引論：我們?yōu)槟砹?3篇機械優(yōu)化設(shè)計論文范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。

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1對于車床刀架轉(zhuǎn)盤零件進(jìn)行三維建模

對于車床刀架轉(zhuǎn)盤的三維立體建模是通過度對各種方法的結(jié)合，制作出不同類型的三維物體形狀以及真實環(huán)境的過程。對于三維數(shù)字化工藝的設(shè)計是通過以車床刀架轉(zhuǎn)盤的模型為載體，在進(jìn)行綜合的考慮制造資源以及對產(chǎn)品的制造工藝流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行定義，用來控制以及實現(xiàn)可視化表達(dá)零件的整個制造過程的數(shù)字化模型，從車床刀架轉(zhuǎn)盤的特征角度看，所有的產(chǎn)品零件都可以看成是通過一系列的簡單特征所以組成。對車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的三維建模的過程中，也就是對很多特征進(jìn)行疊加，或者是相交和切割的過程，三維工藝的建模過程就是對加工特征以及特征之間的關(guān)系進(jìn)行組織的控制過程。通過對車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的圖紙進(jìn)行分析，運用相關(guān)的轉(zhuǎn)盤三維模型進(jìn)行具體的繪制工作。通過打開三維模型的軟件，新建對話框進(jìn)入車床刀架轉(zhuǎn)盤建模環(huán)境，再插入車床刀架轉(zhuǎn)盤的圖紙，進(jìn)入草圖的環(huán)境進(jìn)行相關(guān)的繪制工作，在進(jìn)行回轉(zhuǎn)命令，進(jìn)行對回轉(zhuǎn)特征的創(chuàng)建工作，再進(jìn)行相似的方法繪制其他的零件草圖，然后進(jìn)行零件相關(guān)的拉伸特征的設(shè)置，除了這些之外還要注意對車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的細(xì)節(jié)特征創(chuàng)建。

2對于車床刀架轉(zhuǎn)盤的機械加工工藝規(guī)程的設(shè)計

2.1對車床刀架轉(zhuǎn)盤加工的要求進(jìn)行分析

對車床刀架轉(zhuǎn)盤的零件圖進(jìn)行詳細(xì)的分析，對相關(guān)的零件的尺寸精度以及位置精度的要求進(jìn)行充分的了解，比如零件的表面粗糙度和燕尾導(dǎo)軌面以及對稱度等，相關(guān)的精度要求非常高，對相關(guān)的零件部位的精度要求分析可以看出導(dǎo)軌面是轉(zhuǎn)盤零件最為關(guān)鍵的加工表面。

2.2對車床刀架轉(zhuǎn)盤的零件圖的檢查

車床刀架轉(zhuǎn)盤的零件圖包括主視圖和俯視圖以及側(cè)視圖，通過采用局部剖視或者半剖視的方法，可以對轉(zhuǎn)盤零件結(jié)構(gòu)表達(dá)的更加清晰以及對轉(zhuǎn)盤零件的布局更加的合理，注意對轉(zhuǎn)盤的有關(guān)尺寸進(jìn)行標(biāo)注，注意對相關(guān)的形狀精度以及位置精度進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)注，而且要保證標(biāo)注的統(tǒng)一性以及完整性，確保轉(zhuǎn)盤零件符合國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通過對轉(zhuǎn)盤零件的各項技術(shù)要求的可行性進(jìn)行確定，保證了轉(zhuǎn)盤零件設(shè)計的合理性，從而為轉(zhuǎn)盤零件的組織生產(chǎn)以及機械加工工藝技術(shù)做好充分的準(zhǔn)備工作。

2.3對轉(zhuǎn)盤零件生產(chǎn)類型的分析

根據(jù)相關(guān)的公式以及企業(yè)的生產(chǎn)條件進(jìn)行確定車床刀架轉(zhuǎn)盤的年生產(chǎn)量，結(jié)合車床刀架轉(zhuǎn)盤質(zhì)量的分析，以及對加工工作各種零件的生產(chǎn)類型的數(shù)量和工藝的特征進(jìn)行考慮，從而可以確定出車床刀架轉(zhuǎn)盤的生產(chǎn)類型為中批生產(chǎn)。

2.4確定轉(zhuǎn)盤零件機械加工的工藝流程

通過對轉(zhuǎn)盤零件的零件圖進(jìn)行分析可以得出，轉(zhuǎn)盤長度以及寬度等的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，還有轉(zhuǎn)盤高度的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及燕尾面的粗基準(zhǔn)，對各端面根據(jù)相關(guān)的基準(zhǔn)進(jìn)行加工，再采用一面兩孔的定位方式進(jìn)行加工其他的表面，從而確定出車床刀架轉(zhuǎn)盤的機械加工工藝的設(shè)計流程。

2.5確定相關(guān)的設(shè)計設(shè)備

通過對車床刀架轉(zhuǎn)盤的機械加工工藝的方案以及各種方面加工的方法進(jìn)行分析，結(jié)合對車床刀架轉(zhuǎn)盤的最大輪廓尺寸和加工精度的考慮，進(jìn)行對加工機床的選擇，以及對各種刀具和量具以及夾具的選擇。

2.6制定零件機械加工工藝的規(guī)程

通過對上文的論述結(jié)果的分析，進(jìn)行車床刀架轉(zhuǎn)盤的機械加工工藝各項要求的制定，制定的車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的機械加工工藝的規(guī)程是企業(yè)組織車床刀架轉(zhuǎn)盤進(jìn)行生產(chǎn)工作的標(biāo)準(zhǔn)，是整個車床刀架轉(zhuǎn)盤機械加工工藝規(guī)程優(yōu)化設(shè)計工作的重要環(huán)節(jié)之一。

3結(jié)束語

車床刀架轉(zhuǎn)盤的三維工藝項目能夠大大降低企業(yè)的成本，從而增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。企業(yè)的精益化生產(chǎn)才符合現(xiàn)階段時代的發(fā)展，才能夠緊緊跟隨智能化制造的步伐。在對車床刀架轉(zhuǎn)盤的機械加工工藝規(guī)程的優(yōu)化設(shè)計過程中，要做好對于零件的分析以及研究工作，通過對車床刀架轉(zhuǎn)盤零件的機械加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，制定好相關(guān)的零件機械加工工藝規(guī)程，才能縮短零件的生產(chǎn)周期，從而降低制造的成本以及提高了零件的精密度，對提高企業(yè)的勞動生產(chǎn)率以及降低勞動的強度都有著重要的作用。

作者:張克盛 單位:甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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二、和諧在于共同元素的發(fā)掘

在建筑設(shè)計中我們經(jīng)常見到：一是關(guān)注建筑本身，后去考慮環(huán)境的美化；另一種是在環(huán)境中去添加建筑，建筑難以融入環(huán)境之中。這兩種設(shè)計環(huán)境都難以實現(xiàn)空間的和諧統(tǒng)一。事實上，我們不能單純考慮建筑，也不能單純關(guān)注景觀，單方面追求和諧統(tǒng)一的想法都是不現(xiàn)實的。如何在具體是設(shè)計過程中貫穿景觀與建筑和諧統(tǒng)一的理念呢？這就需要我們?nèi)ふ医ㄖc景觀的最佳結(jié)合點，不能在設(shè)計中顧此失彼。只有去尋求景觀與建筑的結(jié)合點，從這個地方切入，才能夠?qū)ふ业浇ㄖ撵`魂。

為此，我們在進(jìn)行單體建筑設(shè)計的同時，預(yù)先提出整體環(huán)境框架與要求，在分析基址環(huán)境、周邊環(huán)境、視域環(huán)境等因素的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)的設(shè)計指導(dǎo)原則。尊重建筑周圍景觀對建筑風(fēng)格、色調(diào)、設(shè)施的各種要求，在這些要素中去尋找景觀與建筑相通的地方，抓住這個點來貫穿建筑與景觀，讓建筑風(fēng)格與環(huán)境風(fēng)格相符、相稱，讓建筑成為景觀生態(tài)中的一個部分，融入到環(huán)境當(dāng)中去。對于一些后加入進(jìn)去的建筑，或者是一些改造的建筑，也要在環(huán)境允許的條件下進(jìn)行調(diào)整，保持建筑與環(huán)境之間的整體性。

三、用建筑思想反照景觀設(shè)計

建筑不僅僅從屬于景觀，也是景觀的一部分，當(dāng)建筑融入景觀后，其本身也是對景觀的一種改造。所以，建筑的設(shè)計不僅要考慮與景觀的融合，也要考慮對景觀的創(chuàng)造性塑造。讓景觀襯托建筑、用建筑改造景觀。

在實踐中，我們要以建筑的理念對待景觀設(shè)計，用建筑分析、決策、設(shè)計的方法來造就景觀美學(xué)。具體設(shè)計中，我們可以建筑技術(shù)拓展景觀空間，用技術(shù)來表現(xiàn)科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合。同時，用建筑思維解決景觀問題。城市中的建筑與景觀往往要面對許多制約，包括場地的限制、經(jīng)濟的限制，在設(shè)計過程中，采用建筑的思維方式可以解決城市景觀設(shè)計中的很多制約因素，比如，在城市建筑密集地區(qū)，以彩色噴涂地面的方式劃分出進(jìn)出的道路以及人行與車行的路線，既滿足道路的功能要求，也為高層居民提供了視覺對象。

四、關(guān)注自然與文化雙重生態(tài)

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機械結(jié)構(gòu)虛擬優(yōu)化設(shè)計是以計算機建模和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，集計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、機械動力學(xué)、有限元分析、優(yōu)化設(shè)計等技術(shù)為一體，由多學(xué)科知識組成的綜合系統(tǒng)技術(shù)，是機械結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計技術(shù)在計算機環(huán)境中數(shù)字化、圖像化的映射。本文分析了機械產(chǎn)品虛擬動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的一般過程，以數(shù)控車床關(guān)鍵部件一尾架為例，建立了三維可視化的有限元CAE模型，通過對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，實現(xiàn)該部件結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化。

