時間：2023-05-24 08:52:15
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發表網為您精選了8篇機械優化設計，愿這些內容能夠啟迪您的思維，激發您的創作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
1.優化設計可以最大限度地節約設計開支和成本，提高企業的經濟效益
雖然隨著機械設計技術的進步以及管理流程的簡化，新時期的機械設計成本開支已經有所降低，但是仍然有可以壓縮的空間。需要注意的是，運用優化設計的方法對機械設計的成本開支進行削減，要基于保障設計質量的前提；倘若成本的控制要以犧牲質量為代價，則這樣的控制手法必須果斷舍棄。在機械設計中采取優化設計路線，能夠減輕前期和設計過程中的成本開支，為設計單位節省一筆不小的資金。優化設計的最佳方案往往是符合設計流程的，是可以發揮出現有材料、設備和人員最大能量的，所以不需要額外耗費多余的人力、財力和物力。因此，優化設計能夠節約機械設計的開支成本是有科學依據和理論基礎的。
2.優化設計可以提高機械產品的科技附加值，從而提高產品的競爭力和提高企業的經濟效益
機械設計的產品是一種自然屬性但是具備商業價值的“商品”，這就必然要與市場發生關聯。同時，優化設計方法在機械設計中的應用，能夠增加機械產品的科技含量和技術附加值，大大提高產品的市場競爭力。例如，隨著現代科技的發展以及相互之間融合度越來越高，機械設計的產業化正在形成，即機械設計可以作為一個單獨的工程鏈條存在。如果把機械設計的產品作為一個普通商品看待，這種商品必須是價格最低、質量最好、科技含量最高的，這樣該產品才能在市場中取得占有率，企業才能因此獲取利益最大化。所以，機械設計企業都在努力追求“這樣的機械產品”，而這樣的產品往往需要通過優化設計來實現。
優化設計為機械設計產品的技藝提升、附加值增大提供了全新的路徑，也為機械設計單位和企業的發展增添了新的利潤增長點。例如，隨著信息技術、計算機技術、材料技術、液壓技術、加工制造工藝的不斷發展和成熟，機械設計的每一個環節都會有一種或多種新技術的注入，最終的機械產品往往“飽含科技”，其技術附加值自然可以達到一個高位。類似這樣的高附加值機械產品，在市場中的價格是可以預見的，企業因此帶來的收益也很高。由此可見，優化設計對于當今的機械設計的重要性。
二、實現機械設計優化設計的有效策略
優化設計可以為機械設計提供質量和效益的保證，因此必須引入科學有序的優化設計方案，使之產生明顯的效果。從當前的情況看，機械優化設計可以從如下角度考量。其一，機械設計的一維搜索優化方法，這種方法也是當前機械設計優化方法的最典型代表，以數學函數為理論基礎，透過搜索區間的確定，來保證優化方案的有效性。一維搜索方法是一維問題的最基本方法，也是多維機械設計的基礎方法。
眾所周知，機械設計大都是多維的，很少有一維的情況，但是這恰恰說明了一維的重要性和基礎。就好比數學中的從0到9的10個數字，它們構筑了數學的基礎，成為數學的理論“細胞”。一維搜索方法在機械設計的應用，往往直接影響優化設計問題的求解速度。其二，機械優化設計會用到約束優化方法和無約束優化方法。在機械優化設計中，經常使用的是約束優化的方法。除此之外，機械優化設計還可以通過線性規劃方法、多目標及離散變量優化方法來實現。總之，諸多優化方法的存在和操作為機械優化設計提供了多元化的路徑。（本文來自于《黑龍江科學》雜志。《黑龍江科學》雜志簡介詳見。）
三、結語
關鍵詞：優化設計；農業機械；應用研究
1優化設計在農業機械設計中應用的意義
要提高我國農機產品的質量，就要大力提高農機生產制造水平和設計水平，對傳統的農機產品設計進行改進。傳統的農業機械零部件設計一般采用經驗類比，通過力學簡單計算來完成。傳統的設計優化方式對設計人員的經驗要求較高，很多創新設計和優化設計都缺乏數據支持，過度的設計導致機械綜合性能提高的同時，制造成本大幅上升。
2優化設計的基本思路
優化設計是從若干種可行性方案中擇優選出一種最佳的設計方法，這種選擇是以初始數據為基礎，采用計算機技術聯合實現的。優化設計對軟件計算能力和模型構建能力有較高的依賴，近年來隨著計算機科技的不斷發展和軟件開發能力的不斷提高，計算機在機械設計中發揮了重要的作用。同時，計算機的發展也使優化設計理念得以實現，優化設計的思路也越來越開闊。
3計算機軟件在優化設計中的應用
要實現優化設計在農業機械設計中的應用，先進的軟件技術是必不可少的。設計軟件是設計者的工具，對于農業機械設計者來講，能夠熟練應用軟件完成虛擬制造、實驗和測試，對參數進行分析，是實現農業機械優化設計的必要因素[2]。
3.1ANSYS軟件
ANSYS軟件是一種大型有限元分析軟件，由美國ANSYS公司研發，這種軟件能夠與多種計算機輔助設計軟件實現數據的共享和交換，被普遍應用于汽車工業、建筑橋梁等方面設計中。
3.2ADAMS軟件
ADAMS軟件是一種對機械系統動力學進行自動分析的軟件，由美國機械動力公司開發，通過ADAMS軟件，能夠建立機械系統幾何模型，對虛擬機械系統進行動力學分析，預測機械系統的性能、碰撞加速和運動范圍等[3]。
