机械优化设计论文

想必大家在写论文的时候都会遇到烦恼，小编特意整理了一些《机械优化设计论文(精选3篇)》的相关内容，希望能给你带来帮助!摘要：本文在分析机械原理与机械设计课程内容及教学方法相关问题的基础上，阐述了从整机和系统的角度将机械原理和机械设计课程的教学内容进行优化整合，并将先进的教育教学理念和教学方法引入各教学环节的措施和效果。

第一篇：机械优化设计论文

机械齿轮材料选择及设计优化

摘要：正常工作状态下，齿轮的传动等功能在机械工作中起着十分关键的作用。但由于机械生产中的工作强度大及其他相关因素，机械齿轮失效问题出现频繁，严重时会导致机械设备瘫痪，降低机械生产的效率，甚至会导致安全事故，必须加以改进。因此，加大对机械齿轮的研究，对现有的机械齿轮材料进行相关选择和比较，并对设计存在的不足进行优化，期望对于我国机械齿轮寿命的增加具有一定幫助作用。

关键词：机械齿轮;材料选择;设计优化

0 引言

齿轮是指轮缘上有齿轮连续啮合传递运动和动力的机械元件，在机械用具中起着关键的作用。齿轮在正常工作状态下，可实现传动等功能，齿轮传动装置是目前应用最广泛且稳定性非常好的机构和传动装置，同时齿轮也是许多机械产品的核心部件。但由于机械生产工作强度大等其他相关因素，机械齿轮经常会出现失效问题，进而导致机械出现瘫痪等问题，降低了矿业企业的生产效率，导致安全事故的发生，必须加以改进。所以了解齿轮的失效形式，分析齿轮的失效原因，针对机械齿轮开裂的控制方法进行研究，并提出具体控制方式，对提高齿轮的抗疲劳强度、机械的寿命和增加企业的生产效益有重要意义。

1 机械齿轮的材料选择及加工工艺

1.1 机械齿轮的选材

世界其他各国主要采用铬镍和铬镍钼的碳钢，其和我国机械齿轮所常用的锰铬钢系相比，强度和韧性方面均存在较大程度的优势。我国小功率机械一般采用18铬锰钛、20铬锰钛及20锰VB等，近年来多使用18铬2镍4钨和20铬2镍等钢种，主要原因在于其不仅韧性和淬透性相对较高，在经过淬火后表明仍具有耐磨和硬度较高等优点，在低温状态下冲击韧性相对较好，正火后切削性相对较好，除此之外，18铬2镍4钨和20铬2镍4钢齿轮要比8铬锰钛、20铬锰钛和20锰的使用寿命更长。

以上两种钢系齿轮都具有铬、镍、锰等元素，其中铬元素可以让钢的淬透性提高，镍能够降低钢表面碳浓度过高的概率和平衡浓度发生剧烈变化，对于碳钢的强度和韧性也有较大的提高作用，而锰元素相对铬元素不仅能够提高碳钢的强度和韧性，对于碳钢的热加工能力也有较大程度的提升作用。

钼元素主要作用是溶解奥氏体形成碳化合物，从而达到固溶强化和沉淀强化的目标，并使碳钢在仍具有较高韧性特点的同时，强度也能得到进一步提高，其中具体材料的化学成分如表1。

1.2 机械齿轮的技术要求

机械用齿轮要满足的技术要求主要有两部分，一部分是脉动循环应力、弯曲应力及表面摩擦应力的一般工况条件，另一部分是包括短期超载及不规则的冲击荷载在内的特殊工况条件。因此，要求齿轮具有较高的强度和良好的过载能力及冲击韧性。其次，工作空间的限制，要求齿轮尺寸不能随机械用具功率的提高而增加过大，否则，会导致齿轮的表面接触疲劳应力及弯曲应力增大，所以，除此之外，齿轮还必须保证材料的接触疲劳及弯曲疲劳性能。

1.3 机械齿轮的选材

1.3.1 镍铬和镍铬钼两种钢系切削性、锻造性比较

不同材料的切削性主要和碳钢的硬度有关，镍铬钼碳钢在经过正火后，其硬度会小幅度降低，切削性能则会进一步提高，镍铬钢系则为铁素体、贝氏体、马氏体和奥氏体的混合组织，硬度要高于镍铬钼碳钢，但切削性能却相对较差，且随着碳钢合金元素不断增加的同时碳钢的锻造性能也在不断提高，这也是镍铬钼性能要高于镍铬碳钢性能的主要原因。