1機械結(jié)構(gòu)虛擬動態(tài)優(yōu)化設(shè)計過程

機械產(chǎn)品虛擬動態(tài)設(shè)計的一般過程是:先建立滿足工作性能要求的產(chǎn)品初始CAD模型(初步設(shè)計圖樣)，然后對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)建模和動態(tài)特性分析，再根據(jù)工程實際情況，給出結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的要求或預(yù)定的動態(tài)設(shè)計目標(biāo)，按結(jié)構(gòu)動力學(xué)“逆問題”方法直接求解設(shè)計參數(shù)，或按結(jié)構(gòu)“正問題”分析法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，直到滿足預(yù)期性能設(shè)計要求，從而獲得一個具有良好靜、動態(tài)特性的產(chǎn)品設(shè)計方案，如圖1所示。結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的主要內(nèi)容包括:

(1)建立一個切合實際的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型;

(2)選擇有效的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法。

2機械結(jié)構(gòu)建模分析及優(yōu)化實例

以數(shù)控車床關(guān)鍵部件尾架為例進(jìn)行研究。數(shù)控車床動態(tài)設(shè)計是在“正問題”處理方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，數(shù)控車床共有零、部件800多個，其中對整機結(jié)構(gòu)性能影響大的零、部件主要有以下幾個:床身、主軸箱、尾架等。為使整機具有良好的動態(tài)性能，必須對關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化。為此，應(yīng)先建立數(shù)控車床主要部件的幾何模型和滿足其動力學(xué)特征的有限元模型，進(jìn)行動態(tài)分析，根據(jù)動態(tài)分析的結(jié)果對原部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行動力學(xué)修改和結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化，最終得到一個具有良好靜、動態(tài)特性的產(chǎn)品設(shè)計方案。

數(shù)控車床的尾架安置在床身的尾架導(dǎo)軌上，并可沿此導(dǎo)軌調(diào)整其縱向位置。尾架套筒的錐孔裝有后頂尖，用以支撐工件。由于尾架頂尖與主軸箱卡盤的同軸度直接影響著車床加工零件的精度，因此，尾架的結(jié)構(gòu)是否合理對保證車床加工高精度很重要。

如圖2為尾架系統(tǒng)的有限元模型，考慮到實際情況，將尾架導(dǎo)軌與兩導(dǎo)軌座作為一體處理，尾架體與導(dǎo)軌之間以互為接觸單元為主，每個導(dǎo)軌座均布4個全約束點，系統(tǒng)共有單元7 049個。得到尾架系統(tǒng)前三階振型如圖3(a)，3(b)，3(c)所示。表1列出了尾架系統(tǒng)計算頻率及振型特性。

由分析可知，該尾架系統(tǒng)剛度很弱，相當(dāng)于簡支梁，是整機結(jié)構(gòu)中非常薄弱的部分。綜合新車床的布局，考慮鑄造工藝性，尾架的導(dǎo)軌直接與床身一體，優(yōu)化后的尾架由上下2部分組成，如圖4所示，其有限元模型如圖5所示。

建立改進(jìn)尾架的有限元模型，系統(tǒng)共有2 210個體單元，對尾架上下2部分禍合12個節(jié)點，前三階固有振型如表2所示。

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【Key words】pressure vessels；Stress Analysis；optimization；ANSYS finite element software

1 引言

隨著科技的發(fā)展，壓力容器在眾多工業(yè)部門中有著廣泛的應(yīng)用，對壓力容器的要求也越來越高。以往的壓力容器及其部件的設(shè)計基本采用常規(guī)設(shè)計法，以彈性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，材料的許用應(yīng)力采用較大的安全系數(shù)來保障。由于設(shè)計偏于保守使得設(shè)計的容器比較笨重，且成本較高，材料有所浪費。

隨著工化設(shè)計朝著大型化，復(fù)雜化，高參數(shù)化方向發(fā)展，壓力容器部件越來越多的利用有限元壓力分析來完成。新的分析設(shè)計主要以塑性失效和彈塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，比較詳細(xì)的計算了容器和承壓部件的應(yīng)力，并利用大型有限元軟件ANSYS對壓力容器的壁厚及承壓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計分析。

2 典型壓力容器有限元分析

2.1 基于ANSYS的壓力容器有限元分析

在分析過程中壓力容器將空間問題平面化，有限元模型選取PLANE42單元。在ANSYS軟件中采用直接建模的方法，省略壓力容器的其他結(jié)構(gòu)（如群座、螺栓等），并設(shè)定軸對稱選項，建立1/4軸對稱分析模型如圖2-2示。端部封頭對稱面各節(jié)點約束水平向位移，筒體下端各節(jié)點約束軸向位移，內(nèi)壁施加均布荷載P=10Mpa.

2.1.1 對有限元模型施加邊界條件并求解

有限元分析的目的是了解模型對外部施加荷載的響應(yīng)。在本例中，模型受到的荷載有內(nèi)壓，外壓，重力以及支撐力，考慮到重力，外壓和支撐力相對內(nèi)壓的影響而言作用甚小，可以忽略。因此只對內(nèi)壁施加線荷載P=10Mpa，接下來進(jìn)入求解處理器進(jìn)行求解，獲得位移云圖及應(yīng)力云圖，如圖2-1，2-2示。

圖 2-1 工作壓力為10 Mpa時的位移云圖 圖 2-2 工作壓力為10 Mpa時的應(yīng)力云圖

圖中位移及應(yīng)力大小分別采用不同的顏色表示，其中紅色表示位移及應(yīng)力的最大值，藍(lán)色是最小值。從圖中可以看出位移的最大值出現(xiàn)在筒體下端，為1.2mm；應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在筒體與端部過渡的弧形處，最大值為95.7Mpa。

2.1.2 結(jié)果分析

圖2-1，2-2反映了筒壁受內(nèi)壓作用后結(jié)構(gòu)模型的位移、應(yīng)力情況，從圖中可以看出：（1）由于受內(nèi)壓作用，筒壁向外膨脹，模型為軸對稱圖形，所受的壓力是均布的，膨脹亦是均勻的，與預(yù)期相符；（2）筒壁沿軸向應(yīng)力分布是不均勻的，應(yīng)力最大出現(xiàn)在筒體與端部進(jìn)氣管的過渡處。這是因為模型進(jìn)氣管處尺寸發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致應(yīng)力集中，所以數(shù)值模擬結(jié)果是合理的；（3）通過對筒壁進(jìn)行強度校核表明，當(dāng)材料采用Q235-A時，壓力容器的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力（235Mpa），表明筒體的承壓空間還是有一定的提高潛勢的。

2.2 壓力容器承壓能力的分析

上述結(jié)果中表明該壓力容器的承壓空間還可以提升，故此對該模型分別施加線荷載P=5Mpa、15Mpa、16Mpa、17Mpa、18Mpa、19Mpa、20Mpa、25Mpa，分析其結(jié)果變化。圖2-3，2-4是模型的最大位移、最大應(yīng)力值隨壓力的變化曲線圖。

從圖中可以看出：（1）位移和應(yīng)力均隨著壓力的增加而變大，變化速率由大變小最后趨于平緩；（2）分析位移及應(yīng)力的變化曲線表明，自開始加載到施加荷載15Mpa，其變化為線性變化，15Mpa到加載至25Mpa時，變化增長緩慢甚至趨于平緩。這與鋼材的力學(xué)性能有關(guān)：鋼材從加載到拉斷，有四個階段，即彈性階段、屈服階段、強化階段與破壞階段。從加載到某一定值時曲線呈直線變化是因為鋼材處于彈性階段，再繼續(xù)加載曲線出現(xiàn)平緩是因為鋼材進(jìn)入屈服階段，產(chǎn)生塑性變形。所以也可以證明該有限元分析的可靠性；（3）從圖中易找出曲線從直線段過渡到平緩段的臨界點，即壓力15Mpa，此時該模型的最大位移為2.03mm，最大應(yīng)力值為168Mpa（小于許用應(yīng)力235Mpa）。

圖2-3 不同承壓下最大位移值的變化曲線 圖2-4 最大應(yīng)力隨承壓的變化曲線

2.3 壓力容器厚度的優(yōu)化設(shè)計

為了充分提高壓力容器的整體性能和材料的有效利用率，基于“塑性失效”和“彈塑性失效”準(zhǔn)則，以板殼理論，彈性與塑性理論及有限元方法，根據(jù)具體工況，對壓力容器各部位進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計算及分析，在不降低設(shè)備安全性的前提下選取相對較低的安全系數(shù)，從而降低結(jié)構(gòu)的厚度，使材料得到有效利用。

上述承壓15Mpa時該壓力容器的最大位移值為2mm，最大應(yīng)力值168Mpa小于其許用應(yīng)力235Mpa，故可以考慮變化筒壁厚度，使材料發(fā)揮最大強度。所以在臨界承壓15Mpa的作用下試將原筒壁厚度25mm變?yōu)?0mm，21mm，22mm，30mm進(jìn)行試算。下圖2-5、2-6為最大位移值、最大應(yīng)力值隨筒壁厚度的變化曲線。

圖2-5 最大位移值隨筒壁厚度的變化曲線 圖2-6 最大應(yīng)力值隨筒壁厚度的變化曲線

由圖可以看出：（1）在臨界承壓15Mpa下，容器的最大位移值、最大應(yīng)力值均隨著筒壁厚度的增加而減小；（2）從最大應(yīng)力值與筒體壁厚的變化曲線中可以看出，當(dāng)壁厚為21mm時其最大應(yīng)力值為231Mpa小于其許用應(yīng)力。故此可以認(rèn)為在臨界承壓下，該壓力容器的最優(yōu)筒體壁厚為21mm，在此條件材料能發(fā)揮較高的強度。

3結(jié)語

本文采用ANSYSY軟件對壓力容器的位移、應(yīng)力進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，同時對壓力容器在滿足給定剛度和強度條件下進(jìn)行厚度最小的優(yōu)化設(shè)計。研究計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1）壓力容器在受內(nèi)壓時，筒體中間位置變形最大，最大應(yīng)力則發(fā)生在端部進(jìn)氣管與筒體的過渡處；

（2）在該給定容器的條件中，可以得到此容器的最大臨界承壓為15Mpa，此時的剛度、強度及應(yīng)力均滿足要求；

（3）為了最大發(fā)揮材料的用途，在滿足給定強度和剛度條件下對該容器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以得到其最優(yōu)筒壁厚度為21mm。

同時也可以看出ANSYSY軟件對分析壓力容器的可靠性，有效性。很大程度上減少了設(shè)計成本和設(shè)計周期，也為更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的方法。

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[3]夏峰社，朱哲，淡勇.高壓容器筒體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計〔期刊論文〕.西安石油大學(xué)學(xué)報，2010（1）.

