机械优化设计总结范文

时间:2023-05-29 15:09:26

导语:如何才能写好一篇机械优化设计总结,这就需要搜集整理更多的资料和文献,欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文,供你借鉴。

机械优化设计总结

篇1

【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

[1]范垂本,陈立周,吴清一.机械优化设计方法[J].机械制造,1981(03).

[2]宋志强.机械优化设计方法综述[J].呼伦贝尔学院学报,2012(10).

[3]周继惠,曹青松,宋京伟,钟建伟.传统机械优化设计方法和遗传算法的比较[J].华东交通大学学报,2002(12).

篇2

关键词 优化方法 特点 选择

中图分类号:THl65.3 文献标识码:A

1机械设计优化方法的介绍

优化方法是随着计算机的应用而迅速发展起来,较早应用于机械工程等领域的设计。采用优化方法,既可以使方案在规定的设计要求下达到某些优化的结果,又不必耗费过多的计算工作量,因而得到广泛的重视,其应用也越来越广。优化方法的发展经历了数值法、数值分析法和非数值分析法三个阶段。近年来发展起来的计算机辅助设计,在引入优化设计方法后,使得在设计工程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案,又可加快设计速度,缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品日益更新的今天,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,已成为设计方法的一个重要发展趋势。

2机械设计优化方法的分类及特点

2.1无约束优化设计法

无约束优化设计是没有约束函数的优化设计。无约束可以分为两类,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;另一类是只利用目标函数值的无约束优化方法。

2.2约束优化设计法

优化设计问题大多数是约束的优化问题,根据处理约束条件方法的不同可分为直接法和间接法。直接法常见的方法有复合形法、约束坐标轮换法和网络法等。其内涵是构造一个迭代过程,使每次的迭代点都在可行域中,同时逐步降低目标函数值,直到求得最优解。间接法常见的有惩罚函数法、增广乘子法。它是将约束优化问题转化成无约束优化问题,再通过无约束优化方法来求解,或者非线性优化问题转化成线性规划问题来处理。

2.3遗传算法

遗传算法是一种非确定性的拟自然算法,它仿造自然界生物进化的规律,对一个随机产生的群体进行繁殖演变和自然选择,适者生存,不适者淘汰,如此循环往复,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。最近几年中遗传算法在机械工程领域也开展了多方面的应用,主要表现在:机械结构优化设计;可靠性分析;故障诊断;参数辨识;机械方案设计。遗传算法尽管已解决了许多难题,但还存在许多问题,如算法本身的参数优化问题、如何避免过早收敛、如何改进操作手段或引入新的操作来提高算法的效率、遗传算法与其它优化算法的结合问题等。

2.4 蚁群算法

蚁群算法是受自然界中真实蚁群的集体行为的启发而提出的一种基于群体的模拟进化算法。蚁群算法对系统优化问题的数学模型没有很高的要求,只要可以显式表达即可,避免了导数等数学信息,使得优化过程更加简单,遍历性更好,适合非线性问题的求解。

2.5模拟退火算法

模拟退火算法是一个全局最优算法,以优化问题的求解与物理系统退火过程的相似性为基础,适当的控制温度的下降过程实现模拟退火,从而达到求解全局优化问题的目的。模拟退火算法是一种通用的优化算法,用以求解不同的非线性问题;对不可微甚至不连续的函数优化,能以较大概率求得全局优化解;并且能处理不同类型的优化设计变量(离散的、连续的和混合型的);不需要任何的辅助信息,对目标函数和约束函数没有任何要求。

3机械设计优化方法的选择

根据优化设计问题的特点(如约束问题),选择适当的优化方法是非常关键的,因为同一个问题可以有多种方法,而有的方法可能会导致优化设计的结果不符合要求。选择优化方法有四个基本原则:效率要高、可靠性要高、采用成熟的计算程序、稳定性要好。另外选择适当的优化方法还需要个人经验,深入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、准确性等条件对它们进行正确的选择和建立。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;对于高度非线性的函数,则应选用计算稳定性较好的方法。

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,机械设计优化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,仿生学理论、基因遗传学理论和人工智能优化等现代设计理论的引入,都大大促进优化设计方法的更新和完善。机械设计优化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。

参考文献

[1] 孙靖民.现代机械设计方法[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2011.

篇3

关键词:高速公路;公路养护;施工决策;最优化设计

前言

所谓高速公路养护施工决策最优化设计,实质上是指利用有限的养护资金,把高速公路路面发挥到最优质的服务水平,或者从另一角度来看,即把高速公路路面产生最大的经济效益。最优化的高速公路养护施工决策,在传统的决策模式上有所创新,有利于降低资金的投入和减少二次施工对非保养路段的损害,更符合决策所要求的系统化、科学化和现代化。就目前我国高速公路养护施工决策常用的优化方法,可分为数学规划的优化方法,目前在我国应用最广和人工智能的优化方法两大类,其中人工智能的优化方法又称遗传算法。再者,高速公路路面养护施工决策设计分为单目标路面养护决策和多目标路面养护决策两种。

1 高速公路路面损坏的常见原因

1.1 路面出现裂缝 由于高速公路长期荷载车流量过高,导致部分路段严重变形,甚至出现路面沉陷,出现裂缝。有些路段由于未能及时养护,常导致坑洞磨损等现象,加速高速公路结构的破坏。

1.2 路面结构完整性被破坏 由于我国大部分高速公路的建设参照传统的方式,一些项目指标未能按照国际标准去执行。如耐久性设计、抗疲劳损伤设计、减隔震技术设计、路面状况指数PCI、行驶质量指数RQI、路面强度系数PSSI、行驶安全指数SRI等方面的测度和评价存在不足,容易忽略这些不足对高速公路路面的影响[1]。

1.3 施工材料选择不当 传统的高速公路特别注重整体的稳定性,所以把建设工程的目标放在提高整体路面的硬度任务上。过硬的公路路面容易产生裂痕,不利于沥青的摊铺,且增大路面损坏的密度[1]。

2 高速公路养护施工决策最优化设计模型

高速公路的养护措施决策优化包括两个方面,即高速公路养护管理体系的最优化和机械组合的最优化。这就需要对高速公路的使用添加一定的约束条件,例如沥青路面损坏程度的约束、车流量通行的约束等。

2.1 高速公路养护施工管理与机械组合要求和约束指标 该要求的优化目标是寻找有效的养护对策,在约束条件的限制下,指定维修和路面养护计划。所要求的数据资料有交通量、路段长度、路面类型、设备租买、材料预计、人力准备、路面状况各个评价指标等。对于路面养护施工管理系统,主要是协调各个部门的人力资源、设备、材料等对路况进行调查、评价,在相应时间内作出效果最佳的养护对策和计划。

高速公路的不同路面状况、不同路面损坏类型、不同路面损坏密度都会影响到决策的设计,一些相关的约束指标因此受到重视。日常养护维修的施工时间应在2 - 4 (h・ km -1),施工成本应控制在0.5 (万元・km -1 )。局部挖补、铺盖3cm罩面耗时较短,稀浆封层和磨耗层耗时比较长。引用数学期望E值来测评高速公路养护的决策。对于高速公路路面状况基本良好,但抗滑性能不足,E值在30,此时可安排日常维修。对于路面凹凸不平、接缝处平整性不足、路面破损较为严重,则需采取局部或者大面铣刨,铺盖稀浆封层以及磨耗层。

2.2 高速公路养护施工管理系统流程 高速公路路面养护的管理系统流程包括调查仪器的采用、数据采集、数据分析、数据传送等。采用相关电脑数据统计软件,打开最优值的计算程序,负责人仅需把高速公路各路段的数据收集好并录入Access数据库中,记录成表,根据路况的路线确定每一个区段的养护时间、资金的合理分配以及相关工作人员的合理安排,以便于分析和观察。在明确给定的养护资金限额下,用线性规划确定每一个区段的最优养护施工的短期、中期、长期养护计划,大大提高公路使用的耐久性并且有效地控制养护资金。最后,由负责人在电脑上输出高速公路每一个区段的最佳资金分配、最佳工作人数分配、时间的最佳安排。此过程可进行不断地修改与调整,路况的现实情况也可作为一个反馈促进养护施工设计的优化。