1.3.2 镍铬和镍铬钼两种钢系抗过载能力、耐磨性比较

由于渗碳钢的抗过载能力取决于钢心部的强度和韧性，后经大量试验发现，冲击断裂应力和临界过载载荷与材料的断裂韧性有关且钼、镍等元素可以提高渗碳钢的抗过载能力适当减少材料中锰、铬的含量可以减轻内氧化作用，进而减少表面淬火冷奥氏体分解产物的形成，提高齿轮表面的疲劳抗力，改善材料的表面淬透性，将硬度梯度分布合理化。因此，镍-铬-钼钢系的抗过载能力要优于镍-铬钢系。

由于两种钢系的渗碳组织均为混合马氏体，组织中的残余奥氏体会产生塑性变形，改善齿轮的接触状况，保证齿轮的精度，但会降低齿轮的耐磨性和疲劳强度。一般情况下，残余奥氏体含量10-20%为宜，镍-铬-钼钢系的渗碳层残余奥氏体含量较镍-铬钢系理想，因此镍-铬钢系较镍-铬-钼钢系渗碳性能差，硬度低，进而耐磨性低。

2 机械齿轮设计优化

2.1 设计优化

由于机械作业多属重负荷、中低速传动，大多启动频繁，并经常承受冲击负荷，因此必须对现有的机械设备进行工业性试验。考虑到轴承和齿轮承受的压力和负荷较大。矿业生产中一般工作速度较低，传动功率较大且环境粉尘含量高。设计时必须保证有足够的设计强度。

在机械齿轮正常工作情况下，齿间啮合时产生的接触应力往往较普通齿轮要大得多，而齿轮的硬度没有满足要求，在工作状态下出现裂纹。

考虑到上述情况，需要根据机械设备的工作条件，选择满足齿轮工作要求强度的材料，并进行热处理工艺优化和表面强化处理工艺优化，保证齿轮具有足够的强度和硬度。然后，根据机械齿轮的环境，对齿轮的形状尺寸，进行合理的设计。由于机械齿轮多为低速重载齿轮，接触应力高，接触面的局部弹性不能忽略，还需要根据相关规律与理论计算，计算其润滑参数。

机械齿轮的安装也是影响山机械设备能否正常工作及寿命的重要原因之一。因此为了保证安装质量，需要对齿轮轴中心线的平度、啮合间隙、中心矩、平行度、轴承安装及接触面积等，进行设计优化。

2.2 加工工艺优化

虽然，机械齿轮承载能力的强弱并不完全取决于齿轮硬度，但提高齿轮硬度仍是影响齿轮承载能力的主要因素之一。而提高齿轮硬度的有效热处理工艺手段是深层渗碳淬火。由于镍元素相对含量越多，奥氏体形成就越大，共析成分的碳含量就越低，渗碳时表面就越易形成碳化物，进而导致表层奥氏体中的含碳量低于次表层奥氏体。因此，为了减少碳化物、马氏体、残余奥氏体的级别差，硬度偏低等现象。镍-铬钢系不宜直接淬火，如果渗碳后空冷，表层还会产生屈氏体，次表层会产生马氏体。

但对于镍铬钼钢系，由于含有钼元素且镍-铬-钼钢系镍元素含量少，上述不良现象的影响较镍-铬钢系小。因此，只需将渗碳表层的碳浓度和整个渗碳层的碳浓度梯度控制在适当范围内，在适当的淬火温度和淬火介质下，直接渗碳淬火即可。另外，镍-铬-钼钢系较镍-铬钢系热处理后的变形小热处理后力学性能好，进而提高了齿轮的精度、强度，降低了工作时的噪声和振动，进而提高了齿轮的使用寿命且镍-铬-钼钢系的淬透性要优于镍-铬钢系。

