机械优化

机械优化（精选12篇）

机械优化 篇1

对于从事机械设计的科研人员和工程技术人员而言, 最优的设计方案意味着最佳的经济效益和社会效益。为此, 人们将现代设计理论与方法广泛应用于机械设计过程当中, 不断改进与提高机械产品的质量, 降低成本, 缩短研发周期, 增强机械产品的市场竞争能力。机械优化设计是将最优化技术移植并应用于机械设计领域, 并且根据机械设计的理论、方法以及标准规范等建立数学模型以此反映工程设计问题, 再采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。计算技术作出的选择不仅能保证多参数的组合方案适合各种设计的要求, 而且有助于使得设计指标达到最优值。

1 机械优化设计技术的发展概况

采用优化方法有助于设计方案在既定的设计要求下达到最佳的结果, 并且节省计算工作量和工作时间, 其显著的优点得到了科研者和相关工作从事人员广泛的重视, 因此应用领域也日益广阔。20世纪50年代数学规划理论逐渐发展起来, 并成为应用数学的重要分支, 这为优化设计奠定了坚实的理论基础;到了20世纪60年代, 计算机技术的迅猛发展为优化设计提供了强有力的手段, 使工程技术人员把主要精力转到优化方案的选择上;直到20世纪60年代后期开始, 最优化技术才被成功应用于机械设计领域。而国内的机械优化设计技术发展相比国际起步较晚, 但发展势头不可小觑, 无论是在机构综合、机械的通用零部件的设计还是工艺设计方面都得到了广泛的应用。近年来, 随着计算机辅助设计 (CAD) 的发展是优化设计技术有了新的发展出路, 在CAD技术的支持下设计周期不断缩减、最优设计方案的筛选效率与质量不断提高。总而言之, 把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来, 使设计工程完全自动化, 并且将优化设计拓宽到产品的全系统、全性能和全生命周期的优化, 是今后设计方法的一个重要发展趋势。

2 主要的优化设计方法及其特点

2.1 无约束优化设计方法

无约束优化设计即是指没有约束函数的优化设计, 主要可以分为两类:一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法, 如最速下降法、牛顿法、共轭梯度法和变尺度法等;另一类是利用目标函数值的无约束优化方法, 如单形替换法、坐标轮换法及鲍威尔法等。部分约束优化设计的问题通常可以转化为无约束优化设计问题进行解答, 换句话说, 部分无约束优化设计方法只需要略加处理就能对约束优化问题进行求解, 因此无约束优化法具有计算效率高、稳定性好等优点。

2.2 约束优化设计法

机械优化设计问题一般而言都是约束的优化问题, 根据处理约束条件的方法不同可以分为直接法和间接法两大类。直接法的基础思想在于控制迭代点, 使其处于可行域当中, 并且通过不断降低目标函数值, 得到最优的解答。直接法简单易懂, 未对目标函数和约束函数做出特殊的要求, 一般用于求解含有不等式约束的优化设计问题;但同时计算量较大工作大, 耗时较多, 因此不适用于维数较高问题的求解。直接法的常见方法有:复合形法、约束坐标轮换法以及网络法等。间接法则是将优化设计问题转化为无约束优化问题, 再利用无约束优化方法求解, 或者将非线性约束优化设计问题转化为线性规划问题来处理。间接法具有计算理论性强、精度和可靠度都很高的优点;但相对而言, 计算过程较复杂, 对目标函数和约束函数有一定的要求。间接法通常使用惩罚函数法和增广拉式乘子法等方法进行求解。

2.3 遗传算法

遗传算法 (GA) , 于20世纪70年代初期由美国密执根大学的霍兰 (Holland) 教授提出的一种全新概率优化方法。遗传算法主要通过仿造自然界生物进化的规律, 对随机产生的群体进行繁殖演变和自然选择, 促使群体素质和群体中个体的素质不断演化, 最终收敛于全局最优解。遗传算法有别于传统的优化设计方法, 是一种启发式的搜索算法, 具有自适应性、全局优化性和隐含并行性的特点。其主要被应用于函数优化方面、机器学习、图像处理、组合优化、故障诊断、神经网络、人工生命等领域。近年来, 遗传算法在机械工程领域也开展了多方面的应用。但关于应用遗传算法时处理约束的高效和稳健的方法研究较少被涉及, 因此如何确保使用遗传算法解约束优化问题的准确性仍需要广大学者的深入研究。

3 优化设计方法的选择

解决优化设计问题的关键在于选择正确的优化设计方法, 现实情况中, 应当根据设计要求考虑不同优化设计方法的特性和现实情况进行科学合理的选择。一般而言优化方法的选择可以遵循以下几点原则:高效率, 可靠性, 通用性, 稳定性以及初始条件、多变量和约束条件的敏感性。另外, 恰当的优化方法选择还需要根据个人经验对优化模型的约束条件、约束函数及目标函数进行深入全面的分析, 再根据复杂性和准确性等条件进行评判与选择。总而言之, 不同的优化设计方法都是针对某一类问题而产生的, 具有各自的优缺点和应用领域, 不能绝对单纯地用好坏对其进行评价。

综上所述, 本文从机构优化设计技术的发展概况入手, 对于主要的优化设计方法及其特点以及具体的优化设计的选择进行了相应阐释, 希望能够更好的促成机械产品的质量与生产效率的提升。

摘要：机械优化设计将传统机械设计理论与现代设计方法进行合理结合而产生的一种更科学的优化设计方法, 有助于提高机械产品的质量与生产效率。本文就机械优化设计技术的发展概况、主要涉及方法及方法的选择作出简单探讨与研究。

关键词：机械,优化设计,方法

参考文献

[1]董科, 张国良, 陈文娟.浅谈机械优化设计[J].山东水利职业学院院刊, 2009 (2) .

[2]肖弦, 林章辉.浅谈机械优化设计[J].湖南工业职业技术学院学报, 2008 (4) .

[3]周廷美.机械零件与系统优化设计建模及应用[M].北京:化学工业出版社, 2005.

[4]吴月.浅谈机械优化设计[J].时代教育, 2012 (8) .

[5]王秋珍.机械优化设计的几种方法及评判指标[J].重庆工学院学报, 2006 (8) .

机械优化 篇2

合肥工业大学

《机械优化设计》课程实践

研究报告

班 级： 机设10-04 学 号： 20100495 姓 名： 李健 授课老师： 王卫荣 日 期： 2012年 月 日

目录

一主要内容

1、一维搜索程序作业

A.λ = 0.618的证明..........................................1 B.编写用0.618法求函数极小值的程序..........................2

2、单位矩阵程序作业............................................4

3、其他工程优化问题..................................9 4连杆机构问题.....................................12

二实践心得体会...............................15

一: 主要内容

1.一维搜索程序作业：

A.λ = 0.618的证明(y2 > y1)证明：0.618法要求插入点α

1、α2 的位置相对于区间 [a，b] 两端点具有对称性，即

已知 a1=a2 , 要求α1=α2 由于α1=b-λ(b-a)α2=a+λ(b-a)12 若使α1=α2111222211则有：b-λ(b-a)=a+λ(b-a)= a1+λ(b-a)121因此: b-a1=(λ+λ)(b-a1)1

2(b-a1)(λ+λ-1)=0 1因为: b= a1 2所以: λ+λ-1=0 则有: 取方程正数解得

1若保留下来的区间为 [α1，b]，根据插入点的对称性，也能推得同样的λ的值。其0.618法的程序框图如下:

B.编写用0.618法求函数极小值的程序 例：（1）a=0，b=2π，f（x）=cox（x）（2）a=0，b=10，f（x）=（x-2）+3（1）

#include #include void main(void){

int i;float a1,a2,aa,y1,y2,ymin,e;float a=0,b=2*3.14159,n=0.618;a1=b-n*(b-a);a2=a+n*(b-a);print(“输入精度：”)； scanf（“%f”,&e）;for(i=0;i=10000;i=i++){

y1=cos(a1);y2=cos(a2);if(y1

a=a1;a1=a2;a2=a+n*(b-a);} If(y1

b=a2;a2=a1;a1=b-n*(b-a);} if(fabs(b-a)/b

(2)