2.3 高速公路掩护施工组织与机械组合最优化设计

2.3.1 组合安全作业最优化设计 解决组合安全作业最优化设计的理论依据是数学模型。可设定路面不同损坏程度为A 1,A 2,A 3 ……,A m,养护方法和机械的组合方式有B 1,B 2,B3,……,B n ,因此针对每种损坏程度所采用的养护方法和机械组合可设定为a ij ,施工时间可用b m 表示,以养护方法所需的时间为施工决策的变量 X j。得公式如下:

Min Z = x 1 + x 2 + x 3 + …… + x n

∑a ij x n ≥ b m

(n = 1 , 2 , 3 ,……,N)

2.3.2 组合使用成本最优化设计 和组合安全作业最优化设计方法一样,设定路面的不同损坏类型分别为,A 1,A 2,A 3 ……,A m,养护方法和养护机械的组合方式为B 1,B 2,B3,……,B n ,针对每一种路面损坏类型所采用相应的养护方法和养护器械组合为a ij ,为使施工成本降到最优值,设定施工成本为b’m 。高速公路养护施工组织与养护器械组合投资成本最优化的数学模型公式如下:

Min Z = x 1 + x 2 + x 3 + …… + x n

∑a ij x n ≥ b’m

(n = 1 , 2 , 3 ,……,N)

2.4 沥青路面摊铺 对于沥青的摊铺要选择恰当的摊铺机,所采用的原料要严格检验。此外,还要按照指示边桩和标高进行摊铺,控制好地基铺筑厚度,使得桥路接缝处更顺治、紧密。热拌沥青混合料的摊铺要严格按照操作规程控制,对每个路面保养区段分配专人进行检查,其内容主要包括压实温度、沥青混合料的颜色、配比情况,对每一项检查均认真做好记录。当施工环境气温大于等于10°C时,沥青的摊铺温度应大于等于120°C,碾压开始的温度应大于等于110°C,碾压后的温度应降低到70°C以下。热拌沥青混合料的碾压顺序由桥梁接缝处开始碾压全路,机械应选择轻型,然后进行第二次复压,机械改为重型,最后一次终压,机械改为轻型,机械轮迹重叠宽度不应该超过200 mm。

结束语

高速公路路面的养护施工是工程的重要环节,其对于提高公路使用的安全性、耐久性、适用性有着非常大的帮助。对于高速公路养护施工组织与机械的最优化组合决策,就是把施工方案的执行更加符合经济性和合理性。从组合安全作业最优化和使用成本最优化这两方面进行施工决策设计,提供的数学模型能高效地解决路面断裂、翻浆、接缝处出现横裂或者资金有限、分配不足等问题。完善的高速公路养护施工管理系统流程有利于负责人把项目的每一环把握到位,提高施工的效率,减少成本,使现有资金得到高效分配。

不同高速公路损坏路段有不同的养护方案和养护工具,施工者应具体问题具体分析,选择最优的养护方案和养护工具,作出最优化的决策。

篇4

关键词:船舶结构;机械 工程;设计

中图分类号:TH122文献标识码: A 文章编号:

引言

如前所述,在船舶结构的设计中能用到的变量都有好几个限定条件,多个限定条件使得优化结构中出现一些问题,为解决相关问题应选用有效的离散变量。在船舶结构方面的设计中,主要参考现代数学理论、计算机技术以及工程的一些特征作为其未来的发展方向或前景。综观以往研究,国外更加注重开发优化算法,在规范设计、数据设计以及专家经验的运用方面有所忽视。机械 工程在优化结构设计中的运用减少了用户的计算量以及对经验和机械 的需求,很大程度上提高了结构优化设计的水平。

基本原理介绍

结构设计中机械 工程的应用

作为一种工程理论,机械 工程实现了机械 在不同领域的多重使用,它以将在相关领域长期实践经验总结得到的相关标准嵌入新型软件为核心,通过推理和逻辑分析达到产品设计的目的。

对结构进行优化时,要求在条件限制下,设计一组包含数学函数以及其变量等参考数据,以便满足目标最优化。结构设计中运用机械 工程能够帮助用户在最初目标函数的基础上进项设计,以求在参数的不断变化中找到最佳设计方案。

机械 工程的关键在于其对机械 的表示、获取和推理。实现在结构设计中应用机械 工程要能够利用技术获取机械 ,然后能够将所得机械 按某种形式转化为计算机语言,最后在遇到具体问题时充分利用存储库中的机械 加以解决。

建立机械 库

作为机械 的集合,机械 库中储存了大量的案例、规则和积累的经验。在机械 库建立过程中,首先要对相关文献以及经验进行整理划分,将相关机械 按某种类别加以划分,最后整理出针对不同问题的解决对策,并将其存入数据库,作为机械 储备。在获取机械 时可以根据不同情况采用不同的方法,既可以向相关行业专家咨询,也可以查阅文献,不断进行归类整理。机械 库的建立就是要为用户解决问题、利用机械 提供有效的渠道。

相关概念的界定

结构设计是否合理、是否符合制定的标准,需要我们通过一定的标准、规则和公式来进行检查。以下是对相关概念的界定:

表格设计。其用来表示不同产品的不同性能,由于产品的大小、形状各不相同,因此将产品的各种特性编制成表格更能清晰的反应出来,为产品的设计提供依据。

规则设计。其主要指活动中各项具体规则的制定。

检查设计。通过该设计能实现对信息的快速判断。

结构设计的流程与策略

流程设计

船舶体积庞大,在设计过程中会用到相关离散变量,诸如板材的样式、厚度、宽度等。这些变量学科关联度高、对设计的要求高、需要设定的限定条件也多,这使得设计中多峰性以及非线性问题严重。因此,在该设计中需要大量的计算以及数据的存储,这样耗费的时间过长。在将机械 工程引入以后,有效的解决了这些问题,在机械 库中构建并存储有关船舶设计的专家经验、规范要求以及相关数据使得模型设计与参数实现相互转换。

专家指出船舶支架中的约束条件较为保守,只有满足限定条件才能达到较好的设计效果。对于有些结构较小的部件,由于其占据船舶重量的比例较小,对设计产生较小的影响,因此再设计时可将其作为已经变量,重点放在对传播者横踢影响较大的部件上,这样能够大大提高效率,缩短设计的时间。

(二)策略设计

在设计船舶横舱结构时除了需要用到离散变量以外,会用到随机变量。由于在该设计中用到标准化的材料,因此要在机械 库中选择标准材料;对于水平与垂直材料的焊接,应该选择随机变量来衡量材料的厚度和高度;在依据相关规范对船舶横舱进行设计以后,很容易发现其中的限定条件多为限制横舱材料的厚度;剖面模数主要限制垂直材料;除此之外,板材的高度和厚度也要形成一定比例。在设计过程中还要充分考虑局部设计的稳定性,材料厚度设计要结合机械 库中的相关数据来进行。

在具体设计中,可以将船舶横舱的高度以及宽度设定为已知参数,依据机械 库中存储的数据对其赋值。变量主要是指在设计时能变动的参数,变动的所有数值将会有具体的方案与之相对。因此在设计时要使板材的参数与表格设计中的参数相对,分别对厚度、高度、宽度设置参数。限定条件的设计主要是针对剖面模数的限制以及材料和工艺稳定性的限制。设计中也需要注意公式以及模型的编写,这时机械 库的作用尤为明显。借助机械 库中储存的规则、公式进行结构规划,能够有效的避免公式的重复编写,减小了计算量,同时保护了企业的资产。

通过建立数据和限定条件、选取相关的模型,将会实现机械 理论向数学模型的转变。优化设计应以减轻船舶重量,降低生产成本,提高经济效益为目标。同时该设计也丰富了机械 库中经验的积累,实现了机械 和资源的有效共享。机械 工程在优化结构设计中的运用,在更大程度上提升了结构设计的水平。

结束语

综上所述,机械 工程在船舶设计中的应用,有效的解决了许多设计方面的问题或难题。同时,数据与限定条件的建立以及模型的选取,真正实现了机械 理论向数学模型的转变。在优化设计过程中,船舶的重量在不断减小,生产的投入也在不断降低,而经济效益与实践经验却在日益提高,可以说有效实现了机械 与资源的共享。所以,我们一定要积极推动机械 工程在船舶结构设计中的有效应用,争取取得更好的应用效果。

参考文献:

[1]陈金峰,杨和振,马宁,王德禹.机械 工程应用于船舶局部构件智能化设计研究[J].中国造船.2010(04).