所以对于以铬钢等硬齿面钢种的镍-铬-钼钢系，应选择正确的热处理工艺，在930℃下渗碳，820℃淬火且60℃机油冷却，180℃低温回温，热处理工艺简单。较镍-铬钢系，生产周期短，成本低。渗层深度一般为0.1～0.15m，属中等渗层，主要用于表面硬化，表层组织为马氏体、碳化物和残留奥氏体，表层应力状态为高残余压应力。经淬火后，表面硬度可达58～65HR碳，心部硬度一般可达30HR碳，具有良好的耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、抗粘着咬合能力及较高冲击韧性，热处理变形倾向性大，但不易开裂。

由于在日常生产中，机械经常需要承受过大的压力，齿轮表面的强化处理还会涉及到齿轮芯部，且目前应用最多的就是通过增强其芯部的强度来避免齿轮失效，但合理所讨论的是如何对机械齿轮的开裂进行有效的控制，所以可以采用小球撞击齿轮，以提高其强度。

承受载荷较大机械齿轮表面常处于最大应力状态，且环境粉尘含量高，大多数的失效和破坏是从齿轮的表侧和表面开始，由于材料整体强度不足产生断裂或变形的齿轮所占比例相对较小。因此为了提高材料表面耐磨性、耐蚀性、强度及抗疲劳性能，延长齿轮使用寿命，保证机械齿轮的合理配置性能和系统稳定性，必须对齿轮进行表面强化工艺处理。表面强化可以改善齿轮的表面性能，提高疲劳强度和耐磨性能，还能提高耐腐蚀性能。如在齿轮表层引入一定的残余压应力，增加表面硬度，改善表层组织结构等，就能显著地提高齿轮的疲劳强度和耐磨性。

另外对齿轮进行润滑优化可以降低齿轮表面的磨损力，应该加以注意，加工时应避免齿轮受外力因素而出现开裂。通过对研究机械齿轮的开裂及控制，可以发现，由于机械生产的大负荷、强噪音及粉尘污染等问题，齿轮的表面强度、韧性、硬度、耐磨性是进行有效控制所必须考虑的问题。通过针对这些因素进行优化设计，可以提高机械用具的稳定性，保证生产的安全性，提高生产效率。

3 总结

本文对机械低速重载齿轮的开裂失效问题，对机械低速重载齿轮的选材和设计进行相关方面的优化得出以下结论：

①开裂剥落最初是沿轮齿裂纹，向两侧扩展，已开裂区域在啮合过程中受到挤压和磨损，在多次循环中，裂纹快速扩展，最终齿轮开裂剥落。

②开裂面在开裂过程中，两个开裂面之间由于相互挤压已经形成塑性变形，由于开裂面已经经过了较长时间的挤压、磨损，故在开裂过程中，开裂的晶粒面已经磨平，说明在开裂过程中，开裂面已经经过了较长时间的挤压、磨损。

③经切削性、锻造性、耐磨性、淬透性及抗过载能力的比较，应选择各方面性能较好的以铬钢等硬齿面钢种的镍-铬-钼钢系。

④以铬钢等硬齿面钢种的镍-铬-钼钢系的热处理工艺应为930℃下渗碳，820℃淬火且60℃机油冷却，180℃低温回温，热处理工艺简单较镍-铬钢系，生产周期短，成本低。且在渗碳或磨齿后应进行表面强化处理。

⑤在齿轮安装时应考虑，齿轮轴中心线的平度、啮合间隙、中心矩、平行度、轴承安装及接触面积等问题。

参考文献：

[1]李郁民.控制煤矿机械齿轮的有效控制方式研究[J].矿业装备，2018(2)：46-47.

[2]徐涛元.齿轮开裂失效分析[J].理化检验-物理分册，2009(45)：315-317.

[3]李存杰.一种大型齿轮组织缺陷及其开裂失效分析[D].大连：大连海事大学，2010.

[4]吴振鹏.斜齿轮裂纹扩展分析与故障诊断试验研究[D].吉林：吉林大学，2015.

[5]吴连生.失效分析技术[M].重庆：四川科学技术出版社，1985：277-281.

[6]安运铮.热处理工艺学[M].北京：机械工业出版社，1982：246-249.

[7]鄧文英，郭晓鹏，刑忠文.金属工艺学[M].高等教育出版社，2016：126-130.

[8]马开廉.采煤机械齿轮的选材与其性能影响的诸因素[J].煤矿机电，1985(05)：26-30.

[9]褚中庭.采煤机械齿轮的优化选材及断裂韧度测试[J].煤矿机械与电气，1982(04)：2-7.

