時間：2023-05-24 08:52:15
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了8篇機械優(yōu)化設(shè)計，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
1.優(yōu)化設(shè)計可以最大限度地節(jié)約設(shè)計開支和成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益
雖然隨著機械設(shè)計技術(shù)的進步以及管理流程的簡化，新時期的機械設(shè)計成本開支已經(jīng)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(yōu)化設(shè)計的方法對機械設(shè)計的成本開支進行削減，要基于保障設(shè)計質(zhì)量的前提；倘若成本的控制要以犧牲質(zhì)量為代價，則這樣的控制手法必須果斷舍棄。在機械設(shè)計中采取優(yōu)化設(shè)計路線，能夠減輕前期和設(shè)計過程中的成本開支，為設(shè)計單位節(jié)省一筆不小的資金。優(yōu)化設(shè)計的最佳方案往往是符合設(shè)計流程的，是可以發(fā)揮出現(xiàn)有材料、設(shè)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(yōu)化設(shè)計能夠節(jié)約機械設(shè)計的開支成本是有科學依據(jù)和理論基礎(chǔ)的。
2.優(yōu)化設(shè)計可以提高機械產(chǎn)品的科技附加值，從而提高產(chǎn)品的競爭力和提高企業(yè)的經(jīng)濟效益
機械設(shè)計的產(chǎn)品是一種自然屬性但是具備商業(yè)價值的“商品”，這就必然要與市場發(fā)生關(guān)聯(lián)。同時，優(yōu)化設(shè)計方法在機械設(shè)計中的應用，能夠增加機械產(chǎn)品的科技含量和技術(shù)附加值，大大提高產(chǎn)品的市場競爭力。例如，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及相互之間融合度越來越高，機械設(shè)計的產(chǎn)業(yè)化正在形成，即機械設(shè)計可以作為一個單獨的工程鏈條存在。如果把機械設(shè)計的產(chǎn)品作為一個普通商品看待，這種商品必須是價格最低、質(zhì)量最好、科技含量最高的，這樣該產(chǎn)品才能在市場中取得占有率，企業(yè)才能因此獲取利益最大化。所以，機械設(shè)計企業(yè)都在努力追求“這樣的機械產(chǎn)品”，而這樣的產(chǎn)品往往需要通過優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)。
優(yōu)化設(shè)計為機械設(shè)計產(chǎn)品的技藝提升、附加值增大提供了全新的路徑，也為機械設(shè)計單位和企業(yè)的發(fā)展增添了新的利潤增長點。例如，隨著信息技術(shù)、計算機技術(shù)、材料技術(shù)、液壓技術(shù)、加工制造工藝的不斷發(fā)展和成熟，機械設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)都會有一種或多種新技術(shù)的注入，最終的機械產(chǎn)品往往“飽含科技”，其技術(shù)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(chǎn)品，在市場中的價格是可以預見的，企業(yè)因此帶來的收益也很高。由此可見，優(yōu)化設(shè)計對于當今的機械設(shè)計的重要性。
二、實現(xiàn)機械設(shè)計優(yōu)化設(shè)計的有效策略
優(yōu)化設(shè)計可以為機械設(shè)計提供質(zhì)量和效益的保證，因此必須引入科學有序的優(yōu)化設(shè)計方案，使之產(chǎn)生明顯的效果。從當前的情況看，機械優(yōu)化設(shè)計可以從如下角度考量。其一，機械設(shè)計的一維搜索優(yōu)化方法，這種方法也是當前機械設(shè)計優(yōu)化方法的最典型代表，以數(shù)學函數(shù)為理論基礎(chǔ)，透過搜索區(qū)間的確定，來保證優(yōu)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(shè)計的基礎(chǔ)方法。
眾所周知，機械設(shè)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(chǔ)。就好比數(shù)學中的從0到9的10個數(shù)字，它們構(gòu)筑了數(shù)學的基礎(chǔ)，成為數(shù)學的理論“細胞”。一維搜索方法在機械設(shè)計的應用，往往直接影響優(yōu)化設(shè)計問題的求解速度。其二，機械優(yōu)化設(shè)計會用到約束優(yōu)化方法和無約束優(yōu)化方法。在機械優(yōu)化設(shè)計中，經(jīng)常使用的是約束優(yōu)化的方法。除此之外，機械優(yōu)化設(shè)計還可以通過線性規(guī)劃方法、多目標及離散變量優(yōu)化方法來實現(xiàn)。總之，諸多優(yōu)化方法的存在和操作為機械優(yōu)化設(shè)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(jié)語
關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計；農(nóng)業(yè)機械；應用研究
1優(yōu)化設(shè)計在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中應用的意義
要提高我國農(nóng)機產(chǎn)品的質(zhì)量，就要大力提高農(nóng)機生產(chǎn)制造水平和設(shè)計水平，對傳統(tǒng)的農(nóng)機產(chǎn)品設(shè)計進行改進。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械零部件設(shè)計一般采用經(jīng)驗類比，通過力學簡單計算來完成。傳統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化方式對設(shè)計人員的經(jīng)驗要求較高，很多創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計都缺乏數(shù)據(jù)支持，過度的設(shè)計導致機械綜合性能提高的同時，制造成本大幅上升。
2優(yōu)化設(shè)計的基本思路
