机械优化设计范文

导语：如何才能写好一篇机械优化设计，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。

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机械优化设计概念

机械优化设计是综合性和实用性都很强的理论和技术，为机械设计提供了一种可靠高效的科学设计方法，使设计者由被动地分析、校核进入主动设计，能节约原材料，降低成本，缩短设计周期，提高设计效率和水平，提升企业竞争力、经济效益与社会效益。国内外相关学者和科研人员对优化设计理论方法及其应用研究十分重视，并开展了大量工作，其基本理论和求解手段已逐渐成熟。并且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。

解决优化设计问题的一般步骤

解决优化设计问题的一般步骤如下：

机械设计问题――建立数学模型――选择或设计算法――编码调试――计算结果的分析整理

优化设计中数学模型的建立

a设计变量

在最优化设计过程中需要调整和优选的参数，称为设计变量。设计变量是最优化设计要优选的量。最优化设计的任务，就是确定设计变量的最优值以得到最优设计方案。但是每一次设计对象不同，选取的设计变量也不同。它可以是几何参数，如零件外形尺寸、截面尺寸、机构的运动尺寸等；也可以是某些物理量，如零部件的重量、体积、力与力矩、惯性矩等；还可以是代表工作性能的导出量，如应力、变形等。总之，设计变量必须是对该项设计性能指标优劣有影响的参数。

b约束条件

设计空间是一切设计方案的集合，只要在设计空间确定一个点，就确定了一个设计方案。但是，实际上并不是任何一个设计方案都可行，因为设计变量的取值范围有限制或必须满足一定的条件。在最优化设计中，这种对设计变量取值时限制条件，称为约束条件，而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自由的允许范围内，找出一组优化的设计变量值，使得目标函数达到最优值。

c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着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

优化设计理论方法

优化准则法对于不同类型的约束、变量、目标函数等需导出不同的优化准则，通用性较

差，且多为近似最优解；规划法需多次迭代、重复分析，代价昂贵，效率较低，往往还要求目标函数和约束条件连续、可微，这都限制了其在实际工程优化设计中推广应用。因此遗传算法、神经网络、粒子群算法、进化算法等智能优化法于20世纪80年代相继提出，并且不需要目标函数和约束条件的导数信息，就可获得最优解，为机械优化设计提供了新的思路和方法，并在实践中得到成功应用。

a遗传算法

遗传算法起源于20世纪60年代对自然和人工自适应系统的研究，最早由美国密歇根大学Holland教授提出，是模拟生物化过程、高度并行、随机、自适应的全局优化概率搜索算法。它按照获得最大效益的原则进行随机搜索，不需要梯度信息，也不需要函数的凸性和连续性，能够收敛到全局最优解，具有很强的通用性、灵活性和全局性；缺点是不能保证下一代比上一代更好，只是在总趋势上不断优化，运行效率较低，局部寻优能力较差。

b神经网络法

神经网络是一个大规模自适应的非线性动力系统，具有联想、概括、类比、并行处理以

及很强的鲁棒性，且局部损伤不影响整体结果。美国物理学家Hopfield最早发现神经网络具有优化能力，并根据系统动力学和统计学原理，将系统稳态与最优化态相对应，系统能量函数与优化寻优过程相对应，与Tank在1986年提出了第一个求解线性优化问题的TH选型优化神经网络。该方法利用神经网络强大的并行计算、近似分析和非线性建模能力，提高优化计算的效率，其关键是神经网络的构造，多用于求解组合优化、约束优化和复杂优化。近些年，神经网络法有较大发展，Barker等将神经网络用于航空工程结构件的优化设计。

c粒子群算法

Kennedy和Ebehart于1995年提出了模拟鸟群觅食过程的粒子群法，从一个优化解集开始搜索，通用个体间协作与竞争，实现复杂空间中最优解的全局搜索。粒子群法与遗传算法相比，原理简答、容易实现、有记忆性，无须交叉和变异操作，需调整的参数不多，收敛速度快，算法的并行搜索特性不但减小了陷入局部极小的可能性，而且提高了算法性能和效率，是近年被广为关注和研究的一种随机起始、平行搜索、有记忆的智能优化算法。目前，粒子群算法已应用于目标函数优化、动态环境优化、神经网络训练等诸多领域，但用于机械优化设计领域研究还很少。

d多目标优化法

功能、强度和经济性等的优化始终是机械设计的追求目标，实际工程机械优化设计都属于多目标优化设计。多目标优化广泛的存在性与求解的困难性使其一直富有吸引力和挑战性，理论方法还不够完善，主要可分为两大类：①把多目标优化转化成一个或一系列单目标优化，将其优化结果作为目标优化的一个解；②直接求非劣解，然后从中选择较好的解作为最优解。具体有主要目标法、统一目标法、目标分层法和功效系数法。

优化设计方法的评价指标

根据优化设计中所以解决问题的特点，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：

a效率提高。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。

b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。

c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，以使解题简便并且不容易出错。

d稳定性要高。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。

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。

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得一种新的设计方法，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：

[1]白新理.结构优化设计[M]. 河南：黄河水利出版社，2008.