[2]朱稣骥,顾学康,胡嘉.遗传算法的改进及其在超大型油舶结构优化中的应用[J].船舶力学.2010(01).

[3]崔进举,王德禹,夏利娟,马冲.基于机械 工程的船舶舯剖面结构设计及优化[J].上海交通大学学报.2012(03).

篇5

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.

篇6

(长沙市规划设计院,长沙410007)

摘要:建筑结构优化设计对于项目的成本控制起着重要的作用。在建筑结构优化设计中引入价值工程理论,通过功能成本分析,将技术问题与经济问题紧密结合,以最低的成本费用,可靠地实现产品的必要功能,从而提高产品的价值,弥补设计工作的不足。本文通过价值工程在建筑结构优化设计中的使用,说明价值工程在结构优化设计中的意义,确保有效优选。

关键词 : 建筑结构;优化设计;价值工程

中图分类号:TU2 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2015)24-0130-02

作者简介:罗利波(1978-),男,湖南长沙人,高级工程师,研究方向为结构设计及加固。

1 建筑结构优化设计概述

1.1 传统的建筑结构设计方法

传统的建筑结构设计方法,过程大致是根据经验给出一个设计方案和做法,用力学方法进行结构分析,检验结构及构件是否满足规范规定的强度、刚度、稳定性、使用等方面的要求,或通过对少数几个方案进行比较而选出可用方案。通常的步骤是假设、分析、校核、重新设计。

1.2 建筑结构优化设计方法

我国建筑结构设计优化设计理论研究始于六十年代,1973年钱令希教授发表《结构优化设计的近展》,将数学规划法和准则法结合在一起,假定结构构件处于满应力状态,分别对构件进行优化。由于结构优化设计的重要性,很多学者对结构优化设计做出大量的研究,使结构优化设计理论研究不断发展。1982年,钱令希教授在《我国结构优化设计的现况》中详细总结了这十年的结构优化设计研究和应用方面的成果,为我国进行优化设计研究指明方向。2001年,大连召开第四届WCSMO会议,30多个国际200多位学者参加了会议,会议内容包括结构与多学科问题的灵敏度计算、分析计算、优化设计及其工程应用等。

目前,建筑结构优化设计主要指结构综合与优选,过程大致是假设、分析、修改设计、最优设计,这种修改设计是在满足各种规范或特定要求的条件下,通过优化方法,从管理、技术、经济各方面综合考虑,采用结构优化程序、应用优化理论方法,找出最优级的方案(材料最省、造价最低、或某些指标最佳的方案),以达到最优目标。

1.3 大师对建筑结构优化设计的看法

中国工程院院士江欢成:“我国优化设计工作方兴未艾,大有可为。它符合可持续发展和科教兴国两大战略,它是我国建设方针的体现,是科学发展观在建筑行业中的落实。优化设计工作,私企、民企对此态度积极,国企相对不够重视。建议政府给予支持”。

中国工程院院士程耿东:“在建筑领域应用优化设计,不仅可行而且十分符合节约能源,保护环境的可持续发展观。结构优化设计作为一种基于计算机的快速自动设计过程,可以在满足规范等约束条件下得到优化的设计方案,降低成本造价,提高结构性能。增大使用空间,缩短施工工期,是设计者追求的终极目标,在建筑领域应用和推广结构优化设计更有着不同寻常的意义,对设计单位、开发商、百姓都是好消息,它是惠及百姓的环保设计理念,具有前瞻性,会带来多赢”。

2 运用价值工程优化建筑结构设计

价值工程,是一门技术与经济相结合的现代管理科学,是通过对产品的功能与费用系统分析,使之以最低的寿命周期成本,可靠地实现产品的必要功能的管理方法。运用这种方法,通过功能细化,去掉多余的功能,对功能实施重点控制,目的是以研究对象的最低寿命周期成本可靠地实现使用者所需功能,以获取建设项目经济效益、社会效益以及环境效益的最佳结合。

价值工程以功能分析为核心,着眼于建筑产品的寿命周期成本。建设费用、使用费用与功能水平的变化规律决定了寿命周期成本(图1),随着功能水平提高,建筑产品的使用费用降低,建设费用却在增高,反之,使用费用增高,建设费用降低;建设费用C1的曲线和使用费用C2的曲线的交点所对应的最低寿命周期成本Cmin才是最低的,最低寿命周期成本Cmin所对应的功能水平F0是从费用方面考虑的最为适宜的功能水平。

价值工程的目标表现为产品价值的提高,是对象所具有的功能与获得该功能的费用之比,可用公式表示为:价值(V)=功能(F)/成本(C)。

提高产品价值的途径:

某住宅小区在基础设计前对方案对比优化设计。该工程场地稳定,无不良地质作用。场地类型为软弱场地土,建筑场地类别属II类,拟建场地可不考虑地震液化的影响。场地自上而下各地层为:

①素填土①:平均层厚10.78m,结构松散,未完成自重固结,局部有建筑垃圾分布,承载力低。

②粉质粘土②:分布连续,埋深大,层厚0.90m~5.00m,可塑~硬塑,稍湿,不宜选择该层作为拟建多层建筑物基础持力层,fa=240kPa。

③强风化板岩③:厚度较大,岩心呈块状,遇水易软化,失水易干裂,fa=340kPa,qpa=2100kPa(人工挖孔灌注桩),qpa=2500kPa(沉管夯扩灌注桩)。地下水:主要类型为强风化板岩③基岩裂隙水,微承压性,该段地下水水量较少。在勘察期间,稳定地下水位埋深为5.32~13.20m,高程为52.77m~59.36m。拟建场地有一层地下室。地下水在直接临水或强透水层中对混凝土具有中等腐蚀性,在弱透水层中不具腐蚀性;对钢结构具弱腐蚀性。

可选桩型及优缺点:

①沉管夯扩灌注桩,优点:在桩端处夯出扩大头,单桩承载力较高;桩身质量高;施工机械轻便;施工速度快、工期短、造价低;无泥浆排放。缺点:遇中间硬夹层,桩管很难沉入;遇承压水层,成桩困难;振动较大,噪声较高;属挤土桩,设桩时对周边建筑物和地下管线产生挤土效应;扩大头形状很难保证与确定。

②预应力管桩,优点:单桩承载力高;单桩承载力造价便宜;运输吊装方便;施工快、工效快,工期短。缺点:噪音大,挤土量大,会造成一定的环境污染和影响;打桩时送桩深度受限制,在深基坑开挖后截去余桩较多;在“上软下硬、软硬突变”的地质条件下,不宜采用锤击法施工;不适合桩端持力层为遇水易软化的风化岩层。