[10]赵立猛.煤矿机械传动齿轮失效的改进途径[J].电子制作，2013(12)：188.

作者：付梦

第二篇：机械原理与机械设计课程体系的优化整合

摘 要：本文在分析机械原理与机械设计课程内容及教学方法相关问题的基础上，阐述了从整机和系统的角度将机械原理和机械设计课程的教学内容进行优化整合，并将先进的教育教学理念和教学方法引入各教学环节的措施和效果。

关键词：机械原理;机械设计;课程内容;优化整合

机械原理与机械设计课程开设历史悠久，近一个世纪以来，两门课程始终作为全国各工科院校机械类专业主干技术基础课程。

我们长期从事“机械原理”和“机械设计”课程的教学实践与教学研究，多次参与两门课程的教学内容、课程体系、实践环节等方面的教学改革。近年来，随着机械学科的飞速发展、我国高等学校机械类专业人才培养实施宽口径化、21世纪人才综合能力培养的需求，再次审视两门课程的教学体系、课程内容和教学方法，认为依旧存在问题需要探究与改革。

一、存在的问题

1　内容有交叉与重复现象

由于受计划经济体制的束缚和“基本要求”等规范的约束，数十年来机械原理和机械设计两门课程的教学内容基本变化不大，课程内容自成体系，相互之间缺少衔接，存在内容交叉和重复的问题。如齿轮传动设计，历来是机械原理和机械设计课程的重点内容，由两门课程分别讲授，不但部分内容重复，且从设计的思维过程来看，有些内容本来是紧密联系的，却被两门课程所分割。

2　缺少系统性

两门课程缺少对机械系统的介绍，学生学完了两门课程，仍对机械没有整体的认识，对机械的设计过程缺少了解，两门课程的总体效能未能充分显现。致使在后续的专业学习和实际工作中，不能正确地选用或设计机构和机器，

3　实践环节不足

两门课程的实践环节难以适应对学生工程意识和实践能力培养的需求，缺少学生主动实践的环境。如实验项目少，实验类型多以演示型、验证型为主，缺少综合性、设计性的实验内容;两门课程的课外作业形式单一，缺少启迪学生举一反三和创新思维的内容;两课程的课程设计在选题上各自为政，且选题单一、与工程实际脱节、缺乏系统性、缺少设计成分等。

4　教学方法陈旧

两门课程的教学方法距离综合能力的培养还相差甚远。多数学校依旧强调知识的完整性和系统性，教学方法仍很陈旧，重教法、轻学法，重讲授、轻自学，重结果、轻过程，重理论、轻实践。这种教育理念与教学方法，实际上是重视了授学生以鱼，而忽视了授之以渔。

二、理论教学体系的整合与优化

机械产品的设计一般要经过产品的规划、方案设计、技术设计、施工设计等环节，通过机械原理和机械设计课程的学习，学生不仅应掌握一般机械产品设计所需的基本理论知识，还应对机械系统有一个整体的认识，并应了解机械产品设计的基本过程。为此笔者尝试突破“机械原理”和“机械设计”两课程的界线，将教学内容和教学环节进行了重组、融合及整体优化，合并为“机械设计”课程。

1　课程目标

通过本课程理论教学、实验及课程设计等环节，实现总体教学目标：培养学生的工程意识和创新精神;使学生对机械产品具有整体的概念和正确的设计思想;掌握机械系统设计的基础知识，初步具备一般机械方案设计和分析的能力;掌握常用机构及其传动的运动学设计和工作能力设计的基本知识，掌握通用零部件设计计算和选用的基本知识，初步具备一般通用机械的设计能力;培养学生查阅和运用机械设计相关标准、手册及网络信息等技术资料的能力。

2　理论教学体系

在有限的学时内，合理取舍课堂教学内容，是关系到能否真正实现课程目标的关键，经过多年的仔细斟酌、反复探究，提出精、宽、新的授课原则：精——精选重点和难点的内容进行详解与指点，避免烦琐公式的推导和易于自学的内容占用过多的学时;宽——拓宽学生的知识面，注重工程应用，启发学生举一反三;新——注重机械学科发展、将机械学科的科研成果融入教学，让学生了解机械学科的新技术、新方法。理论教学体系构建的基本思路有以下几点。