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[关键词]机械结构;优化设计;趋势

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0121-01

机械产品应用范围相对较广，为确保机械产品在我国日常生活及企业从生产中得到有效应用，实施优化设计十分必要。目前我国已经针对机械结构优化设计进行了研究，并取得一定成果，主要表现在船舶行业、焊工航天以及汽车行业等[1]。机械结构的优化设计可有效提高其产品性能并增加其自身市场竞争力，对其市场发展起重要作用。

1 机械结构优化设计

随着科学技术的发展进步，加快了机械产品更新的速度，以往在制造机械产品时主要采用大批量生产的方法进行，产品相对单一，目前在实施机械产品加工时多采用小批量加工模式，可确保产品的多样性。为确保生产企业的利润，在生产机械产品时需注意将其生产周期缩短，最大限度在确保至质量的前提下降低生产成本。通过实施优化设计可满足上述目标，在一定程度上缩短生产时间并降低成本，通过效率抢占市场。机械结构优化设计目前已在船舶制造、交通工具、航空航天、冶金、纺织、建筑等多领域应用。

机械结构优化设计流程主要包括：（1）针对所优化机械产品尽心目标函数优化设计，可确保机械产品相关技术指标符合优化要求。（2）设计机械产品优化函数变量，变量设计包括机械产品长度、厚度以及弧度等相关结构参数。（3）对机械产品优化设计约束条件进行设定，对计算过程中各项变量浮动范围进行限定。（4）通过以上步骤得出多种优化设计方案，分别对不同方案进行评价，根据机械结构优化设计需求选择最佳方案实施。

2 机械产品优化设计应用分析

2.1 尺寸优化设计

机械产品实施优化设计过程中对尺寸数据有精准的要求。因此实施优化设计汇总需确保各零件尺寸与实际工作需求相符，若产品为多个零件组成结构，若其中一个零件尺寸存在误差均会对零件连接效果造成极大影响，甚至加剧机械磨损导致产品报废。因此机械产品零件越多及机械结构复杂程度越高，对各零件精细度的要求也有所提高。开展机械产品尺寸优化的前提条件机械产品拓扑关系及形状不发生改变，通过计算机技术的应用对具体尺寸变化进行有效调整，可确保机械产品性能的增强。

2.2 形状优化

为确保机械产品性能的全面提升，在进行优化设计时也可从机械产品形状入手开展优化。因多数大型机械设备自身结构相对复杂，各部件形状也具有多样化，很难进行分析，为优化设计进展带来一定困难。我国目前已经针对结构优化方面出现研究成果，如田方针对轴对称机械零件开展的优化设计以及王世军针对机器人结构的优化等。

2.3 拓扑优化

以往在实施机械结构优化设计中多侧重于进行结构参数优化，未针对机械零件拓扑结构实施优化设计。随着机械结构设计意识的提高，优化中心开始向拓扑结构优化方向转换。拓扑设计优化主要在离散结构以及连续结构方面体现，其中离散结构优化设计主要是通过对多个关键点连接方式方面入手，改优化前提是确保上述关键点位置的确定。连续拓扑优化设计主要针对孔洞形状、数量、分布情况、部分结构边界开展的优化。

2.4 动态性能优化

机械产品动态性能主要指的是机械结构受外界作用下显示出外型变化规律，包括相关运动参数等[2]。机械产品实施动态性能的优化设计可明显反应出改产品工作强度及寿命情况。因此对机械结构动态性能开展优化设计不仅能减轻机械工作负担还可在同等工作强度条件下对其使用寿命进行延长。

2.5 多学科结构优化设计

开展机械结构优化设计中需应用多科学角度入手，单独使用某科学角度无法得出理想优化结果，应从多学科角度进行，确保优化设计的多学科化、总体化及系统化，确保优化设计程度符合实际需求或超出预期目标。

3 机械结构优化设计趋势

随着时展进步及行业前景变化发展处机械结构的优化设计，通过近年机械结构优化设计的开展已经从简单化优化设计想结构系统大型化及复杂化机械发展[3]。通过产品设计变量的不断增加，造成结构分析推到以及计算数值方面难度均有所提高，特别是进行特殊结构优化时无相应数据及公式进行应用。在针对大型机械结构进行优化设计时，需将复杂结构进行分解，逐步对各子结构分别进行优化，在优化过程中若设计多学科优化设计也可分科学进行优化。通过对计算机技术的有效利用，确保机械结构优化设计多方向发展。该技术主要代表包括模仿神经网络和遗传算法的人工算法，该算法适合在连续混合机离散变量全局优化中应用，可对产品准确度及应用质量进行提高。针对拓扑结构的优化设计时目前开展机械结构优化设计研究的主要方向，因实施拓扑结构优化可谓机械结构整体优化方案的设计提供科学依据，确保寻找出最佳设计方案，该方法多在大型机械优化上应用，可通过较复杂的计算实施优化，对大型机械尺寸、形状进行优化，提高其产品性能。

4 小结

机械结构优化设计的开展可帮助提升机械产品性能及质量，为机械产业的发展提供了方向及机遇。优化设计的实施可缩短机械产品生产周期并提高机械制造行业竞争力，推动机械产品优化发展。

参考文献

[1]张钟文. 试析机械结构优化设计的应用及趋势[J]. 装备制造技术，2016，07：270-271.

[2]曾文忠. 机械产品设计的结构优化技术应用策略探究[J]. 湖南农机，2014，09：44-45.

[3]周继瑶. 论现代机械中的结构优化设计[J]. 企业科技与发展，2013，09：19-21.

作者简介：

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【关键词】 机械 优化设计 理论 方法

1 机械优化设计理论概述

1.1 机械优化设计的概念

机械优化设计是指最优化技术在机械设计领域的移植和应用，是以最低成本获得最高效益。其根据机械设计理论、方法与标准规范等建立能够正确反映实际工程设计的数学模型，利用数学手段和计算机计算技术，在众多的方法中快速找出最优方案。机械优化设计通过把机械问题转化为数学问题，加以计算机辅助设计，优选设计参数，在满足众多设计目的和约束条件的情况下，获得最令人满意、经济效益最高的方案。目前，机械优化设计已成为解决机械设计问题的有效方法。

1.2 机械优化设计研究的内容

机械优化设计主要研究的是其建模和求解两部分内容。 如何选择设计变量、列出约束条件、确定目标函数。其中，设计变量是指在设计过程中经过逐步调整，最后达到最优值的独立参数。设计变量的数目确定优化设计的维数，维数越大，优化设计工作越复杂，但效益越高，所以选取适当的设计变量显得尤为重要。约束条件即是对约束变量的限制条件，起着降低设计变量自由度的作用。目标函数即是指各个设计变量的函数表达式，工程中的优化过程即是指找出目标函数的最小值（最大值）的过程。一般而言，目标函数的确定相对容易，但约束条件的选取显得比较困难。