優(yōu)化設(shè)計是從若干種可行性方案中擇優(yōu)選出一種最佳的設(shè)計方法，這種選擇是以初始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用計算機技術(shù)聯(lián)合實現(xiàn)的。優(yōu)化設(shè)計對軟件計算能力和模型構(gòu)建能力有較高的依賴，近年來隨著計算機科技的不斷發(fā)展和軟件開發(fā)能力的不斷提高，計算機在機械設(shè)計中發(fā)揮了重要的作用。同時，計算機的發(fā)展也使優(yōu)化設(shè)計理念得以實現(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計的思路也越來越開闊。
3計算機軟件在優(yōu)化設(shè)計中的應用
要實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中的應用，先進的軟件技術(shù)是必不可少的。設(shè)計軟件是設(shè)計者的工具，對于農(nóng)業(yè)機械設(shè)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(shù)進行分析，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械優(yōu)化設(shè)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(fā)，這種軟件能夠與多種計算機輔助設(shè)計軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，被普遍應用于汽車工業(yè)、建筑橋梁等方面設(shè)計中。
3.2ADAMS軟件
ADAMS軟件是一種對機械系統(tǒng)動力學進行自動分析的軟件，由美國機械動力公司開發(fā)，通過ADAMS軟件，能夠建立機械系統(tǒng)幾何模型，對虛擬機械系統(tǒng)進行動力學分析，預測機械系統(tǒng)的性能、碰撞加速和運動范圍等[3]。
4優(yōu)化設(shè)計在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中的應用
4.1幾何模型的建立
結(jié)合設(shè)計零部件的特征、材質(zhì)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(chǔ)上，采用旋轉(zhuǎn)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(shè)置
模型材料屬性包含材料材質(zhì)、密度、彈性模量、泊松比等。
4.3約束與載荷
齒輪的驅(qū)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(jié)構(gòu)分析模塊中；一種是取相近的加載扭矩數(shù)值輸入到結(jié)構(gòu)分析模塊中。經(jīng)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(huán)節(jié)需要注意，驅(qū)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(huán)節(jié)中，完成受力和約束參數(shù)設(shè)置后，在利用Pro/E軟件進行靜態(tài)模型構(gòu)建，然后對靜態(tài)模型進行相應的分析。通過軟件對構(gòu)建模型的分析結(jié)果可以確定，最大的應力為16.7N/mm2,而設(shè)計所用材料材質(zhì)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(shè)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(shè)計參數(shù)的建立
設(shè)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(shè)計者將要建立許多參數(shù)，其中包括物理性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)等，這些參數(shù)代表著所用材料的基本屬性和要達到的設(shè)計性能，當參數(shù)發(fā)生了變化，建立的模型性能也將隨著發(fā)生變化。如果針對所有參數(shù)進行優(yōu)化，將增加設(shè)計過程中龐大的計算量，這樣就需要設(shè)計者對這些參數(shù)進行優(yōu)選，結(jié)合不同參數(shù)對模型的影響程度，和對設(shè)計部件的使用性能的影響，可以優(yōu)先選擇對模型性能影響最大的參數(shù)設(shè)置，這種處理方式，也體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計的理念，實現(xiàn)參數(shù)選擇上的優(yōu)化，最有效的、影響最大的參數(shù)信息將被利用，而影響較小的參數(shù)將被忽略。在本次分析案例中，將過渡段尺寸參數(shù)當做設(shè)計變量，設(shè)計變量的初始值為8.6mm。
4.6優(yōu)化設(shè)計
在農(nóng)機設(shè)計中采用優(yōu)化設(shè)計的目的在于能夠?qū)崿F(xiàn)通過模型的各項功能計算和設(shè)計，達到降低成本，能夠發(fā)揮最優(yōu)性能。在優(yōu)化設(shè)計的過程中，要對具有影響效果的約束條件和各類參數(shù)進行設(shè)置。本案例設(shè)計中，滿足各項受力條件下，所使用的材料質(zhì)量最小，采用過渡段半徑作為設(shè)計參數(shù)，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(shù)設(shè)定為3.0，軸最大應力＜114N/mm2，結(jié)合各參數(shù)和約束條件，從而分析出最優(yōu)的結(jié)果。
關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計；機械設(shè)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(yōu)化技術(shù)相比還是有非常大的差異,在現(xiàn)實工程中能夠起到作用的優(yōu)化設(shè)計方案或者是設(shè)計結(jié)果所占據(jù)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(yōu)化技術(shù)能夠在機械設(shè)計與制造中的運用得到了迅猛的發(fā)展,遺傳算法、粒子群法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其它一些智能的優(yōu)化方法在優(yōu)化設(shè)計中也得到了非常廣泛的引用?，F(xiàn)代機械正向著大型化、復雜化的方向發(fā)展,傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法在實際工程的運用中逐漸顯表現(xiàn)的有些單調(diào)與乏力，已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品不斷創(chuàng)新的需求,機械優(yōu)化設(shè)計急需創(chuàng)新和發(fā)展。