③长螺旋钻孔灌注桩,优点:不受地下水位的限制,穿透力强,施工过程无噪音,振动小、无排浆、无塌孔,成桩效率高。缺点:桩身强度不足;桩底不能入岩,单桩承载力低。

④人工挖孔桩,优点:单桩承载力高;可以极大降低生产成本;适用于大型机械无法作业的山区;生产条件要求低,可多孔同时作业。缺点:机械化低,施工进度慢;成孔质量不易控制;现场施工不易控制。人工挖孔桩技术适合直径超过800mm并且地下水较少或无水的土质,不适合地下水位高、有流沙、大水量冲击区域、含水量多的淤泥、淤泥质土层等。

⑤旋挖桩,优点:钻进能力强;不易产生泥皮,有利于增加桩的摩阻力,提高桩的质量;振动与噪音较低;成孔速度快,尤其在砂质土内成孔;机械设备较简单。缺点:护壁相对较差,容易缩径、塌孔;设备价格昂贵,设备维修费用高、时间长,工成本与其他成孔方式相对较高,卵砂石层中钻进存在成孔困难。

以上5种方案,各有优缺点。利用价值工程理论,①、④两种方案更具经济性,满足功能不变化同时降低造价,以此来提高产品价值。本工程多为墙下线荷载及柱下集中荷载,其墙柱荷载为5000kN~8000kN,2600kN~5600kN(纯地下室的框架柱),依据价值工程理论综合比较采用人工挖孔桩基础,以强风化板岩③为持力层,该持力层的桩的端阻力特征值为qpa=2100kPa,桩端进入持力层的深度大于等于≥1.0m,相邻桩端底标高应按规范进行控制,平均桩径为0.9~1.5不等(主楼部分),0.9~1.0不等(纯地下室部分);扩底直径分别为1.3~2.4m(主楼部分),1.3~1.6m(纯地下室)。施工完成后经济效果良好。

3 结语

价值工程着重产品功能的分析,以最低的成本费用,可靠地实现产品的必要功能,提高产品价值,而这可以弥补结构设计优化的不足。所以,价值工程在结构设计优化中的运用,能够很好地解决工程成本的控制,优选出最佳的设计方案。价值工程存在于项目进行的方方面面,设计、施工以及管理等等,不能只靠个别人员、部门,而要通过有组织的活动,发挥集体智慧,经过多个部门的配合,才能收到良好的效果,达到项目的利益最大化。

参考文献:

[1]钱令希.我国结构优化设计的现况[J].大连工学院学报,1982(03):1-5.

[2]张炳华,侯昶.土建结构优化设计[M].上海:同济大学出版社,1998.

[3]蔡新,郭兴文,张旭明.工程结构优化设计[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[4]李芳,凌道盛.工程结构优化设计的现况[J].工程设计学报,2002(12):229-235.

[5]江欢成.优化设计的探索和实践[J].建筑结构,2006(06):1-24.

[6]程耿东,李刚.基于功能的结构抗震设计中一些问题的探讨[J].建筑结构学报,2000(01):5-11.

篇7

【关键词】机械设计;现代设计;设计技术;研究

机械设备的产生与使用为人类生活、生产提供了巨大便利,不仅节省了人工劳动力的支出,还提高了工作与生产效率,促进了社会经济的积极发展。要提及的是,机械设计作为机械工程的一部分,它影响并决定着机械设备的性能,也顺带影响着机械工程的发展与进步,因此在机械工程中,相关技术人员务必要重视机械设计,不断更新知识,创新设计方法,将先进技术科学应用到机械设计中,切实提高机械设计水平。下面就机械设计中应用到的现代设计技术作详细论述。

1 现代设计技术与传统设计技术的比较

现代设计技术汇集了多个专业、多个学科知识,与传统设计技术最大的区别在于,现代设计技术引进了计算机技术,属于交叉性学科。对比分析现代设计技术与传统设计技术的优缺点,得出结论如下:

1.1 现代设计的设计思维更主动

传统设计主要依靠设计者的灵感和设计经验,只有同时具备了这两种因素,设计才能完成,所以传统设计大多是被动设计,缺乏一定的主动性。而现代设计则截然不同,现代设计以灵感、方案、设计优化为基础,利用现有的先进技术与先进理念主动创新,以市场为导向,占据主动权,所以由此滋生了诸如创造学、设计方法学等多种理论科学。比起传统设计技术,现代设计技术的主动意识更强。

1.2 现代设计更重视产品的功能分配

拿机械设计来说,传统机械设计只重视机械的预定功能,设计产品只需实现预定功能即可。而现代设计则要求将设计产品放到一个大系统中,综合系统情况来对产品进行设计,重视产品功能的合理分配,维持“人―机―环境”的平衡。现代设计在设计时将“人”考虑到其中,重视人机关系,同时考虑到自然环境保护,坚持环保原则,力求保证设计的生态平衡。

1.3 现代设计更加重视产品强度

现代机械设计传统机械设计更注重强度设计准则,现代设计技术在设计中应用了有限单元法和断裂力学,切实强化了机械产品的设计强度。而该设计准则在传统设计中是没有涉及的。另外,除了强度设计准则以外,现代设计还将艺术、美学因素考虑到了设计中,提出了艺术设计与美学设计要求。

1.4 现代设计周期更短,耗费更少

对比传统设计与现代设计的设计周期,由于引进了计算机等先进技术,现代设计的设计周期比传统设计周期要短很多,设计效率也得到了大幅度的提高。另外在设计耗费上,现代设计所消耗的费用比传统设计耗费要少很多,设计总效益也比传统设计高。

2 现代机械设计技术的特点

总结上述所分析的现代设计技术特点,发现现代设计技术具有思维主动、功能完善、设计逻辑明确、设计强度高、设计周期短、耗费少且效益高特点。如果将现代设计技术应用到机械设计中,实现现代化机械设计,则该类设计技术在实际应用时将具备以下特点:(1)计算机技术的应用使现代化机械设计的步骤更加明晰,设计周期更短;(2)现代化机械设计初始阶段能及时发现不良问题,所以机械发生故障的可能性较低;(3)现代化机械设计同时考虑机械产品的动态与静态属性;(4)现代化机械设计能充分利用计算机技术来实现设计方案优化、系统防真。

3 现代设计技术在机械设计中的应用

3.1 机械优化设计

优化设计是现代化机械设计的一个重要表现形式,基本思想是利用现代化设计技术来优化机械设计方案,并建立一套与机械设计规划相符的现代化设计模型,辅以计算机软件,计算分析出最佳的机械设计方案。这一设计方式能有效提高机械设计效率,确保现代化机械设计方案的可行,创新并设计出性能良好的机械设备。

3.2 防真与虚拟设计

现代化机械设计以计算机作基础,随时随地都离不开计算机软件与计算机系统。在现代化机械设计的初始阶段,设计者可以利用计算机仿真技术对机械产品的设计、开发全过程进行模拟,预定下产品的性能,分析产品的可制造性以及需要花费的产品制造成本。如果可行,再进行机械设计。这一设计方式不但能提高机械产品的设计可行性,还能有效控制设计成本,缩短产品的设计周期,提高机械产品的设计效率,切实保证机械产品的性能完善。

3.3 机械创新设计

机械创新设计(Mechanical Creative Design,简称MCD)的关注焦点在于充分发动设计人员的智慧和创新思维能力,进而设计出来新型的机械功能、机械结构或者机械产品。MCD非常强调设计人员在机械设计过程中的灵魂作用和主导作用。因此,在机械设计的过程中,设计人员要充分动用各种创新思维模式(例如,发散思维模式、头脑风暴等)。但是在机械设计中设计人员很难向艺术家构思艺术作品那样做到“天马行空”,因为机械结构选型的多解性和复杂性将创造性思维限制在一定的范围内。但是智能专家系统和各种计算机辅助设计系统在机械设计中的应用,让设计人员能够有更多的精力去运用创造性思维,把繁琐的计算和设计求解交给智能专家系统去完成。