2 机械优化设计的一般思路与常见方法

2.1 机械优化设计的一般思路

2.1.1 分析问题，建立优化设计数学模型

在机械优化设计的过程中，首先需要通过对实际问题的分析，选取适当的设计变量，确定优化问题的目标函数和约束条件，从而建立优化设计的数学模型。

2.1.2 选择优化设计方法，编写程序

在设计变量、约束条件和目标函数三大要素已经确定，构建好数学模型的情况下，编写计算机语言程序。

2.1.3 分析结果，找到最优方案

准备必须的初始化数据，通过计算机数值计算，对比计算结果，在众多的设计方案中选择最完善或者最适宜的设计方案，使其期望的经济指标达到最高。

2.2 机械优化设计中的常见方法

2.2.1 传统优化设计理论方法

传统机械优化设计方法的种类有很多，按求解方法的特点可分为准则优化法、线性规划法和非线性规划法。准则优化法是指不应用数学极值原理而是采用力学、物理中的一些手段来谋求最优解的方法。常见的准则优化法有迭代法中的满应力准则法等，其主要特点是直接简单效率高，缺点是只能处理简单的工程问题。线性规划法是指应用数学极值原理，选取适当的设计变量和约束条件，求解目标函数的一种方法。常见的有单纯形法、序列线性规划法。其优点是通过把实际工程问题转化为数学极值问题的求解，使其直接、有效、精度系数高，缺点是工作量大。非线性规划法同样根据数学极值原理求最优问题，可分为无约束直接法、无约束间接法。有约束直接法和有约束间接法。其优点是应用范围广，可应用于大、中、小型工程问题，且都相对简单方便、可靠性高、稳定性强、精度高。

2.2.2 现代优化设计理论方法

现代优化设计方法不同于传统优化方法，其无需通过选取设计变量、约束条件、目标函数等因素，便可获得全局最优解，大大地减少了传统优化设计方法花费的人力与财力，在日今复杂的工程问题中，提出了全新的思路与方法。常见的现代优化设计方法有遗传方法、神经网络法、模拟退火法、粒子群算法等。

3 机械优化设计的现状与前景

机械优化设计是最优化理论、电子计算机技术和机械工程相结合的一门学科，包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状优化设计等。二十世纪五十年代以前，用于解决最优问题的数学方法仅限于古典的微分法与变分法，在处理现实问题时，计算量非常大。直到四十年代前后，大型线性规划技术的提出，数学方法首次被运用到结构最优化，使得计算过程不再复杂，有效的解决了数值最优化计算。近年来，随着数学规划理论与计算机技术的飞速发展及广泛应用，许多新兴优化算法，如遗传算法、神经网络法等相继被提出，机械优化设计广泛地被应用到建筑结构、化工、航天航空等诸多领域并取得飞速发展。机械优化设计具有广阔的发展前景。

机械优化设计给机械工程界带来的巨大经济效益是显而易见的，但其工程效应比起预期远远小得多。归结其原因，主要有以下两点：（1）建模难度大。（2）最优方法的选取难度大。

虽然有以上不足之处，但是机械优化设计的发现前景仍是非常广大的，且各领域也在积极做出相关的研究探索，并已取得一定的成就。

4 结语

机械优化设计即是指从众多设计方案中需找最优方案的过程，一般包括建立数学模型、选择优化方法、分析计算结果选择出最优方案三个过程。根据不同的分类方式，机械优化设计的方法有很多，从传统角度，最常用到的有线性规则法中的序列线性规则法等等，由于现在各技术领域的发展以及工程问题对优化设计的需求，衍生了很多与传统方法原理完全不同的新兴方法，最常见到的有遗传算法、神经网络法等。纵观几十年来机械优化设计的发展历程，其发展是非常迅速且令人可喜的，虽然仍存在建模困难、优化方法选取等等方面的一些挑战，但是其前景仍旧是非常广阔的。研究机械优化设计的理论与方法无论是学术领域还是实际经济效益方面都具有研究意义。

参考文献：

[1]刘惟信.机械最优化设计[M].北京：清华大学出版社，1993.

[2]陈立周.机械优化设计技术的发展现状及其新问题.2000年中国机械科学部份研究的征文，1984.

[3]秦东晨，陈江义，胡滨生等.机械结构优化设计的综述与展望[J].中国科技信息，2005（9）.

[4]高卫华，谢剑英.动态模糊神经网络及其在非线性系统中的应用[J].电气自动化，2000.

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关键词：三维建模；车床刀架转盘；机械加工；设计；优化

随着我国科学技术的不断进步，我国在机械制造行业所取得的成就也越来越多，车床刀架转盘作为普通的车床刀架的核心零件，它具有造价成本高以及图纸设计构成的体系非常复杂，而且对于这种零件的加工精度非常高，需要的工序也很多等特点。加工车床刀架转盘的设备主要是车床，但是使用的大多数还是传统的二维纸质工艺，在生产的加工阶段，操作的工需反复的查阅相关的资料以及车床刀架转盘的图纸，而且对于车床刀架转盘的操作熟练的人员也非常的少，因此做好对加工转盘的工序进行优化设计的工作就很有必要，从而提高企业的经济效益。

1对于车床刀架转盘零件进行三维建模

对于车床刀架转盘的三维立体建模是通过度对各种方法的结合，制作出不同类型的三维物体形状以及真实环境的过程。对于三维数字化工艺的设计是通过以车床刀架转盘的模型为载体，在进行综合的考虑制造资源以及对产品的制造工艺流程的基础上进行定义，用来控制以及实现可视化表达零件的整个制造过程的数字化模型，从车床刀架转盘的特征角度看，所有的产品零件都可以看成是通过一系列的简单特征所以组成。对车床刀架转盘零件的三维建模的过程中，也就是对很多特征进行叠加，或者是相交和切割的过程，三维工艺的建模过程就是对加工特征以及特征之间的关系进行组织的控制过程。通过对车床刀架转盘零件的图纸进行分析，运用相关的转盘三维模型进行具体的绘制工作。通过打开三维模型的软件，新建对话框进入车床刀架转盘建模环境，再插入车床刀架转盘的图纸，进入草图的环境进行相关的绘制工作，在进行回转命令，进行对回转特征的创建工作，再进行相似的方法绘制其他的零件草图，然后进行零件相关的拉伸特征的设置，除了这些之外还要注意对车床刀架转盘零件的细节特征创建。