4優化設計在農業機械設計中的應用
4.1幾何模型的建立
結合設計零部件的特征、材質和其他約束條件，通過Pro/E軟件進行幾何模型的建立，本次研究基于Pro/E軟件應用的基礎上，采用旋轉建模的方法，建立齒輪軸模型。齒輪過渡段圓的半徑R=8.6mm。
4.2模型材料屬性設置
模型材料屬性包含材料材質、密度、彈性模量、泊松比等。
4.3約束與載荷
齒輪的驅動軸兩端，靠的是軸承作為支撐，加載載荷較為復雜，本文通過兩種方式加載扭矩，一種是通過運動學模塊進行扭矩分析，分析的受力情況信息傳遞到結構分析模塊中；一種是取相近的加載扭矩數值輸入到結構分析模塊中。經過判定，本文采用第二種方式。沿著軸向建立起圓柱坐標系，加載圓柱面的殼，厚度取值1mm，這種取值也是為了便于分析，然后找到扭矩加載點，進行扭矩加載。這個環節需要注意，驅動力矩要在軸的中部位置加載，扭矩為8600N.mm，在軸的兩端加阻力扭矩，兩端本別為4300N.mm。
4.4模型分析
在模型分析環節中，完成受力和約束參數設置后，在利用Pro/E軟件進行靜態模型構建，然后對靜態模型進行相應的分析。通過軟件對構建模型的分析結果可以確定，最大的應力為16.7N/mm2,而設計所用材料材質為45號鋼，最大的屈服應力能夠達到350N/mm2以上，鋼材的屈服應力范圍遠遠大于設計零部件的最大應力，可見在尺寸選擇中相對比較保守。
4.5設計參數的建立
設計的過程主要是模型建立的過程，而在模型建立的過程中，設計者將要建立許多參數，其中包括物理性能參數、結構設計參數等，這些參數代表著所用材料的基本屬性和要達到的設計性能，當參數發生了變化，建立的模型性能也將隨著發生變化。如果針對所有參數進行優化，將增加設計過程中龐大的計算量，這樣就需要設計者對這些參數進行優選，結合不同參數對模型的影響程度，和對設計部件的使用性能的影響，可以優先選擇對模型性能影響最大的參數設置，這種處理方式，也體現出優化設計的理念，實現參數選擇上的優化，最有效的、影響最大的參數信息將被利用，而影響較小的參數將被忽略。在本次分析案例中，將過渡段尺寸參數當做設計變量，設計變量的初始值為8.6mm。
4.6優化設計
在農機設計中采用優化設計的目的在于能夠實現通過模型的各項功能計算和設計，達到降低成本，能夠發揮最優性能。在優化設計的過程中，要對具有影響效果的約束條件和各類參數進行設置。本案例設計中，滿足各項受力條件下，所使用的材料質量最小，采用過渡段半徑作為設計參數，部件的最大應力小于材料許用應力。本案例中選擇的45號鋼，最大的屈服應力大于350N/mm2，安全系數設定為3.0，軸最大應力＜114N/mm2，結合各參數和約束條件，從而分析出最優的結果。
關鍵詞：優化設計；機械設計；效率；最佳方案
我國在工程運用中都取得了非常大的進步與很好的成效,然而和國外的先進優化技術相比還是有非常大的差異,在現實工程中能夠起到作用的優化設計方案或者是設計結果所占據的比例并不是非常的大。計算機等輔助裝備性能的不斷增強、加之市場與科技的雙重推進，使優化技術能夠在機械設計與制造中的運用得到了迅猛的發展,遺傳算法、粒子群法以及神經網絡等其它一些智能的優化方法在優化設計中也得到了非常廣泛的引用。現代機械正向著大型化、復雜化的方向發展,傳統優化設計方法在實際工程的運用中逐漸顯表現的有些單調與乏力，已經不能滿足產品不斷創新的需求,機械優化設計急需創新和發展。
1機械優化設計中的相關定義
優化設計能夠展示出人們對于設計規律這個客觀世界認知的深化。設計上的優化值具體是指在特定條件的影響下能夠取得的最佳設計值。最優值是一個比較相對的概念,其和數學上的極值相比還是有很多不同的。
2機械優化設計研究內容
機械優化設計是一種比較科學、現代化的設計方式,而且是“最優”的。此處的“最優”也是相對而言的,伴隨科技的不斷發展以及設計條件不斷變化,最優的標準也隨之改變。優化設計體現了人們對于客觀世界認知的深化,需要人們按照事物發展的客觀規律,在特定的物質基礎與技術情況下完全發揮人的主觀能動性,獲得最好的設計方案。
2.1優化設計與傳統設計的區別
優化設計的最終目的就是最優設計，運用數學手段創建能夠達到設計目的的優化模型；在大量能夠實施的設計方案里面選擇出最好的設計方案；其所運用的手段就是計算機，計算機具有非常快的運算速度，可以從數量較多的方案中挑選出“最優方案”。即使在建模的時候需要進行合適的適簡化,或許會導致所得到的結果不是完全可行或者是實際最優的，然而它是以客觀規律與數據為基礎的，不需要太多費用，所以其具備了經驗類比或者是試驗手段所沒有的特征。傳統設計同樣也追尋著最優的結果，經常是以調查分析為基石，根據設計需要與實踐經驗，參照相似的工程設計,經過估算、經驗對比、試驗以及構思、評價、再構思、再評價的尋優步驟來選擇設計方案，接下來需要剛度、強度以及穩定性等其它方面進行計算。經有關實踐可以看出，傳統的設計還要大量不足之處需要改善，并且最后的結果基本上離不開初始設計的試驗范圍。
2.2優化設計所研究的內容
優化設計首先需要選擇設計變量、制定目標函數、列出約束條件以及構建優化模型,其次是選用比較合適的優化方法進行優化求解,其主要包含了建模與求解。建模的要求:了解與把握優化設計方法的基本理論知識、設計問題抽象與數學模型處理的基本技能；具備此領域豐富的專業知識與設計經驗。