#include #include void main(void){

int i;float a1,a2,aa,y1,y2,ymin,e;float a=0,b=10,n=0.618;a1=b-n*(b-a);a2=a+n*(b-a);print(“输入精度：”)； scanf（“%f”,&e）;for(i=0;i=10000;i=i++){

y1=（a1-2）*（a1-2）+3;y2=（a2-2）*（a2-2）+3;if(y1>=y2){

a=a1;a1=a2;a2=a+n*(b-a);} If(y1

b=a2;a2=a1;a1=b-n*(b-a);} if(fabs(b-a)/b

2.单位矩阵程序作业

编写生成单位矩阵的程序

程序文本

#include void main(void){ int a[100][100];

int N,i,j;printf(“请输入所要输出矩阵的阶数（最多100阶）:”);scanf(“%d”,&N);printf(“输出的矩阵阶数为%dn”,N);printf(“ N ”);/*****制作表头*****/

for(i=0;i

printf(“%3d”,i+1);printf(“n”);

for(i=0;i

printf(“---”);/*****分割线*****/

printf(“n”);

for(i=0;i<100;i++)/*****数组赋值*****/

for(j=0;j<100;j++)

{

if(i==j)

a[i][j]=1;

else

a[i][j]=0;

}

for(i=0;i

{

printf(“%2d:”,i+1);/*****纵列序号*****/

for(j=0;j

{

printf(“%3d”,a[i][j]);

} printf(“n”);} }

结果显示

从键盘输入9，显示9阶单位矩阵，结果如下

3.其他工程优化问题

有一箱形盖板，已知长度

L=600mm，宽度b=60mm，厚度ts=0.5mm 承受最大单位载荷

4q=60N/cm，设箱形盖板的材料为铝合金，其弹性模量E710MPa，泊松比0.3，许用弯曲应力70MPa，许用剪应力45MPa，要求在满足强度、刚度和稳定性条件下，设计重量最轻的结构方案。数学模型的建立：

1）设计变量：取结构的翼板厚度tf 和高度h为设计变量，即

tfx1x

hx2 2）目标函数：取结构的总重量最轻为目标函数，计算公式为

f(x)260t20.5h120x1x2 3)约束条件：

g1(x)[]max[]7g2(x)1x1x210max457g3(x)c1x13x210max45g4(x)1.5121x1x210fmax32111x2104g5(x)x10g6(x)x204）、根据目标函数和约束条件在Delphi程序坏境下编制程序如下：

5）、利用Delphi程序解决工程优化问题

使用复合形发寻找最优点在Delphi程序下输入所需参数值：

6）、根据目标函数和约束条件以及输入的参数值使用Delphi程序进行计算找到工程优化问题的优化极值：

连杆机构问题描述

图 3-1 机构简图

设计一曲柄连杆摇杆机构，要求曲柄l1从l1从m090时，摇杆l3的转角最佳再现已知的运动规律：E0围内变化。

3.12 数学模型的建立 2(0)2且l1=1，l4=5，0为极位角，其传动角允许在45135范3lxx1x2l2l3 设计变量：这里有两个独立参数l2和3。因此设计变量为

Tt目标函数：将输入角分成30等分，并用近似公式计算，可得目标函数的表达式

fxiEiii12i130

约束条件：

GX(1)=-X(1)0 GX(2)=-X(2)0 GX(3)=-(X(1)+X(2))+6.00 GX(4)=-(X(2)+4.0)+X(1)0 GX(5)=-(4.0+X(1))+X(2)0 GX(6)=-(1.4142*X(1)*X(2)-X(1)**2-X(2)**2)-16.00 GX(7)=-(X(1)**2+X(2)**2+1.4142*X(1)*X(2))+36.00

3.13 程序编制

procedure ffx;

var

p0,q0,T,PI,QE,D,AL,BT,QI:real;

K:integer;

test:string;begin

with form1.rand do

begin

NFX:=NFX+1;

p0:=arccos((sqr(1.0+X[1])-sqr(X[2])+25.0)/(10.0*(1.0+X[1])));

q0:=arccos((sqr(1.0+X[1])-sqr(X[2])-25.0)/(10.0*X[2]));

T:=90.0/30.0*(3.1415926/180.0);

FX:=0.0;

For K:=0 To 30 do;

begin

PI:=p0+K*T;

QE:=Q0+2.0*sqr(PI-p0)*2/(3.0*3.1415926);

D:=SQRT(26.0-10.0*COS(pI));

AL:=ArcCos((D*D+X[2]*X[2]-X[1]*X[1])/(2.0*D*X[2]));

BT:=arccos((D*D+24.0)/(10.0*D));IF((PI>=0.0)AND(PI<3.1415926))THEN

QI:=3.1415926-AL-BT ELSE

QI:=3.1415926-AL+BT;IF((K<>0)OR(K<>30))THEN

FX:=FX+sqr(QI-QE)*T ELSE FX:=FX+sqr(QI-QE)*T/2.0;

end;

end;end;procedure ggx;begin

with form1.rand do

begin

GX[1]:=-X[1];

GX[2]:=-X[2];GX[3]:=-(X[1]+X[2])+6.0;GX[4]:=-(X[2]+4.0)+X[1];GX[5]:=-(X[1]+4.0)+X[2];GX[6]:=-(1.4142*X[1]*X[2]-X[1]*X[1]-X[2]*X[2])-16.0;GX[7]:=-(X[1]*X[1]+X[2]*X[2]+1.4142*X[1]*X[2])+36.0;

end;end;3.14使用Delphi程序验证连杆机构问题 方法：随机方向法。Delphi程序的使用：

3.15验证结果显示

二:实践心得体会

总的看来,机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的,是一门崭新的学科。它是在现代机械设计理论的基础上提出的一种更科学的设计方法,它可使机械产品的设计质量达到更高的要求。因此,在加强现代机械设计理论研究的同时,还要进一步加强最优设计数学模型的研究,以便在近代数学、力学和物理学的新成就基础上,使其更能反映客观实际。同时机械优化设计的研究还必须与工程实践、数学力学理论、计算技术和电子计算机的应用等紧密联系起来,才能具有更广阔的发展前景。

机械优化设计的应用发展分析 篇3

关键词：机械优化设计;应用;优化;发展

科学技术的发展使得大量的机械制造要求要很高的技术水平，机械产品的设计工作变得越来越复杂，要求考虑的内容也越来越多，精确性和科学性都与传统机械设计有巨大差别。面对这种情况，机械优化设计理论应运而生，逐渐发展成为一种现代化的机械设计方法。

1 传统优化方法的应用与发展分析

1.1 傳统机械优化设计方法的应用

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。

1.2 传统优化设计方法的一些改进

在新的设计方法出现后，传统机械优化设计进行了一些改进：设计中普遍采用最优设计方案和设计策略，帮助达到最优组合性能;建立能够反映设计问题的数学模型，提高机械设计的准确性;利用计算机选择最优方案，通过计算机程序解决更加复杂的计算;计算机辅助设计，降低人工设计的误差。

2 现代机械优化设计方法的应用和发展

随着机械设计要求不断提高，设计工作需要考虑的问题也越来越多，整体需要解决的问题规模和复杂度都有所增强，传统优化方法的问题暴露出来，局部优化和最优解不再适用于大规模问题的设计，这使得机械设计工作者广泛吸取其他学科的理论知识，产生全新的机械设计思路，通过算法来解决一些复杂的设计问题。

2.1 反馈神经网络在机械优化设计中的使用

反馈神经网络模型的基本内容是一些双向相连的神经元系统，每个神经元之间的连接都具有特别的权值，这个神经网络对于输出和反馈能够统一应用，这样将整个网络的能量函数和机械设计的目标函数映射起来，神经网络的进化过程则与机械优化设计的最优过程对应起来，在实际应用中，寻找神经网络模型与问题的解的过程十分关键。

2.2 多层向前神经网络在机械优化设计中的使用

多层向前神经网络也是目前神经网络模型中应用较广的一种，通过输入层、隐层和输出层，将模型输入信息进行单项的传播输出，整个模型中不论是层内还是层间，均不存在反馈链接。多层向前神经网络具有很高的运算速度，非线性的映射能力也更突出，在机械优化设计中，能够利用这种模型的特点，对机械结构的多目标优化进行映射。

除了神经网络模型的应用外，很多专业的数学软件也应用于机械设计工作中，比如MATLAB，作为功能强大的工程数据计算软件，能够很好的将计算问题与实际问题结合起来，其中配置了大量的工程函数，在解决大部分工程问题时能够节约大量的时间，而且计算结构也非常精确，所以在自动化控制和机械设计领域都有很好的应用。