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目前針對工科專業(yè)的研究性教學(xué)而言，以“項目和課題研究為導(dǎo)向”的教學(xué)方式非常貼切現(xiàn)行教學(xué)改革的要求和趨勢。該教學(xué)模式可以將學(xué)習(xí)、研究、實踐有機地結(jié)合起來，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，使學(xué)生能創(chuàng)造性地運用所學(xué)的知識和能力，通過自己的主動探索、主動思考、主動實踐，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題。首先，教師在講課內(nèi)容中要增加具體的工程實例，同時注重引導(dǎo)學(xué)生注意身邊的工程問題，鼓勵學(xué)生參與提煉工程主題，并將工程主題與教學(xué)重點內(nèi)容結(jié)合起來。在進(jìn)行項目研究方案的制訂與討論過程中，可以先介紹課題的來源、背景、研究需求和研究目標(biāo)，讓學(xué)生以分組的形式去查資料，閱讀查文獻(xiàn)，了解目前的研究現(xiàn)狀及研究方法，制定課題的研究方案，引導(dǎo)學(xué)生展開課堂討論，并根據(jù)所學(xué)的知識提出解決問題的方法，這樣可以將抽象的理論與具體的工程背景結(jié)合，使抽象的工程問題變得豐滿有趣，從而強化學(xué)生的工程概念與背景。然后，將學(xué)生帶到企業(yè)，進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場和使用現(xiàn)場，獲得對所研究課題的感性認(rèn)識，掌握和了解課題實際存在的問題，形成教學(xué)與實際結(jié)合起來的課外教學(xué)方式，通過學(xué)生親身實踐、工程技術(shù)人員的介紹以及教師的深入分析，使學(xué)生對研究的內(nèi)容和課題有較為深刻的理解，便于制定更為具體和合理的研究計劃。例如在對某型號的路燈燈桿進(jìn)行強度與可靠性研究時，可以運用力學(xué)知識進(jìn)行理論計算，再進(jìn)行實際測量，最后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這一過程幾乎會涉及到機械設(shè)計類的所有課程。

三、在項目實施過程中鍛煉學(xué)生的實踐能力

對于工科的本科生和研究生而言，我們現(xiàn)在的人才培養(yǎng)非常重視專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，畢業(yè)后學(xué)生可以掌握本專業(yè)系統(tǒng)的理論知識和一定的實踐能力。但很多畢業(yè)生在進(jìn)入工作崗位后，往往還需要2～5年時間的重新學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，才能具備較好的工程素養(yǎng)，也才能獨立解決工程實際問題，從而造成企業(yè)人力與財力的浪費，使得企業(yè)在招聘人才時，首先考慮的不是學(xué)生的文憑和學(xué)習(xí)成績，而是工作經(jīng)歷和工作經(jīng)驗。近幾年本科教學(xué)大綱經(jīng)歷了至少兩次修訂，修訂過程中已經(jīng)注意到這個問題，并且正在進(jìn)行較大幅度的改革，其主要做法是加大實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的比重，實行企業(yè)與學(xué)校的聯(lián)合培養(yǎng)模式，其目標(biāo)就是在工程應(yīng)用、生產(chǎn)實際中培養(yǎng)學(xué)生獨立思考與解決問題的能力。如果能夠讓學(xué)生參與到教師與企業(yè)合作的課題中來，在項目研究與實施的過程中，讓學(xué)生將學(xué)到的知識應(yīng)用于解決具體的工程問題，就可以實現(xiàn)新大綱修訂的宗旨，滿足新大綱的要求。橫向課題是企業(yè)在生產(chǎn)過程中或客戶在使用過程中發(fā)現(xiàn)和提出來的技術(shù)難題，往往具有一定的難度，課題的研究也是一項系統(tǒng)工程，其研究成果可以直接提升產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)生明顯的社會和經(jīng)濟效益。所以首先需要對研究的對象進(jìn)行全面的了解、分析、調(diào)研與查閱資料，包括設(shè)備的結(jié)構(gòu)、功能、使用方法、產(chǎn)品質(zhì)量的評估等，這方面的研究可以培養(yǎng)學(xué)生畫圖、識圖、查閱文獻(xiàn)的能力。確定了詳細(xì)的研究方案之后，就要進(jìn)行課題的研究，該研究過程往往歷時幾個月，甚至一年以上。在此研究過程中，學(xué)生需要參與大量的研究工作，可以在教師的指導(dǎo)下將學(xué)到的系統(tǒng)知識應(yīng)用于理論計算，通過對理論知識的復(fù)習(xí)和應(yīng)用，了解理論研究的價值，加深對理論知識的理解；學(xué)生還可以從事實驗分析和實際測試，不但可以在實驗室對試樣進(jìn)行試驗，進(jìn)一步熟悉實驗室儀器與設(shè)備的使用方法和技巧，還可以到車間進(jìn)行實際測量，掌握現(xiàn)代測試儀器的操作和使用，并在試驗和測試完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理工作；在試驗研究的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生利用先進(jìn)的計算機仿真手段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過學(xué)習(xí)先進(jìn)的三維設(shè)計軟件、有限元計算軟件等進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計研究工作，并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，及時了解優(yōu)化設(shè)計的效果，從而達(dá)到研究的目的。讓學(xué)生深度參與課題的研究過程，一方面可以使學(xué)生獲得較為全面、系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。對機械專業(yè)學(xué)生而言，可以對實驗應(yīng)力分析、有限元分析、機械振動、機械結(jié)構(gòu)的測試分析以及優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計類的重要課程和知識點有非常深刻的了解；另一方面還可以對企業(yè)的產(chǎn)品、要求、技術(shù)、研發(fā)甚至市場都有比較全面的接觸。這樣對畢業(yè)生就業(yè)而言，所提供的參與這些企業(yè)課題研發(fā)的經(jīng)歷，對企業(yè)來說無疑具有極大的吸引力。最為關(guān)鍵的是，這些學(xué)生一旦進(jìn)入相關(guān)行業(yè)，馬上可以發(fā)揮很大的作用，能夠獨當(dāng)一面解決企業(yè)面臨的具體工程問題。

四、在項目成果的總結(jié)中提高學(xué)生的綜合能力

學(xué)生通過參與科研項目的研究過程，可以了解企業(yè)的技術(shù)改進(jìn)與研發(fā)過程，可以應(yīng)用到所學(xué)的很多知識，也可以掌握很多新的思想、理念、方法和研究手段，可以培養(yǎng)動手能力和創(chuàng)新意識，但更為重要的是還需要通過對項目的總結(jié)來進(jìn)一步提升他們的綜合能力和素質(zhì)。項目研究過程還包括對研究結(jié)果的總結(jié)，尤其是需要對照預(yù)期的研究指標(biāo)進(jìn)行分析與匯總，形成一系列的研究成果。這一過程可以提供學(xué)生撰寫總結(jié)報告、學(xué)術(shù)論文與專利的機會。相對于知識的學(xué)習(xí)和動手能力的培養(yǎng)，我們目前對這種能力的要求不是很高，甚至不作要求，一般總是認(rèn)為本科生沒有能力獨立撰寫和發(fā)表學(xué)術(shù)論文。但實際上對很多學(xué)生來說，只要閱讀過一定數(shù)量的科技文獻(xiàn)，再經(jīng)過一定的指導(dǎo)和鍛煉，加上教師的認(rèn)真修改，本科生完全可以發(fā)表學(xué)術(shù)論文，甚至是質(zhì)量較高的國際論文。相對于較為專業(yè)的學(xué)術(shù)論文而言，撰寫專利，尤其是實用新型專利或外觀設(shè)計專利，相對來說比較容易，只要鼓勵學(xué)生善于觀察、敢于思考、勇于創(chuàng)新，再加上一定的指導(dǎo)，應(yīng)該可以完成專利的授權(quán)，這一點對將來學(xué)生在企業(yè)工作非常有利。目前所有大學(xué)都越來越重視大學(xué)生的第二課堂，對工科學(xué)校來說這是培養(yǎng)“卓越工程師”的主陣地，也是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識和動手能力的主課堂，對拓展學(xué)生的綜合素質(zhì)起到非常重要的作用。學(xué)生可以從參與的課題中提煉新的內(nèi)容，作為大學(xué)生課外科技活動項目，也可以將研究成果進(jìn)行整理，參加各項科技競賽活動，如“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、機械設(shè)計創(chuàng)新大賽等。通過競賽調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性、創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的潛能，展示學(xué)生的才能。

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0引 言

齒輪作為在機械結(jié)構(gòu)中經(jīng)常用到的重要的傳動零件，其強度直接影響到整個機械結(jié)構(gòu)的工作性能和壽命，然而在傳統(tǒng)齒輪設(shè)計中，齒輪的強度校核過程和設(shè)計過程主要是通過人工設(shè)計完成，計算繁瑣，設(shè)計周期長且難以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。

本文采用有限元分析法對漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱直齒輪進(jìn)行接觸應(yīng)力和齒根彎曲應(yīng)力進(jìn)行分析計算。并且在有限元分析中,對AYSYS[1]軟件進(jìn)行二次開發(fā)，即應(yīng)用了APDL[2]語言，自動實現(xiàn)了齒輪的參數(shù)精確建模 ，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和有限元強度分析。

最后和傳統(tǒng)經(jīng)典方法進(jìn)行了對比分析,證明了本方法的準(zhǔn)確性。具有實際操作性和推廣價值。

1.齒輪強度分析的基本要求

在機械專業(yè)中，減速機是主要的重要的傳動機構(gòu)，而齒輪傳動是其中最常見的實現(xiàn)方式。因此齒輪零件的設(shè)計就顯得尤為重要。其中齒輪應(yīng)力強度校核是齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，只有相互嚙合的齒輪通過了接觸和彎曲強度校核計算，才能進(jìn)行齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)然相互嚙合的齒輪種類十分繁雜。這里我們?yōu)榉奖闫鹨姡豢紤]漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱直齒輪的問題。