1機械優(yōu)化設(shè)計中的相關(guān)定義
優(yōu)化設(shè)計能夠展示出人們對于設(shè)計規(guī)律這個客觀世界認知的深化。設(shè)計上的優(yōu)化值具體是指在特定條件的影響下能夠取得的最佳設(shè)計值。最優(yōu)值是一個比較相對的概念,其和數(shù)學上的極值相比還是有很多不同的。
2機械優(yōu)化設(shè)計研究內(nèi)容
機械優(yōu)化設(shè)計是一種比較科學、現(xiàn)代化的設(shè)計方式,而且是“最優(yōu)”的。此處的“最優(yōu)”也是相對而言的,伴隨科技的不斷發(fā)展以及設(shè)計條件不斷變化,最優(yōu)的標準也隨之改變。優(yōu)化設(shè)計體現(xiàn)了人們對于客觀世界認知的深化,需要人們按照事物發(fā)展的客觀規(guī)律,在特定的物質(zhì)基礎(chǔ)與技術(shù)情況下完全發(fā)揮人的主觀能動性,獲得最好的設(shè)計方案。
2.1優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的區(qū)別
優(yōu)化設(shè)計的最終目的就是最優(yōu)設(shè)計，運用數(shù)學手段創(chuàng)建能夠達到設(shè)計目的的優(yōu)化模型；在大量能夠?qū)嵤┑脑O(shè)計方案里面選擇出最好的設(shè)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(shù)量較多的方案中挑選出“最優(yōu)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(jié)果不是完全可行或者是實際最優(yōu)的，然而它是以客觀規(guī)律與數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，不需要太多費用，所以其具備了經(jīng)驗類比或者是試驗手段所沒有的特征。傳統(tǒng)設(shè)計同樣也追尋著最優(yōu)的結(jié)果，經(jīng)常是以調(diào)查分析為基石，根據(jù)設(shè)計需要與實踐經(jīng)驗，參照相似的工程設(shè)計,經(jīng)過估算、經(jīng)驗對比、試驗以及構(gòu)思、評價、再構(gòu)思、再評價的尋優(yōu)步驟來選擇設(shè)計方案，接下來需要剛度、強度以及穩(wěn)定性等其它方面進行計算。經(jīng)有關(guān)實踐可以看出，傳統(tǒng)的設(shè)計還要大量不足之處需要改善，并且最后的結(jié)果基本上離不開初始設(shè)計的試驗范圍。
2.2優(yōu)化設(shè)計所研究的內(nèi)容
優(yōu)化設(shè)計首先需要選擇設(shè)計變量、制定目標函數(shù)、列出約束條件以及構(gòu)建優(yōu)化模型,其次是選用比較合適的優(yōu)化方法進行優(yōu)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(yōu)化設(shè)計方法的基本理論知識、設(shè)計問題抽象與數(shù)學模型處理的基本技能；具備此領(lǐng)域豐富的專業(yè)知識與設(shè)計經(jīng)驗。
2.3機械優(yōu)化設(shè)計特點
機械優(yōu)化設(shè)計其實就是將計算方法與數(shù)學規(guī)劃理論運用到機械設(shè)計中去，按照所設(shè)定好的目標，憑借電子計算機的運算尋找最佳設(shè)計方案的相關(guān)參數(shù)，進而能夠獲得更大的技術(shù)經(jīng)濟的成效，其具備了普通的機械設(shè)計所沒有的特征。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：能夠減少機械產(chǎn)品的成本，增強它的性能。
2.4機械優(yōu)化設(shè)計基本思路
在保證基本機械性能的基礎(chǔ)上，依托計算機,運用部分具有較高精度的力學與數(shù)學規(guī)劃方法來進行計算。機械優(yōu)化設(shè)計的步驟：對設(shè)計變量進行分析，提出目標函數(shù)，確定約束條件，建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型；選用合適的優(yōu)化方式，編寫優(yōu)化程序；準備所需要使用的初始數(shù)據(jù)并且上機進行計算，對計算所得到的結(jié)果進行必要的驗證。
3機械優(yōu)化設(shè)計方法
優(yōu)化準則法針對不同類型的約束、變量以及目標函數(shù)等需要導出完全不一樣的優(yōu)化準則,通用性非常差,并且基本上都是近似最優(yōu)解；規(guī)劃法需要經(jīng)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(yōu)化設(shè)計中的宣傳運用?，F(xiàn)代化的機械設(shè)計復雜程度越來越高,傳統(tǒng)的優(yōu)化算法已經(jīng)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(yōu)化概率搜索算法。其根據(jù)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(yōu)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(shù)優(yōu)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(yōu)化設(shè)計中，其主要適合設(shè)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(huán)節(jié)的粒子群法，從一個優(yōu)化解集進行搜索，經(jīng)過個體之間的相互競爭與合作，實現(xiàn)復雜空間中最優(yōu)解的全局搜群法與遺傳算法相比，容易實現(xiàn)、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(diào)節(jié)的參數(shù)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(jīng)被應用到了對目標函數(shù)進行、對優(yōu)化動態(tài)環(huán)境進行優(yōu)化與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練等其它方面，然而運用在機械優(yōu)化設(shè)計中的研究還是非常少的。