3 遗传算法的应用与发展

遗传算法简称GA，是一种全新的概率优化算法。遗传算法作为一种非确定性的拟合自然算法，模仿了自然界生物进化的特点和规律，对于随机对象进行自然选择，按照自然界的适者生存法则来循环处理数据，最终产生的随机群体会收敛于整体的最优解。遗传算法有很强的自适应性，借助自然界遗产的规律，能够对全局都进行优化处理，同时遗传算法是潜在的并行计算算法，所以拥有很高的计算效率。遗传算法以其全局优化的优越性，主要应用于机器学习和控制领域，最近几年也得到发展被应用于机械优化设计中。

3.1 遗传算法与机械结构优化设计

简单的遗传算法线性适应度非常理想，通过非线性适度与自适应的变异概率来优化一般的遗传算法，以此来解决机械结构的优化问题，多峰值函数极值等都具有实际的参考意义。

3.2 遗传性算法与可靠性分析

框架结构系统结合遗传算法，能够对系统结构的可靠性进行优化分析。

3.3 遗传算法与故障诊断

遗传算法网络模型中，各个神经元之间的权值可以作为染色体向量，模拟基因多点交叉变异能够对随机对象进行优化选择，这种遗传算法能够应用于变压器故障的诊断。

4 机械优化设计软件的应用与发展

4.1 专用软件的应用与发展

目前国内机械优化设计专用软件开发和使用的都比较少，机械优化设计软件的开发还需要积累足够的经验，根据工作经验转换成计算机功能组成专用软件。计算机辅助设计软件的使用，能够帮助解决很多机械设计中的工程问题，结合人工神经网络和遗传算法，开发计算与图形化功能，专业软件的发展速度也是越来越快。

4.2 网络在线机械优化设计软件

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。

5 总结

机械优化设计在传统机械设计的基础上，结合了大量的先进科学得到了高效的设计方法，大大提高了机械设计的质量和速度，随着数学理论和计算理论的发展，机械优化设计方法也在不断更新，思维更加开阔，各种设计方法也都得到了不同程度的完善。所以机械优化设计不但要深化工程设计理论，更要结合多种学科打开更加广阔的发展未来。

参考文献：

[1]王瑾.面向环境的产品设计制造及应用研究[J].机械管理开发，2011（01）.

[2]王维威，解念锁.金属基复合材料的加工方法及应用[J].科技创新导报，2010（29）.

[3]王瑾.基于材料的绿色产品设计与管理研究[J].科技创新导报，2009（32）.

[4]张运节.机械优化设计综述与展望[J].科技信息.2009（06）.

[5]孙学军.人工神经网络在机械优化设计中的应用[J].黑龙江科技信息，2011（32）.

现代机械优化设计分析 篇4

优化设计方法是机械优化设计的灵魂, 随着数学科学和计算机技术的飞速发展。求解优化问题有两种方法, 即解析解法和数值解法。解析解法用数学解析方法 (如微分、变分方法等) 求出优化解。但是, 在很多情况下, 优化设计的数学描述比较复杂, 因而不便于甚至不可能用解析解法求解;数值解法不仅可用求解复杂函数的优化解, 也可以用于处理没有数学解析表达式的优化设计问题。因此, 它是实际问题中普遍采用的方法20世纪50年代末, 数学规划方法成为优化设计中求优方法的理论基础。这种方法建立在数值分析的基础之上, 利用已知的信息和条件, 通过一系列迭代过程求得问题的最优解。它的相关理论并不复杂, 计算过程很简单, 但计算量非常大, 而这正是计算机所擅长的工作, 因此, 计算机成了解决数值优化的主要工具。不管是解析解法还是数值解法, 都分别具有针对无约束条件和有约束条件的具体方法。

在优化设计中, 对于同一优化问题往往可以有不同的优化方法。有的优化方法效果较好, 有的则较差, 甚至会导致错误的结果。因此, 根据优化设计问题的特点 (如约束条件) , 选取适当的优化方法是非常关键的。一般要求具有以下原则。

1) 效率要高。所谓效率要高就是所采用的优化算法所用的计算时间或计算函数的次数要尽可能地少。

2) 可靠性要高。可靠性要高是指在一定的精度要求下, 在一定迭代次数内或一定计算时间内, 求解优化问题的成功率要尽可能地高

3) 采用成熟的计算程序。解题过程中要尽可能采用现有的成熟的计算程序, 以使解题简便不容易出错。

4) 稳定性要好。稳定性好是指对于高度非线性偏心率大的函数不会因计算机字长截断误差迭代过程正常运行而中断计算过程。

2 现代机械优化设计的软件—MATLAB

MATLAB是美国Math Works公司出品的商业数学软件, 用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境, 主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB应用非常之广泛。

2.1 特点

1) 高效的数值计算及符号计算功能, 能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来。

2) 具有完备的图形处理功能, 实现计算结果和编程的可视化。

3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言, 使学者易于学习和掌握。

4) 功能丰富的应用工具箱 (如信号处理工具箱、通信工具箱等) , 为用户提供了大量方便实用的处理工具。

2.2 优点

1) Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言, 它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步, 也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序 (M文件) 后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的, 因此, 语法特征与C++语言极为相似, 而且更加简单, 更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强, 这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

2) MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能, 以将向量和矩阵用图形表现出来, 并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善, 使它比一般数据可视化软件所具有的功能 (例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等) 更加完善, 而且对于一些其他软件所没有的功能 (例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等) , MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求, 例如图形对话等, MATLAB也有相应的功能函数, 保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面 (GUI) 的制作上作了很大的改善, 对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。

3 机械优化设计前景展望

机械优化设计给机械工程界带来了巨大经济效益, 随着技术更新和产品竞争的加剧, 优化设计的发展前景非常的广阔。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。虚拟设计技术是发展的必然, 仿真技术也将更加趋于协同化和系统化。尚处于理论探索阶段的结构拓扑优化、智能算法优化设计、结构动态性能优化设计、柔性机械优化、绿色优化、可靠性稳健设计、基于仿生学/遗传学算法的优化设计、机械人性化设计和可持续性创新优化等都是未来机械优化设计的发展方向。

摘要：随着科学技术的发展, 机械产品设计质量的不断提高, 设计周期的日益缩短, 要求设计者考虑的因素也愈来愈多, 其计算方法的复杂性和精确性都是一般传统设计难以完成的。面对这种技术发展的现状, 设计者便开始求助于新的理论和新的设计方法。机械优化设计就是在这种情况下, 发展起来的一种现代设计方法。文章则着重对现代机械优化设计进行分析。

机械优化 篇5

检修人员对企业机械设备的检修管理工作有着直接的影响，因此，企业要注重提高检修人员技术水平。在日常的工作中，企业要利用一定的方式来加强检修人员学习检修管理知识的积极性，并完善相应的学些机制，营造积极的学习氛围，例如开展一些有意义的培训比赛和学习活动，并鼓励检修管理人员的参与。在此学习状态下，检修人员会积极适应现代经济发展的趋势，更新管理理念，本身的专业素质得到提高，技术水平也得到相应的提升。另外，鉴于企业机械动力设备检修管理理念落后的问题，企业要对机械动力设备的基础材料进行细化，积极创新设备分级管理模式。首先，企业要对设备的基础材料进行细化和充实，对于机械动力设备而言，基础材料有很多，例如日常检修材料、日常运行材料、各总成本材料等。其次，在对这些基础材料进行细化的基础上，对机械动力设备进行分级管理。此过程中，企业相关部门的检修管理人员要对设备的检修管理工作加以科学安排，以提高设备的检修效率。

2.2借助现代网络技术构建高效检修管理系统

基于现代社会的发展趋势，网路技术的利用已经很普遍。对于企业机械动力设备的检修管理工作而言，利用网络技术开发机械动力设备管理系统很有必要。因为在完善的设备管理系统下，统计和分析各种检修数据的工作就会更加便捷化。对此，企业可以进一步利用这些检修管理数据，对检修材料和相应配件的库存加以科学设置，最大程度降低企业机械动力设备的检修管理成本。鉴于此，企业要细化到每一台机械动力设备，并对此建立检修管理档案。而机械设备的配件以及相应的库存也要有相应的信息数据库。在此基础上，企业就可以以这些保存的数据为依据，进一步确定检修材料的库存，避免检修管理部门出现浪费材料的现象，从而为企业机械动力设备检修管理节约成本。