傳統(tǒng)的應(yīng)力強度校核計算十分煩瑣，需要查閱機械設(shè)計手冊中大量的數(shù)據(jù)（包括圖形和圖表）。而傳動機構(gòu)中往往是多對齒輪嚙合，其中有一對不符合要求，整個計算就得重來，耗費了設(shè)計者大量的精力。

因此借助計算機及相應(yīng)軟件完成對齒輪的優(yōu)化設(shè)計十分必要。使用有限元分析軟件ANSYS對齒輪進(jìn)行強度分析，可對齒輪的強度設(shè)計提供可靠的依據(jù)，實現(xiàn)變速器齒輪的計算機輔助設(shè)計，可以加快設(shè)計進(jìn)程、縮短研制周期、提高設(shè)計質(zhì)量。

本文應(yīng)用了APDL，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言（ANSYS Parametric Design Language），設(shè)計直齒圓柱齒輪模塊以及應(yīng)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行有限元分析方面，做一些初步的探索。

2.問題研究的主要方法及實例

本文以ANSYS軟件為平臺，以直齒圓柱齒輪為實例，研究了在ANSYS環(huán)境下實現(xiàn)直齒輪精確建模和應(yīng)力分析的方法，并與彈性力學(xué)和機械手冊的計算結(jié)果進(jìn)行了比較。論文參考網(wǎng)。

2.1ANSYS軟件介紹

ANSYS是一個大型通用有限元軟件。在機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中.主要在于分析機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到負(fù)載后產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng).如位移、應(yīng)力、變形等.根據(jù)該結(jié)果判斷是否符合設(shè)計要求。

2.2 APDL介紹

APDL即ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言（ANSYSParametric Design Language），用于自動利用參數(shù)（變量）創(chuàng)建模型。很適于在系統(tǒng)之上根據(jù)特定的需要進(jìn)行二次開發(fā)。

2.3 漸開線直齒圓柱齒輪的參數(shù)化二維建模

本文以《機械設(shè)計手冊》[3]中第八章計算例題為實例。

漸開線圓柱直齒輪建模前的參數(shù)如表1所示：

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Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer

中圖分類號：TG457.23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）25-0085-03

0 引言

機械優(yōu)化設(shè)計是最優(yōu)化方法與機械設(shè)計的結(jié)合，設(shè)計工具是計算機軟件及計算程序，設(shè)計方法是最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法。機械優(yōu)化設(shè)計，就是在給定載荷及工作環(huán)境條件基礎(chǔ)上，在機械產(chǎn)品的性態(tài)、幾何尺寸關(guān)系或其他因素的限制（約束）的范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)計要求及目標(biāo)，選定設(shè)計變量、建立目標(biāo)函數(shù)，并使其獲得最優(yōu)值，設(shè)計出經(jīng)濟可靠的機械產(chǎn)品。

換句話說，也就是在滿足一定約束的前提下，尋找一組設(shè)計參數(shù)，使機械產(chǎn)品單項或多項設(shè)計指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。機械優(yōu)化設(shè)計因其目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)普遍呈非線性的特點，設(shè)計步驟為先根據(jù)實際的設(shè)計問題建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在建立數(shù)學(xué)模型時需要應(yīng)用專業(yè)知識確定設(shè)計的限制條件和所追求的目標(biāo)，確定設(shè)計變量之間的相互關(guān)系等，并使之滿足強度、剛度及運動學(xué)等約束條件。數(shù)學(xué)模型一旦建立，優(yōu)化設(shè)計問題就變成了一個數(shù)學(xué)求解問題，應(yīng)用優(yōu)化理論，設(shè)計優(yōu)化程序，以計算機為載體計算得到最優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。

美國可口可樂公司是全球最大的飲料公司，擁有全球市場48%的占有率，為降低生產(chǎn)成本，提升品牌競爭力，可口可樂瓶有一段優(yōu)化設(shè)計的佳話，優(yōu)化處理后的可口可樂瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響，僅此一舉就節(jié)省了可觀的材料費用，帶來了可觀的利潤。

近年來制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、國家推出“機器換人”工程，把機器人、高端數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用推向了，但基于機器人的RV減速器一直是個技術(shù)難題，直接影響到機器人的工作性能指標(biāo)。

RV減速器產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上由一級漸開線齒輪傳動和一級擺線針輪行星傳動串聯(lián)構(gòu)成，漸開線齒輪傳動構(gòu)成第一級傳動，擺線齒輪行星傳動構(gòu)成第二級傳動。RV減速器是一款剛度最高、振動最低的機器人用減速器，能夠提高機器人工作時的動態(tài)特性，減小傳動回差，而且還具有體積小重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比范圍大、承載能力大、運動精度高、傳動效率高等優(yōu)點。

RV減速器廣泛應(yīng)用在機器人、數(shù)控機床行業(yè)，傳統(tǒng)設(shè)計全由設(shè)計人員手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質(zhì)量更小的指標(biāo)要求下，希望能從一系列可行的設(shè)計方案中精選最優(yōu)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法做不到，因而有必要采用優(yōu)化方法來確定其設(shè)計參數(shù)。

RV減速器優(yōu)化設(shè)計要解決的問題，與其使用場合的具體要求有關(guān)。在保證傳動能力的條件下要求齒輪傳動及針擺傳動體積最小或質(zhì)量最小；在要求較高時，需要優(yōu)選齒輪的幾何參數(shù)使齒輪副具有形成油膜的最佳條件；優(yōu)化齒輪傳動的慣性質(zhì)量分配，以便最大限度地減少工作時間的振動和噪聲，以及傳動功率最大和工作壽命最長等。

對于不同類型的RV減速器，其優(yōu)化設(shè)計具有各自的特點，設(shè)計變量一般選擇齒輪傳動的基本幾何參數(shù)或性能參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)、齒寬系數(shù)、傳動比、螺旋角、變位系數(shù)和中心距等。

根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同，RV減速器設(shè)計可以有多種最優(yōu)化方案，本文討論的是在滿足齒輪傳動強度、剛度和壽命條件下，使RV減速器轉(zhuǎn)矩最大、體積最小或質(zhì)量最小。

基于RV減速器的機器人抓握機械手工況條件，8小時工作，正反轉(zhuǎn)，輕載平穩(wěn)，空載起動，室內(nèi)工作，使用壽命5年，在溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心單件生產(chǎn)，機器人機械手轉(zhuǎn)矩T3=20 N?m，轉(zhuǎn)速n3=5rpm，為優(yōu)化設(shè)計對象，要求在保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度的條件下，獲得轉(zhuǎn)矩最大、體積最小、重量最輕的傳動裝置。應(yīng)用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機轉(zhuǎn)矩做最大值優(yōu)化，即應(yīng)用fmincon函數(shù)對電機轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉(zhuǎn)矩最大的情況下，齒輪傳動體積最小，實際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。因此以轉(zhuǎn)矩最大為優(yōu)化目標(biāo)，建立優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。

1 目標(biāo)函數(shù)

①工作載荷計算功率P3。

因為T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上機器工作載荷系數(shù)K=1.5，得

P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW

②應(yīng)用針擺傳動效率η2=97%，計算第二級針擺傳動功率P2，得

P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW

③應(yīng)用漸開線齒輪傳動效率η1=95%，計算第一級齒輪傳動功率P1，得

P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW

④應(yīng)用電機傳動效率η=99%，計算電機功率P，得

P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW

⑤計算電機轉(zhuǎn)矩。

因為RV減速器總傳動比為i=-Z2/Z1*Zb，則電機轉(zhuǎn)速為n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），

所以電機轉(zhuǎn)矩為T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N?m

對于第二級針擺傳動，設(shè)計采用一齒差擺線針輪行星傳動，因此針齒齒數(shù)Zb必須為偶數(shù)，Zb用數(shù)學(xué)表達(dá)式來表達(dá)，即Zb=2*k，而10≤k≤50，則電機轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N?m。

所以，電機轉(zhuǎn)矩表達(dá)式有3個變量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表達(dá)式變?yōu)門=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。

機械手的工作要求是轉(zhuǎn)矩足夠大，而MATLAB軟件的fmincon函數(shù)只能進(jìn)行最小值優(yōu)化，所以對電機轉(zhuǎn)矩求倒數(shù)，對電機轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)作最小值優(yōu)化，即

1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），

所以在MATLAB中，目標(biāo)函數(shù)f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。

2 非線性約束條件

①非線性約束條件1。

根據(jù)機器人抓握機械手工況條件、載荷條件，可以判定齒輪幾何尺寸不大，模數(shù)較小，初定為0.5或1mm；轉(zhuǎn)矩也不大，約為20N?m，電機轉(zhuǎn)矩理論上應(yīng)該可以控制在1 N?m以內(nèi)，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，則

1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1

所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0構(gòu)成非線性約束條件1。

②非線性約束條件2、非線性約束條件3。

RV減速器對總傳動比有范圍要求，140≤i≤180，即

140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成兩個表達(dá)式，即

140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0構(gòu)成非線性約束條件2、3。

綜上，非線性約束條件共3個，

1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0

3 線性約束條件

①線性約束條件1、線性約束條件2。

為使RV減速器偏心軸軸承與擺線輪之間的作用力不至過大，漸開線齒輪傳動中心距a應(yīng)是針齒基圓半徑R的0.35～0.65倍，這個可歸為結(jié)構(gòu)尺寸條件。

因為要設(shè)計出在轉(zhuǎn)矩最大前提下，體積最小質(zhì)量最輕的RV減速器，必須使齒輪傳動的中心距最小，RV減速器的結(jié)構(gòu)緊湊，所以初定針齒基圓半徑R=（30～40）mm，所以

a=（0.35～0.65）*R=（0.35～0.65）*（30～40）=（10.5～26）mm，取整后11≤a≤26。因為

a=1/2*m*（Z2+Z1），因為模數(shù)越小，齒輪的幾何尺寸就越小，所以模數(shù)取0.5，則

a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即

11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成兩個表達(dá)式，

-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26構(gòu)成線性約束條件1、2。

②線性約束條件3、線性約束條件4。

為使第二級擺線針輪行星傳動部分輸入轉(zhuǎn)矩不至過大，第一級漸開線齒輪傳動的傳動比必須控制為i≥1.5，但單級齒輪傳動比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即