4案例分析
內(nèi)燃機連桿結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計。運用傳統(tǒng)的設(shè)計是很難使得連桿達到不但要輕而且又非?？煽康哪繕?，而選用最優(yōu)化方法并結(jié)合采用有限元法數(shù)值計算技術(shù)對連桿結(jié)構(gòu)進行分析，則可圓滿完成這一任務，并得出連桿最優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)構(gòu)形狀。在連桿結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計計算中，每向最優(yōu)方案前進一步，都需要對連桿結(jié)構(gòu)進行有限元研究，其主要目標就是為最優(yōu)化的設(shè)計提供變形、應力以及疲勞安全系數(shù)等相關(guān)信息。運用有限元的方式對連桿結(jié)構(gòu)在全部720°循環(huán)的過程中做動態(tài)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(yōu)化過程中可配合使用計算比較方便、結(jié)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(shù)最小的特征部位的計算結(jié)果進行動態(tài)修正。修正值可通過對連桿最優(yōu)化設(shè)計初始方案的動態(tài)分析或?qū)σ延羞B桿的動應力電測得到。
5結(jié)語
機械優(yōu)化設(shè)計為機械工程界創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟財富，伴隨科技手段的不斷更新，優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展具有非常廣闊的前景。目前的優(yōu)化正逐漸的發(fā)展成為多學科的優(yōu)化設(shè)計，完全運用最先進的計算機技術(shù)。虛擬設(shè)計技術(shù)是未來發(fā)展的重點，仿真技術(shù)也逐步向著協(xié)同化與系統(tǒng)化的方向不斷發(fā)展。目前依然處在理論探究階段的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、結(jié)構(gòu)動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計、智能算法優(yōu)化設(shè)計、可靠性穩(wěn)健設(shè)計、柔性機械優(yōu)化以及綠色優(yōu)化等都是未來機械優(yōu)化設(shè)計的重點發(fā)展方向。然而我們依然需要注意的是，在逐漸增強優(yōu)化技術(shù)水平的同時，國內(nèi)的機械加工的工藝水平、制造技術(shù)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(shù)，更為重要的是不斷增強加工設(shè)備自身的性能，特別是數(shù)控機床的加工水平。增強與國際技術(shù)發(fā)達國家之間的溝通與合作，軟、硬件技術(shù)共同提升，以期達到機械設(shè)計——加工一體化的目的。
作者:張鑫 單位:西京學院
參考文獻:
關(guān)鍵詞：機械優(yōu)化設(shè)計；理論；方法
隨著現(xiàn)代社會科學技術(shù)的發(fā)展，機械設(shè)計領(lǐng)域的概念和思維方式也在不斷發(fā)生變化，機械設(shè)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(fā)展規(guī)律來開展優(yōu)化設(shè)計。因此加大力度探討機械優(yōu)化設(shè)計理論方法，能夠為機械優(yōu)化設(shè)計的未來發(fā)展指明方向。
1 機械傳統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的對比
機械優(yōu)化設(shè)計是基于最優(yōu)化設(shè)計的，主要以數(shù)學模型作為優(yōu)化設(shè)計的基本途徑。優(yōu)化設(shè)計的方法及思維屬于優(yōu)化方法的范疇之內(nèi)，這種設(shè)計思想會使得各種參數(shù)順著理想的方向能夠自我調(diào)節(jié)，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(shè)計方案中擇優(yōu)選取最佳的設(shè)計方案。由于設(shè)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?？?，從而從諸多設(shè)計方案中篩選出最優(yōu)方案。雖然在實際的數(shù)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(jié)果與實際值存在一定的差距，但是其基于客觀規(guī)律以及數(shù)據(jù)，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(jīng)驗類比或者試驗途徑不可比擬方面的優(yōu)勢之處，再加上一定的經(jīng)驗依據(jù)，就能夠獲得一個非常理想的設(shè)計結(jié)果。雖然傳統(tǒng)設(shè)計也追求最優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果，一般是基于調(diào)查、分析，按照實際需求以及實踐經(jīng)驗，參照類似于工程設(shè)計，經(jīng)估算、類比以及試驗等過程，對尋優(yōu)過程進行構(gòu)思、評估、再構(gòu)思以及再評估等，從而最終確定設(shè)計方案，最后開展剛度、強度以及穩(wěn)定性等方面的計算。然而在傳統(tǒng)設(shè)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(shè)計結(jié)果的最優(yōu)化選擇無法正常進行，這些設(shè)計結(jié)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(tǒng)設(shè)計往往需要花費高額的資金以及人力，而且最終結(jié)果也與初始設(shè)計試驗范圍差不離。所以說，傳統(tǒng)設(shè)計主要受到主觀因素的影響，得到的僅僅屬于滿足最初設(shè)計要求的設(shè)計結(jié)果，并非最優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。