2.3对机械动力设备故障的责任标准进行细化，完善设备故障责任追究制度

就企业机械动力设备的检修管理而言，检修管理过程中的责任追究关系到企业后续管理工作的有序进行，责任追究不到位也会损害企业的形象，企业对相关检修人员也会有失公平。因此，企业必须对机械动力设备故障的责任标准进行细化，完善设备故障责任追究制度。据此，企业可以以不同类别的机械动力设备为依据，制定不同层次的责任标准。例如对于Ⅰ类设备，企业的考核要加强，而对于Ⅱ类和Ⅲ类的机械动力设备，企业可以适当考核。在制定责任标准后，企业还要对设备故障标准加以细化。企业机械动力设备具有不同的等级划分，对此，企业要设定不同等级的考核意见；而针对企业机械动力设备故障的程度，企业也要设定相应的考核指导意见。关系到企业机械动力设备使用者责任的，考核设备的使用人员；而涉及到机械动力设备检修人员责任的，对设备检修人员进行考核。在此基础上，关于企业机械动力设备检修的考核工作才能有一定的依据，相关的责任制度才能进一步落实。

3结束语

矿山机械的优化配置研究 篇6

关键词：矿山开采；机械设备；优化配置

1.矿山机械优化配置的意义

矿业是我国经济建设的支柱型产业之一，随着现代化科技的进步矿业开采的机械化程度也在不断提高，一方面比以往的施工效率较为明显的改善，另一方面也可以有效地保障施工安全，为企业赢得最大的经济利益。由此可看出，机械在现代矿山项目开采过程中扮演着重要的角色。而针对矿山机械的优化配置，则是指矿山企业在项目建设过程中应首先对机械设备进行优化管理，在保证机械系统参数的合理配置，减少重复投资有可能造成的经济损失，尽量使得每一台机械设备在工作中都能达到最大化的工作效率，降低整体机械能耗。具体而言，机械设备的优化配置不仅仅是机械的型号、数量上的优化，而且还包括了设备的日常养护管理、运行维护、操作管理、定期检修等一系列管理措施，即从专业的机械设备养护角度来做好机械的管理工作，使机械设备在工作中发挥最大的效益，并且延长机械设备的使用寿命。除企业管理之外，机械设备的生产厂家也必须提供相应的技术维护支持，如定期派厂家维修人员来企业做设备的运行巡视和检查工作等。企业要从态度上重视起设备的管理工作，将机械设备当做一个独立的系统工程来进行管理，这样才能不断完善其管理措施。

2.矿山机械设备管理现状

现阶段许多企业中虽然对于矿山开采项目中机械设备的投入量有了提高，但却疏于管理而导致机械设备运行成本高而效率低，反而是给企业造成了负面的经济影响。其主要存在着以下几点问题：

2.1.传统的企业机械设备管理理念，主要集中在设备使用过程中的维修方面，即被动的管理方法，平时不注意对设备进行维护、检查，等到使用时出了问题临时修理，更谈不上从设计和制造的源头来控制设备的质量。如设备轴承因选择不当而运行中发热，齿轮加工精度不足或表面硬度不够等问题，仅仅依靠发现问题后的维修，很难彻底予以根治。

2.2.有些企业从理念上将设备的使用与制造分为两个内容来管理，即没有积极参与到设备的生产和制造过程，完全依赖厂家，而企业只管使用，甚至出了问题也一味推脱责任给厂家，要求厂家来解决质量问题。殊不知，引发机械设备质量问题的因素很多，企业不参与设备制造，便不能很好地将自己的要求提高给厂家来获得满足，而过度依赖厂家来维修设备使用中的问题，也会影响到项目建设的进程和自身的经济利益。

2.3.对于机械设备的管理，一些企业内部成立了独立的设备管理部门，但就管理模式来讲仅仅是直接参与设备操作的司机、维修工来负责管理工作，而部门中的其它人员或其它部门，总觉得事不关己，没有积极参与进来。这样的管理模式效率不高，跟不上现代化企业管理的节奏。

3.优化矿山机械配置的措施

3.1.分解法

矿业开采是一项复杂而系统性的工程，它涉及到施工、成本、进度、安全、机械设备等诸多管理内容，尤其是现代化矿业项目建设引入了电子科技信息技术，提高了施工的效率和安全保障，这就要求项目建设过程中从整体上对项目进行单项的分解，如建筑工程中根据工种对项目的分解，机械设备的优化管理同样如此，将系统的机械管理分解成一个个独立的子系统，然后分派专人对不同的子系统进行专业化管理，避免一手抓的弊端。如有人负责记录机械的运行情况，有人负责日常养护，有人负责定期检修等，最终达到整个系统的优化。

3.2.集成法

针对矿山机械优化配置的复杂性，具体的管理措施涉及到诸多学科和技术，需要运用高效的集成法来将多个学科结合起来，尤其是系统科学与计算机科学相结合，控制理论、运筹学与人工智能相结合，系统与知识工程相结合的方法等。

3.3.启发算法

启发算法是启发与算法的结合，是一种同时采用定性与定量互补的算法。这其中启发是指人们在总结和归纳以往的相关经验的基础之上，掌握到的一些具体的策略和方法。如在人工智能工程中就是采用这种知识推理方法。启发法有着较高的灵活性和智能性优势，即便是在数据精度不够、信息不全面的情况下也可以准确地获得相关问题的解决方案。而算法则主要依靠的是建立的数学模型，利用数学上的一些工具进行推导和计算，以得到预定问题的解决方法。启发法和算法虽然各有不同的优势，但在实际的工作中其各自的弊端也经常会导致维数灾难和组合爆炸。因此常将二者进行结合，取长补短，从而对于解决复杂的、非确定的复杂系统的分析以及设计相关问题有着十分重要的意义。

3.4.人机法

在信息化时代环境中，计算机技术在在各项管理工作中的重要性日益加重，对于机械设备的优化管理同样需要引进高科技检测和维修设备。这样一方面可以可以提高检测的精确度和速度，避免传统的人为检测的误判、疏忽等弊端；另一方面也可以用计算机系统管理机械检测的记录，制作成机械设备运行故障规律，以方便对设备的故障做出合理的预判。但同时也不能完全忽视人的作用，需要用人来配合机械化操作，弥补计算机科技的不足，从而将管理工作做到最好。

4.结语

现代化矿山项目开采过程中，机械设备的优化配置和工作效率直接影响着企业的经济利益，从而对我国国民经济建设也有着重要的影响作用，关系到我国节能节约型社会建设能否顺利完成。而从企业自身来讲，引入现代化的管理理念和管理措施，加强对于机械设备的日常养护工作，改变传统的被动式机械维修管理，做到未雨绸缪而不是亡羊补牢，是提高企业核心竞争实力的重要途径。

参考文献：

[1]刘琦峰.关于矿山机械的优化配置及应用探讨[J].科技传播，2012.

[2]马金才.煤矿综采机械使用问题分析与维护[J].科技资讯，2010（16）.

消防机械排烟系统优化设计探讨 篇7

1 排烟量的计算

研究表明,排烟系统在接近或稍低于实际排烟量下运行时,排烟系统是有效的,下层冷空气不会卷入到排烟系统中,排烟系统在远远超出实际排烟量下运行时,下层新鲜冷空气会被卷入到排烟系统中,因而排烟系统效率降低,但热烟气层仍保持在可接受的高度上,故排烟系统仍然不会失效。但工程应用中,设计理论风量不精确,施工质量差漏风严重,实测风量与理论值偏差较大。

(1)国家规范中的计算方法。

GB 50045-95(2005年版)《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称“高规”)中规定了排烟风机的排烟量计算方法与原则。其中担负一个防烟分区排烟或净空高度不大于6 m的不划防烟分区的房间时,应按每平方米面积不小于60 m3/h计算(单台风机最小排烟量不小于7 200 m3/h)。担负两个或两个以上防烟分区排烟时,应按最大防烟分区面积每平方米不小于120 m3/h计算。

但是在多个防烟分区共用一套排烟系统时,这种方法也存在弊端。排烟风机风量按照最大防烟分区L=S×120 m3/h来计算,而排烟口(如图1中的C4分区)按照该防烟分区每平方米面积60 m3/h来计算大小,只打开该排烟口时,管道内风口风速会远大于规范要求,而且图中A1分区与C4分区的面积相差越大,问题越严重。

目前情况下,针对500 m2以下房间排烟量的计算方法,建议采取以下方法:如图1中无论排烟风机担负几个防烟分区,都采用最大防烟分区L=S×60 m3/h,加上10%～30%的漏风量,做为排烟风机的设计风量。同时规定风量不应小于7 200 m3/h。这样可以简化计算,而且有利于合理选择计算风口、风管及风机,避免风管、风机选型的浪费。