3.4 机械模糊设计

机械模糊设计(Mechanical Fuzzy Design,简称MFD)的关注焦点在于模糊数学知识在机械设计过程中的充分、灵活、深入地运用。复杂化是当前机械设计的重要趋势之一,复杂化的机械设计必然导致设计中各种变量关系的复杂化。但是过于复杂的机械设计方案,想要对其进行精确的描述则具有极大的困难或者需要花费极大的精力。但是如果将机械设计方案的精确描述改为“承载能力较强”或者“使用寿命较长”等类似的模糊描述,实质上出现了设计中的“模糊现象”。

3.5 机械绿色设计

机械绿色设计(Mechanical Green Design,简称MGD)的关注焦点在于提高产品的“绿色程度”,即在满足环境目标要求的同时,保证产品应有的功能、使用寿命和质量等。绿色设计通常也称为生态设计、环境设计、环境意识设计等。在传统产品设计过程中,设计人员主要按照产品性能、质量和成本要求等指标进行设计,设计过程中对产品的维护性、拆卸性、回收性、淘汰废弃产品的处理及对生态环境的影响等考虑较少。这样制造出来的产品,在其使用寿命结束后,由于缺乏必要的拆卸和回收性能,回收利用率低,其中的有害物质对生态环境造成了严重污染,影响生活质量和生态环境,造成资源的大量浪费。绿色设计就是针对传统设计的这种不足而提出的一种全新的设计理念,它包含产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、重用及处理处置的各个阶段,即涉及产品的整个生命周期;强调在产品开发阶段按照全生命周期的观点进行系统的分析与评价,消除潜在的、对环境的负面影响。

4 结束语总而言之,随着计算机技术在机械设计行业中的不断渗透与应用,机械设计技术也逐渐由传统设计转向了现代设计,实现了机械设计的现代化。在本篇文章中,笔者分析比较了现代设计技术与传统设计技术的区别,并探讨了现代化机械设计技术的特点,同时结合现代化机械设计现状,对现代化机械设计中的现代设计技术应用情况作了详细论述,得出相关结论,希望能为同行工作者提供帮助。

【参考文献】

[1]张海筹.基于IT技术的现代机械设计方法[J].机械设计与制造,2009(05):147-148.

[2]胡晓波,张焕.现代设计技术的发展现状与趋势[J].机械研究与应用,2011(04):158-159.

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关键词:现代设计理论与方法;教学方法;实践教学;毕业设计

中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)11-0124-02

“现代设计理论与方法”是一门多元综合、新兴交叉学科的课程,它融汇了当今科学技术的精华,与各相关学科紧密联系。河南理工大学把此课程作为机械类专业本科生的一门专业必修课,在大三第二学期开设此课程。该课程在专业的体系中起到承前启后的作用,它紧密联系和应用先修课程,如高等数学、概率与数理统计、理论力学、材料力学、机械设计、机械原理以及高级程序语言等多方面的知识,并为后续的毕业设计环节打下先进的理念基础。

该课程讲解内容包括了系统分析设计方法、创造性设计、优化设计、可靠性设计、有限元分析法以及机械工程CAD基础等。教材编排上,每一章的内容讲解一类现代设计方法,前后章节相对独立,一方面使学生在学习中不至于出现某一章节掌握不好而影响其他章节的学习,另一方面也使得老师在讲解每一章内容的时候,教学方法灵活,针对不同的现代设计方法的特点采用不同的授课方法。本课程所涉及的设计方法种类多,部分设计方法理论性强,公式推导多,枯燥乏味,内容抽象,且现代设计方法的理论学习与实际应用有较大的反差,如果完全按照教科书来组织教学,学生就会学得索然无味,也不知道理论该怎么应用,收不到良好的教学效果。因此,在教学中应针对不同章节的教学内容采用合适的教学方法,对激发学生的学习积极性、主动性以及提高教学效果起到促进的作用。经过几年的课堂教学实践探索出以下几点经验。

一、教学方法

1.比较式教学法

人的各种活动都是由一定的动机所引发的,学生学习也总是为一定的学习动机所支配。动机强度大,学习积极性高,学习的潜能就会得到最好的发挥,学习效率也高。为了使学生较好地掌握“现代设计理论与方法”的知识乃至此学科方面的理论,激发他们的学习兴趣,学习动机至关重要,第一章“绪论”讲授的重点也就在此。为了使学生们认识到本课程的重要性,采用比较式的教学方法,将现代设计方法与传统设计方法进行对比教学,从可靠性、高效性、动态化、最优化、创造性等方面讲解两种设计方法的特点,传统设计方法只能获得简化条件下的近似解,而现代设计方法能获得准确解和最优解,从而认识现代设计方法的先进性,提高学生设计理念的现代意识。“优化设计”一章所涉及的优化方法种类较多,根据数学模型中设计变量的个数以及是否有约束条件,优化方法分为一维搜索方法、无约束优化方法、有约束优化方法三大类,每一类优化方法中又包含了不同的优化算法。在实际工程中,采用何种优化算法,才能简化计算、提高计算速度及计算稳定性等,最终得到满足精度要求的优化解,是学生们比较关注,也比较困惑的地方。为此,在讲解的过程中应针对不同的优化算法,列举其特点,比较不同算法之间的优缺点、适用条件、初始点选取规则等等,根据每种算法自身的特点去有目的地选取适当的优化算法。

2.引导式教学法

在讲授过程中,善于提问,引导学生自己思考,提问后鼓励学生回答问题,发表自己的见解,通过一问一答或只问不答的形式,与学生之间形成互动,以此激发学生强烈的求知欲望,加强学生的联想能力、发散思维能力以及知识的运用能力。同时,通过提问的形式来提高学生的集中力和课堂的教学效果。如“可靠性设计”一章,讲解可靠度的推导公式时,其公式推导过程是单调枯燥的,为了避免学生精力不集中,产生厌烦情绪,应分步骤地详细推导,层层设问,逐步求解,注意引导学生思维。

3.工程案例教学法

实践是理论的基础,实践对理论起决定作用,理论必须与实践紧密结合。“现代设计理论与方法”课程本身实践性较强,离开实践就如同空中楼阁,就会丧失生命力和可信度。但是该课程的教学计划中仅仅开设了4个学时的实验课,其余36学时为课堂教学环节,为了弥补实践环节学时的不足,讲授过程中适当采用工程案例教学法,在相关的教学内容中适当引入工程实例。“计算机辅助设计”章节涉及到多种CAD和CAE软件,如果只讲每种软件的主要功能和特点则比较抽象,可以利用软件采用案例式教学法授课,以汽车的核心技术部件内燃机为例,介绍三维Pro/E绘图软件、动力学仿真软件Adams等的强大功能和特点。“优化设计”章节,以学生们所熟悉的减速器设计为例进行介绍,以此来确定满足工作条件和强度要求时使减速器的重量最轻的设计方案。

这些案例开拓了学生的视野,使学生了解现代设计方法如何应用于工程实际当中,有利于他们体会现代设计方法的先进性和重要性,提高其学习的兴趣。

4.多媒体资源与板书相结合

该课程的教学内容分成两大类:一是概念性强的内容;二是理论性强的内容。针对不同教学内容的特点,采用不同的教学方法和手段。讲解概念性强的知识时,可适当采用图片、动画等软件,借助于多媒体教学,[1]使教学内容生动直观,便于理解,避免教学内容的单调枯燥,提高学生的学习兴趣。在讲述“有限元法”进行结构分析时,用多媒体图片来显示工程结构、网格划分后的离散模型以及加载求解后的结构应力云图,可以让学生更加直观地理解采用有限元法进行结构分析的步骤和求解特点。讲解理论性强的教学内容时,要让学生理解某一设计方法的原理和解决问题的算法,必然涉及大量的数学公式推导,总结教学经验时发现,使用板书的教学效果好于多媒体。因为传统的板书式教学,推导过程前后连贯清晰、信息停留时间长、内容可以及时修改等优点,便于学生消化吸收。[2]