(1)以机械系统分析和综合设计能力的培养为主线，突出工程意识和创新精神的培养，并将这一思想贯穿课程始终。如将常用机构及其传动的设计均按照工作原理——运动设计——承载能力设计——结构设计的原则组织教学内容，以求培养学生对常用机构及其传动设计的整体概念。

(2)从整体设计思想出发，精简烦琐的公式推导及过时的工程方法，实现相关内容的融合贯通和整体优化。将机械设计的共性问题如机构的组成、运动学、动力学、零件的强度、机械的结构和摩擦学等基本理论进行整合，而在讲授具体机构及零部件设计计算时，针对具体机械的工况与技术要求，应用基本理论知识解决实际问题。

(3)实现机械原理与机械设计课程教学内容的有机融合。如将两门课程的齿轮传动内容进行整合，形成了从齿轮啮合的基本原理、基本参数、运动设计、强度设计、结构设计及润滑设计等的体系。再如将质量平衡与功率平衡组成机械系统的动力学设计;轮系和减速器等融合为传动系统设计的主要内容。整合后的课程体系由“设计基本理论”、“常用机构及其传动设计”、“通用零部件设计”和“机械系统设计”四部分构成。

三、实践教学体系的构建

实践教学体系由实验教学、机械实例分析与设计(大作业)、典型机械设计(课程设计)三部分组成，三个模块均以加强自学能力、研究能力、动手能力及工程意识与创新精神为培养目标。

1　实验教学

在实验教学中将计算机技术和网络技术与现代实验技术相结合，加强实验内容的综合性与设计性，如增开了典型机器与机构分析、机构系统创意组合、机械系统创意组合等综合性实验，对启迪学生的创新意识和培养学生的设计能力起到非常积极的作用。

2　机械实例分析与设计

本课程传统的课外作业内容虽然对一些基本概念、定义的理解起到一定的作用，但是由于各章相对独立、就题论题、解题方法千人一面等问题，让学生感到枯燥无味，抄袭现象严重。为了解决此问题，将“书本习题”大大减少，增加数个综合性、实践性很强的机械实例分析大作业。如“典型机构的综合与分析”大作业让学生走出课堂、走进实际生活、步入工程现场，观察、分析和比较现实生活中或工程实际中构思巧妙、设计新颖的机器或机构;再如“机构创意设计”大作业让学生根据生活中或生产现场的需求，自拟选题，进行机械运动方案的设计，对于优秀作品可以依托机械创新大赛，将创意构思完善、制作成实物，使学生完成对简单机械的概念设计、原理方案设计、运动设计、强度设计和施工设计的全过程。

通过对机械实例分析与创意设计，学生不仅对机械、机构有了更清楚的认识，对机械的运动规律的各种特征及其作用效果有了更深入的了解，把课堂上所学理论知识用于对实际机器或机构的分析与设计，得到了全面的

锻炼。

3　课程设计

课程设计是很重要的一个教学环节，课程设计的性质决定了它在对学生进行素质教育，培养学生工程意识和设计能力等方面具有独特的优势。原来的机械原理和机械设计的课程设计是分开的，相互之间没有联系，机械原理的课程设计是以机构的分析为主，机械设计是以零件的强度分析和绘制图纸为主，教师不仅限定了设计题目和方案，还给学生提供了非常齐全的参考资料，学生的创新意识得不到发挥。

将两门课程的课程设计进行了优化整合，从题目的选择到实施过程，更加符合现代机械的设计思路，即把过去仅进行机构和零部件的尺度综合、运动分析和动力分析，改变为进行机械系统的综合设计。通过一个有生产背景的实际课题(如粉料压片机、锯棒机、便携式举重器等题目)，要求学生在4周的时间内，从系统的角度首先进行执行系统方案设计、动力机选择和传动系统设计、然后采用优化方法对系统进行运动学设计，在此基础上再进行关键零部件的工作能力设计和结构设计。在结构设计方面，初步建立了由三维设计到二维设计的新模式。

通过课程设计内容的扩充和具有生产背景的实际课题的综合设计，不仅有助于学生建立对机械系统的完整认识，更为重要的是，通过对学生综合能力的培养，使学生的创新潜能得到了发挥，提高了设计的能力、计算机运用能力、形象思维的能力。