2对于车床刀架转盘的机械加工工艺规程的设计

2.1对车床刀架转盘加工的要求进行分析

对车床刀架转盘的零件图进行详细的分析，对相关的零件的尺寸精度以及位置精度的要求进行充分的了解，比如零件的表面粗糙度和燕尾导轨面以及对称度等，相关的精度要求非常高，对相关的零件部位的精度要求分析可以看出导轨面是转盘零件最为关键的加工表面。

2.2对车床刀架转盘的零件图的检查

车床刀架转盘的零件图包括主视图和俯视图以及侧视图，通过采用局部剖视或者半剖视的方法，可以对转盘零件结构表达的更加清晰以及对转盘零件的布局更加的合理，注意对转盘的有关尺寸进行标注，注意对相关的形状精度以及位置精度进行详细的标注，而且要保证标注的统一性以及完整性，确保转盘零件符合国家的相关标准规定，通过对转盘零件的各项技术要求的可行性进行确定，保证了转盘零件设计的合理性，从而为转盘零件的组织生产以及机械加工工艺技术做好充分的准备工作。

2.3对转盘零件生产类型的分析

根据相关的公式以及企业的生产条件进行确定车床刀架转盘的年生产量，结合车床刀架转盘质量的分析，以及对加工工作各种零件的生产类型的数量和工艺的特征进行考虑，从而可以确定出车床刀架转盘的生产类型为中批生产。

2.4确定转盘零件机械加工的工艺流程

通过对转盘零件的零件图进行分析可以得出，转盘长度以及宽度等的设计标准，还有转盘高度的设计标准以及燕尾面的粗基准，对各端面根据相关的基准进行加工，再采用一面两孔的定位方式进行加工其他的表面，从而确定出车床刀架转盘的机械加工工艺的设计流程。

2.5确定相关的设计设备

通过对车床刀架转盘的机械加工工艺的方案以及各种方面加工的方法进行分析，结合对车床刀架转盘的最大轮廓尺寸和加工精度的考虑，进行对加工机床的选择，以及对各种刀具和量具以及夹具的选择。

2.6制定零件机械加工工艺的规程

通过对上文的论述结果的分析，进行车床刀架转盘的机械加工工艺各项要求的制定，制定的车床刀架转盘零件的机械加工工艺的规程是企业组织车床刀架转盘进行生产工作的标准，是整个车床刀架转盘机械加工工艺规程优化设计工作的重要环节之一。

3结束语

车床刀架转盘的三维工艺项目能够大大降低企业的成本，从而增加企业的经济效益。企业的精益化生产才符合现阶段时代的发展，才能够紧紧跟随智能化制造的步伐。在对车床刀架转盘的机械加工工艺规程的优化设计过程中，要做好对于零件的分析以及研究工作，通过对车床刀架转盘零件的机械加工工艺进行优化设计，制定好相关的零件机械加工工艺规程，才能缩短零件的生产周期，从而降低制造的成本以及提高了零件的精密度，对提高企业的劳动生产率以及降低劳动的强度都有着重要的作用。

作者:张克盛 单位:甘肃畜牧工程职业技术学院

参考文献：

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关键词：机械设计；优化设计；机械优化设计；优化方法

机械设计的发展历程，其实是社会生产力进步的过程，也是设计者谋求设计最优化的过程。在此过程中，各种机械设计的技术、技能和技艺会随着科学技术、经验、理论的提升而提升，这其实是一种必然的逻辑关系。机械优化设计其实指的就是运营数学模型方法和计算机技术找到最佳设计方案和路径的过程，也是当前机械设计领域的研究热点。在新时期，对机械优化设计的重要性和意义进行探讨，并剖析其实现的路径和办法，极为必要。

1 机械设计中优化设计的重要性

所谓的优化设计，其实不仅仅存在于机械设计领域，而是存在于各种学科和应用中。优化设计的本质就是透过多种科学手段和研究步骤，筛选出多种解决问题的方案和措施，然后“优中选优”，找到最佳的路线和策略。之于机械设计，优化设计的功能性作用是毋庸置疑的，具体可以从如下方面考量。

1.1优化设计可以保证机械设计的工艺与质量

在机械设计的过程中，设计师不仅要考虑设计流程、设计时间和成本、功效等问题，更重要的是必须考虑设计产品的工艺水准和实用价值，也可以理解为设计产品的质量。要知道，机械产品往往用于工业生产及大型的工程项目，其质量的优劣关系重大，绝对不能儿戏视之。简言之，机械设计的质量是第一位，倘若失去了优质的保证，那么这样的机械设计毫无价值。所以，找到更好的设计路径和策略，维持设计的质量和工艺，就成为了整个机械设计的关键。这里，优化设计虽然也不能从设计流程和细节上保证机械设计的质量高低，但是优化设计最起码可以提供多种设计方案和选择，为设计师的路线选择提供了丰富的内容。在现实操作中，设计者往往利用数学函数及相关模型对各种设计方案进行综合评估，做出最佳的选择。诸多设计方案中的最佳方案，往往具备这样几个特点。首先，该方案应该是效率最快的，成本最省的；其次，该方案要具备现实的操作可能，要能实现设计的规划。