2.3機械優化設計特點
機械優化設計其實就是將計算方法與數學規劃理論運用到機械設計中去，按照所設定好的目標，憑借電子計算機的運算尋找最佳設計方案的相關參數，進而能夠獲得更大的技術經濟的成效，其具備了普通的機械設計所沒有的特征。主要體現在以下幾個方面：能夠減少機械產品的成本，增強它的性能。
2.4機械優化設計基本思路
在保證基本機械性能的基礎上，依托計算機,運用部分具有較高精度的力學與數學規劃方法來進行計算。機械優化設計的步驟：對設計變量進行分析，提出目標函數，確定約束條件，建立優化設計的數學模型；選用合適的優化方式，編寫優化程序；準備所需要使用的初始數據并且上機進行計算，對計算所得到的結果進行必要的驗證。
3機械優化設計方法
優化準則法針對不同類型的約束、變量以及目標函數等需要導出完全不一樣的優化準則,通用性非常差,并且基本上都是近似最優解；規劃法需要經過大量的迭代、不斷進行分析，需要花費大量的資金，這在很大程度上限制了它在實際工程優化設計中的宣傳運用。現代化的機械設計復雜程度越來越高,傳統的優化算法已經不能跟上時代的潮流。
3.1遺傳算法
遺傳算法最是早由美國密歇根大學的Holland教授所提出的，是模擬生物進化的過程、高度并行、隨機以及自適應的全局優化概率搜索算法。其根據獲得最大收益的原則進行隨機搜索,不需要使用任何梯度信息,就能夠獲得全局最優解,具備非常強的靈活性、通用性與全面性；其缺點就是不能夠確保下一代比上一代要好。在1980年的時候，被大量的運用到函數優化與人工搜索等其它方面，在最近的幾年里更多的是被運用到工程優化設計中，其主要適合設計變量比較少的情況使用。
3.2粒子群算法
Kennedy和Ebehart在1995年的時候提出了模擬鳥群覓食環節的粒子群法，從一個優化解集進行搜索，經過個體之間的相互競爭與合作，實現復雜空間中最優解的全局搜群法與遺傳算法相比，容易實現、原理簡單以及有記憶性，不需要進行變異與交叉操作，需要調節的參數并不是非常的多，收斂的速度很快，算法所獨有的并行搜索不僅能夠降低陷入局部極小的可能性，進一步提高了算法的性能與計算的效率。目前，其已經被應用到了對目標函數進行、對優化動態環境進行優化與神經網絡訓練等其它方面，然而運用在機械優化設計中的研究還是非常少的。
4案例分析
內燃機連桿結構的最優化設計。運用傳統的設計是很難使得連桿達到不但要輕而且又非常可靠的目標，而選用最優化方法并結合采用有限元法數值計算技術對連桿結構進行分析，則可圓滿完成這一任務，并得出連桿最優化設計后的結構形狀。在連桿結構的最優化設計計算中，每向最優方案前進一步，都需要對連桿結構進行有限元研究，其主要目標就是為最優化的設計提供變形、應力以及疲勞安全系數等相關信息。運用有限元的方式對連桿結構在全部720°循環的過程中做動態分析，會獲得非常好的效果，然而這就會導致會有一個非常繁瑣的計算過程，需呀花費大量的時間。所以，在最優化過程中可配合使用計算比較方便、結果也比較準確以及花費時間比較少的最大拉、壓工況下的有限元靜力分析，而后對連桿上應力、變形最大及疲勞安全系數最小的特征部位的計算結果進行動態修正。修正值可通過對連桿最優化設計初始方案的動態分析或對已有連桿的動應力電測得到。
5結語
機械優化設計為機械工程界創造了巨大的經濟財富，伴隨科技手段的不斷更新，優化設計的發展具有非常廣闊的前景。目前的優化正逐漸的發展成為多學科的優化設計，完全運用最先進的計算機技術。虛擬設計技術是未來發展的重點，仿真技術也逐步向著協同化與系統化的方向不斷發展。目前依然處在理論探究階段的結構拓撲優化、結構動態性能優化設計、智能算法優化設計、可靠性穩健設計、柔性機械優化以及綠色優化等都是未來機械優化設計的重點發展方向。然而我們依然需要注意的是，在逐漸增強優化技術水平的同時，國內的機械加工的工藝水平、制造技術以及加工手段也需要同步增強，否則機械的整體水平依然會停在原地。這不但要引入先進的加工技術，更為重要的是不斷增強加工設備自身的性能，特別是數控機床的加工水平。增強與國際技術發達國家之間的溝通與合作，軟、硬件技術共同提升，以期達到機械設計——加工一體化的目的。
作者:張鑫 單位:西京學院
參考文獻:
關鍵詞：機械優化設計；理論；方法
隨著現代社會科學技術的發展，機械設計領域的概念和思維方式也在不斷發生變化，機械設計能夠在一定程度上反映出社會群體對客觀世界的認知，并且遵循客觀事物的發展規律來開展優化設計。因此加大力度探討機械優化設計理論方法，能夠為機械優化設計的未來發展指明方向。
1 機械傳統設計與優化設計的對比