二、实践环节

1.实验教学

在高等工科院校中,实验教学在学生们更好地领会并掌握现代设计方法在实际工程中的正确应用,培养学生基本素质和能力等方面具有不可替代的重要作用。为提高教学效果和质量,增强学生的学习兴趣,需合理确定实验教学的内容与形式。该课程主要采用计算机模拟软件Matlab进行实验。该软件是美国MathWorks公司于20世纪80年代中期推出的数学软件,Matlab优化工具箱可以解决线性、非线性最小化及最大化、方程求解、曲线拟合、二次规划等问题中的大型课题的求解方法,为优化方法在工程中的实际应用提供了更方便快捷的途径。[3]将Matlab软件引入“现代设计理论及方法”教学中,可以通过学生的上机练习对所学知识加深理解,学会如何运用计算机技术去解决实际问题,可以大大提高教学质量和学生的综合素质。

2.毕业设计

毕业设计作为高等学校培养人才的最后一个综合性实践的教学环节,是本科学生开始从事科学研究和工程设计的初步尝试,是对大学四年所学知识和技能的全面体验,也是培养学生综合运用所学的理论知识和技能解决本专业工程问题的重要途径。毕业设计质量是提高教学水平和学生创新能力的体现。传统的机械毕业设计中学生的大部分精力耗费在零部件的常规设计以及繁重的绘图工作中,对整机全局难以进入深入研究,很难获得最优方案。并且在分析计算中,采用静态的或近似的方法而不是动态的精确的方法计算,计算结果未能反映零部件的真实工作状态,影响了设计的质量。对于一些模具和钣金件这样的复杂曲线和曲面,用传统的二维设计方法进行表现时,表现能力较差,且二维图纸绘制比较困难;传统设计方案是否可行只能靠理论推导和计算,难以进行实际检验,使学生感到毕业设计只是“纸上谈兵”,失去兴趣。[4]近年,笔者在指导毕业设计中引导部分学生在毕业中运用三维设计、优化设计、动力学仿真及有限元计算等方法。例如,在设计带式输送机减速器的高速级齿轮传动时,采用优化设计方法,使齿轮满足正常工作条件下两齿轮的体积最小;在对齿轮的强度进行校核时,借助有限元软件ANSYS完成,这使学生在设计中进一步深入地掌握了现代设计方法和手段,开阔了视野,也极大地提高了学生的学习兴趣和设计的积极性、主动性,极大地提高了毕业设计的质量。

三、采用综合考核制度

考核是考查一门课程讲授效果的一种方式,该门课程是机械类学生一门重要的专业基础课,在考试中采用闭卷的考试方式。了解一个学生对该门课程的掌握程度,不能仅从卷面成绩来判断。影响学生卷面成绩的因素比较多,比如考前的临时突击式复习可以取得一个好成绩,考生比较粗心,计算容易出错,导致卷面成绩不理想等等,不能由此判定该生对该门课程的掌握程度,该成绩也不能反映出学生的综合能力。因此,在该课程考核的时候采用卷面成绩占70%,实验成绩占10%,作业占10%,出勤情况占10%,实验成绩由实验时的表现情况以及完成任务情况来综合给定。针对学生抄袭作业的现象,采取了以小组为单位完成不同作业题目的方法,出勤情况的考查主要是针对一些学生自控能力差,为督促学生更加自觉学习采取的措施。采用考试、实验、作业和考勤并重的考核方式,教师的任务将加重,对任课老师的要求也更高。因此,任课老师一定要加强自身的学习,积极参与科研,努力掌握现代设计方法的新知识和其在工程中的应用,以期使自己的教学在培养本科大学生的基本素质和能力上发挥更大的能量。

四、结束语

在信息时代的今天,改革过去灌输式的教学模式势在必行,通过近几年“现代设计理论与方法”课程的教学实践,深切体会到比较式教学、引导式教学法、工程案例教学法、多媒体资源与板书相结合以及实践教学环节的重要性和有效性。教学改革是一个新的事物,总会出现新的问题,应该认真分析教学方法,从自身实践中改进教学思路,进一步提高教学质量。在今后的教学中通过不断认识,不断实践,不断完善,以期获得一条适合本科生教学的成功之路。

参考文献:

[1]李红莎,杨洪涛.多媒体教学在现代教育技术中的实践策略[J].科技信息,2011,(12):117-118.

[2]陈就,王建晓.《现代设计方法》理论与实践环节教学探讨[J].高教论谈,2009,(5):100-101.

篇9

工程机械是指施工建设机械的总称,其种类繁多并且被广泛应用于城市建设、道路桥梁、农林水利、工业生产以及国防设施等领域。工程机械设备主要是由整体构架、控制系统、变速装置、传动机构、防护等系统等部分组成。本文主要以公路架桥机为研究对象分析其钢结构的设计要点,其中公路架桥机的主体钢结构为横梁,传动机构为天车,主要控制系统包含液压系统和电气系统,公路架桥机的主梁是确保整个工程机械运作的重要组成部分,因此在进行主体钢结构设计时需要仔细分析主梁的结构受力特点。公路架桥机的主要工作原理是利用运梁车将需要安装的混凝土梁移动到公路架桥机的尾端,此时的混凝土梁和设置在架桥机两端的前后天车为公路架桥机纵向移动的配重。在运梁的过程中使用公路架桥机的液压控制系统将其纵向移动到桥梁待安装的部位,然后再使用前后天车分别吊起混凝土梁的前后端,运用电气控制系统调整天车运梁的平均速度确保其匀速地向前移动。当混凝土梁完全进入公路架桥机下方的轨道时,利用前后天车吊起混凝土梁继续纵向移动混凝土梁至公路架桥机前支腿和中支腿之间,此时收缩后支腿液压缸使后支腿离开地面,然后启动公路架桥机横向移动的控制系统,移动公路架桥机到混凝土梁安装位置,最后调整桥梁接口位置使混凝土梁安装就位。在安装混凝土梁的过程中,公路架桥机的主梁的钢制框架结构承担主要荷载,每一条钢梁的受力形变都关系着桥梁安装是否能够安全有效地进行,因此需要科学合理地判断钢结构的材料属性以及利用有限元分析的方法研究主梁框架结构的受力特点,从能够合理的优化公路架桥机的主梁钢结构,做到刚度和强度在稳步提升的前提下最大限度的节省资源。

2结构优化时的有限元分析

随着我国计算机技术的迅速普及和工程科技的快速发展,有限元分析在工程机械钢结构设计和优化的过程中起到了越来越重要的作用,尤其是在工程机械的自动化水平日益提高的今天,有限元分析已然成为了解决复杂的工程力学分析计算问题的首要途径。本文主要是以公路架桥机为例对其钢结构设计与结构优化时的有限元分析进行深入探讨。对公路架桥机进行有限元分析主要的方法包括,首先是要建立主梁框架结构的有限元模型,本文主要研究的软件是MSC/PATRAN,通过分析主梁框架结构的材料属性、单元选择以及网格划分进行几何建模,建立主梁框架结构的有限元模型;然后再使用MSC/PATRAN对初步建立的有限元模型进行强度、刚度分析,并且绘制出应力、应变力分布图,通过物理力学的分析方法判断钢结构的稳定性;最后根据MSC/PATRAN对有限元模型的分析结果对钢梁的框架结构进行更深层次的优化设计,以达到在实际生产制造中节省材料,实现高效节能的目的。总之可以将MSC/PATRAN进行有限元分析的基本程序概括为三个主要部分,即分析主梁钢结构的离散化、有限元计算以及对结果的优化处理。