同时,要进一步研究火灾烟气理论,例如《上海市建筑防排烟技术规程》已提出性能化的方法计算理论排烟量。还要进一步研究工程应用技术,特别是针对500 m2以下房间,设定合理的排烟量,选定排烟风机的参数,并针对开启不同排烟口时不同管路特征系数、风机工作特性曲线进行校核,定量分析,提高排烟系统设计的精度,发挥排烟系统应有的作用。

(2)走道排烟量的计算方法。

按国家规范,排烟面积为走道的地面面积与连通走道的无窗房间或设固定窗的房间面积之和,不包括有开启外窗的房间面积,同时房间连接走道的门可以是一般门,未规定是防火门。同时,走道机械排烟系统一般都为竖向布置,担负两个以上防烟分区,则走道排烟量应当根据最大排烟面积按L=S×120 m3/h计算,计算出的排烟量会远大于房间排烟量。

“高规”指出,当房间发生火灾后,房间的排烟口开启,同时启动排烟风机排烟,人员进行疏散,烟气如继续扩散到走道,走道的排烟口打开,同时启动排烟风机排烟。因此,排烟系统的设计,比较注重气流的组织,理想状态下应当是从正压送风的楼梯流向走道再流向着火房间,走道排烟量过大时,将破坏上述压力分布。

笔者建议走道排烟量仍应当以走道的面积为基础,按每平方米面积不小于60 m3/h计算,工程设计中规定一个固定值,同时,不宜大于房间的排烟量。走道与房间的报警联动逻辑关系也应当优化。房间烟感报警并打开排烟口时,走道排烟不应同时动作,而是等到走道烟感报警后再启动走道排烟系统,规范应当进一步研究并作出

具体的规定。

2 大空间办公排烟设计

高层、超高层建筑办公楼通常采用如图2的平面布置形式。房间与走道隔墙(图中虚线所示)根据使用需要进行二次分隔,多数采用无走道和房间隔墙的大空间形式。其中排烟系统采用两个竖井,水平风管上分别设置有走道排烟口和房间排烟口,排烟风机的选型按走道和房间排烟量之和计算。该设计可能存在3个方面的问题:

(1)当只开启走道排烟口A1、A2时,排烟量远大于走道所需排烟量,因此改进的设计是将两台风机并联,走道和房间同时排烟时,再开启两台风机,但联动控制将更复杂。

(2)当走道和房间同时排烟时,如开启图2中A1、B1,经计算可知,A1排烟口的实际风量将远大于理论值。

(3)当取消走道、房间隔墙,采用大空间办公形式时,所有风口开启,管路特征系数改变较大,风机风量增大但压力减少,因此有必要重新校核,选择开启部分排烟口。

3 排烟风量的均衡

(1)规范要求,排烟口应尽量设置在防烟分区的中心部位,排烟口到该防烟分区最远点的水平距离不应超过30 m。当同一防烟分区设有多个排烟口时,如在汽车库排烟设计中(常采用排烟、排风合用系统),如图3所示。

其中,排烟(排风)口C1、C2、C3、C4均为常开风口。但实际运行中,同一风管上有多个风口时,C1的风量远大于理论值,而C4的风量接近于零,C1风口的尺寸越大,这种现象越明显。图2中当走道和房间同时排烟时,也存在这个问题。虽然C4到该防烟分区最远点的水平距离为30 m,满足规范要求,但实际意义不大。因此,应当研究技术措施,调整各风口的风量,并在规范中进一步明确。

(2)排烟、排风合用系统中,如图4所示,排烟、排风竖井与水平风管处设有280 ℃电动排烟防火阀。平时排风时,各层电动排烟防火阀保持常开,火灾时,着火层排烟防火阀保持常开,其他各层排烟防火阀联动关闭。高层、超高层建筑中,需要联动关闭的阀门较多,常因阀门联动关闭性能不稳定,造成排烟量不足。规范中应当限制排烟、排风合用系统的应用,并加强风阀执行机构与报警联动模块技术的研究,确保风阀动作状态显示简单直观、运行可靠稳定。

4 排烟口

(1)排烟口的位置。

建筑结构设计中,通常将排烟竖井集中设置在核心筒内,靠近楼梯间、电梯井等位置,如图5所示。

为满足排烟口到安全出口的距离不小于1.5 m的要求,需要接水平风管。但由于工程中走道吊顶内管道众多,留给水平风管的空间就更小。大部分的设计、施工会选择减小水平风管的长度或直接在竖井上开设排烟口,排烟口与安全出口的距离很小。因此,设计上仅仅满足1.5 m的要求还不够,走道的排烟口应尽量布置在与人流疏散方向相反的位置处,规范应当在正文部分强调这一点。建筑平面设计中,首先要将排烟竖井的位置远离安全出口,减小水平风管的长度。

(2)板式排烟口。

在采用板式排烟口时,有的设计不合理,板式排烟口打开后,出现如图6所示的问题,减小了风管的截面面积。可以将板式排烟口平面旋转90°,消除阀板对风管的影响。

(3)挡烟垂壁。

国家规范中要求,防烟分区宜采用吊顶下不小于500 mm的不燃烧体进行分隔。但工程实例中,特别是地下车库排烟系统中,设计通常采用建筑的梁作挡烟设施,而排烟系统的管道一般是沿着梁底布置,出现排烟口位置低于挡烟垂壁下沿的情况,如图7所示。

应当延长挡烟垂壁并低于排烟口的标高,形成有效的防烟分区。规范应进一步规定,挡烟垂壁不小于500 mm,且要使排烟口处于储烟仓内,两个条件需同时满足。

5 排烟阀与排烟防火阀

根据设计形式的不同,排烟口采用板式排烟口、多页排烟口、排烟阀等不同形式。一般设计如图8所示。

一是A处设280 ℃排烟防火阀,平时常开,280 ℃ 关闭,B、C处设排烟阀或排烟口;二是A处设280 ℃排烟防火阀,平时常闭,联动打开,B、C处设多页风口;三是A处设280 ℃排烟防火阀,平时常开,280 ℃ 关闭,B、C处设排烟防火阀,平时常闭,联动打开,280 ℃ 关闭;四是A处不设阀, B、C处设排烟防火阀,平时常闭,联动打开,280 ℃ 关闭。国家标准《建筑通风和排烟系统用防火阀门》中规定了排烟阀、排烟防火阀、排烟口的产品特性,因此针对上述第3、第4两种设计形式,关于B、C处排烟口是否设置280 ℃熔断争议最大,设计也经常采用。规范中应当进一步明确上述几种形式的应用范围。

6 结 语

优化消防机械排烟系统设计,能够在火灾发生时及时排除烟气,保证人员安全疏散所需的清晰高度,并给消防人员有效地开展灭火救援工作提供有利条件,最大限度地减少火灾事故中的人员伤亡数量。工程实例中,在设计、施工、设备、材料方面还存在一些问题,需要科技人员进一步研究,将烟气理论研究和工程应用技术相结合,将烟气理论计算与系统风量校核相结合,发现和解决实际工程中的问题,对于发挥机械排烟系统应有的功能,保障建筑消防安全具有重要作用。

参考文献

[1]GB50016-2006,建筑设计防火规范[S].

[2]GB50045-95(2005年版),高层民用建筑设计防火规范[S].

[3]DGJ08-88-2006,建筑防排烟技术规程[S].

[4]GB15930-2007,建筑通风和排烟系统用防火阀门[S].

[5]霍然,李元洲,余明高,等.大空间建筑火灾机械排烟的初步研究[J].消防科学与技术,2001,20(4):3-5.

[6]张向阳,黄春辉,彭连臣.机械排烟设计中的性能化分析方法[J].消防科学与技术,2008,27(6):402-405.

[7]张靖岩,刘文利,包盼其,等.大空间建筑排烟效果的实验研究[J].消防科学与技术,2008,27(9):652-654.

[8]朱杰,霍然,付永胜.超高层建筑火灾防排烟研究[J].消防科学与技术,2007,26(1):54-57.