四、教学方法与手段的改革

近年来，随着两门课程体系的改革和深化，课程内容不断更新和增加，但教学学时相对减少，学时与内容成了突出矛盾。如何激发学生兴趣、启迪学生的潜能，提高学习的自主性和能动性，使学生在较短的时间内掌握机械设计的基本理论与方法;如何培养学生的工程意识、创新精神和设计能力，是教学方法和教学手段研究的重要课题。

1　从培养兴趣入手

得“完美无缺”，要给学生的自学留有余地和空间。四是改变就题论题、解题方法千人一面，解题过程枯燥无味的课外习题方式，开发能够激发学生的创新意识，充分发挥个人智慧的课外作业和实践训练，使学生在思考和探究中举一反三。

如由教师或学生提出讨论题目，通过小组讨论和研讨，调动学生的主观能动性，让学生成为学习主体，让学生有机会发表自己的学习体会和研究成果，使台上、台下教与学融为一体，课堂气氛十分活跃。再如，向学生推荐研究题目或启发学生自拟选题，通过各种渠道进行调研，完成与课程相关的小论文，并将其成绩大比例记入课程总成绩。通过这些开放式教学举措，将课堂延伸到图书馆、网络、和工程现场，不仅加强了对学生工程意识的培养，开发了学生潜在的创新意识，同时使许多过去认为走错了门的学生对机械产生了浓厚的兴趣。

3　倡导主动实践

兴趣是成才的起点，是成就事业的沃土。学习兴趣能激励学生充分发挥学习潜能，提高学习效率和质量。杨振宁先生谈大学教育和人才问题时讲到：“上课其实是一种表演，成功不成功最重要的一个标准，就是看教师能使多少学生对这个科目发生兴趣”。著名数学家华罗庚也曾说过：“有了兴趣就会乐此不疲，好之不倦，因而也就会挤时间来学习了”。我们在进行教学体系与教学内容的研究与改革时，也始终在思考与努力实践如何激发学生学习兴趣的问题。

启发式教学是激发学生兴趣的关键，这虽已是老生常谈的话题，但依旧是阻碍教学质量提高的关键问题。启发式和互动式教学是需要设计的，包括教学内容、讲授方式、教案、课件等等都需要设计。教学内容的设计，包括如何以问题开头，如何联系实际(包括恰当地将生活中的物理现象与课程内容结合);讲授方式的设计，包括如何互动，如何使学生能够主动思考问题;多媒体教案或课件的设计，从内容、版面、色彩、字体等，都需要围绕如何激发学生兴趣而精心设计。总之要当个好“演员”，要引起“观众”的兴趣，就一定要设计好“剧本”。

2　开放式教学

开放式的教学方法，一是要打破传统的“一本书”，大力提倡课外阅读，让学生了解教科书之外相关领域的知识，更要让学生了解新理论、新方法和新技术。二是打破“一言堂”，给学生适当的“自由”，鼓励学生向老师提出问题，帮助学生树立“不唯书、不唯师、只唯实”的实事求是精神;三是教师不要把所有的知识点讲

被动实践是指实践的对象、方法、程序等关键要素都是由老师制定的，学生在老师规定的框架中，沿着老师制定的路线去完成实践任务。在基本规定的路径中，无需发挥个性和想象力，即可完成任务，主动实践的关键在于调动和激发学生对实践的兴趣和渴求，让学生尽可能真正作为主体参与实践活动的各个环节，包括对象的确定、方法的制定、程序(路线)的设计以及问题质疑、分析总结等。在主动实践的过程中，学生的质疑力、观察力、协同力等素质都能得到培养。

在机械设计课程的实践环节中，特别注重培养学生主动实践的能力。无论是课外“机械实例分析与设计”、还是实验和课程设计环节，均无限定题目，给学生充分发挥想象力和主动实践的空间与环境。使学生主动地留心观察身边的“动态物体”，寻找课堂上讲授的机构和机械的原型，通过观察、分析、想象，将其与课堂上、书本中的知识点联系到一起。利用北京得天独厚的条件，组织学生参观与机械相关的国际博览会，如食品加工、医疗器械、包装机械等国际博览会，使学生大开眼界，不仅提高了学生对机械的感性认识，了解机械设计领域的现状和发展趋势，更重要的是使学生产生了强烈的求知欲望，和学有“用武之地”的感觉。