2 優(yōu)化設(shè)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(wěn)定性要好。另外選擇適當?shù)膬?yōu)化方法時要進行深入的分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標函數(shù)，根據(jù)復雜性、準確性等條件結(jié)合個人的經(jīng)驗進行選擇。優(yōu)化設(shè)計的選擇取決于數(shù)學模型的特點，通常認為，對于目標函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計變量個數(shù)不太多的問題，采用懲罰函數(shù)法較好；對于只含線性約束的非線性規(guī)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(shù)，則應選用計算穩(wěn)定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內(nèi)點懲罰函數(shù)相結(jié)合的方法。
3 機械優(yōu)化設(shè)計理論方法
3.1 準則優(yōu)化法
在機械優(yōu)化設(shè)計理論方法中，所謂準則優(yōu)化法，就是指以物理學和力學等原則來構(gòu)造并優(yōu)化機械設(shè)計的方案，以促進機械優(yōu)化設(shè)計的順利進行。準則優(yōu)化法在實際應用中具有良好的優(yōu)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(yōu)化法的實際優(yōu)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(yōu)化設(shè)計的實際情況來看，準則優(yōu)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(yōu)化設(shè)計的效率，因此在機械優(yōu)化設(shè)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(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。
3.2 線性規(guī)劃法
在機械優(yōu)化設(shè)計理論方法中，線性規(guī)劃法是基于數(shù)學極值的基本原理上所提出的，以目標函數(shù)、約束條件以及設(shè)計變形的線性優(yōu)化為主要因素進行分析，以此作為主要的求解方式。線性規(guī)劃法中常用的兩種方式是單純形法與序列線性規(guī)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(yōu)化設(shè)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(yōu)化設(shè)計的最優(yōu)解。因此為保障機械優(yōu)化設(shè)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(gòu)成后對實際收斂情況進行準確的驗算，并嚴格檢查計算結(jié)果是否滿足相關(guān)精度要求，從而全面提高機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。
序列線性規(guī)劃法則相對簡單，主要是在初始位置將目標函數(shù)集約條件進行展開，促使非線性規(guī)劃向近似線性規(guī)劃逐漸轉(zhuǎn)化，并對最優(yōu)結(jié)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(yōu)化設(shè)計的精度標準，從而提高機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。
3.3 非線性規(guī)劃法
就機械工程的實際情況來看，大部分機械工程的性質(zhì)都屬于非線性規(guī)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(guī)劃正是基于數(shù)學極值的原理所開展的機械優(yōu)化設(shè)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(yōu)化問題進行不斷求解，以保證機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。
3.4 現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計理論方法
在機械優(yōu)化設(shè)計中，往往存在不同種類的約束、變量及目標函數(shù)，為保證機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果，機械優(yōu)化準則法能夠結(jié)合機械優(yōu)化設(shè)計的實際情況，積極推導出不同的優(yōu)化準則，但其實際通用性并不理想。規(guī)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(yōu)化設(shè)計的效率并不理想，甚至在一定程度上限制了規(guī)劃法在現(xiàn)代機械工程項目優(yōu)化設(shè)計中的應用深度和廣度。隨著現(xiàn)代社會科學技術(shù)的發(fā)展，機械工程中優(yōu)化設(shè)計的難度也不斷加大，有必要積極選取合理的優(yōu)化設(shè)計方法來提高機械優(yōu)化設(shè)計的總體質(zhì)量和效果。
結(jié)束語
總而言之，機械設(shè)計優(yōu)化是基于傳統(tǒng)機械設(shè)計理論基礎(chǔ)上所提出的，通過與現(xiàn)代設(shè)計方法的協(xié)調(diào)配合，促進一種科學化的優(yōu)化設(shè)計方法的形成，在機械工程中，有助于改善機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果，促進機械產(chǎn)品達到高質(zhì)量和高水平。隨著現(xiàn)代社會科學技術(shù)的發(fā)展，機械優(yōu)化設(shè)計方法也不斷進步，每一種機械優(yōu)化設(shè)計方法都具有各自的特點和應用領(lǐng)域，能夠針對機械產(chǎn)品的性能及其他因素選取核實的設(shè)計變量和最優(yōu)的設(shè)計方法，從而促進機械優(yōu)化設(shè)計目標的實現(xiàn)，為機械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。
參考文獻
[1]吳亞明.機械優(yōu)化設(shè)計的應用發(fā)展分析[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2015（6）.