对于公路架桥机主梁框架结构的有限元分析步骤具体如下所示:

1)通过MSC/PATRAN软件对主梁钢结构进行单元划分和插值函数的确定。由于公路架桥机主梁的横切面为箱型结构,在空间上可以划分为若干个箱型结构单元通过焊接连接而成,因此可以根据钢结构梁的结构几何特性、钢梁节点处的边界条件等情况,建立由各种单元组成的计算模型。在对公路架桥机的主梁进行有限元分析时,最关键的环节就是有限元的网格划分,因为网格划分的精度直接影响着有限元分析的精确度以及响应速度。要有效的控制网格的疏密程度,主要就是通过在主梁钢结构的各个部位采用不同大小的网格,这是为了适应计算数据的分布特点,在计算数据变化梯度较大的部位,为了较好地反映数据变化规律,需要采用比较密集的网格。然后再按照单元的性质和精度要求,写出表示单元内任意点的位移函数u(x、y、z),v(x、y、z),w(x、y、z)或者d=S(x、y、z)a,通过单元模型进行有限元分析。利用钢结构梁的结构几何特性、钢梁节点处的边界条件写出以a表示的节点位移qe=[u1、v1、w1、u2、v2、w2]T,然后再将公式转化为qe=Ca,然后再由a=C-1qe,并代入到d=Sa,得到d=SC-1qe=Nqe,此公式是利用钢结构梁的结构几何特性、钢梁节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式。

2)进行主梁钢结构的单元特性分析,根据上面总结出的位移插值函数,由弹性力学中给出的应变和位移关系,可以计算出应变为:ε=Bqe,在式中,B为应变矩阵,相应的变分为:δε=δBqe,由物理关系可以得到应变与应力的关系式为σ=Dε=DBqe,其中D为弹性矩阵。

3)对单元特性分析的结果进行组集,把各单元按照节点组集成与原结构相似的整体结构,得到整体结构的节点力与节点位移的关系,即整体结构平衡方程组f=Kq,其中K为整体结构的刚度矩阵,f为总体载荷列阵,q为整体结构所有节点的位移列阵。

4)对组集的结果进行有限元分析求解,在此过程中可以采用不同的计算方法解有限元方程,得出单元模型各节点的位移。在进行求解之前必须对结构平衡方程组进行边界条件处理,然后再接触节点位移q。计算单元模型的结构应力,如果需要求出单元模型的应力值,则在计算出各单元的节点位移qe后,自ε=Bqe和σ=Dε即可求出相应的节点应力。

根据公路架桥机主梁钢结构的施工情况对其进行实际强度、刚度检测,从而分析钢梁的框架结构的最大应力、应变情况,从而判断是否能够满足实际施工时的具体要求。在进行检测时对于测量的点位选择,应该能够代表主梁钢结构的真实使用情况以及一些主梁钢结构的集中受力部位,以便更加全面的考察公路架桥机主梁的工作状态,因此本文主要选取公路架桥机的主梁在悬臂状态(工况1)、运梁状态(工况2)以及架边梁状态(工况3)下的10个测量点,具体的检测数据如表1所示:由上表可知,工况1是指公路架桥机悬臂状态,其应力最小值是测试点4为0.28MPa,最大值是测试点8的151.3MPa,最大应力误差为4.0%,测试点分析对比如图1所示;工况2是指公路架桥机运梁状态,其应力最小值是测试点4为0.63MPa,最大值是测试点2的130MPa,最大应力误差为2.3%,测试点分析对比如图2所示;工况3是指公路架桥机架边梁状态,其应力最小值是测试点9为2.08MPa,最大值是测试点2的138.5MPa,最大应力误差为4.3%。利用有限元分析方法进行钢结构的优化设计是一种寻找最优设计方案的技术。通过MSC/PATRAN软件建立主梁钢结构的有限元模型。然后在对主梁有限元模型的工况强度以及刚度进行分析,通过在满足实际工作需求的前提下进行迭代计算。求得目标函数的极值,从而根据计算结果进行优化设计,并最终得到最优化的公路架桥机主梁的设计方案。因为采用有限元分析的方法能够非常快速有效的提升钢结构的设计效率以及质量,优化过程实质上就是在不断地进行分析、修正,需要对不同工作状态进行结构效应的有限元分析,并且同时进行优化参数的考量,逐步逼近最优设计的序列。基于MSC/PATRAN对公路架桥机的主梁进行有限元设计技术就是建立在有限元分析的基础上反复优化设计变量以满足状态变量限制条件下使目标函数逼近最小值。在通过有限元分析后得到公路架桥机主梁钢结构的应力分布以及应变产生的误差范围,就可以在实际设计之前对主梁钢结构进行更加有效、可靠以及准确地优化设计,从而为产品的定性提供更加合理有效的理论依据。

篇10

Abstract: There is a 75t/20t bridge crane in Lushui Power Plant. This crane has operated more than 40 years, the components has abrasion, maturing and other defects. The electrical control of it uses medieval structure of contactor with variable resistance box. There is a big security hidden danger in the process of the use of the bridge machine. So, our plant decides to replace all the electrical equipment of the bridge machine. In the electric control part, the frequency converter and PLC technology are adopted to optimize and design the traditional relay-contactor speed control device. This paper summarizes the overall ideas and design content of the optimal design, including the system structure optimization, the model and configuration of frequency converter and PLC, etc. After optimization design, the speed control of bridge crane more sensitive, the failure rate is significantly decrease, the overall performance is more stable.

关键词: PLC;变频器;桥式起重机

Key words: PLC;transducer;bridge crane

中图分类号:TH215 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2016)04-0101-03

0 引言

桥式起重机是电厂常用设备之一。传统桥式起重机的电力拖动系统采用交流绕线转子异步电动机转子串电阻的方式控制电动机启动或调速,这种控制装置叫做继电器-接触器控制。这种控制系统功能复杂,运行状态不稳定,噪音大,故障多发。转子串电阻调速,起动电流大,机械特性软。转速容易受负载变化的干扰,速度转换灵活性差,调速不稳定;所串电阻持续发热,浪费电能。电阻过热时还可能烧断,引起电气故障。陆水电厂75t/20t双梁桥式起重机拖动系统依靠传统交流绕线转子异步电动机驱动,采用转子串电阻的方式来控制电动机起停和变速。系统运行状态不稳定,运行速度和安全性更都已无法满足当前的工作需要,本文将在传统控制系统的基础上引入PLC变频调速装置,对系统的结构和功能进行升级改造,以优化控制系统的运行状态,提高其运行效率和系统稳定性。

1 原拖动系统基本情况

陆水电厂原桥式起重机电气拖动由大车系统、小车系统和主副钩系统协同完成,由1台交流绕线转子异步电动机驱动整个系统的起停和速度转换。速度转换方式是:电动机转子回路串入5段外接电阻 R1~ R5。由接触器KM1~ KM4 的状态来判断串入电阻的阻值,并对电机进行调速控制。以电磁机械制动为主的原电路结构如图1所示。

2 变频调速改造基本思路

桥式起重机拖动由2台大车电机、1台小车、1台主钩和1台副钩组成的拖动系统来完成,除2台大车电机共用1台变频器以外,其他拖动系统各自都有1台变频器进行调速控制。整个系统由5台电动机驱动运行,PLC变频调速系统取代了传统电动机转子回路串电阻调速装置来控制速度转换,整个系统运行更加灵敏。传统的异步电动机驱动模式下,主要依靠继电器-接触器机进行逻辑控制。经优化设计后,用变频器和PLC控制系统取代传统异步电动机,PLC接收电动机转向、调速等控制信号后,将至转换成相应的控制指令发送给变频器,电动机在变频器的控制下迅速响应并完成控制指令。系统改造后的整体结构如图2所示。