機械優化設計是基于最優化設計的，主要以數學模型作為優化設計的基本途徑。優化設計的方法及思維屬于優化方法的范疇之內，這種設計思想會使得各種參數順著理想的方向能夠自我調節，在這種模型精確計算的條件下，從各種可行性相對較強的設計方案中擇優選取最佳的設計方案。由于設計方案較多，那么就需要使用電子計算機加以篩選，這主要得益于電子計算機的運行速度非常快，從而從諸多設計方案中篩選出最優方案。雖然在實際的數學建模過程中需要進行一定地簡化處理，可能會導致計算所得的結果與實際值存在一定的差距，但是其基于客觀規律以及數據，又無需花費太高的費用，所以說，這種建模計算的方法具有經驗類比或者試驗途徑不可比擬方面的優勢之處，再加上一定的經驗依據，就能夠獲得一個非常理想的設計結果。雖然傳統設計也追求最優化的設計結果，一般是基于調查、分析，按照實際需求以及實踐經驗，參照類似于工程設計，經估算、類比以及試驗等過程，對尋優過程進行構思、評估、再構思以及再評估等，從而最終確定設計方案，最后開展剛度、強度以及穩定性等方面的計算。然而在傳統設計過程中，存在主觀方面、時間以及工作量過多等方面的影響，由于這些影響因素的存在，使得設計結果的最優化選擇無法正常進行，這些設計結果的計算也僅僅具有校對、核驗以及補充等方面的作用，只能對原有方案的可行性加以證實。傳統設計往往需要花費高額的資金以及人力，而且最終結果也與初始設計試驗范圍差不離。所以說，傳統設計主要受到主觀因素的影響，得到的僅僅屬于滿足最初設計要求的設計結果，并非最優化設計結果。
2 優化設計方法的評判指標
效率要高、可靠性要高、采用成熟的計算程序、穩定性要好。另外選擇適當的優化方法時要進行深入的分析優化模型的約束條件、約束函數及目標函數，根據復雜性、準確性等條件結合個人的經驗進行選擇。優化設計的選擇取決于數學模型的特點，通常認為，對于目標函數和約束函數均為顯函數且設計變量個數不太多的問題，采用懲罰函數法較好；對于只含線性約束的非線性規劃問題，最適應采用梯度投影法；對于求導非常困難的問題應選用直接解法，例如復合形法；對于高度非線性的函數，則應選用計算穩定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內點懲罰函數相結合的方法。
3 機械優化設計理論方法
3.1 準則優化法
在機械優化設計理論方法中，所謂準則優化法，就是指以物理學和力學等原則來構造并優化機械設計的方案，以促進機械優化設計的順利進行。準則優化法在實際應用中具有良好的優勢，其概念直觀性較強，并且計算過程簡便，即便是在約束條件相對較少的條件下，準則優化法的實際優化效率相對較高，因此在工程中具有良好的應用效果。但就機械優化設計的實際情況來看，準則優化法也不可避免的存在一些不足，尤其是在實際應用中，其所考慮的范圍具有一定局限性，一旦實際約束條件較多，會嚴重影響機械優化設計的效率，因此在機械優化設計中，應當對此項因素進行深入衡量和分析，以全面提高機械優化設計的質量和效果。
3.2 線性規劃法
在機械優化設計理論方法中，線性規劃法是基于數學極值的基本原理上所提出的，以目標函數、約束條件以及設計變形的線性優化為主要因素進行分析，以此作為主要的求解方式。線性規劃法中常用的兩種方式是單純形法與序列線性規劃法。
其中單純形法是美國學者所提出的一種具有直觀性的線性問題求解方法。單純形法在機械優化設計中也存在一定不足，極易受到收斂條件、壓縮因子以及擴展因子等多種因素的影響導致難以準確計算出機械優化設計的最優解。因此為保障機械優化設計的實際效果，應當全面衡量各項因素，包括初始單純形的各頂點線性獨立情況以及新單純形構成后對實際收斂情況進行準確的驗算，并嚴格檢查計算結果是否滿足相關精度要求，從而全面提高機械優化設計的質量和效果。
序列線性規劃法則相對簡單，主要是在初始位置將目標函數集約條件進行展開，促使非線性規劃向近似線性規劃逐漸轉化，并對最優結果進行求解，并采取科學合理的計算方式進行反復求解，直至滿足機械優化設計的精度標準，從而提高機械優化設計的質量和效果。
3.3 非線性規劃法
就機械工程的實際情況來看，大部分機械工程的性質都屬于非線性規劃，隨著非線性程度的不斷加大，難以將其完全簡化為線性問題。非線性規劃正是基于數學極值的原理所開展的機械優化設計，通過無約束直接法、無約束間接法和約束直接法、約束間接法等對優化問題進行不斷求解，以保證機械優化設計的質量和效果。
3.4 現代優化設計理論方法
在機械優化設計中，往往存在不同種類的約束、變量及目標函數，為保證機械優化設計的質量和效果，機械優化準則法能夠結合機械優化設計的實際情況，積極推導出不同的優化準則，但其實際通用性并不理想。規劃法在實際應用中需要進行多次重復驗算，此種情況下往往需投入大量的人力物力資源，并且實際優化設計的效率并不理想，甚至在一定程度上限制了規劃法在現代機械工程項目優化設計中的應用深度和廣度。隨著現代社會科學技術的發展，機械工程中優化設計的難度也不斷加大，有必要積極選取合理的優化設計方法來提高機械優化設計的總體質量和效果。
結束語
總而言之，機械設計優化是基于傳統機械設計理論基礎上所提出的，通過與現代設計方法的協調配合，促進一種科學化的優化設計方法的形成，在機械工程中，有助于改善機械優化設計的質量和效果，促進機械產品達到高質量和高水平。隨著現代社會科學技術的發展，機械優化設計方法也不斷進步，每一種機械優化設計方法都具有各自的特點和應用領域，能夠針對機械產品的性能及其他因素選取核實的設計變量和最優的設計方法，從而促進機械優化設計目標的實現，為機械優化設計的發展奠定堅實的基礎。
參考文獻
[1]吳亞明.機械優化設計的應用發展分析[J].中小企業管理與科技（中旬刊），2015（6）.