上述研究内容经过多年的实践，在培养学生机械系统的整机观念和设计能力、激发学生对学习机械的兴趣、培养工程意识和创新精神等方面取得较好的效果，获得北京市教学成果奖。

[责任编辑：文和平]

作者：于晓红　王小群　邱丽芳

第三篇：优化设计在机械设计中的应用浅析

摘 要：机械优化设计是一门综合性的学科，是以近代应用数学、应用化学、物理学、材料学、应用力学与计算机程序设计为基础，是能够有效处理复杂设计问题的一种工具。 可以从大量的设计方案间寻找出最佳的设计方案，进而在很大程度上增强了设计的质量与效率。现代工程装备的复杂性导致机械优化设计更加困难，运用全新的科学理论研究新的优化设计方法是此研究领域中一个非常重要的方面。

关键词：优化设计;机械设计;效率;最佳方案

我国在工程运用中都取得了非常大的进步与很好的成效， 然而和国外的先进优化技术相比还是有非常大的差异， 在现实工程中能够起到作用的优化设计方案或者是设计结果所占据的比例并不是非常的大。计算机等辅助装备性能的不断增强、加之市场与科技的双重推进，使优化技术能够在机械设计与制造中的运用得到了迅猛的发展，遗传算法、粒子群法以及神经网络等其它一些智能的优化方法在优化设计中也得到了非常广泛的引用。现代机械正向着大型化、复杂化的方向发展， 传统优化设计方法在实际工程的运用中逐渐显表现的有些单调与乏力，已经不能满足产品不断创新的需求，机械优化设计急需创新和发展。

1 机械优化设计中的相关定义

优化设计能够展示出人们对于设计规律这个客观世界认知的深化。设计上的优化值具体是指在特定条件的影响下能够取得的最佳设计值。最优值是一个比较相对的概念，其和數学上的极值相比还是有很多不同的。

2 机械优化设计研究内容

机械优化设计是一种比较科学、现代化的设计方式， 而且是“最优”的。此处的“最优”也是相对而言的， 伴随科技的不断发展以及设计条件不断变化， 最优的标准也随之改变。优化设计体现了人们对于客观世界认知的深化，需要人们按照事物发展的客观规律， 在特定的物质基础与技术情况下完全发挥人的主观能动性， 获得最好的设计方案。

2.1 优化设计与传统设计的区别

优化设计的最终目的就是最优设计，运用数学手段创建能够达到设计目的的优化模型;在大量能够实施的设计方案里面选择出最好的设计方案;其所运用的手段就是计算机，计算机具有非常快的运算速度，可以从数量较多的方案中挑选出“最优方案”。即使在建模的时候需要进行合适的适简化，或许会导致所得到的结果不是完全可行或者是实际最优的，然而它是以客观规律与数据为基础的，不需要太多费用，所以其具备了经验类比或者是试验手段所没有的特征。

传统设计同样也追寻着最优的结果，经常是以调查分析为基石，根据设计需要与实践经验，参照相似的工程设计，经过估算、经验对比、试验以及构思、评价、再构思、再评价的寻优步骤来选择设计方案，接下来需要刚度、强度以及稳定性等其它方面进行计算。经有关实践可以看出，传统的设计还要大量不足之处需要改善，并且最后的结果基本上离不开初始设计的试验范围。

2.2 优化设计所研究的内容

优化设计首先需要选择设计变量、制定目标函数、列出约束条件以及构建优化模型， 其次是选用比较合适的优化方法进行优化求解， 其主要包含了建模与求解。建模的要求：了解与把握优化设计方法的基本理论知识、设计问题抽象与数学模型处理的基本技能;具备此领域丰富的专业知识与设计经验。

2.3 机械优化设计特点

机械优化设计其实就是将计算方法与数学规划理论运用到机械设计中去，按照所设定好的目标，凭借电子计算机的运算寻找最佳设计方案的相关参数，进而能够获得更大的技术经济的成效，其具备了普通的机械设计所没有的特征。主要体现在以下几个方面：能够减少机械产品的成本，增强它的性能。