2.1 变频器和PLC的概念

变频器:主要是利用交―直―交方式(VVVF变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给变频电动机。

PLC:变频电动机可编程逻辑控制器系统及保护。

2.2 大车拖动系统

大车拖动系统是由2台YZP160M-6/5.5kW变频电机组成的双梁构造。起重机在电机的拖动下,按照1:6的调速比,顺着车间以42m/7m/min的速度横向运行。

拖动方案:采用起重机专用的变频交流电动机(湿热型),代替原绕线转子异步电动机。大车为2台交流变频调速器分别控制2台电动机驱动2个主动轮,采用电气位置同步。两台电机由同一台变频器同步操控。采用 U /f开环控制模式,变频器的容量PN应该是一台电动机容量PMN的2倍以上。(PN>>2PMN)

2.3 小车拖动系统

小车采用1台交流变频调速器控制1台YZP132M1-6/4kw电动机驱动2个主动轮的方式(机械同步),小车拖动吊钩及重物顺着桥架纵向移动。速度12.5/3m/min可调。调速比为1:4。

拖动方案:也采用起重机专用三相交流变频电动机(湿热型),配容量等相同的变频器),采用U/f开环控制方式。

2.4 主钩和副钩拖动系统

主钩和副钩分别用YZP225S1-8/18.5kW和YZP225S2-8/22kW各一台电动机单独拖动。主钩和副钩拖动重物做吊起或放下的“上下”运动。主升起机构的起升速度为0.15~1.5m/min,电机额定功率及额定速度按1.5m/min重载选择,实现电机的恒转矩和恒功率调速控制,调速比为 1:10。副升起机构的起升速度为0.6~6.0m/min,电机额定功率及额定速度按6.0m/min重载选择。电机的恒转矩和恒功率调速控制,调速比 1:10。

拖动方案:选择动态性能良好的主电动机驱动主、副钩系统,用较大功率的变频专用电动机取代绕线转子异步电动机传统的绕线转子异步电动机进行调速控制。变频电动机功率应该比原电动机稍大,以确保力矩够长。用一台变频器控制两台电动机,并为电动机配置光电编码器, 采用带 PG 卡速度反馈的闭环矢量控制方式。变频电动机的转速可以按从低到高5个档速自由调控,充分满足了主副钩系统的运行需要。

2.5 电机制动方式

采取由变频器外接的制动单元和制动电阻消耗掉的方式。改造后选用电力液压块式制动方式,其型号:(YMZ/300/45和YMZ/200/25)。采取再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的办法。利用变频调速系统的再生制动系统及直流制动系统,使运行中的拖动系统迅速停止。在起吊作业中,被吊起的重物有时需要在半空悬停或平移一段时间,利用变频调速装置使重物悬停后,还应该用电磁制动器进行机械制动,以防起重机受外界干扰或突然失电后中午下落引发安全事故。

3 变频器的选用

市场上有很多起重机专用变频器。我们选用上海施耐德ATV312HU40N4和ATV71HD30N4系列变频器。这种全磁通矢量控制的变频器,即使低频运行,起动转矩也能达到额定转矩的1.5倍。并且,该变频器具有速度反馈功能, 能实现零速控制,就是在零速下也能有150%额定转矩输出。它有四种控制方式,分别是:有 PGU/f闭环控制模式、有PG闭环矢量控制模式、无 PGU/f开环控制模式和无 PG开环矢量控制模式,具体采用哪一种要根据预设参数的存取级别而定。大车、小车拖动系统惯量大,负载变化基本为阻力性负载,变化幅度较小,因此一般采用不带光电编码器的无 PGU/f开环控制方式。相比之下,主、幅钩负载变化非常明显,应该采用有 PG- B2速度控制卡闭环矢量控制为主的有光电编码器,以缩短动态响应时间,使转矩调节更灵活、更迅速,确保起重机械更稳定地运行。由于变频控制系统具有速度反馈功能,能够在零速下保持150%额定转矩的输出,因此,变频器与PLC控制系统的整合,也能有效杜绝溜钩现象。

对于桥式起重机来说,我们可根据调速要求来调节变频机工作频率。ATV312HU40N4和ATV71HD30N4,系统自带 6个频率指令和 1个点动频率指令,有7段速可供选择。在起重作业过程中,可对系统输入频率指令,设定多段速指令1~3和点动频率进行频率切换,由此实现快速调速。如图3所示,接通端子1时电机正转,接通端子2时电机反转,分别接通1、2、3端子的多段速指令,或者同步接通其中两、三对端子,就能获得6个频率指令,也就是说在正反方向上有5种速度可供调节。通过预设变频器运行参数,可实现对电机加减速时间的调控。图3为主钩电机变频器接线控制原理。

通常根据异步电动机的额定电流来选择合适的变频器,有时也根据异步电动机工作电流的最大值来判断应该使用哪一种变频器。本文所选的变频器均已配置外接式制动单元或制动电阻。在起吊作业过程中,电动机受重力加速度的影响,在放下重物后会恢复再生制动状态,拖动系统的动能直接反馈给变频器直流电路,导致直流电压升高,当电压上升到一定程度后会引发机械故障。为避免出现机械事故,起重机完成起吊任务后,应该利用制动电阻彻底耗尽再生到直流电路中的电能,以确保直流电压始终维持安全值。制动电阻所配置的制动单元应该提高一档,并且额定功率也要加大一倍,以确保制动单元能够迅速制动。

4 PLC的选用

经优化设计,桥式起重机控制系统的现场输入,输出信号的数量及作用,结合设计要求及应用习惯选择合适的PLC控制系统。本文采用西门子6ES7-300系列PLC控制系统展开研究。这种PLC由是多个模块用不同形式整合为一体(主要由电源模块、CPU模块、I/O模块等组成)的控制系统,系统运转灵活,能够迅速完成多种控制任务。桥机操作控制系统选用可编程控制器(PLC)作为控制核心。I/O点数按实际需要配置,并留有20%的裕量。指令和数据主存储器容量不小于程序容量的2倍。同时按实际工程需要配置相应的其他必需模块。它的特点具有完善的各种自动保护功能和各种故障自诊断及显示报警功能,包括:瞬时过电流保护,再生电压保护,瞬时断电失压保护,接地过电流保护,冷却风机异常,超频(超速)保护,失速过电流保护,失速再生过电压保护,接触器粘结、缺相、行程限位,主令控制器零位保护等功能。

桥式起重机拖动系统能够通过PLC 对大、小车以及主、副钩的运行状态和速度转换的无点控制,并且也能实现限位保护。5台电动机负责系统驱动,4台变频器负责系统控制。PLC包含若干个输入输出点数,它与4个变频器的连接方式十分相似。本文将重点研究主钩电机变频器和PLC的连接方式。图4即为主钩PLC接线控制原理。

5 结束语

陆水电厂针对桥式起重机进行变频调速改造,利用变频器和PLC控制技术取代了传统异步电动机转子串电阻控制方式,在原系统结构的基础上剔除了交流接触器和串联电阻,精简了电气控制元件和相关电控线,以此控制起重机的起停和速度转换,减少了负载波动,系统运行更加稳定,安全性更高。改造后,整个系统实现了PLC无点控制,既降低了系统噪音,同时也减少了系统故障。改为PLC变频调速系统后,机械特性硬,档速基本不受负载变化的干扰,轻载时也不会因操作不当引起调速失控。除此以外,变频器还能根据现场条件调节档速以及加减速时间,系统响应时间进一步缩短,运行更加灵活。采用变频调速同时也实现了电机的软起动,不仅提高了设备运行效率,而且能够避免机械在大力矩冲击下被损坏或出现机械故障,从而节省了一部分维修费用。实践证明本次改造是成功的。

参考文献:

[1]马寅.起重机的变频调速[J].起重运输机械,2001.