1 機械可靠性優化設計的重要性
機械可靠性設計時以成品的可靠性作為基準，將外載力、零部件尺寸、承受能力等各項參數融合起來考慮。然后應用力學理論、概率理論、數據統計學等做出機械可靠性保障方案。傳統機械設計方法又被稱為安全系數法，其在機械可靠性優化設計的時候只要確保安全設計系數大于規定的數值即可，但是在實際應用中機械可靠性設計往往忽略了設計參數的隨機性。因此在實際研究中應注意將力學作為隨機變量，機械可靠性設計中認為各個受力因素會受到環境的影響，因為環境因素也是一個變量，還存在著一定的規律性可循[1]。機械強度受到材料的性能、加工精度、工藝環節的波動等影響，也呈現出一種波動性規律變化。機械可靠性設計的時候，應根據設計的不同的要求選取不同的特征函數，注意在計算的時候應考慮其離散性，使用概率統計方法進行計算求解。機械可靠性設計的時候應考慮到各個參數的隨機分布，還應據此來分析出機械的實際工作狀況。
2機械可靠性優化設計案例
本次機械可靠性優化設計研究選取蝸桿減速器優化設計作為研究的主要內容，一級蝸桿減速器的主要失效形式有：渦輪齒面點蝕、渦輪齒折斷、鍵壓潰、軸折斷、軸承實效等幾類。針對蝸桿進行可靠性優化設計的時候，其優化模型為：Rs=Rcf?Rch?Rz?Rj?Rg。其中Rcf表示蝸輪齒根彎曲疲勞的可靠度；Rch表示渦輪齒面接觸疲勞可靠度；Rz表示輪軸的可靠度；Rg表示滾動輪軸可靠度；Rj表示鍵可靠度。蝸桿減速器進行變量設計的時候，將蝸桿的模數定為m，蝸桿直徑系數為q、蝸桿軸直徑ds、蝸桿頭數zl、傳動比i、渦輪軸長度L。可靠性設計變量表示如圖1所示，其中X={m，z1、q、L、i、ds}。
圖1 蝸桿減速器變量優化設計圖
蝸桿減速器的體積主要受到蝸輪、蝸輪軸、蝸桿等因素的影響，因此取三者的體積作為目標函數：
Minf1（x）=π/4{B2（mz2）2+L1（mq）2+m?（q-2.4）2（0.9mz2-L1）+ds2[L-（1.5ds-B2）]}。其中蝸輪齒寬度為B2=[m（q+2）-0.5m]sina+0.8m。a=50°，a表示蝸輪齒寬度。則根據蝸桿可靠性優化設計相關計算，必須建立相應的約束條件，其中 ，其中式子中的 表示蝸桿允許的接觸應力。蝸輪軸的強度為 。其中式子中的MD表示危險截面積的彎矩均值。
3 機械可靠性設計建議
3.1 權衡和耐環境設計
針對機械進行耐環境和權衡和設計，有利于設計者找出機械相對可靠的設計方案，并對機械的質量、成本、體積以及可靠性等完成優化。耐環境設計主要是基于綜合考慮的一種設計方式，從機械的零部件出發，將零部件的壽命周期內的各種環境考慮進去[2]。
3.2 預防故障設計法
機械設備正常運行與否關系到機械設備的整體運作功能是否在完整的串聯中各自發揮出自身的作用。整體功能大于部分功能將成為機械可靠性設計的重要目標，機械優化設計中首先要重視機械設備的可靠性，并對零部件進行嚴格的需求控制和選擇控制。預防故障法設計中應對選用的零部件和通用不見進行驗證分析，最大限度對故障進行分析。
3.3 簡化以及余度設計優化
機械優化設計中，簡化設計作為一種基礎設計，其設計思路明確，即零部件的數量應盡可能避免冗余，減少故障出現。機械的可靠性優化設計中必須對其錯誤故障進行統計分析，從小故障處理做起盡可能保障機械的可靠性。通過簡化和余度設計優化可以有效提升可靠性生產以及避開故障的能力[5]。簡化優化設計即對機械生產中的一些不必要方式進行優化，減少一些超標負荷承載工作，調整機械各個部件的生產情況。
關鍵詞：機械優化；設計理論；方法研究
引言
機械優化設計在一定程度上是機械領域移植中最優設計，優化設計對機械應該過程有著重要的推動作用。機械設計不僅利于方案的優化設計，能夠把繁瑣的設計問題進一步的簡單化，同時也是機械設計過程中比較重要方案之一。
1.機械優化設計過程中的理論特點
1.1具有一定的針對性
針對機械優化設計而言，其特點在一定程度上具有針對性，相應優化方式能夠對應優化問題，每個不同的優化設計形式不僅具有一定的范疇，同時也具有相應的領域要求。在對機械優化進行設計的過程中，要對情況進行具體的分析，對數據進行參考，對其蘊含變量形式進行有效的考慮，在一定程度上對效果的最佳狀態進行優化。
1.2具有客觀性
客觀性體現主要是在數學模型基礎上進行建立的，在對機械進行優化的過程中，應該注意把一些具體的設計問題進一步的轉換為具體的數學問題。按照可觀性進行分析，對其相應的函數變量進行有效的分析，結合具體形式制定出具體的設計優化形式，對數學模型進行建立，分析機械優化數據，對優化的形式進行不斷的完善。
1.3具有一定的創新性
針對創新而言，它是新時代的新思想，只要擁有創新，社會經濟才能夠在一定程度上不斷的發展。機械在進行優化設計時，也不能夠離開創新思想，優化設計屬于傳統優化設計所優化的結果，針對傳統的優化型設計而言，其設計相對來說比較老舊，不適合現代生活成產中的優化，現代生產過程中的機械優化設計能夠對產品的性能進行主動分析。由于科學時代的發展，人們對計算機應用方式進行不斷的借助，對函數進行大規模運算，通過運算能夠在一定程度上得出機械優化設計中的最優方案。
2.機械優化設計過程中的方法
2.1對準則進行優化
針對準則化而言，它在一定程度上是優化設計過程中一種傳統的表現形式，原理的形成不是根據數學進行計算，而是結合物理學角度以及力學角度等進行有效的分析，具有一定的主觀性。其優點就是對概念進行更加直觀的優化，計算所根據的物理原理相對來說比較簡單，在單一目標函數形勢下有著更加好的優化效果，在一定程度上適合傳統工程的應用。但是有力也有弊，弊端就是在對多目標函數進行優化的過程中，比較容易出現問題，優化效率相對來說也是比較低的。