2.4 机械优化设计基本思路

在保证基本机械性能的基础上，依托计算机 ，运用部分具有较高精度的力学与数学规划方法来进行计算。

机械优化设计的步骤：对设计变量进行分析，提出目标函数，确定约束条件，建立优化设计的数学模型;选用合适的优化方式，编写优化程序;准备所需要使用的初始数据并且上机进行计算，对计算所得到的结果进行必要的验证。

3 机械优化设计方法

优化准则法针对不同类型的约束、变量以及目标函数等需要导出完全不一样的优化准则， 通用性非常差，并且基本上都是近似最优解;规划法需要经过大量的迭代、不断进行分析，需要花费大量的资金，这在很大程度上限制了它在实际工程优化设计中的宣传运用。现代化的机械设计复杂程度越来越高， 传统的优化算法已经不能跟上时代的潮流。

3.1 遗传算法

遗传算法最是早由美国密歇根大学的 Ho lland教授所提出的，是模拟生物进化的过程、高度并行、随机以及自适应的全局优化概率搜索算法。其根据获得最大收益的原则进行随机搜索，不需要使用任何梯度信息，就能够获得全局最优解， 具备非常强的灵活性、通用性与全面性;其缺点就是不能够确保下一代比上一代要好。在1980年的时候，被大量的运用到函数优化与人工搜索等其它方面，在最近的几年里更多的是被运用到工程优化设计中，其主要适合设计变量比较少的情况使用。

3.2 粒子群算法

Kennedy和Ebehart在1995年的时候提出了模拟鸟群觅食环节的粒子群法，从一个优化解集进行搜索，经过个体之间的相互竞争与合作，实现复杂空间中最优解的全局搜群法与遗传算法相比，容易实现、原理简单以及有记忆性，不需要进行变异与交叉操作，需要调节的参数并不是非常的多，收敛的速度很快，算法所独有的并行搜索不仅能够降低陷入局部极小的可能性，进一步提高了算法的性能与计算的效率。目前，其已经被应用到了对目标函数进行、对优化动态环境进行优化与神经网络训练等其它方面，然而运用在机械优化设计中的研究还是非常少的。

4 案例分析

内燃机连杆结构的最优化设计。运用传统的设计是很难使得连杆达到不但要轻而且又非常可靠的目标，而选用最优化方法并结合采用有限元法数值计算技术对连杆结构进行分析，则可圆满 完成这一任务，并得出连杆最优化设计后的结构形状。在连杆结构的最优化设计计算中，每向最优方案前进一步，都需要对连杆结构进行有限元研究，其主要目标就是为最优化的设计提供变形、应力以及疲劳安全系数等相关信息。运用有限元的方式对连杆结构在全部720°循环的过程中做动态分析，会获得非常好的效果，然而这就会导致会有一个非常繁琐的计算过程，需呀花费大量的时间。所以，在最优化过程中可配合使用计算比较方便、结果也比较准确以及花费时间比较少的最大拉、压工况下的有限元静力分析，而后对连杆上应力、变形最大及疲劳安全系数最小的特征部位的计算结果进行动态修正。修正值可通过对连杆最优化设计初始方案的动态分析或对已有连杆的动应力电测得到。

5 结语

机械优化设计为机械工程界创造了巨大的经济财富，伴随科技手段的不断更新，优化设计的发展具有非常广阔的前景。目前的优化正逐渐的发展成为多学科的优化设计，完全运用最先进的计算机技术。虚拟设计技术是未来发展的重点，仿真技术也逐步向着协同化与系统化的方向不断发展。目前依然处在理论探究阶段的结构拓扑优化、结构动态性能优化设计、智能算法优化设计、可靠性稳健设计、柔性机械优化以及绿色优化等都是未来机械优化设计的重点发展方向。然而我们依然需要注意的是，在逐渐增强优化技术水平的同时，国内的机械加工的工艺水平、制造技术以及加工手段也需要同步增强，否则机械的整体水平依然会停在原地。这不但要引入先进的加工技术，更为重要的是不断增强加工设备自身的性能，特别是数控机床的加工水平。增强与国际技术发达国家之间的沟通与合作，软、硬件技术共同提升，以期达到机械设计——加工一体化的目的。

参考文献：

[1] 董立立，赵益萍，梁林泉，等.机械优化设计理论方法研究综述[J].机床与液压.2010(15)：114-119.

[2] 陈超.机械设计理论中的优化设计[J].科技信息.2012(33)：672.

作者：张鑫