机械自动化设备优化分析 篇8

随着科学的进步和经济的发展, 人们在探索高效、稳定的发展途径的同时, 越来越关注对于先进技术和设备的应用, 尤其在工业生产方面, 无论是关乎国家安全的重工业, 还是民众生计的轻工业, 机械自动化设备的应用越来越广泛。机械自动化技术的水平优劣直接决定了机械制造业的发展程度, 也能够直接促进了国民经济和社会发展。

2 多目标方法配置优化

本文依托杭州永创公司生产自动包装机设备, 对其进行多目标的分析和优化。

2.1 算法提出

实际的机械自动化生产过程是由各个部件构成了一个复杂完整的生产系统来完成。在分析过程中, 既要在把握细节, 同时重视整体。若在某一作业阶段出现“断链”或者配置不合理, 则大大影响了生产效率, 具体表现为某些环节出现“机械设备拥塞”, 而另一些环节出现“机械设备脱节”;而在一个生产环节上, 若配合不妥, 同样会出现生产连贯性欠佳的缺陷。因此需要在生产设备优化问题中采用以灵敏度为主要参数的优化方法, 执行过程中, 基于灵敏度分析的生产设备优化配置方案也将转化为关于生产周期、生产成本等多目标的优化问题来解决。

2.2 数学模型

对于合理运转的生产设备来说, 任意生产环节的改变, 都会对整体生产周期造成影响。针对自动包装机的特点, 定义生产周期为整个生产设备配置的函数, 如式 (1) 所示:

N表示自动包装机各个环节所组成的数量向量, 那么生产周期T (N) 可由计算得到具体结果。

另一方面, 自动包装机所涉及到的生产成本主要由直接费用和间接费用构成, 直接费用主要包括操作员工费、材料费用、电费和设备折损费用等;间接费用则包括不宜或者不能够直接计入成本中的部分, 包括采购费、银行利息、企业管理费用等支出。在生产过程中, 对于成本问题要综合考虑, 其函数关系的列式可如式 (2) 表示:

其中:C表示生产成本;N表示种类;T (N) 表示生产周期, 可建立周期函数。其数学模型可如式 (3) 表示:

3.3 数值求解

在函数的求解过程中, 为减少计算过程, 降低计算难度, 本文采用线性加权法进行。诸如生产周期、生产成本等多目标的优化, 可通过数学方法进行处理, 本文将对其做无纲量化处理。这样, 基于多目标优化的自动包装机生产配置模型经过加权处理后, 求解模型如下所示:

其中:C表示生产成本;N表示种类;T (N) 表示生产周期;Y表示目标函数线性加权之和。将求解结果充分结合生产环节中的限制和实际条件, 罗列出相关的可能情况, 并逐一排除选优。在各个优化方案中进行选择, 主要为增加生产投入, 不但缩短了生产周期, 还使经济效益获得提高。

3.4 可行性分析

对多目标优化法与灵敏度分析法的一致度问题对比分析。从根本上讲, 多目标函数的确立是在灵敏度分析法的基础上进行的;从灵敏度角度来考虑:

经过分析计算, 无论2、1取何值, 两种方法的结果均一致。这也表明上述的生产线优化方法具有一定的可行性。

3.5 工程实例

3.5.1 设备描述

本文以某公司生产的自动包装机为例。包装机的主要功效是是塑料带紧贴产品表面, 保证产品在运输、贮存和使用过程中不会发生散落, 并且外形美观。该设备能够将打包带缠绕产品并对其进行包装, 在两端通过热效应熔融处理使其收紧, 广泛应用与香肠包装、火药包装等。在生产包装过程中, 各个环节包括控制器、控制键、机械手、轨道及支架等部件的合理工作, 直接影响到其工作效率。

3.5.2 优化结果

在针对某一型号的自动包装机经过上述的分析和优化后, 考虑到生产成本、周期和实际的生产限制因素, 其部分参数如表1所示。

4 设计优化

上述内容针对自动包装机进行生产环节优化, 除此之外, 在自动包装机本身的机械结构使用过程中, 也需要分析和优化, 以增加额定强度, 提高工作寿命。

4.1 数学模型分析

包装机的工作装置和机械结构包括轨道和夹紧设备, 因此需要进行受压分析和推向力的分析。

4.2 数学模型建立

经过空间解析, 可列目标函数如式 (7) 所示:

边界约束函数可根据三维坐标空间和运动轨迹进行限制:

4.3 性能约束

机械结构的性能约束根据机械手抓紧产品的过程分析, 可表述如公式 (8) 所示:

4.4 优化结果

经过求解优化, 并根据实际的生产情况, 其框架尺寸可确定, 同时也不难推算推力的应力范围。

5 结束语

机械自动化生产对于我国的经济发展和国民需求具有重要意义, 而通过以某公司所生产的自动包装机为例, 在经过上述的论述和分析, 执行了生产优化和自身的机构优化, 其结果对于机械自动化生产设备的效率提高具有一定的可行性和推动作用。可以说, 本文对于生产设备优化问题的进一步研究提供了借鉴。

摘要：机械自动化生产的本质和目标在于加速产品的加工和生产效率;并减少人力资源和金钱资源的投入, 这极大符合了现代化工业生产的需求和趋势。本文首先对机械自动化技术的发展趋势进行论述, 说明对机械自动化设备的研究和优化的必要性;以杭州永创公司的自动包装机为对象, 进行生产环节和机械系统的优化分析研究, 总结出一套完整的优化流程, 为机械自动化设备的优化问题提供一定的参考。

关键词：机械自动化,优化,自动包装机

参考文献

[1]郭飞, 王玉梅.机械自动化的发展探索[J].工业技术, 2011 (31) .

机械优化设计的应用及展望 篇9

1 机械优化设计的内涵

机械优化设计是一门综合性的学科, 既涉及到数学、物理学知识, 又涉及到应用化学、应用力学和材料学知识, 具有理论价值和应用价值, 是非常有发展潜力的学科。机械的优化设计与机构设计、机械传动设计和机械强度评价共同组成了机械设计的内涵。机械优化设计是建立在近代计算机程序设计之上的, 所以它是解决复杂设计问题的一种有效工具。机械优化设计是把传统的机械设计与现代优化理论及方法密切结合起来去处理机械设计实际问题, 所以其工程实用价值大。现代机械系统的优化设计问题大部分具有复杂性、跨学科性、而且具有多目标性、多约束性、多参数性、和隐含性的特点。因此, 我们必须用现代的设计理论及方法, 才能实现现代机械系统的优化设计。现代设计中, 不但要求提高机械产品的性能和质量, 而且要求缩短设计周期和降低原材料消耗和制造成本, 还要求尽量少或无环境污染, 提高可回收利用, 具有绿色设计的理念。

根据机械优化设计的内涵, 机械优化设计的变量选择, 一方面要注意各设计变量应相互独立, 另一方面要避免耦合情况的发生。由于机械优化设计的目标函数及其相应约束的确定, 对精密仪器的优化设计应按其精度最高或者误差最小的要求来建立相应的目标函数。机械优化设计的约束条件不可避免会带来与模型和现实系统出现不相吻合现象。机械优化设计的数学模型确立首先要结合工程实际, 参考和优化设计经验, 正确把握与目标相关程度大的因素, 从而能够尽可能建立确切简洁的、易于使用的数学模型。所以, 机械优化设计工程技术人员可依据实际需求选择最合适的优化设计方法, 较灵活的改变和组合相应的设计思路。

2 机械优化设计应用

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系统问题的设计, 涉及到飞机机身及飞机结构整体机械优化设计;涉及到火箭发动机壳体及航空发动机轮盘机械优化设计;涉及到潜艇结构及潜艇外部液压舱机械优化设计;涉及到机器人等机械优化设计。机械优化设计的理论与方法也应用于大规模的工程建设, 涉及到筑桥梁及石油钻井井架机械优化设计;涉及到大型水轮机结构等机械优化设计。机械优化设计还应用于运输工具零件的优化设计, 涉及到汽车车架及悬挂机械优化设计;涉及到车身箱形梁结构及起重机机械优化设计;涉及到装载机平面或空间桁架结构机械优化设计;涉及到各类减速器及制动器圆锥机械优化设计;涉及到圆柱齿轮及连杆机构和凸轮机构机械优化设计;涉及到各类弹簧及轴承等机械优化设计。

机械优化设计随着现代制造科学的发展应用领域更加广泛。机械优化设计正以微电子、信息、新材料为代表的新一代工程科学与技术的发展为基础。所以, 机械优化设计一方面极大地拓展了制造领域的深度和广度, 另一方面改变了现代制造过程的设计方法、产品结构。同样, 现代制造模式与生产管理的理论与方法、制造产品的现代设计理论与方法、制造过程及系统的测量、监控理论和方法, 以及制造自动化理论等又丰富了机械优化设计的内容, 促进机械优化设计的发展, 拓展了机械优化设计的应用范围。