总之，机械优化设计的过程其实是筛查最佳设计方案的过程，这个过程中的方案选择是最符合机械设计实际需求的，也是最具质量保证的。

1.2优化设计可以最大限度的节约设计开支和成本

机械设计是一项繁琐、浩大的工程，往往需要很久的时间才能完全，不存在所谓的捷径和“小道”。所以，在维系长时间设计流程的同时，必须做好高额开支和成本支出的准备。事实证明，机械设计的成本开支往往令主管单位“不堪重负”。诚然，随着机械设计技术的进步以及管理流程的简化，新时期的机械设计成本开支以及有所降低，但是仍然有压缩的空间。要清楚的是，运用优化设计的方法对机械设计的成本开支进行削减，完全要基于保障设计质量的前提；倘若成本的控制要以牺牲质量为代价，那么这样的控制手法必须果断舍弃。

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

1.3优化设计可以提高机械产品的科技附加值

机械设计的产品是一种自然属性但是具备商业价值的“商品”，这就必然要与市场发生关联。同时，优化设计方法在机械设计中的应用，能够增加机械产品的科技含量和技术附加值，大大提高产品的市场竞争力，这对机械设计企业而言无疑是一大利好。例如，随着现代科技的发展以及相互之间融合度越来越高，机械设计的产业化正在形成，即机械设计可以作为一个单独的工程链条存在。如果我们把机械设计的产品作为一个普通商品看待，那么这种商品必须是价格最低、质量最好、科技含量最高的，唯有此，该产品才能在市场中取得占有率，企业才能因此获取利益最大化。所以，所有的机械设计企业都在努力的追求“这样的机械产品”，而这样的产品往往需要透过优化设计来实现。

所以，优化设计为机械设计产品的技艺提升、附加值增大提供了全新的路径，也为机械设计单位和企业的发展增添了新的利润增长点。例如，随着信息技术、计算机技术、材料技术、液压技术、加工制造工艺的不断发展和成熟，机械设计的每一个环节都会有一种或多种新技术的注入，最终的机械产品往往“饱含科技”，其技术附加值自然可以达到一个高位。类似这样的高附加值机械产品，在市场中的价格是可以想见的，企业因此带来的收益也是很高的。所以，如果把机械设计中优化设计作为一种生产选择方式来衡量，那么优化设计为产品的开发和流动，为设计单位、企业的利益最大化带来的贡献是很难估量。由此可见，优化设计对于当今的机械设计是多么的重要。

2 机械设计中优化设计的实现路径

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

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

除此之外，机械优化设计还可以通过线性规划方法、多目标及离散变量优化方法来实现。总之，诸多优化方法的存在和操作为机械优化设计提供了多元化的路径，这是我们所乐见的。

参考文献：

[1] 李剑峰. 机械优化设计的研究与实践[J]. 煤矿机械. 2011（01）

[2] 张运节. 机械优化设计综述与展望[J]. 科技信息. 2009（06）

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关键词：人因工程，采煤机械，优化

【分类号】TD421.6

1.引言

随着社会的不断进步，经济全球化不可逆转，相应的采矿技术也在不断向前进步，机械化作业在煤矿企业的各个生产环节都得到了广泛的运用。如今的煤矿企业正朝着自动化、智能化方向迈进。机械化采煤机械的普及，大大提高了煤炭的生产效率。然而，随着社会对煤炭资源需求量的持续增大，各企业必须加大采矿生产的数量，机械设备同时面临着超负荷作业状态。运用人因工程学对采煤设备进行优化设计，必须借助于心理学、生理学等多项科研理论，全面均衡，最后设计出人性化的采煤机械。这不仅可以提升煤矿生产的效率，同时使采煤机械的操作环境更加安全、稳定。

2.现有采煤机械设备存在的问题

2.1 操作者作业强度繁重

在人-机-环境这个生产系统中，人是人因工程学研究的核心目标。随着采煤设备形态的日趋多样化，机械的功率和运行速度也在不断的提高，操作者的工作强度越来越繁重而复杂，仅凭现在的采煤设备已经不能满足采煤作业的需要，对作业条件的改善也变得越来越迫切，这就突出了运用人因工程学对采煤机械进行优化设计的重要性。

2.2采煤机械的使用条件恶劣

在采煤机械超负荷运行时，同时要保证采煤设备的作业安全性，这必定会增加作业工人生理和心理上的负担。在井下曲折且不平的地表上作业，也会加重操作者的工作难度，它一方面易使操作者感到疲劳，降低工作效率以致引起事故；另一方面，可能危害到作业工人的身心健康，导致一些职业病。在各种不同的环境条件下，采运设备如果直接受到寒冷、闷热、矿尘等的侵袭，也会使操作工人遭到恶劣环境因素的伤害。另外，长时间的噪声会损害操作者的听力，严重时还会造成操作工人听力下降甚至损伤，或引发其它职业疾病。

3. 人因工程指导采煤机械优化设计的流程

3.1 选定功能

功能模块是实现人因工程学价值的标志。在设计采煤设备时应考虑人因工程所具有的功能和特点，然后研究采煤设备能否满足生产的作业需要。加大设备功能与操作者之间的配合程度，保证作业者操作机器时在心理上感到良好的舒适度和适应性。

3.2 系统分配

人因工程研究的系统十分复杂，采煤设备的初步设计应当做好系统分配工作。通常情况下，人-机-环境系统分配需要根据3大因素的具体特点，从整体到局部来完善采煤机械整体的运行性能。同时，分配系统功能还要以人为中心，不能太过于依赖设备的机械化。

3.3 设置参数

参数是人机操作系统的硬性指标，参数设置的大小需根据采矿设备的工作情况，以及机械在实际工作流程中发挥的相关功能而定。通常用人因工程学理论进行设计采煤设备时，先要设置 “人机界面”。具体参数有：一是尺寸参数，需要结合人体的特征，使设计的尺寸，能够保证操作者有足够的操作空间；二是设备参数，设置的显示器、控制器等参数，应保证系统操作的合理性。