2.2對于線性規劃
針對線性規劃而言，在一定程度上對數學極值原理的方式進行有效的運用以及優化，是機械優化設計過程中比較重要的方法。線性規劃方法不僅可以分為單純形法，同時還可以分為序列線性規劃法。單純形法一開始是由美國學者進行提出的，是對優化設計方式進行解答的一個簡單和直接的方法，單純形法對單一目標進行相應的分析，并且具有優化的作用，但是在對多函數進行運算的過程中，顯得不是特別有效。序列線性規劃法能夠在一定程度上拆解機械設計問題，對部分優化模式也能夠進行有效的求解，對其進行分步驟的進行求解，在對每部進行解答后在對其進行有效的整合，進行重新求解，最終對準確的數值進行有效的求解。這樣能夠讓機械優化設計過程在一定程度上更具有準確性，但是針對計算形式來說，比較繁瑣，具有較大的計算工作量，因此。效率性的缺少，不利于機械優化設計。
2.3對于非線性規劃
針對非線性規劃而言，在實際生產以及生活的過程中，非線性規劃應用相對來說是比較廣泛的。對機械優化設計過程中起到推動性作用，對線性規劃進行完全運用的解讀的結果是比較片面的，因此非線性規劃運用在一定程度上是一項比較重要的革新方式。非線性規劃在數學模式進行計算的過程中，不僅可以分為無約束直接法，還可以分為無約束間接法。針對無約束直接法在一定程度上主要是對機械優化設計方式中的已有數據進行分析，同時也對再生信息進行試探分析，對最優值形式進行求出。然而無約束間接法在一定程度上是對數學原理進行利用，對函數進行計算求優方式。是機械優化設計過程中比較重要的組成部分。
3.機械在進行優化設計過程中的主要展望
在目前生產生活當中，機械優化設計的應用還不是很廣泛，其原因就是具有較大的建模難度，現今技術模式在進行計算的過程中，顯得比較低，具有較低的準確性，對復雜的優化產品難以進行處理，對全局進行解答都是比較吃力的，所以在進行研究優化的過程中，可以先從簡單的部件進行有效地優化，對優化效率進行不斷的提升。在原有基礎上加入先進的生產技術，對生產優化的方式和方法進行有效的探究，促進系統優化的全面性。
4.總結
隨著經濟時代的不斷發展，計算機應用技術在一定程度上在機械優化設計中得到了比較廣泛的應用，這讓優化設計產業得到了一定的發展。所以，在進行優化設計時，應該注意理論和實踐這兩者的結合，這樣才能夠讓機械化設計得到廣闊的發展空間。
參考文獻：
[1]董立立，趙益萍，梁林泉，朱煜，段廣洪.機械優化設計理論方法研究綜述[J].機床與液壓，2010，15：114-119.
關鍵詞：機械結構；優化設計；應用趨勢
隨著現代科學技術的發展，市場產品競爭也越來越激烈，產品品種的換代速度加快，產品的復雜性在不斷增加。所以產品生產正在以小批量、多品種的生產方式取代過去的單一品種大批量生產方式[1]。而這種生產方式，肯定會縮短產品的生產周期，產品的成本也會降低，產品提高市場的占有率和競爭力也會提高。所以在機械結構設計中采用優化設計是滿足市場競爭的需要。
1 機械結構優化設計方法
目前，機械結構優化設計的應用已經應用到各個領域，很多的機械產品在設計中都會采用優化設計，才用優化設計能解決結構重量擴展到降低應力水平，還還能改進結構性能以及提高產品安全壽命等問題。
對機械結構的尺寸優化設計的應用方法有：用遺傳算法對空間桿桁架的桿截面進行尺寸優化，從而得到空間桁架較好的結構。對一些結構的形狀優化設計方法有：用數值解法計算機械產品的形狀優化，并采用數學規劃的方法進行形狀優化設計。下面介紹下在振動機械優化設計中的對比分析 ：
筋板在連接結構的內壁，能提高其抗彎和抗扭剛度；對開式截面的結構，作用很明顯；而對閉式結構作用影響不大。筋板作為壁板加強時，剛度作用增強，能抵抗局部變形。
無論采用何種優化方法，在迭代過程中求解目標函數和約束函數的值是必不可少的，在一些方法中，需要求解目標函數和約束函數的1階甚至2階偏導數。這些約束函數往往是結構的性能要求，如結構的應力、位移、頻率、穩定性、可靠性等，這些性能經常是設計變量的高階非線性函數。如果采用經典的力學公式能獲得滿足工程要求的結果，則在優化過程中，不斷調用這些公式計算當前函數值或導數值，就可以完成優化迭代。在這樣的方法中，由于函數最終表達為顯式，因而計算所化的時間和存儲量以當前的計算機技術看來是不難做到的。但是，對于復雜的機械結構來說，采用力學公式求解往往就不能勝任了。在有限元等數值方法快速發展的今天，自然被用在機械結構優化的分析中。由于這些數值方法應用廣泛，可以求解結構的各類問題，包括靜力、動力、彈塑性、熱傳導等，因此，隨著計算機的軟件和硬件技術快速發展，在過去經常被視作瓶頸的計算速度和存儲量，對于一般的機械結構優化已經不是太大的問題時，機械結構優化中越來越多地采用數學規劃+數值計算的模式。這種模式最大的優點是適應性好，使用方便，適合各類機械結構優化問題，包括大型桿系結構、三維連續體和板殼結構以及各種載荷和約束條件下的優化設計。但是，隨著優化迭代次數的增加，重分析次數也大幅度上升，尤其對于大規模的結構問題，特別是涉及動力、可靠性問題，如果單次有限元分析的時間就很長，再加上求偏導數時的重分析時間將可能使求解變得過于耗時，以致不可行。
2 機械結構優化的應用趨勢