3 机械优化设计展望

展望机械优化设计的发展主要是现代设计方法在机械优化设计中将发挥着重要作用。可持续发展为机械优化设计提供了创新空间, 促进机械优化设计的不断创新的。绿色材料逐渐兴起, 相应的绿色产品设计及制造方法成为目前研究的热点。加强基于材料的绿色产品设计与管理研究, 加强机械设计、制造、使用过程的资源保护为机械优化设计提供了原动力。

现代设计方法在机械优化设计中将发挥着重要作用:1) 人工神经网络应用于机械优化设计, 对于解决组合优化问题显示出其优越性。2) 将模糊优化应用于机械优化设计, 建立优化设计模型对求解复杂系统优化设计问题具有重要意义。3) 将计算机辅助设计应用于机械优化设计, 简化了大量人工计算及绘图, 效率比人工提高几十倍甚至更多。

摘要：论述了机械优化设计的内涵;分析了机械优化设计在机械工业、汽车工业、航空航天工业的应用;并对机械优化设计的发展进行了展望。

关键词：机械优化设计,应用,展望

参考文献

[1]程耿东, 顾元宪, 王健.我国机械优化研究与应用的综述和展望[J].机械强度, 1995.

[2]王瑾.面向环境的产品设计制造及应用研究[J].机械管理开发, 2011.

[3]李晶, 鹿晓阳, 陈世英.结构优化设计理论与方法研究进展[J].工程建设, 2007.

[4]王维威, 解念锁.金属基复合材料的加工方法及应用[J].科技创新导报, 2010.

[5]郭谆钦, 王承文.现代设计方法在机械优化设计中的应用[J].机电产品开发与创新, 2007.

[6]王瑾.基于材料的绿色产品设计与管理研究[J].科技创新导报, 2009.

机械自动化设备优化探究 篇10

一、机械自动化的主要发展方向

1. 经济型

机械能够带给企业批量生产的能力, 而自动化的运用使企业的人力成本逐渐下降, 但机械也有三六九等之分, 优秀的机械能够在规定生产量的基础上, 降低能耗, 节约产生要素, 使企业的生产成本更好的节约;与之相反, 一些企业自动化的运用能够节约大量的人力成本, 生产损耗却一直居高不下, 造成企业因生产成本过高而缺乏竞争力。该状况的出现促使机械生产出现了经济型的新发展方向, “如何更低成本购入生产机械?”“如何在高效率下降低生产成本?”等问题的解决, 将使机械生产拥有更加广阔的未来。

2. 实用型

机械自动化正在不断的发展, 最为明显的是机械设备具备了更强的包容性, 同一标准的生产机械, 能够满足多种生产环境和产品规格的需求, 逐步实现了企业的“多线”集中生产管理。从设备的实用价值来看:一方面意味着在同等生产力的前提下, 具备更高的生产效率;另一方面则要求拥有更加便捷的操作性, 使人力成本获得进一步的节约。实用型无疑是我国务实主义精神下的发展方向, 此类机械自动化的发展也更加契合企业的生产需求。

3. 绿色型

绿色型主要包括两个层面, 一是能更好地降低生产能耗;二是有效地减少生产排污。加工制造业主要的成本支出在于原材料的购置和生产能源的消耗。原材料的成本降低, 可能导致产品质量出现问题, 因此在降低成本方面, 有效地节约能耗才是最好的选择。而减少生产排污, 能够在一定程度上避免企业大量支出排污费用, 并且能够免受相关部门污染处罚。同时有效地增进环保发展, 洁净城市卫生, 对于企业的公众形象和美誉度都有着非常积极的影响。

二、机械自动化配置的优化分析

1. 主要算法分析

自动化生产是在数个机械部件有序运作的基础上, 对所有部件进行合理的链接, 降低各个环节的人力投入, 使生产效率达到最大化。在配置的过程中, 一方面应该增强逻辑的灵活性, 在保障产品质量的前提下, 通过设备参数设定合理区间, 增强自动化生产的可控性;另一方面要注重提升灵敏度, 进而提升数据的准确性。算法是机械自动化的核心, 科学的配置是保障生产的关键。

2. 主要数学模型的建立

建模是为了控制生产环节的规范性, 产品通过若干过程后产出, 其中每一个环节的变化都应该是控制数学计算结果之内。而在建模过程中需要注意, 函数的设置必须具备针对性和灵活性, 针对性是指要囊括所有的生产要素, 包括时间点、分段周期、整体周期、材料量等, 以便于使模型对实际成本支出量、生产损耗量、产品质量等要素进行管理;灵活性是指模型中的函数配置并非一成不变, 能够根据生产需求进行更改或添加, 在企业投入新产品或新生产环节时, 也能够实现生产监管。

3. 对函数数值的求解

主要的运算方法为线性加权法。对机械自动化使用数据管理, 最具优势的方法便是依靠数学运算, 在合理的区间内, 调节生产方案, 增强生产能力。另外, 该方式的使用成本较低。

随着加工制造业的专业人员不断增多, 机械自动化也获得了质的飞跃。而合理地优化已有设备, 能够不断降低生产成本, 有效提升生产效率, 使企业在最小的付出下, 获得更大的回报。

参考文献

[1]李浩.机械自动化设备优化分析[J].科协论坛 (下半月) , 2013 (1) .

数控机床机械结构优化设计探讨 篇11

摘要：数控机床机械结构的优化设计对于改善数控机床的整体运行性能发挥着重要的作用，为了进一步提高数控机床的加工精度和使用性能，应坚持数控机床机械结构的动态优化设计，积极运用先进的技术和设计方法，不断提高数控机床机械结构设计水平。本文分析了数控机床机械结构设计流程，阐述了数控机床机械结构优化设计的关键技术，以供参考。

关键词：数控机床；机械结构；优化设计

近年来，高速切削技术的快速发展，在很大程度上推动了数控机床的高速发展，和传统数据机床相比，对机械结构进行改良以后的数控机床其运行速度明显提高，各方面性能也有了明显改善。然而我国数控机床机械结构设计水平和国外发达国家还有较大的差距，采用的设计手段和设计方法都比较落后，为了彻底改变这个局面，应积极开展机械结构的动态设计，运用现代化计算机技术，做好数控机床的动态特性分析，满足数控机床运行要求。

一、数控机床机械结构设计流程

1、构建动力学模型

数控机床机械结构的优化设计必须构建一个准确、合理、科学的动力学模型，在规划设计过程中，基于数控机床的运行要求，做好动态分析，运用人工神经网络、混合建模法、实验模态法、矩阵传递法、有限元法等多种方法进行建模[1]，运用数字仿真技术，对机械结构的不同设计模型进行对比，分析数控机床运行的动态性能，针对机械结构中的薄弱环节，有针对性地进行优化和改进。

2、设计方法优化

数控机床机械结构优化设计应基于数控机床的初始参数，对各个设计变量进行计算，有针对性地进行调整和修改，在相关约束条件下使数控机床机械结构处于最佳的动态性能。当前，数控机床机械结构优化设计可以采用三种新型设计方法：以最小值为基础的优化设计、以变分原理为基础的优化设计、能量和模态柔度平衡优化设计。

二、数控机床机械结构优化设计的关键技术

数控机床机械结构优化设计是一个非常专业、复杂的过程，需要应用多种技术和方法，其中比较关键的是动力学模型修正和阻尼矩阵优化，并且通过优化数控机床机械结构设计变量，采用最合适的求解方法，更加准确、快速地分析数控机床机械结构动态性能。本文重点分析有限元建模方法和ANSYS软件应用。

1、有限元建模法

从上世纪八十年代就有人提出了动态有限元分析法，后来数值模拟技术越来越成熟，越来越多的人认识到有限元分析法的应用优势，其这种建模方法的探讨和研究也更加深入，在复杂机械结构的动态设计和动力分析方面，有限元建模法的应用非常广泛，这种建模方法的计算格式非常规范，适应性强、精度高，并且有限元建模法主要基于有限元法和弹性力学，通过构建数控机床机械结构动力学模型，来计算机械结构的动力响应、振型、固有频率等参数，还可以结合实际的数控机床运行要求，实现数控机床机械结构的动态设计。当前，有限元分析和计算软件种类非常多，如Algor、Adina、Marc、Abaqus、Ansys、MSC/Nastran等[2]，这些软件在实际应用中一方面可以实现静态的、线性的、简单的分析，还可以对数控机床机械结构进行动态、非线性、复杂的分析，其中Ansys软件应用效果最好。