4. 采煤机械设计的评价方法

人因工程学是研究人、机、环境三者组成的系统之间相互配合的学科。它通过统筹系统诸要素之间的相互关系，来确保整个系统效能的最优化。那么，怎样来评价用人因工程学指导设计的采煤机械是否符合宜人、安全、高效的设计原则呢？我们可以通过下述的方面来评价：

（1）产品的尺寸与人体的尺寸及作业方式是否适应；

（2）产品是否可以防止工人操作时造成意外伤害和危险，以及是否设有保障机制；

（3）机械各操作单元是否简单实用，安装的元件能否快速的被作业者辨识；

（4）产品是否便于清洁、保养及维护。

从这4项设计基本原则可以看出，采煤机械的设计要以正确面向操作者、适应操作者、尊重作业者为基本点。只有在造型尺寸设计方面符合作业者的生理和心理需要，才能真正体现出该设计产品对人的尊重和关心。

当然，对于一名设计师来说，他所设计的产品还要符合人们的审美需要。他对美的理解和感悟应是相当深刻的，我们可以把它简单地分为视觉上、听觉上、触觉上和感觉上四个方面。视觉设计体现在采煤设备的造型和颜色等方面，它是作业者对产品最直观、最简单的了解方法。听觉设计主要是指声音，设计不当的设备可能会产生持续的噪声，它能分散工人的注意力，损害井下人员的听力，严重时还会造成操作工人听力下降甚至损伤，或引发其它职业疾病。触觉设计主要包括机械材料的应用、质地好坏等。最后就是通过上述三个方面综合起来给作业者的整体感觉，它从整体上对采煤机械提出了要求，这不仅包括设备在外观上能令人赏心悦目，更能适应人生理和心理的要求，给作业人员带来归属感。

5.结语

随着采煤设备机械化程度的提高， 井下作业环境也日趋复杂， 对作业者操纵控制设备的能力提出了挑战。 同时，许多采煤设备在研制时没有全面考虑操作人员的人体因素，使设备的功能不能完全发挥出来。因此，有必要用人因工程学的理论来研究采煤机械的设计与优化。从人因工程学角度出发， 对煤矿企业机电设备进行合理的改进设计， 使操作者处于最佳的工作状态， 一方面可以减少煤矿安全事故， 另一方面可以提高生产效率。

参考文献

[1]王建军.人机工程学在人性化煤矿机械设计中的应用研究[J].机械管理开发.2010（02）

[2]赵宏梅，程彬.采煤机操作台面的人机工程学研究[J].煤矿机电.2007（06）

[3]段春平.矿山机械的优化设计[J].中国矿业.1999（S2）

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（河北龙人凯立建筑工程有限公司河北邯郸056000）

【摘要】对变速箱开关的结构进行了优化设计， 提升了变速箱开关的使用寿命， 同时也提升了整车的性能。

关键词 变速箱；开关；优化设计

Transmission mechanical switching performance optimization design ideas analysis

Jia Gui-jun

(Hebei dragon people KaiLi construction engineering co., LTDHandanHebei056000)

【Abstract】The structure of the gearbox switches are optimized to enhance the service life of the gearbox switch, but also enhance the vehicle´s performance.

【Key words】Transmission;Switches;Optimum design

1. 引言

重型汽车变速箱的开关通常为机械式压力开关，该类开关作用原理为在额定的外力作用下通过开关顶杆的直线运动，推动开关触点实现开关的闭合或断开，使汽车电路接通和断开，从而实现信号的输出。在外力解除时开关通过内部弹簧的弹力作用实现自动复位，使开关保持原有的状态。开关的基本结构见图1 。

2. 开关的工作原理

接通右端的两接线柱，左端开关顶杆组件受到外力时，经外力传到橡胶垫圈右的压缩弹簧，同时带动动态接线片向右运动，两触点与静态接线片断开，开关由闭合状态转换为断开状态；当外力消失时，在压缩弹簧回弹力的作用下，动态接线片与顶杆断开，开关由断开状态转换为闭合状态。

3. 开关的失效分析

从市场反馈的信息可知，开关的失效模式可以分为常开、常闭以及信号不稳定等故障形态。根据失效模式可知导致此失效现象发生的原因有触点焊接不可靠造成信号不稳定、垫片的可靠性差造成早期失效出现常开或常闭的情况。针对此失效原因可以做以下优化设计来提高开关的使用寿命。

4. 开关的优化设计

根据上述失效模式的分析，重点通过以下几个方面的优化设计来提高开关的使用寿命。

4.1开关焊接触点开裂导致的失效。 开关的接线柱如果焊接不可靠可直接导致工作失效或者信号不稳定。早期使用的开关一般都是用铜板直接焊接，容易造成焊接不可靠或早期失效。优化设计后将开关接线柱由原厚度0.8mm铜板更改为直径4mm 圆棒，同时接线处由直接焊接改为先铆接后焊接工艺来提高焊接的可靠性。下页图2、图3分别为改进前后的接线柱。

4.2开关封装铆压不紧导致的失效。 开关在所有部件加工完成后要完成整体填胶封装，如果填胶封装不可靠可能会出现开关在使用过程中出现内部松动，从而导致开关行程增大失效。针对此情况对开关的封装结果进行了优化设计从而提高封装的可靠性。将开关头部铆接位置直径减小4mm，然后进行折边铆压。折边铆压后的开关在填胶封装时不仅在胶的黏合力作用下可以保证开关内部不松动，同时折边后可以对凝固后的胶起到限位作用。在双重保护的作用下可以保证封装铆压可靠，优化设计结构见图4。

4.3开关行程超差失效。 开关内部橡胶密封垫的作用是为了防止变速箱内腔的气体泄压，从而保证变速箱气动件的正常工作，同时橡胶密封垫的早期失效形成的凹陷直接导致开关顶杆的行程，开关行程超差会导致开关灵敏度下降从而影响开关的性能。针对此情况对开关的橡胶密封垫的材料进行了优化设计，由普通的橡胶密封垫改为硅胶密封垫，同时将密封垫厚度由2mm 变更为1mm，增加了其可靠性。