1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成兩個表達(dá)式，

1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0構(gòu)成線性約束條件3、4。

③線性約束條件5、6、7。

小齒輪齒數(shù)的取值范圍8≤Z1≤20，展成兩個表達(dá)式，-Z1≤-8，Z1≤20，即

-x（1）≤-8及x（1）≤20構(gòu)成線性約束條件5、6。

大齒輪齒數(shù)的取值范圍Z2≤100，即x（2）≤100構(gòu)成線性約束條件7。

④線性約束條件8、9。

因為Zb必須為偶數(shù)，所以Zb用數(shù)學(xué)表達(dá)式來表達(dá)，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成兩個表達(dá)式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50構(gòu)成線性約束條件8、9。

把9個線性約束條件寫矩陣表達(dá)式，即

-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11

0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26

1.5 * x（1）- x（2） ≤0

-5 * x（1）+ x（2） ≤0

-x（1） ≤-8

x（1） ≤20

x（2） ≤100

-x（3） ≤-10

x（3） ≤50

4 MATLAB編程

把上述計算過程編寫成MATLAB程序，應(yīng)用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機轉(zhuǎn)矩做最大值優(yōu)化，即應(yīng)用fmincon函數(shù)對電機轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉(zhuǎn)矩最大的情況下，RV減速器中心距最小，實際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。

該數(shù)學(xué)模型為3個設(shè)計變量、12個約束條件的多元函數(shù)最小值問題，采用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱求解最優(yōu)結(jié)果，進(jìn)行非線性有約束多元函數(shù)最小值計算，命令函數(shù)為fmincon，主程序如圖1，非線性約束條件如圖2，程序運行結(jié)果如圖3。

程序經(jīng)過6次迭代計算，MATLAB計算優(yōu)化結(jié)果：

Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，

即T=0.24 N?m。

5 數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

因為齒數(shù)一定為整數(shù)，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。

又因為Z1

因為齒輪模數(shù)m=0.5mm，所以齒輪傳動中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，滿足初定的齒輪傳動中心距取值范圍11～26mm。

用優(yōu)化處理的參數(shù)計算電機轉(zhuǎn)矩的最大值T=0.24 N?m。

6 比較與結(jié)論

RV減速器齒輪傳動原設(shè)計電機轉(zhuǎn)矩為0.2N?m，中心距為20mm，經(jīng)過MATLAB軟件優(yōu)化工具箱優(yōu)化處理，電機轉(zhuǎn)矩增至0.24N?m，中心距降為15mm，滿足齒根彎曲疲勞強度條件和齒面接觸疲勞強度條件，在保證傳動能力的前提下減速器體積減少了約30%，效能非常可觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭寶乾.ZD型減速器整體結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析[J].煤炭技術(shù)，2010，12（18）.

篇9

對于機械專業(yè)的畢業(yè)生而言，不僅要培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的能力，還要注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用能力、思維開創(chuàng)性和創(chuàng)新性等能力。所以“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”明確要求行業(yè)和企業(yè)必須要深度參與人才的培養(yǎng)過程，學(xué)校也要按照機械行業(yè)的通用標(biāo)準(zhǔn)來培養(yǎng)工程人才，同時要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力，以提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力和社會適應(yīng)性。在機械工程專業(yè)的培養(yǎng)方案與計劃中，現(xiàn)代機械設(shè)計系列課程毫無疑問是與工程實際與工程應(yīng)用聯(lián)系最為緊密的課程，也是將來對機械專業(yè)學(xué)生工程應(yīng)用能力和社會適應(yīng)性影響最大的主干課程，課程包括材料力學(xué)、工程力學(xué)、有限元分析、機械振動、機械設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計與理論、機械結(jié)構(gòu)測試與分析等，這類課程不僅是機械工程專業(yè)本科生與研究生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代設(shè)計方法與工程技術(shù)的重要組成部分，更是非常重要的培養(yǎng)學(xué)生科研水平與實踐應(yīng)用能力的系列課程。課程的培養(yǎng)方案、教學(xué)計劃以及教學(xué)方式嚴(yán)重影響機械專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，也直接影響機械專業(yè)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的成敗與實施效果。

1　利用教學(xué)計劃修訂的契機完善課程體系的設(shè)置

培養(yǎng)方案和教學(xué)計劃是高校根據(jù)不同層次不同專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)規(guī)格所制定的實施人才培養(yǎng)活動的具體方案，一般包括課程體系、教學(xué)計劃、課程教學(xué)大綱等，其核心是課程體系。高校在編制或修訂機械工程專業(yè)的培養(yǎng)方案時，在課程體系的設(shè)計上，要針對社會對機械專業(yè)人才的需求，面向行業(yè)、企業(yè)和現(xiàn)實社會生活，既要注重傳統(tǒng)基礎(chǔ)理論的夯實和前沿專業(yè)科技的發(fā)展，又要注重學(xué)科與課程的系統(tǒng)性和專業(yè)課程的教學(xué)實踐性，還要圍繞企業(yè)的需求和市場的變化，始終保持對市場和企業(yè)的高敏感度，強調(diào)企業(yè)對學(xué)生具備的職業(yè)能力的要求，突出社會對學(xué)生具備的基本素質(zhì)的培育。所以新的機械專業(yè)課程體系，需要對機械設(shè)計系列課程的設(shè)置與安排，作較大的調(diào)整，增加開設(shè)實驗應(yīng)力分析、有限元分析、機械振動、機械結(jié)構(gòu)的測試分析以及優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計類的重要課程，以保證學(xué)生接受到系統(tǒng)全面的現(xiàn)代機械設(shè)計方面的理論和方法，掌握最新的測試技術(shù)與分析手段，使學(xué)生在畢業(yè)后的短時間內(nèi)，就能夠獨當(dāng)一面地運用現(xiàn)代的設(shè)計方法和計算、測試手段解決企業(yè)面臨的具體工程。現(xiàn)代設(shè)計的技術(shù)和方法對學(xué)生的實踐性和動手能力要求較高，所以還要增加實踐教學(xué)所占學(xué)時的比例，安排足夠的時間或較多的機會讓學(xué)生接觸到社會或企業(yè)，以加強專業(yè)技能技巧的實際訓(xùn)練（即職業(yè)訓(xùn)練），培養(yǎng)動手能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，提高實際工作能力，以便一進(jìn)入社會就能很快上手，縮短適應(yīng)時間。

2　利用研究型教學(xué)的機會改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)方式

研究型教學(xué)是教師在教學(xué)過程中通過優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，建立一種基于研究探索的學(xué)習(xí)模式。研究型教學(xué)模式將學(xué)習(xí)、研究、實踐有機結(jié)合起來，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，使學(xué)生能創(chuàng)造性地運用知識和能力，在主動探索、主動思考、主動實踐的研究過程中，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題的一種教學(xué)模式。在研究型教學(xué)中，教師的職能將由“教”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)”。課堂教學(xué)方面，由傳統(tǒng)的單向灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)互動式，要引導(dǎo)學(xué)生自主探究和體驗新知識；課外教學(xué)方面，將教學(xué)與實際結(jié)合起來，通過親身實踐，擴大知識視野，獲得科學(xué)研究的基本訓(xùn)練和研究技能。

機械設(shè)計系列課程研究型教學(xué)的關(guān)鍵是圍繞“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的培養(yǎng)目標(biāo)和要求，培養(yǎng)具有較強的工程素養(yǎng)、工程應(yīng)用能力和實踐動手能力的機械工程師。所以在理論教學(xué)過程中，一方面保證理論體系的完整性；另一方面要提高多媒體課件的質(zhì)量，課件中要增加具體的工程實例，注重引導(dǎo)學(xué)生注意身邊的工程問題，鼓勵學(xué)生參與提煉工程主題，并將教學(xué)重點內(nèi)容提煉成具體的工程主題，引導(dǎo)學(xué)展開課堂討論，并根據(jù)所學(xué)的知識提出解決問題的方法，這樣可以將抽象的理論與具體的工程背景結(jié)合，使抽象的工程問題變得豐滿有趣，從而強化學(xué)生的工程概念與背景。在實踐教學(xué)過程中，要想方設(shè)法創(chuàng)造條件和機會讓本科生走進(jìn)企業(yè)，讓碩士生進(jìn)入研究生工作站。目前第一批參與“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的高校普遍提出校企聯(lián)合培養(yǎng)工程技術(shù)人才的模式，讓學(xué)生有半年以上的時間在企業(yè)實習(xí)或參加社會實踐，學(xué)生在企業(yè)的學(xué)習(xí)任務(wù)主要是培養(yǎng)他們的工程實踐能力，養(yǎng)成工程創(chuàng)新的意識。在企業(yè)學(xué)習(xí)階段安排的教學(xué)環(huán)節(jié)包括認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)、部分基礎(chǔ)課和專業(yè)課的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等，甚至還可以讓學(xué)生在企業(yè)進(jìn)行1周至3個月的中短期課程學(xué)習(xí)或者工程實踐。這種校企合作培養(yǎng)的做法基本與歐洲應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)的培養(yǎng)模式相似，可以使畢業(yè)生將來能夠很快的適應(yīng)社會、適應(yīng)工作崗位，從而減少畢業(yè)后重新培訓(xùn)與學(xué)習(xí)的時間，縮短適應(yīng)周期。

3　利用參與項目的機會培養(yǎng)學(xué)生的工程背景與素養(yǎng)

目前很多機械專業(yè)畢業(yè)生進(jìn)入工作單位，都需要較長時間的重新學(xué)習(xí)與適應(yīng)，才能具備基本的工程素養(yǎng)與概念，還要再經(jīng)過更長時間的鍛煉才能具有現(xiàn)代設(shè)計的科研能力與水平，才能獨立開展科學(xué)研究和解決具體的工程實際問題。這個過程往往需要2～5年的時間，使得企業(yè)既浪費人力又浪費財力。造成如此現(xiàn)狀的原因主要在于學(xué)生參與的項目或課題很少，不能真正將學(xué)到的知識應(yīng)用于解決具體的工程問題，所以在學(xué)校學(xué)習(xí)階段，需要注重讓學(xué)生參加項目或課題的鍛煉。