1 機械可靠性優(yōu)化設(shè)計的重要性
機械可靠性設(shè)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(shù)融合起來考慮。然后應用力學理論、概率理論、數(shù)據(jù)統(tǒng)計學等做出機械可靠性保障方案。傳統(tǒng)機械設(shè)計方法又被稱為安全系數(shù)法，其在機械可靠性優(yōu)化設(shè)計的時候只要確保安全設(shè)計系數(shù)大于規(guī)定的數(shù)值即可，但是在實際應用中機械可靠性設(shè)計往往忽略了設(shè)計參數(shù)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(shè)計中認為各個受力因素會受到環(huán)境的影響，因為環(huán)境因素也是一個變量，還存在著一定的規(guī)律性可循[1]。機械強度受到材料的性能、加工精度、工藝環(huán)節(jié)的波動等影響，也呈現(xiàn)出一種波動性規(guī)律變化。機械可靠性設(shè)計的時候，應根據(jù)設(shè)計的不同的要求選取不同的特征函數(shù)，注意在計算的時候應考慮其離散性，使用概率統(tǒng)計方法進行計算求解。機械可靠性設(shè)計的時候應考慮到各個參數(shù)的隨機分布，還應據(jù)此來分析出機械的實際工作狀況。
2機械可靠性優(yōu)化設(shè)計案例
本次機械可靠性優(yōu)化設(shè)計研究選取蝸桿減速器優(yōu)化設(shè)計作為研究的主要內(nèi)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(yōu)化設(shè)計的時候，其優(yōu)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(shè)計的時候，將蝸桿的模數(shù)定為m，蝸桿直徑系數(shù)為q、蝸桿軸直徑ds、蝸桿頭數(shù)zl、傳動比i、渦輪軸長度L?？煽啃栽O(shè)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(yōu)化設(shè)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(shù)：
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(jù)蝸桿可靠性優(yōu)化設(shè)計相關(guān)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(shè)計建議
3.1 權(quán)衡和耐環(huán)境設(shè)計
針對機械進行耐環(huán)境和權(quán)衡和設(shè)計，有利于設(shè)計者找出機械相對可靠的設(shè)計方案，并對機械的質(zhì)量、成本、體積以及可靠性等完成優(yōu)化。耐環(huán)境設(shè)計主要是基于綜合考慮的一種設(shè)計方式，從機械的零部件出發(fā)，將零部件的壽命周期內(nèi)的各種環(huán)境考慮進去[2]。
3.2 預防故障設(shè)計法
機械設(shè)備正常運行與否關(guān)系到機械設(shè)備的整體運作功能是否在完整的串聯(lián)中各自發(fā)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(shè)計的重要目標，機械優(yōu)化設(shè)計中首先要重視機械設(shè)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(shè)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(shè)計優(yōu)化
機械優(yōu)化設(shè)計中，簡化設(shè)計作為一種基礎(chǔ)設(shè)計，其設(shè)計思路明確，即零部件的數(shù)量應盡可能避免冗余，減少故障出現(xiàn)。機械的可靠性優(yōu)化設(shè)計中必須對其錯誤故障進行統(tǒng)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(shè)計優(yōu)化可以有效提升可靠性生產(chǎn)以及避開故障的能力[5]。簡化優(yōu)化設(shè)計即對機械生產(chǎn)中的一些不必要方式進行優(yōu)化，減少一些超標負荷承載工作，調(diào)整機械各個部件的生產(chǎn)情況。
關(guān)鍵詞：機械優(yōu)化；設(shè)計理論；方法研究
引言
機械優(yōu)化設(shè)計在一定程度上是機械領(lǐng)域移植中最優(yōu)設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計對機械應該過程有著重要的推動作用。機械設(shè)計不僅利于方案的優(yōu)化設(shè)計，能夠把繁瑣的設(shè)計問題進一步的簡單化，同時也是機械設(shè)計過程中比較重要方案之一。
1.機械優(yōu)化設(shè)計過程中的理論特點
1.1具有一定的針對性
針對機械優(yōu)化設(shè)計而言，其特點在一定程度上具有針對性，相應優(yōu)化方式能夠?qū)獌?yōu)化問題，每個不同的優(yōu)化設(shè)計形式不僅具有一定的范疇，同時也具有相應的領(lǐng)域要求。在對機械優(yōu)化進行設(shè)計的過程中，要對情況進行具體的分析，對數(shù)據(jù)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(tài)進行優(yōu)化。
1.2具有客觀性
客觀性體現(xiàn)主要是在數(shù)學模型基礎(chǔ)上進行建立的，在對機械進行優(yōu)化的過程中，應該注意把一些具體的設(shè)計問題進一步的轉(zhuǎn)換為具體的數(shù)學問題。按照可觀性進行分析，對其相應的函數(shù)變量進行有效的分析，結(jié)合具體形式制定出具體的設(shè)計優(yōu)化形式，對數(shù)學模型進行建立，分析機械優(yōu)化數(shù)據(jù)，對優(yōu)化的形式進行不斷的完善。
1.3具有一定的創(chuàng)新性