結構優化設計隨著最優化方法的不斷發展和改善， 已逐漸得以發展。近些年來， 在結構優化結構算法的方面，結構優化設計偏向于采用接近實際的復雜結構模型來模擬一些大型結構系統， 由于設計的變量數目比較大，所以研究新的準則優化方法非常受到重視，但是如何去針對一些特殊的結構才設計相應的公式，解決在數值計算與推導實現的相關問題，同時還可以使用一些機械系統的分解與優化方法， 在機械結構優化中，可以按優化多級分解或進行子結構分解，對于一些多學科的較為復雜的系統可以采用學科分解優化的方法。分解的算法關鍵在于如何去建立各個子問題之間的耦合關系，比如可以通過采用線性分解和使用最優解對參數的靈敏度等方法來建立起耦合關系，讓一些子問題的解相容，從而確保迭代收斂，但是問題是怎樣保證一定能求解。并采用計算技術應用到結構優化設計中去。像人工神經網絡， 遺傳算法等方法， 在最近十余年來被機械結構優化設計的發展很快。它們對連續混合與離散變量的全局優化， 這對發展結構近似重分析的專家系統有重要的作用。現在的問題就是該如何去提高優化精度、質量、加快收斂， 增加方法的通用性[2]。形狀優化、拓撲優化和材料優化的集成在機械結構優化中具有非常重要的價值，是并行結構優化的重要組成部分，也是以后的研究重點。
拓撲優化在結構優化中是重要的參考依據， 讓復雜部件和結構在概念設計階段即可理性地、靈活地優選方案，并有可能解決一些大型實際結構優化設計。拓撲優化在研究中所提出的均勻化等方法，可以將形狀優化、布局優化和材料選擇集成一體，為機械設計結構、工藝和材料提供科學的手段。但是如果要處理一些龐大的優化模型和有限元的計算量非常大，應力需要約束處理、對“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失有可能會引起計算模型病態等問題。
機械結構優化技術在工程機械設計中的具有非常重要的實用價值，如要解決優化設計中有限元模型的龐大性問題、多學科設計與解決結構優化問題交叉問題。對于機械設備、結構和機構的健壯性與可靠性是機械設計時非常關心的問題， 綜合考慮健壯性、可靠性及成本的全性能優化設計方法、理論及其應用，則會給出更加接近實際的結果，應當應予重視[3]。在研究這類問題中，對包括隨機性和模糊性的不確定因素也應當應予注意。為增強優化設計盡可能的為工程實際所服務， 進一步開展設計的實用性。所以開發和完善通用性的結構化設計軟件已經變得十分迫切。
從近幾年來國家自然科學基金所資助的項目來看，單就機械學科相關的優化設計的項目就有將近20項，其中包括廣義優化設計，模糊優化，全性能優化設計，分解優化設計，可靠性優化，人機一體化設計與光機電一體化，有機械傳動系統性能優化也有基于人工神經網絡的復雜結構優化研究，復雜機電耦合設計理論與方法與系統解耦研究以及機電產品的綠色設計方法與理論等，在今年還提出的軋制件模具的現代設計方法， 面向產品的創新的概念設計等課題， 這些方面的研究充分反映出我國已經非常重視機械設計的研究工作和機械機構優化設計的發展方向[4]。
參考文獻
[1] 張紅友.優化結構設計減少建筑投資成本[J].陜西建筑，2008（11）.
[2] 秦東晨，陳江義等.機械結構優化設計的綜述與展望[J].工程論壇，2005，（9）：
關鍵詞：機械優化設計；雙語教學；教學實踐
作者簡介：王林軍（1982-），男，湖北黃岡人，三峽大學機械與材料學院，講師；吳海華（1970-），男，湖北黃岡人，三峽大學機械與材料學院，教授。（湖北 宜昌 443002）
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）04-0104-01
雙語教學不僅在美國、加拿大、盧森堡、新西蘭等雙語國家或多語國家獲得了成功，而且在俄羅斯、日本、澳大利亞、保加利亞、匈牙利等單語國家實施也獲得了良好的效果。反思國內的雙語教學情況，雖然英語教師非常努力地教，學生也非常認真地學，但所取得的效果十分不理想。[1-2]國內一些211和985重點院校（如浙江大學、北京大學等）的雙語教學工作開展順利，已在雙語教學教材、師資隊伍建設以及教學內容和教學方法方面取得許多研究成果。但地方本科院校的機械工程類雙語教學工作進展十分緩慢，尤其是針對本科生開設的“機械優化設計”雙語教學在教學內容與體系、英語教學環境、教學隊伍建設、考核方式等方面嚴重不足，其主要原因是學生英語基礎差、自學能力較弱，“機械優化設計”雙語教學師資也相對薄弱。[3]上述差異決定了地方本科院校難以照搬重點院校的機械工程類雙語教學模式，因此探索一條適合于地方本科院校的“機械優化設計”雙語教學模式極為重要。
一、“機械優化設計”雙語課程現狀
“機械優化設計”是一門把機械設計與優化設計理論及方法相結合、實踐性很強的課程，而雙語教學主要是指教師采用英語或第二語言進行課堂教學。但如何有系統有組織地開展符合三峽大學（以下簡稱“我校”）特點的“機械優化設計”雙語教學，如何處理教材的問題、如何在學時數原本緊張的前提下開展雙語教學、雙語教學方法和教學手段該如何改進、如何建立雙語教學考核體系、如何提高學生的學習興趣等等，這些都是在開展“機械優化設計”雙語教學時所需要研究的問題。雖然目前不少地方本科院校已經開設了機械優化設計雙語課程教學，但大學生英語水平良莠不齊，不少教師的英語水平同樣還沒有達到能真正像漢語一樣熟練地運用英語教學的地步，這使得雙語教學在“機械優化設計”課程中的研究與實踐中碰到以下問題：[4-6]
1.雙語教學效果差
目前國內英語教育主要以應試為目標，大學生的英語聽說能力普遍較弱。“機械優化設計”雙語教學中涉及許多專業詞匯和復雜的句型，如果采用比較單一的授課方式，學生既無興趣，又感到難以接受，無法準確理解該課程專業知識。
2.教學內容單一