學(xué)生可以參與項目是廣義的、多種多樣的，可以是老師所研究縱向和橫向項目的子課題，可以是學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計與論文，可以是教學(xué)過程中提煉出來的工程實例，也可以是學(xué)生在企業(yè)實習(xí)或?qū)嵺`中發(fā)現(xiàn)的工程問題，還可以是生活中與專業(yè)知識有關(guān)的現(xiàn)象，甚至可以參與博碩士研究生的研究課題等等。很多大學(xué)正在實施的“研本1+1引領(lǐng)計劃”，就是研究生根據(jù)自己的專業(yè)知識、研究方向和經(jīng)歷對本科生進(jìn)行一對一的引領(lǐng)，實現(xiàn)對本科生在科技創(chuàng)新和社會實踐的引導(dǎo)。

針對學(xué)生的不同學(xué)習(xí)階段，通過自主選題或?qū)熋}的方式布置與工程實際相關(guān)的一系列項目，把學(xué)生分成若干小組，以組建學(xué)習(xí)小組的形式讓學(xué)生共同進(jìn)行課題的研究，每一小組承擔(dān)相關(guān)的子課題。在教師和研究生的指導(dǎo)下，各小組的學(xué)生經(jīng)過文獻(xiàn)資料的查閱、研究方案的討論、導(dǎo)師的定期輔導(dǎo)、學(xué)生做演示文稿匯報等過程后，獨立或半獨立地進(jìn)行理論分析、實驗測試、仿真計算以及優(yōu)化設(shè)計，最后撰寫課題研究報告并總結(jié)研究的方法與成果，從而系統(tǒng)全面地完成課題的研究工作并以成果的形式予以展現(xiàn)。這一培養(yǎng)過程的顯著特點是將學(xué)生的選擇項目與工程應(yīng)用、生產(chǎn)實際、日常生活緊密接軌，不但能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考與解決問題的能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的“團隊意識”與交流合作的素質(zhì)。最為重要的是，可以通過具體的工程課題，讓學(xué)生得到完整與系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，這也是“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的核心。

4　利用大學(xué)生第二課堂培養(yǎng)創(chuàng)新意識和動手能力

大學(xué)生第二課堂是培養(yǎng)“卓越工程師”的主陣地，也是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識和動手能力的主課堂，對拓展學(xué)生的綜合素質(zhì)起到非常重要的作用。學(xué)生可以選擇參加科技競賽、、參加講座、申報專利、參加科研課題等多種方式來鍛煉自己。

對于機械專業(yè)學(xué)生來說，組織他們參加各種職業(yè)資格考試，例如見習(xí)工程師培訓(xùn)與考試，可以使學(xué)生掌握現(xiàn)代的設(shè)計理念和先進(jìn)的工程設(shè)計與研究方法，增加相關(guān)行業(yè)的基本知識與技能；支持他們參與各級各類的競賽活動，如“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、全國的大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、電子設(shè)計競賽、機械設(shè)計創(chuàng)新大賽、全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽、英語演講比賽等各級各類競賽，可以調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性、創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生潛能，展示學(xué)生的才能；鼓勵他們走進(jìn)開放的工程力學(xué)與現(xiàn)代測試分析實驗室，為學(xué)生設(shè)計若干綜合性和研究型的實驗，在實驗室中培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生使用使用測量設(shè)備與儀器的能力；吸引他們進(jìn)入研究生工作室和機械結(jié)構(gòu)分析研究中心，為學(xué)生提供有限元分析軟件、優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代的分析手段，使學(xué)生掌握先進(jìn)的機械設(shè)計與分析方法；最后，讓學(xué)生參加教師與研究生的項目與課題，提供他們走進(jìn)企業(yè)的機會，參加工程項目的測試、分析與優(yōu)化等綜合型的研究工作，從而增強學(xué)生的工程概念與意識，提高與鍛煉學(xué)生解決工程實際問題的能力，最終提高學(xué)生的社會適應(yīng)性，成為合格的卓越機械工程師。

參考文獻(xiàn)

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[2] 汪木蘭，周明虎，李建啟.以項目教學(xué)為載體制訂先進(jìn)制造技術(shù)卓越工程師培養(yǎng)方案[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010（12）：15-19.

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中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）24-0144-02

一、前言

研究生教學(xué)有其突出的特點，他們中多數(shù)人理論基礎(chǔ)扎實，獲取書本知識能力強。但同時也存在創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力不足、工程應(yīng)用背景不夠的缺點。本人通過十多年研究生教學(xué)的實踐，結(jié)合本學(xué)院研究生專業(yè)方向、課程內(nèi)容針對性強等特點，對如何在研究生教學(xué)改革中突出培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識與工程應(yīng)用能力等問題進(jìn)行了一些改革創(chuàng)新。

二、課程定位及課程特點

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，科學(xué)研究的深入與計算機軟、硬件的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)已成為分析、綜合各類系統(tǒng)，特別是大系統(tǒng)的一種有效研究方法和有力的研究工具，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各技術(shù)領(lǐng)域、各學(xué)科內(nèi)容和各工程部門。仿真技術(shù)已經(jīng)在國防軍事、國民經(jīng)濟、社會生活的眾多領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，國內(nèi)外眾多學(xué)者認(rèn)為，仿真技術(shù)“正在成為與理論、實驗并列的第三種認(rèn)識和改造客觀世界以及科學(xué)研究的手段”，因此仿真技術(shù)

被認(rèn)為是“使能”技術(shù)。計算機仿真技術(shù)是仿真科學(xué)與技術(shù)涉及到的有關(guān)具體仿真技術(shù)中最為基礎(chǔ)的部分，具有綜合性、多學(xué)科交叉等特點。

為了拓寬機械工程專業(yè)基礎(chǔ)，提高培養(yǎng)對象的整體素質(zhì)，更好地適應(yīng)社會對機械工程專業(yè)人才的需求，高校工科專業(yè)的研究生應(yīng)掌握一定的計算機仿真知識與技能。計算機仿真技術(shù)課程是我校機械工程學(xué)院面向所有研究生各專業(yè)方向的研究生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，考慮專業(yè)應(yīng)用需求并結(jié)合教學(xué)實踐情況，課程目的是通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握計算機仿真技術(shù)方面的基本理論，基本知識和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為今后分析、綜合各類工程系統(tǒng)或非工程系統(tǒng)提供一種有力的工具，以便能靈活應(yīng)用所學(xué)的計算機仿真技術(shù)為本專業(yè)工作服務(wù)。

一方面，基于仿真技術(shù)課程的內(nèi)容方法較多，實踐性強的特點；另一方面，授課對象專業(yè)方向較多、授課學(xué)時有限等特點，如何解決在有限的教學(xué)課時內(nèi)講授內(nèi)容繁多的仿真內(nèi)容、對計算機仿真技術(shù)課程進(jìn)行教學(xué)方法和手段的改革探索和實踐，以達(dá)到計算機仿真技術(shù)教學(xué)目標(biāo)。

三、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置和教學(xué)方法的選擇

課程開設(shè)初期，由于只是機械電子工程專業(yè)方向的同學(xué)選修，所以所講內(nèi)容基本針對該專業(yè)方向進(jìn)行設(shè)置。隨著選修人數(shù)的不斷增加，以及選修學(xué)生所屬專業(yè)方向的擴大，專業(yè)方向包括：機械制造及其自動化、機械電子工程、機械設(shè)計及理論、車輛工程、機械工程（專業(yè)學(xué)位）等，基本涵蓋了機械工程學(xué)院的所有專業(yè)方向。

計算機仿真技術(shù)課程涉及多個交叉學(xué)科，緊密相關(guān)的課程包括數(shù)值計算方法、計算機編程、計算機圖形學(xué)、高等數(shù)學(xué)、自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、優(yōu)化設(shè)計等課程。如何講出本課程的特點，并充分結(jié)合相關(guān)課程內(nèi)容，必須在教學(xué)內(nèi)容的選排上下功夫。

項目教學(xué)法是一種以任務(wù)驅(qū)動、以項目為基本教學(xué)單元，將理論教學(xué)和實踐教學(xué)有機融合在一起，強調(diào)綜合能力的培養(yǎng)在研究生教育中的重要性，突出學(xué)生在整個教學(xué)過程中的主體地位。因此，為了滿足各個專業(yè)方向?qū)W生的要求，使他們能夠掌握一門工程分析技術(shù)，為后續(xù)的學(xué)術(shù)論文和碩士學(xué)位論文的撰寫提供計算、分析和仿真手段，本人在講授該門課程的過程中，逐年對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)考核方法等不斷進(jìn)行調(diào)整和完善。

1.采取項目專題方式進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的講授，調(diào)整授課內(nèi)容，采用專題教學(xué)方法使課程主題內(nèi)容分明，有利于將仿真方法講深、講透。

2.擴展所授課程內(nèi)容涵蓋的范圍，包括數(shù)值計算、優(yōu)化設(shè)計、圖形可視化、控制系統(tǒng)特性仿真、控制系統(tǒng)設(shè)計以及與外部軟件的接口等內(nèi)容，以滿足各專業(yè)方向?qū)W生的需求。

3.增加與課程相結(jié)合的實驗教學(xué)內(nèi)容。計算機仿真技術(shù)本來是實踐性很強的綜合性技術(shù)，仿真技術(shù)本身是在對控制系統(tǒng)分析的過程中不斷完善和發(fā)展起來的。因此并結(jié)合各個專業(yè)研究生的不同研究方向，靈活設(shè)計若干個專題實驗，使學(xué)生學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生將該門課程應(yīng)用于實際工程的能力。

4.采用多個工程應(yīng)用實例進(jìn)行教學(xué)，從系統(tǒng)應(yīng)用、數(shù)學(xué)建模、仿真建模、模型求解以及特性分析等，使學(xué)生從生產(chǎn)實際認(rèn)知的研究對象，提升到理論高度的學(xué)習(xí)，應(yīng)用所學(xué)的各科理論知識和技術(shù)手段，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、仿真建模的建立，并對模型求解以及特性進(jìn)行分析，獲得直觀結(jié)果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，最終解決實際工程問題，培養(yǎng)學(xué)生解決工程實例問題的能力。

5.結(jié)合學(xué)科前沿，進(jìn)行課堂討論。研究生在初步掌握了對系統(tǒng)的模型、仿真算法設(shè)計、仿真及結(jié)果分析這一流程后，為強化計算機仿真在實際工程的應(yīng)用概念，在此基礎(chǔ)上，以項目形式，開展課程學(xué)科前沿以及⒏妹趴緯逃胂執(zhí)技術(shù)融合等專題討論。