針對創(chuàng)新而言，它是新時代的新思想，只要擁有創(chuàng)新，社會經(jīng)濟才能夠在一定程度上不斷的發(fā)展。機械在進行優(yōu)化設(shè)計時，也不能夠離開創(chuàng)新思想，優(yōu)化設(shè)計屬于傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計所優(yōu)化的結(jié)果，針對傳統(tǒng)的優(yōu)化型設(shè)計而言，其設(shè)計相對來說比較老舊，不適合現(xiàn)代生活成產(chǎn)中的優(yōu)化，現(xiàn)代生產(chǎn)過程中的機械優(yōu)化設(shè)計能夠?qū)Ξa(chǎn)品的性能進行主動分析。由于科學時代的發(fā)展，人們對計算機應用方式進行不斷的借助，對函數(shù)進行大規(guī)模運算，通過運算能夠在一定程度上得出機械優(yōu)化設(shè)計中的最優(yōu)方案。
2.機械優(yōu)化設(shè)計過程中的方法
2.1對準則進行優(yōu)化
針對準則化而言，它在一定程度上是優(yōu)化設(shè)計過程中一種傳統(tǒng)的表現(xiàn)形式，原理的形成不是根據(jù)數(shù)學進行計算，而是結(jié)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(yōu)點就是對概念進行更加直觀的優(yōu)化，計算所根據(jù)的物理原理相對來說比較簡單，在單一目標函數(shù)形勢下有著更加好的優(yōu)化效果，在一定程度上適合傳統(tǒng)工程的應用。但是有力也有弊，弊端就是在對多目標函數(shù)進行優(yōu)化的過程中，比較容易出現(xiàn)問題，優(yōu)化效率相對來說也是比較低的。
2.2對于線性規(guī)劃
針對線性規(guī)劃而言，在一定程度上對數(shù)學極值原理的方式進行有效的運用以及優(yōu)化，是機械優(yōu)化設(shè)計過程中比較重要的方法。線性規(guī)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(guī)劃法。單純形法一開始是由美國學者進行提出的，是對優(yōu)化設(shè)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(yōu)化的作用，但是在對多函數(shù)進行運算的過程中，顯得不是特別有效。序列線性規(guī)劃法能夠在一定程度上拆解機械設(shè)計問題，對部分優(yōu)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(shù)值進行有效的求解。這樣能夠讓機械優(yōu)化設(shè)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(yōu)化設(shè)計。
2.3對于非線性規(guī)劃
針對非線性規(guī)劃而言，在實際生產(chǎn)以及生活的過程中，非線性規(guī)劃應用相對來說是比較廣泛的。對機械優(yōu)化設(shè)計過程中起到推動性作用，對線性規(guī)劃進行完全運用的解讀的結(jié)果是比較片面的，因此非線性規(guī)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(guī)劃在數(shù)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(yōu)化設(shè)計方式中的已有數(shù)據(jù)進行分析，同時也對再生信息進行試探分析，對最優(yōu)值形式進行求出。然而無約束間接法在一定程度上是對數(shù)學原理進行利用，對函數(shù)進行計算求優(yōu)方式。是機械優(yōu)化設(shè)計過程中比較重要的組成部分。
3.機械在進行優(yōu)化設(shè)計過程中的主要展望
在目前生產(chǎn)生活當中，機械優(yōu)化設(shè)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(xiàn)今技術(shù)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(yōu)化產(chǎn)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(yōu)化的過程中，可以先從簡單的部件進行有效地優(yōu)化，對優(yōu)化效率進行不斷的提升。在原有基礎(chǔ)上加入先進的生產(chǎn)技術(shù)，對生產(chǎn)優(yōu)化的方式和方法進行有效的探究，促進系統(tǒng)優(yōu)化的全面性。
4.總結(jié)
隨著經(jīng)濟時代的不斷發(fā)展，計算機應用技術(shù)在一定程度上在機械優(yōu)化設(shè)計中得到了比較廣泛的應用，這讓優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)業(yè)得到了一定的發(fā)展。所以，在進行優(yōu)化設(shè)計時，應該注意理論和實踐這兩者的結(jié)合，這樣才能夠讓機械化設(shè)計得到廣闊的發(fā)展空間。
參考文獻：
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關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；應用趨勢
隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，市場產(chǎn)品競爭也越來越激烈，產(chǎn)品品種的換代速度加快，產(chǎn)品的復雜性在不斷增加。所以產(chǎn)品生產(chǎn)正在以小批量、多品種的生產(chǎn)方式取代過去的單一品種大批量生產(chǎn)方式[1]。而這種生產(chǎn)方式，肯定會縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，產(chǎn)品的成本也會降低，產(chǎn)品提高市場的占有率和競爭力也會提高。所以在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用優(yōu)化設(shè)計是滿足市場競爭的需要。
1 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法
