学模型的建立
根据实际的六自由度轻型机械臂构型，建立该机械臂的机构简图，并利用标准D-H参数法建立机械臂的D-H坐标系，如图1所示。其中机械臂末端的坐标系{O6}的原点与坐标系{O5}的原点重合。对应的机械臂D-H参数见表1。
2 轨迹规划
2.1 工作空间分析
机械臂各关节均采用了内部走线方式，设计的机械臂各关节均可达到-180°～180°的运动范围。得到的机械臂工作空间如图2中绿色包络面所示。
2.2 笛卡尔空间圆周轨迹规划
拟让机械臂末端在笛卡尔坐标下沿着空间圆周轨迹运动。选取圆周轨迹的圆心为（500，50，400），半径250mm，空间圆周所在平面的法向量为（0，4，3） 。
经上述规划得到的圆周轨迹方程为：
经校验，上述规划的圆周轨迹在机器人的工作空间内，如图2中红色圆周曲线即为规划的末端工作轨迹。
2.3 关节空间各关节轨迹规划
将上述在笛卡尔空间中规划的圆周轨迹，通过机械臂逆运动学求解方法，转化成机械臂关节空间中各关节的关节角度轨迹的三次样条拟合曲线，如图3-图8所示，其中0-5s内的各关节运动轨迹曲线是机械臂从初始状态运动到轨迹起始点的关节轨迹曲线。各关节轨迹的角度插值点见表2所示。
3 关节系统控制参数的协同优化
对于大关节而言，后续的机械臂关节、臂杆、末端执行器及工作负载均是其有效负载，是一个与机械臂位置、姿态及各关节运动状态相关的变量。单纯的在Matlab中考虑机械臂的动力学特性比较复杂、计算时间长。利用专业的动力学建模分析软件Adams，在Adams中解决机械臂的动力学问题，利用Simulink-Adams联合仿真，解决机械臂任务级伺服系统仿真。
将上述优化完成的大臂杆模型导入到ADAMS中并建立柔性体，进行Simulink-ADAMS联合仿真，如图9、图10所示。
4 结果验证
对比协同优化前后的机器人系统实现相同工作路径时机械臂末端的位置误差，验证协同优化方法对提升机器人末端重复定位精度的有效性
表3中列出了优化前后机械臂末端原点最大偏差对比数据，各方向上的最大偏差量均有较大幅度的减小，其中主要受力方向―Z方向（即竖直方向）的最大偏差量减小了69.23%。
表明了本文提出的协同优化方法对提升机械臂重复定位精度的有效性。
5 结论
本文提出了一种基于Simulink-Adams联合仿真模型的控制系统协同优化方法。考虑了机械臂机械系统柔性，传动链间隙及关节传动链刚度等影响因素，使仿真结果更加准确可靠，使得调节后的控制参数更加接近真实最优值。协同优化后机械臂末端的重复定位精度有明显的提升，证明了该方法的有效性，对机械臂的后续研究更具指导意义。
参考文献
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作者介
姜迪开（1987-），现为北京精密机电控制设备研究所工程师。