6.增加實驗環(huán)節(jié)，培養(yǎng)研究生工程實際應(yīng)用能力。利用各種平臺，擴充計算機仿真技術(shù)資料，提供最新的仿真案例，結(jié)合教學(xué)團隊的科研課題，設(shè)計實驗項目，培養(yǎng)研究生工程實際應(yīng)用能力。

四、項目教學(xué)法的教學(xué)效果

基于項目教學(xué)法計算機仿真技術(shù)課程的教學(xué)方法改革與實踐，滿足機械工程學(xué)院各個專業(yè)方向研究生的需求，教學(xué)方法和手段的完善，使研究生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力等得到了進(jìn)一步的提高。

計算機仿真技術(shù)作為工科研究生的必備研究手段和技術(shù)，使學(xué)生掌握一門工程分析技術(shù)，為后續(xù)的課題研究、學(xué)術(shù)論文和學(xué)位論文的撰寫提供計算、分析和仿真手段。

篇11

1CAD技術(shù)的發(fā)展

CAD(ComputerAidedDesign)是計算機輔助設(shè)計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數(shù)值計算能力，輔助工程技術(shù)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品的設(shè)計與分析，達(dá)到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。自1950年計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)誕生以來，已廣泛地應(yīng)用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領(lǐng)域，產(chǎn)品的設(shè)計效率飛速地提高。現(xiàn)已將計算機輔助制造技術(shù)（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（ProductDataManagement，PDM）及計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一體。

產(chǎn)品設(shè)計是決定產(chǎn)品命運的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計算和圖形處理功能的CAD系統(tǒng)發(fā)展成為結(jié)合人工智能技術(shù)的智能CAD系統(tǒng)（ICAD）(IntelligentCAD)。21世紀(jì)，ICAD技術(shù)將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時代制造業(yè)對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力。

以智能CAD（ICAD）為代表的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)、智能活動是由設(shè)計專家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領(lǐng)域內(nèi)專家設(shè)計的過程，采用單一知識領(lǐng)域的符號推理技術(shù)，解決單一領(lǐng)域內(nèi)的特定問題。該系統(tǒng)把人工智能技術(shù)和優(yōu)化、有限元、計算機繪圖等技術(shù)結(jié)合起來，盡可能多地使計算機參與方案決策、性能分析等常規(guī)設(shè)計過程，借助計算機的支持，設(shè)計效率有了大大地提高。

2三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的優(yōu)點

通過實際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件,筆者體會到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機械設(shè)計過程中具有更大的優(yōu)勢,具體表現(xiàn)在以下幾點:

2.1零件設(shè)計更加方便

使用三維CAD系統(tǒng),可以裝配環(huán)境中設(shè)計新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計新零件,既方便又快捷,避免了單獨設(shè)計零件導(dǎo)致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來,使人一目了然。

2.2裝配零件更加直觀

在裝配過程中,資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系,若裝配不正確即予以顯示,另外,零件還可以隱藏,在隱藏了外部零件的時候,可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個機器裝配模型完成后還能進(jìn)行運動演示,對于有一定運動行程要求的,可檢驗行程是否達(dá)到要求,及時對設(shè)計進(jìn)行更改,避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報廢。

2.3縮短了機械設(shè)計周期

采用三維CAD技術(shù),機械設(shè)計時間縮短了近1/3,大幅度地提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進(jìn)行新機械的開發(fā)設(shè)計時,只需對其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計和制造,而大部分零部件的設(shè)計都將繼承以往的信息,使機械設(shè)計的效率提高了3~5倍。同時,三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計能力,能夠通過快速重構(gòu),得到一種全新的機械產(chǎn)品。

2.4提高機械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量

由于機械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合,同時采用CADCIMS組織生產(chǎn),機械產(chǎn)品設(shè)計有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)計方法,如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設(shè)計、運動方針和優(yōu)化設(shè)計等,保證了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。同時,大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM進(jìn)行機械零件加工,一致性很好,保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

3CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用

3.1零件與裝配圖的實體生成

3.1.1零件的實體建模。CAD的三維建模方法有三種,即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建模功能的CAD軟件中,都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實體造型模塊中,系統(tǒng)提供了六種基本體系,即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體。對簡單的零件,可通過對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,將其分解成若干基本體,對基本體進(jìn)行三維實體造型,之后再對其進(jìn)行交、并、差等布爾運算,便可得出零件的三維實體模型。

對于有些復(fù)雜的零件,往往難以分解成若干個基本體,使組合或分解后產(chǎn)生的基本體過多,導(dǎo)致成型困難。所以,僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此,可在二維幾何元素構(gòu)造中先定義零件的截面輪廓,然后在三維實體造型中通過拉伸或旋轉(zhuǎn)得到新的“基本體”,進(jìn)而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。

3.1.2實體裝配圖的生成。在零件實體構(gòu)造完成后,利用機器運動分析過程中的資料,在運動的某一位置,按各零件所在的坐標(biāo)進(jìn)行“裝配”,這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現(xiàn)。

3.2模具CAD/CAM的集成制造

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,制造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高,從普通機床到數(shù)控機床和加工中心,從人工設(shè)計和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業(yè)正向數(shù)字化和計算機化方向發(fā)展。同時,模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)(RPM)等,幾乎覆蓋了整個現(xiàn)代制造技術(shù)。

一個完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數(shù)控加工、有限元分析、動態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)以工程數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),進(jìn)行統(tǒng)一管理,而實體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來源之一。

3.3機械CAE軟件的應(yīng)用

機械CAE系統(tǒng)的主要功能是:工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、強度設(shè)計評價與壽命預(yù)估、動力學(xué)/運動學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在解決造型問題后,才能由CAE解決設(shè)計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態(tài)特性等。

4CAD前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢

4.1圖形交互技術(shù)

CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具,務(wù)求易學(xué)好用,得心應(yīng)手。一個友好的、智能化的工作環(huán)境可以開拓設(shè)計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。因此,智能化圖標(biāo)菜單、“拖放式”造型、動態(tài)導(dǎo)航器等一系列人性化的功能，為設(shè)計師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術(shù)也正在研究之中。

4.2智能CAD技術(shù)

CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設(shè)計是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動。智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計在運用知識化、信息化的基礎(chǔ)上，建立基于知識的設(shè)計倉庫,及時準(zhǔn)確地向設(shè)計師提品開發(fā)所需的知識和幫助,智能地支持設(shè)計人員，同時捕獲和理解設(shè)計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能,使設(shè)計新手也能做出好的設(shè)計來,現(xiàn)代設(shè)計的核心是創(chuàng)新設(shè)計,人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到CAD技術(shù)中,用智能設(shè)計、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導(dǎo)解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設(shè)計制造,這樣才能使我們的產(chǎn)品、工程和系統(tǒng)有創(chuàng)造性。

4.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在CAD中已開始應(yīng)用,設(shè)計人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品,可以從人機工程學(xué)角度檢查設(shè)計效果,可直接操作模擬對象,檢驗操作是否舒適、方便,及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運動機構(gòu)的碰撞等問題,及早看到新產(chǎn)品的外形,從多方面評價所設(shè)計的產(chǎn)品.虛擬產(chǎn)品建模就是指建立產(chǎn)品虛擬原理或虛擬樣機的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進(jìn)行加工、測試、仿真和分析,以評價其性能,可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等,基于虛擬樣機的試驗仿真分析,可以在真實產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問題,從而降低產(chǎn)品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術(shù)在電子商務(wù)時代繼續(xù)發(fā)展的一個重要方向.另外,隨著協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、概念設(shè)計面向產(chǎn)品的整個生命周期設(shè)計理論和技術(shù)的成熟和發(fā)展,利用基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術(shù),實現(xiàn)真正的全數(shù)字化設(shè)計和制造,已成為機械設(shè)計制造業(yè)的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]黃森彬主編.機械設(shè)計基礎(chǔ).高等教育出版社.

[2]榮涵銳.新編機械設(shè)計CAD技術(shù)基礎(chǔ)〔M〕.北京:機械工業(yè)出版社,2002.

篇12

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篇13

一、多目模糊優(yōu)化背景與發(fā)展歷史

1. 模糊優(yōu)化設(shè)計的背景

是造價最低,或是達(dá)到某一專項目標(biāo),或是同時達(dá)到幾項目標(biāo)但在設(shè)計過程中,時常會遇上大量的模糊概念,如/重量不超過...0!/體積不大于...0等等由于缺乏處理手段和方法而把這些概念當(dāng)成確定性量來對待,這樣把設(shè)計的約束條件和目標(biāo)函數(shù)人為簡單化,以至于設(shè)計結(jié)果不符合要求隨著設(shè)計學(xué)的發(fā)展,大量的模糊信息需要定量描述,使設(shè)計達(dá)到真正的優(yōu)化目的"在普通優(yōu)化的基礎(chǔ)上引入模糊數(shù)學(xué),建立在模糊集理論基礎(chǔ)上的模糊優(yōu)化設(shè)計方法產(chǎn)生了模糊優(yōu)化設(shè)計為解決具有上述模糊概念的優(yōu)化問題提供了可行的方法和有效的手段模糊優(yōu)化設(shè)計的概念首先是別爾曼和扎德提出來的,提出的背景主要有以下幾個方面:(l)事物間的差異中介過渡給事物帶來模糊性;對事物研究的定量化會遇上大量模糊因素:所研究的事物涉及多方面的模糊因素;以及在計算機應(yīng)用領(lǐng)域中會考慮對模糊信息的識別和處理等等"這些都會給優(yōu)化設(shè)計帶來大量的模糊因素,導(dǎo)致模糊優(yōu)化問題的出現(xiàn)(2)對于一項工程設(shè)計會發(fā)現(xiàn)設(shè)計比分析涉及的因素更多,尤其是人文因素例如,一種新產(chǎn)品的設(shè)計,不僅要滿足工作要求和技術(shù)性能指標(biāo),而且經(jīng)濟!可靠!使用條件性也是不可忽視的因素其實,優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展也是向多方面發(fā)展,已經(jīng)打破了原先只在物理!幾何性質(zhì)上做文章的格局當(dāng)今社會的發(fā)展以人為本,在理工科高等教育中加強人文知識教育也是為了使理工科研究不能脫離人文,所以人文因素已經(jīng)滲透于整個設(shè)計過程"人文因素的模糊性是優(yōu)化設(shè)計遇到的主要問題,必會產(chǎn)生模糊優(yōu)化的問題顯然,模糊優(yōu)化設(shè)計的產(chǎn)生是優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域的一次革命,大大地促進(jìn)了優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展,為解決優(yōu)化設(shè)計中出現(xiàn)的問題提供了理想的方法。