5. 结语

经过以上对开关的结构、加工工艺以及部件材料的优化设计提高了开关的可靠性，延长了开关的使用寿命。改进后的开关已经在变速箱进行了匹配。通过市场跟踪分析，优化后的开关故障率下降40％以上，满足了客户的使用要求。

参考文献

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关键词 汽车机械式变速器；传动机构；可靠性优化设计

中图分类号U463 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）122-0195-02

0引言

汽车作为目前我国最重要的交通工具之一，对人们的生活、工作带来了较大的便利。从汽车采用内燃机作为动力装置以来，变速器成为了汽车传动机构最重要的组成部分。变速器不仅能改变汽车的传动比，扩大车轮距和转速的范围，还可以使发动机工作在最有利的工况范围内，对汽车整体的结构稳定以及实用性能有着不可或缺的作用。机械式变速器具有寿命长、稳定性高、成本低等优势，且得到了广泛的应用，但是其也具有体积大、换挡冲击大等劣势，如何改善机械式变速器的结构与使用性能，提高其传动的可靠性，成为了汽车设计人员和技术人员共同关注的热点。

1汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计模型

对于汽车来讲，变速器对汽车的操控性、安全性有着直接的影响，变速器的可靠性设计，不仅要实现换挡传动的作用，还应该确保汽车行驶过程中的稳定安全性。基于汽车机械式变速器，对变换器零件的尺寸、材料以及载荷等进行分析，通过多次试验确定优化设计的结果。

1.1可靠度的分配

为了确保汽车传动结构中机械式变速器变速的可靠性，需要对其可靠度进行分配，往往分配工作需要在技术水平、复杂程度、费用情况以及工作环境等因素的深入考虑下进行。首先需要假设零部件故障是相对独立的，其寿命服从指数分布，其次是把机械式变速器变速传动机构可靠度分配给变速器轴、变速齿轮、花键以及轴承。其中变速器轴可靠度分解为疲劳刚度（Rs刚）和轴疲劳强度（Rs强），变速齿轮可靠度分解为齿轮接触疲劳强度（Rc接）和齿轮弯曲疲劳强度（Rc弯），花键可靠度分解为疲劳强度（Rj强），那么机械式变速器变速传动机构可靠度分配模型为：Rs=Rs刚*Rs强*Rc接*Rc弯*Rj强。

1.2 变速器齿轮系多目标可靠性优化设计数学模型

1）建立目标函数

变速器齿轮系多目标可靠性优化设计数学模型往往是以变速器体积最大和齿轮传动复合度最大化为目标函数，当然此目标函数的确定是变速器满足汽车动力安全性和稳定性基础上进行的。变速器体积越小，越节省制造原材料，产品制造成本相对较低。齿轮传动重合度越大，传动就越平稳，噪音就越小，有利于传动中动载荷量的降低。

2）选取设计变量

汽车机械式变速器齿轮系统设计涉及到多个参数，本文只选取5个参数作为优化设计中的设计变量，即常啮合齿轮齿数、啮合齿轮模数、各档变速比、螺旋角以及齿宽。

3）确定约束条件

在此优化设计中，确定的约束条件有以下几个方面：（1）变速齿轮可靠性约束；（2）变速器各档传动比比值约束；（3）变速器最大传动比约束；（4）边界约束；（5）变速器中心距约束；（6）中间轴轴向力平衡约束。

1.3 变速器轴的可靠性设计

汽车机械式变速器轴主要包括轴肩、轴颈、退刀槽过渡段以及齿轮段，变速器的轴结构比较复杂，在对其可靠性进行优化设计必须满足轴强度的可靠性，尽量节省设计制造材料。为了更大程度提高轴承、花键的工作性能，应该尽量减少轴径。在汽车变速器的轴系统中，往往第二轴的结构最为复杂，工况最为恶劣。

1）动力输出轴刚度可靠性设计

变速器动力输出轴刚度可靠性设计通过由轴扭转角、挠度以及轴截面偏转角组成，轴刚度可靠度分配是：Rc刚=Rc扭*Rc挠*Rc偏。同时可以假设三者都是服从正态分布的随机变量。

2）动力输出轴静强度可靠性设计

变速器轴的结构相对比较复杂，可以将简化阶梯轴，逐渐被等截面轴所取代。由于轴在危险截面强度分布和应力分布往往呈现正态分布，那么动力输出轴静强度可靠性设计应该首先画出轴的结构示意简图，然后对轴的各部位进行受力分析，即各齿轮受力分析，得出相应的受力和力矩，绘制弯矩、转矩图，确定轴在危险截面的强度分布情况，按照规定的可靠度计算出轴径。

3 基于MATLAB多目标可靠性优化设计

3.1 MATLAB工具箱

MATLAB可以对线性、非线性、半无限等问题进行准确有效的求解，具有强大的优化工具箱。对汽车机械式变速器变速传动机构可靠性进行优化设计时，先对单目标进行优化计算，得到体积与重合度最优值，再进行联合优化计算，其结果表明斜齿轮多目标优化设计是最科学、最高效的设计方法。

3.2 齿轮参数圆整

斜齿轮齿数必须为整数，使得选取的齿轮法向模数必须符合国际标准值，同时一对啮合的齿轮的齿数不能含有公因数，并且大齿轮齿数不能是小齿轮的整数倍，因此需要进行齿轮参数圆整的优化处理。为了避免齿轮参数圆整引起的一些问题，即齿轮弯曲强度不足、接触强度不够等，可以通过齿轮变位进行处理。

3.3 程序调试的优化

对程序进行调试的过程为：通常对约束条件、变量以及目标函数不做改变，只改变初始值，然后对比分析不同初始值下优化结果是否相同。另外，不改变变量和目标函数，去掉某个约束条件，对比该约束条件存在与否的优化结果，明确优化分析对约束条件的敏感程度。通过对程序调试的优化，可以发现对优化结果的影响最大的是一档齿轮小齿轮的弯曲疲劳强度。

4 结论

变速器作为汽车最关键的零件之一，对汽车整体结构的稳定性以及使用安全性能有着决定性的作用，必须对机械式变速器变速传动机构的可靠性进行研究，构建相关的优化数学模型，利用MATLAB优化工具对结果进行优化，从而提高汽车机械式变速器可靠性设计应用水平，促进我国汽车市场更好更快的发展。

参考文献

[1]蒋春明，阮米庆. 汽车机械式变速器多目标可靠性优化设计[J].汽车工程，2007，12：1090-1093.