我校該課程雙語教學的對象是機械制造及其自動化專業三年級學生，他們雖然已具備一定的數理基礎，但許多同學依然對機械優化設計過程和內容無法真正理解，甚至產生厭學情緒。這就要求雙語教師在進行教學內容的設計時應更加豐富多彩。
3.教學方法問題
在進行“機械優化設計”雙語教學時，若還是采用傳統的滿堂灌教學模式，課程本身的難度和英語的聽力障礙將會導致教學效果不理想。而國際上知名大學多數采取的是引導式、啟發式、互動式相結合的教學方法，后者更為有效，與“機械優化設計”雙語課程教學相適應。
二、雙語教學方法的改革與實踐
依據機械工程類專業的特殊性，應從以下幾方面進行改革和實踐：
1.科學合理選擇教學內容
考慮到我校機械制造及其自動化專業本科教學培養方案的特點及人才培養需要，對“機械優化設計”雙語教學課程內容進行科學設計，主要包括以下教學內容：緒論（介紹機械優化設計的基本概念與發展趨勢）；優化設計方法的數學基礎（介紹矩陣運算和微積分的基礎知識，凸集、凸函數與凸規劃的基本理論）；常用的優化設計方法（介紹一維搜索方法、基于導數的優化方法和非導數優化方法等，包括智能優化方法）；約束優化問題的處理；多目標優化方法和優化設計結果的靈敏度分析技術；MATLAB在機械優化設計實例中的應用。這要求學生一方面掌握優化設計基礎理論，另一方面應學會運用大型通用優化設計工具軟件解決實際工程問題，真正做到學以致用。此外，在雙語教學過程中，應安排大學生講述自己完成機械優化設計過程，以提高大學生英語表達能力，并達到相互啟發的作用。
2.努力營造英文教學環境，提高學生英語水平
作為教師，應認真備好每一堂課，板書、考試和作業批改中都要使用英語，采取全英語對學生進行提問，要求學生用英語回答，這樣有助于鍛煉學生的專業口語能力。同時，教師在給學生布置作業時，最好也是英語的，嚴格要求學生用英語完成，這樣有助于鍛煉學生的專業寫作能力，為將來可能地進一步深造學習奠定了堅實的論文撰寫基礎。實際上，教師在雙語教學活動中，除了布置一些該課程的課后英語作業外，還應當引導學生查找和閱讀與該課程相關的專業英語讀物，比如英文論文等，這樣有助于增強學生的專業英語使用能力，而且還能培養該專業大三學生用英語思考的良好習慣，為將來的進一步學習和深造打下一定的基礎。
3.努力加強我校雙語師資隊伍建設
為了提高教師的英語水平，每年安排教師參加由我校國際交流學院主辦的暑期雅思培訓班，取得雅思6.0分及以上成績的教師才能擔任雙語教學課程。為了促進教師英文水平的穩步提高，以提升本校教師科研業務水平，學校定期派中青年教師出國交流學習，這勢必將會對雙語教學和師資隊伍建設有一個很大的促進和提升作用。
4.充分利用本校網絡教學平臺
三峽大學求索學堂為全校提供網絡教學服務，網絡教學平臺包括公共教學平臺、多媒體課件制作系統、網絡實時交互答疑系統。網絡公共教學平臺包括學生工作區、教師工作區、管理工作區三大部分，主要功能模塊有公告欄、答疑、討論區、在線自測、在線作業、下載區、資源等。多媒體課件制作系統提供輔助教師教學的多媒體課件制作平臺；網絡實時交互答疑系統是一個可以在網上傳遞五種不同模式的電子教學、實時協作和通信的平臺，提供網絡教學中的教學雙邊多媒體交互環境。充分利用本校求索學堂，可以促使教師和學生的溝通，同時還可以培養學生的知識獲取能力和自主學習能力。
5.對本校傳統的考核方式進行科學合理的改革
“機械優化設計”課程是機械設計制造及其自動化專業非常重要的一門專業基礎課，屬于專業必修課程，該課程考核方式過去經常是采取閉卷形式。這種考核方式有很大的不足，例如學生死記硬背優化公式，而忽略了利用該課程核心內容優化設計方法理論從工程上解決實際問題的能力，從而不能體現本校人才培養的要求。針對以上這些弊端，對該門課程的傳統考核方式進行了改革，主要分為以下三個部分：閉卷考試成績（占40%）：主要是考查學生對優化理論方法的理解和掌握程度；上機實驗考試成績（占40%）：重點考核學生運用計算機對優化方法的編程和實現能力；平時成績（占20%）：主要是考核學生平時表現和出勤情況。
該課程考核方式的改革，勢必將會促使學生更好地理解和掌握該課程的重難點內容，也會提高學生利用計算機編寫優化程序解決工程實際問題的能力，同時將會提高機械工程類本科生的綜合素質和能力，這也非常符合本校這種“高素質、強能力、應用型”的人才培養目標。
三、結論
雙語教學不但能夠提高學生的學習興趣，而且還可以提高教師和學生的雙語應用能力，對復合型人才的培養具有非常重要的意義。同時，在進行雙語教學的過程中，要根據本校教師的英文水平和學生的認知和接受程度，精心準備和設計教學手段，科學合理安排教學內容，科學而有效地使用評價方法，這樣不僅有助于學生及時了解和掌握本專業的前沿動態，還可以培養其直接閱讀經典、前沿外文資料的能力。本文在對“機械優化設計”課程雙語教學進行了多輪教學實踐的基礎上，對該課程雙語教學的背景、教學內容與體系、英語教學環境、師資隊伍建設、考核方式等問題進行了總結和改革，以期望對二本院校機械工程類“機械優化設計”課程雙語教學與改革有一定的促進作用。
參考文獻：
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[2]張素芳.對高校雙語教學若干問題的探討[J].中國電力教育，
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[3]劉卓夫，羅中明，李永波.雙語教學改革存在的問題與思考[J].黑龍江教育學院學報，2010，29（2）：62-64.
[4]孫靖民.機械優化設計[M].北京：機械工業出版社，2007.