2模糊優(yōu)化設(shè)計的產(chǎn)生和發(fā)展歷史

隨著科學(xué)與科學(xué)研究的發(fā)展,從物理發(fā)展到事理,從物態(tài)進(jìn)展到事態(tài)的研究,傳統(tǒng)的經(jīng)典數(shù)學(xué)已顯得蒼白無力,或者說過去那些與數(shù)學(xué)毫無糊數(shù)學(xué)誕生于1965年,美國加利福尼亞大學(xué)控制論專家查德教授(LA.zdahe)發(fā)表了著名論文-下uzyzsets0(模糊集合),提出模糊集合的思想,給出模糊現(xiàn)象的模型!模糊問題的定量表示方法及數(shù)學(xué)處理方法"他指出,刻畫一個模型集合時,不必指明哪些元素屬于它,哪些元素不屬于它,只需對給定范圍內(nèi)的各元素確定一個"到1之間的實數(shù),用它表明這個元素以多大程度屬于這個集合,這個數(shù)就叫作該元素對這個集合的隸屬度"例如,30歲的人肯定不算老年,他對/老年人0這個概念的隸屬度為仇50歲的人屬于/老年人0的程度近于0.5;70歲的人為老年人,他對/老年人0的隸屬度為1"這說明/中年0和/老年0的概念是相互粘連的,它們之間沒有一條絕對分明的界限,而是有一個連續(xù)過渡的過程"查德正是用隸屬度這個概念表現(xiàn)處于中介過渡的事物對差異一方的傾向程度,這就是他創(chuàng)立模糊集合論時提出的新思想"模糊集合論把原來某元素對于集合要么/屬于0,要么/不屬于0的確定性關(guān)系,推廣到元素對于集合按/一定程度0/屬于0或/不屬于0的確定關(guān)系(即在一定程度上/屬于0或/不屬于,.)以此就標(biāo)志了模糊理論的產(chǎn)生,模糊數(shù)學(xué)就是從數(shù)學(xué)上來刻畫和研究客觀世界中存在的模糊量,即從量上來描述模糊現(xiàn)象,并以之為突破點建立了研究模糊現(xiàn)象的基本理論模糊數(shù)學(xué)是研究和處理模糊性現(xiàn)象的數(shù)學(xué)所謂模糊性,是指客觀事物在中介過渡時呈現(xiàn)的概念劃分上的不確定性,即/亦此亦彼0性客觀世界中存在著大量的模糊性現(xiàn)象,它們很難找到明確的界限,這樣的概念叫做模糊概念模糊概念不是不科學(xué)的概念,它大量地存在于物理學(xué)!化學(xué)和生物學(xué)中,在經(jīng)濟和人文科學(xué)中表現(xiàn)尤為突出,人腦的識別!判斷以及概念的形成過程都具有模糊性為了描述模糊概念,滿足各門學(xué)科的數(shù)學(xué)化!定量化要求,這就是模糊數(shù)學(xué)產(chǎn)生的思想基礎(chǔ)"隨著模糊數(shù)學(xué)的誕生,一種全新的模糊論方法學(xué)也就發(fā)展起來了"模糊論是建立在(l)事物的不確定性(隨機性和模糊性);(2)廣義設(shè)計中的模糊性,即定量地研究從狹義設(shè)計到廣義設(shè)計中,必然要遇到大量的模糊概念:(3)復(fù)雜化和精確化之間的矛盾"模糊數(shù)學(xué)由于打破了形而上學(xué)的束縛,即認(rèn)識到事物的/非此即彼0的明晰性形態(tài),又認(rèn)識到事物的/亦此亦彼0的過渡性形態(tài),因此模糊理論的產(chǎn)生就在數(shù)學(xué)領(lǐng)域本身以及許多的實用領(lǐng)域里得了廣泛迅速的發(fā)展和應(yīng)用模糊理論是在模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新學(xué)科,經(jīng)過近些年來的發(fā)展,己經(jīng)形成為一門新的應(yīng)用技術(shù)學(xué)科,到20世紀(jì)90年代,己經(jīng)形成了具有完整體系和鮮明特點的模糊拓?fù)鋵W(xué)!框架日趨成熟的模糊隨機數(shù)學(xué)!模糊分析學(xué)以及模糊邏輯理論,并滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域,如:人工智能!管理信息!機械制造!自動化控制等等,應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

二、多目模糊優(yōu)化設(shè)計優(yōu)點:

(1)優(yōu)化設(shè)計方法能夠加速設(shè)計進(jìn)度,節(jié)省工程造價優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計相比較,一般情況下,對簡單的構(gòu)件可節(jié)省工程造價的3一5%,對較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可達(dá)10%,對新型結(jié)構(gòu)可望達(dá)2000/(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有較大的伸縮性作為優(yōu)化設(shè)計中的設(shè)計變量,可以從一兩個到幾十,上百個"作為優(yōu)化設(shè)計的工程對象,可以是單個的構(gòu)件,整個建筑物甚至建筑群設(shè)計者可以根據(jù)需要和本人的經(jīng)驗加以選擇0的大小,為設(shè)計者進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計指出方向"(4)某些優(yōu)化設(shè)計方法(如網(wǎng)格法)能夠提供一系列可行設(shè)計直至優(yōu)化設(shè)計,為設(shè)計者決策時提供方便(5)設(shè)計者能夠利用優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)一步貫徹設(shè)計意圖"例如在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中,若設(shè)計者在設(shè)計中想相對的少用些鋼筋,多用些水泥,只要修改一下目標(biāo)函數(shù)就可以了"

三、多目模糊優(yōu)化設(shè)計

1.多目模糊優(yōu)化設(shè)計

具體說來,就是給出該問題的數(shù)學(xué)模型"模糊優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型和普通優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型一樣,也是從設(shè)計變量,目標(biāo)函數(shù)和約束條件這三方面給出的模糊優(yōu)化的設(shè)計變量,仍然是決定設(shè)計方案的!可由設(shè)計人員調(diào)整的!獨立變化的參數(shù)它們或者是決定形狀大小的幾何參數(shù),或者是決定結(jié)構(gòu)性能的物理參數(shù)"這些參數(shù),過去都視為確定性的,但嚴(yán)格說來,大多具有不同程度的模糊性"如結(jié)構(gòu)設(shè)計中的動載系數(shù),抗震設(shè)計中的地震烈度,動態(tài)設(shè)計中的阻尼參數(shù)等它們很難由一個確定的值來給出,都有一個從完全是到完全非的中介過渡過程,都具有不同程度的模糊性模糊優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),仍然是衡量設(shè)計方案優(yōu)劣的某一個指標(biāo)(單目標(biāo)函數(shù))或某幾個指標(biāo)(多目標(biāo)函數(shù))/優(yōu)0和/劣0本身就是個模糊概念,沒有一個確定的界限和標(biāo)準(zhǔn)通常,我們說:要使某項指標(biāo)達(dá)到某個值附近,或達(dá)到某一范圍,或越小越好等等實際上,都說的是目標(biāo)函數(shù)的模糊性另外,由于目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計變量的函數(shù),當(dāng)考慮了設(shè)計變量的模糊性時,目標(biāo)函數(shù)也必然是模糊的"模糊優(yōu)化的約束條件,仍然是限制設(shè)計變量取值的條件,也即是設(shè)計方案所必須滿足的條件"這些約束條件.

2. 拓?fù)鋬?yōu)化方法

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計是現(xiàn)代創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)域中的重要核心技術(shù)與定量設(shè)計方法,是傳統(tǒng)的尺寸設(shè)計和形狀設(shè)計的擴展與延伸它的基本原理是在給定材料重量的條件下,通過優(yōu)化設(shè)計與數(shù)值求解過程獲得具有最大剛度的結(jié)構(gòu)布局形式及構(gòu)件尺寸自1988年丹麥學(xué)者Bnedsoe與美國學(xué)者Kikuhci提出結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計基本理論以來可以說近二十年間結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化"基于結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的剛度一重量一振動多準(zhǔn)則優(yōu)化,研究使用保凸近似與凸規(guī)劃建立快速有效極大極小值優(yōu)化算法以及通用非線性廣義加權(quán)法隊將凸規(guī)劃對偶求解算法與結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合并應(yīng)用于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計該研究方向目前已成為國際工程結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)域的研究熱點"目前拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法作為一項關(guān)鍵技術(shù)已應(yīng)用于衛(wèi)星!飛機!汽車的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu),薄壁件結(jié)構(gòu)的加強筋,布局設(shè)計以及微機械系統(tǒng)(MEMs}!柔性機構(gòu)布局設(shè)計等多個領(lǐng)域因此從軍事應(yīng)用及國防需求前景上講,拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法具有直接而廣泛的應(yīng)用價值

3.多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化

1994年,Kroo與Balling!sobieski等人提出了協(xié)調(diào)優(yōu)化(eo),1997年,工甲peta和Rneuad將該方法修正后用于解決多目標(biāo)優(yōu)化問題并對該方法的三種不同的版木做了比較"這種方法的中心思想是:把多目標(biāo)問題劃分成一個個的次問題,然后逐步優(yōu)化,直到最終得到優(yōu)化解"

4.模糊優(yōu)化方法

1992年,Allne探討了一種能夠非常有效地求解分層設(shè)計問題的模糊優(yōu)化方法,顯示了該方法解決綜合優(yōu)化設(shè)計問題的優(yōu)點該方法就是利用模糊集理論,構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)!約束函數(shù)和設(shè)計變量的隸屬函數(shù),進(jìn)而轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化考慮模糊因素的設(shè)計問題有以下好處:1使用模糊關(guān)系描述某此問題比確定性描述更準(zhǔn)確;o考慮問題的模糊性能有效地拓展求解空間;