[2]鲍俊峰.高速插秧机机械式变速器的设计及优化[D].浙江理工大学，2013.

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关健词：科技创新训练；智能小车；Proe建模；教学效果

一、科技创新训练选修课目前教学方法存在的问题

1.传统的教学方法影响课堂教学效果

科技创新训练智能小车的设计与制作，是机电综合的一个训练项目。小车机械主体结构有车体、前轮转向机构（四杆机构）、后轮驱动机构、齿轮机构（差速器）等机构和传动系统，以及轴承、轴、弹簧、卡簧、车轮等标准件和通用零部件。在项目设计与制作中要研究相应机构和机械零件的工作原理、结构特点、基本设计原理和计算方法。课前学生往往对机械设计、机械设备、机械加工等相关知识知之甚少，甚至不知，尤其是对四杆机构和差速器部分既没有理性认识也没有感性认识。

以前的教学方法是采用成品小车模型和PPT讲解，PPT也只是cad二维图和图片展示，缺乏直观性。教师无法在课堂上进行演示，也不能随意进行反转、拆卸、让学生观察内部结构及装配关系，更不能充分展示动态变化过程。这样，给上课带来诸多不便，直接影响教学效果。

2.学生的学习兴趣不高

科技创新智能小车设计与制作机械知识内容较多，而大二的学生刚接触机械专业知识，有的经过了金工实习训练，有的还没有经过这一过程，因此，对于这些学生既缺少理论知识又缺乏实践经验，对实际制作中的一些零件及机构都很陌生，训练中学生对部分较难的内容不能很好理解，难以掌握。对于大一的学生来说，就更是难上加难了，学生们对这些机构、零件有些连听说都没有听说过。因而有的学生学习积极性受到挫伤，感觉到很难完成，有的甚至放弃。

二、proe辅助教学的重要性

为了克服以往教学中的不足，提高教学效果，教学部组织教师多次在学生中进行了调查，结果显示学生对一些机械工艺基础知识只是简单的记忆，没有真正理解，比如平面四杆机构，由于学生空间想象能力不足和缺乏工程实践经验，面对二维的图纸学生无法想象出各种机构的运行方式，似懂非懂，遇到具体问题不会分析，还有的同学甚至不明白齿轮是如何传动的。为此，我们结合学校教学改革立项，从教学方法、教学手段方面进行了探索，提出了应用proe软件进行机构仿真辅助教学。我们将智能小车的机构、零件用proe软件做成模型并进行仿真。

这种教学方法具有很大的优点。首先，教师在proe环境中可以随意装拆、放大，有利于加深学生对小车整体空间结构及组成的理解，同时可根据实际情况随意旋转、改变对模型的观察方向，其真实感完全与成品中的零件一样，最为重要的是proe软件能进行机构仿真，可以把各种复杂的机构通过形象、生动、逼真的动画演示，以三维的形式直接展示给学生，克服了采用PPT教学中平面图形的不足，从而使学生建立起良好的感性认识。

其次，proe设计过程可以实现真正的相关比，任何修改都会自动反映到所有的相关对象；比如在讲四连杆机构时，利用模型仿真不仅可以验证所设计的机构是否满足要求，同时还可以改变相应的参数改变不同长度的连杆进行装配，来观察克服摇杆死点问题，让学生参与设计并对设计结果进行现场演示加以验证，改变了以往单纯的教学方式，在课堂上真正实现教学的互动，既激发了学生的学习兴趣又加深了印象。基于proe软件的辅助教学，通过模拟、仿真、动画技术的应用，不仅可以使一些在普通条件下无法实现或无法观察的过程生动地显示出来，还能增强学生对抽象事物的理解，拓宽学生的知识面，同时也使教学过程更为生动，课堂气氛活跃，从而提高学生的学习兴趣。

三、教学实践经验与启示

针对proe软件的辅助教学方法，我们在2010-2011第二学期科技创新训练选修课教学实践中进行了尝试和验证，并得到了一些经验和启示:

1.教学方法与手段改革是提高教学质量的关键，通过现代化技术手段的应用，可以提高课堂的信息量和教学效率，应用Proe软件进行机构虚拟装配和运动仿真演示，提高了教学的直观性，有利于在教学中采用启发式教学发挥学生在教学中的主体作用，智能小车成品完成率较高。

2.学生对机械设计与机械加工的过程有了更完整更全面的了解，同时把学到的知识与生产实际结合起来，大大激发了学生的求知欲，从成品完成质量上看，达到了预期的教学目的和教学效果。

3.基于Proe软件辅助教学方法有别与以往的教学方法，在科技创新训练课堂教学中加人了虚拟的机构动画，对于一般从没接触过工程实践的学生来说，可大大增强对各种常用机构和机械零件的感性认识，对于学生快速掌握各种常用机构和通用零件的工作原理、结构特点具有非常重要的促进作用。

四、结论

通过分析科技创新训练课程传统教学方法的不足，并结合科技创新训练课程的特点，在教学中应用Proe软件进行机构仿真辅助教学，教学实践证明，该教学方法、教学手段改革的举措，可以激发学生的观察力和想象力，提高学生学习的趣味性；减轻了教师教学工作强度，提高了教学效率，保证了教学质量，达到了教学预期的效果。

【参考文献】

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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.