2、Ansys软件应用

数控机床机械结构的优化设计往往需要进行大量的计算和分析，整个设计过程非常复杂，Ansys软件系统通用有限元建模理论知识内容，在机械制造、航空航天、石油化工、核工业等领域应用非常广泛。通过运用Ansys软件对数控机床机械结构进行优化设计，可以和二维三维CAD软件相互结合，在计算机操作系统中对数控机床机械结构设计图进行调整或者修改，实现设计数据的交换和共享，有效提高了数控机床机械结构设计的效率和水平。同时，Ansys软件系统具有强大的分析功能，可以全面分析数控机床的流体力学、电磁场、热分布等，不仅可以进行一些静态的、简单的机械结构线性分析，还可以实现动态的、复杂的机械结构非线性分析[3]，并且在设计过程中可以对数控机床機械结构进行估计分析和优化设计。在应用Ansys软件时，可以根据数控机床的不同硬件结构，兼容不同异构平台上的数据文件，并且利用自动化的网络划分技术，支持共享内存式和分布式并行，并行计算能力非常强大。另外，Ansys软件和CAD接口设置，可以在Ansys系统中导入Solidworks、Catia、I-Deas等格式的CAD绘图，根据数控机床机械结构设计要求，构建合理的有限元模型，然后进行求解和处理，最终得到最佳的优化设计方案。

结束语

数控机床机械结构优化设计应积极运用先进的科学技术，基于标准、规划的计算机建模和仿真，优化设计方法，结合有限元建模方法和机械动力学，在虚拟动态的计算机环境中，分析数控机床的动态特性，改进其机械结构设计，不断提高数控机床的综合性能。

参考文献：

[1]王洪川.DL-20MST数控机床关键零部件结构优化设计[D].大连理工大学，2013.

[2]李士弘.数控雕刻机机械结构参数化优化设计[D].西安工业大学，2012.

施工机械组合优化计算程序算法 篇12

1 对土方路堤填筑施工过程分析

对于大多数情况,尤其是流水作业时,施工机械都是循环利用。所以,只需选取一个施工周期作为分析对象。考虑到作业方式均为流水作业,即假定当机械完成某施工段作业后马上进入下一施工段的作业。其间发生的等待时间计入下一施工段(相当于在本施工段开始)。这样,只需要考虑计算机械在作业前和作业中的等待时间以及作业时间,有利于计算机械的工作时间,使得程序开发得到简化。

2 程序的主要功能

机械施工仿真程序的主要功能包括:施工过程的仿真计算分析,单位工作量直接成本(元/m3),各种施工机械的利用率分析,单位工作量施工时间(h/m3)。并采用流水作业的方法来分析路堤填筑的施工过程。根据程序分析结果来确定施工机械组合的优化,还可以根据分析结果来确定流水作业的最佳单位作业单元大小。

3 程序数据结构及算法

3.1 程序的输入输出

输入数据包括机械数据和作业数据两种。机械数据是已有的机械数据库中选取各工艺使用的机械及数量;作业数据指和工程仿真计算有关的工程数据。数据输入可采用人机交互的方式按照提示输入,也可以建立Excel文件直接导入程序。

程序输出数据采用两种方式:一种是通过程序的交互界面直接显示在屏幕上;另外一种是把数据导出到Excel。输出数据包括各机械的利用率、总的工作时间、直接成本。

3.2 数据结构

对每一类机械如自卸汽车建立一个数组,数组属性为MachClass。数组的第一个元素记录本组的整体信息,包括机械数量总功率、总的工作能力、总的工作时间、平均工作效率等。由于在某一个作业点,作业进行是按工艺的顺序来完成的,对机械类数组建立一个链。为了避免程序逆序访问数组,链只能单向读取。

3.3 程序的仿真计算算法

3.3.1 程序流程

机械化施工仿真计算程序流程按照工艺顺序分成若干个作业步骤,每个作业步骤都有与之对应的施工机械。在这里不考虑相邻步骤的施工机械在同一工作面同时工作的影响(实际上,合理划分作业单元时,可以减小甚至消除由此带来的误差)。也就是对任何非起始作业的工作,只有它的紧前工作完全结束时,才能开始工作。在程序中,按照不同的施工步骤建立独立的工作模块。具体的流程图见图1。

3.3.2 程序的数学模型

程序采用机械组合的总利用率、机械利用率及单位工作量费的直接成本来评价机械组合的有效性。在机械发生作业等时,费用发生只计算不变费用部分。计算式为:

3.3.3 程序实现过程中遇到的问题的处理

由于在施工的过程中,象压路机、平地机等机械有一部分叠的工作量,这部分工作量处理方法有两种:1)根据机械的重宽度将作业量乘当量系数,得到当量工作量。2)对机械的工作度进行折减,得到有效工作宽度。本程序采用第二种方法。

各作业间的数据传递采用自定义机械类MachClass的属性的修改来完成。同时用机械类的属性值来记录机械所处工作状态、工作/等待的时间及机械的性能参数。

程序通过修改机械类属性MachClass.Machstate=工作/等来确定机械所处的状态。通过上一施工过程生产的工作量与一个施工过程机械的剩余生产能力(处于等待状态机械的生产力)的差值来确定作业的进行程度和机械所处的状态。并根据机械运行的时间来修改属性MachClass.Worktime和MachClass.Attime来记录机械的运行和等待的时间。由此可以计算出各机械利用率MachClass.Effeciency和各机械耗费的直接成本MachClass.Cost。

程序采用使用时间因子的方法来模拟施工过程中消耗的间。在施工开始时,随机产生一时间因子,所有机械的起始时都采用这一因子。机械所消耗的时间在起始时间因子的基础延迟。在延迟时间段内,表示机械处于使用中,否则处于闲置中并采用一计数器记录任何时刻与起始时刻的时间差。为了使录时间单位与机械台班价格相对应,每一个时间因数表示实际工时间为1 h。

4 实践运用

重庆市政道路设计等级为城市快速路,总长5.2 km。文中取了其中的一层作为仿真计算对象,长度为500 m。仿真分析的任务是得到直接成本达到最小的机械组合。取土场离施工现场的平均运距为2 km,路基宽度为15 m(分析层实际施工宽度),松铺厚度40 cm。选配的施工机械及配套方案:2台Cat950B装载机,10 t的自卸汽车若干,1台140推土机,1台PY160平地机,1台12 t的光轮压路机稳压1遍,CA-25 t振动压路机两台各振压2遍,1台179SE压路机作封层碾压。

分析时选用自卸汽车作为分析对象,即在不同的机械组合里选用不同数量的自卸汽车。组合一:选用5台自卸汽车;组合二:选用6台自卸汽车;组合三:选用7台自卸汽车;组合四:选用8台自卸汽车。分析的结果如表1所示。

由分析可知,机械组合经优化后,组合三直接成本节约率高达21%(相对组合一)。机械组合三的直接成本最低,为优化后组合。把组合三运用到工程实践,实际耗费的工程直接成本单价为2.899元/m3。

5 结语

实践证明,通过对工艺的分析和施工过程模拟的简化,采用仿真计算的方法可以对机械组合进行优化。把这种方法在浙江某公司进行推广,现场施工技术人员能较快的掌握并应用这种方法来指导施工,甚至把它推广至隧道的开挖,产生了较好的经济效益。由于机械原始工作参数(如自卸汽车的速度,每车的装运量)是随机的,但是从统计角度来看,它们的平均值是稳定的。这就要求现场施工技术人员对现场机械的作业性能比较熟悉,这是有效使用仿真计算分析方法的关键所在。

摘要：通过对机械施工过程的分析,建立了一个比较简单的数学模型和模拟算法,降低了仿真分析程序的难度,分析解决了程序模拟工程中遇到的一些难题,并把这个优化计算方法运用到具体工程中,指出仿真计算程序可以对机械组合进行优化,并且指导现场施工管理。

关键词：机械化施工,机械组合优化,仿真计算

参考文献

[1]巫世晶,贺小明,何小新,等.大坝碾压混凝土浇筑及施工机械配套的仿真研究[J].红水河,1999(2):35-38.

[2]钟登华,李景茹,刘奎建,等.全过程动态仿真技术及其在大型工程施工管理中的应用[J].天津大学学报,2003,36(3):347-352.