目前，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應用已經(jīng)應用到各個領(lǐng)域，很多的機械產(chǎn)品在設(shè)計中都會采用優(yōu)化設(shè)計，才用優(yōu)化設(shè)計能解決結(jié)構(gòu)重量擴展到降低應力水平，還還能改進結(jié)構(gòu)性能以及提高產(chǎn)品安全壽命等問題。
對機械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)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(yōu)化，從而得到空間桁架較好的結(jié)構(gòu)。對一些結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設(shè)計方法有：用數(shù)值解法計算機械產(chǎn)品的形狀優(yōu)化，并采用數(shù)學規(guī)劃的方法進行形狀優(yōu)化設(shè)計。下面介紹下在振動機械優(yōu)化設(shè)計中的對比分析 ：
筋板在連接結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁，能提高其抗彎和抗扭剛度；對開式截面的結(jié)構(gòu)，作用很明顯；而對閉式結(jié)構(gòu)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(yōu)化方法，在迭代過程中求解目標函數(shù)和約束函數(shù)的值是必不可少的，在一些方法中，需要求解目標函數(shù)和約束函數(shù)的1階甚至2階偏導數(shù)。這些約束函數(shù)往往是結(jié)構(gòu)的性能要求，如結(jié)構(gòu)的應力、位移、頻率、穩(wěn)定性、可靠性等，這些性能經(jīng)常是設(shè)計變量的高階非線性函數(shù)。如果采用經(jīng)典的力學公式能獲得滿足工程要求的結(jié)果，則在優(yōu)化過程中，不斷調(diào)用這些公式計算當前函數(shù)值或?qū)?shù)值，就可以完成優(yōu)化迭代。在這樣的方法中，由于函數(shù)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(shù)看來是不難做到的。但是，對于復雜的機械結(jié)構(gòu)來說，采用力學公式求解往往就不能勝任了。在有限元等數(shù)值方法快速發(fā)展的今天，自然被用在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的分析中。由于這些數(shù)值方法應用廣泛，可以求解結(jié)構(gòu)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(shù)快速發(fā)展，在過去經(jīng)常被視作瓶頸的計算速度和存儲量，對于一般的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)不是太大的問題時，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中越來越多地采用數(shù)學規(guī)劃+數(shù)值計算的模式。這種模式最大的優(yōu)點是適應性好，使用方便，適合各類機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，包括大型桿系結(jié)構(gòu)、三維連續(xù)體和板殼結(jié)構(gòu)以及各種載荷和約束條件下的優(yōu)化設(shè)計。但是，隨著優(yōu)化迭代次數(shù)的增加，重分析次數(shù)也大幅度上升，尤其對于大規(guī)模的結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的應用趨勢
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計隨著最優(yōu)化方法的不斷發(fā)展和改善， 已逐漸得以發(fā)展。近些年來， 在結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)算法的方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計偏向于采用接近實際的復雜結(jié)構(gòu)模型來模擬一些大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 由于設(shè)計的變量數(shù)目比較大，所以研究新的準則優(yōu)化方法非常受到重視，但是如何去針對一些特殊的結(jié)構(gòu)才設(shè)計相應的公式，解決在數(shù)值計算與推導實現(xiàn)的相關(guān)問題，同時還可以使用一些機械系統(tǒng)的分解與優(yōu)化方法， 在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，可以按優(yōu)化多級分解或進行子結(jié)構(gòu)分解，對于一些多學科的較為復雜的系統(tǒng)可以采用學科分解優(yōu)化的方法。分解的算法關(guān)鍵在于如何去建立各個子問題之間的耦合關(guān)系，比如可以通過采用線性分解和使用最優(yōu)解對參數(shù)的靈敏度等方法來建立起耦合關(guān)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(shù)應用到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中去。像人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， 遺傳算法等方法， 在最近十余年來被機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展很快。它們對連續(xù)混合與離散變量的全局優(yōu)化， 這對發(fā)展結(jié)構(gòu)近似重分析的專家系統(tǒng)有重要的作用?，F(xiàn)在的問題就是該如何去提高優(yōu)化精度、質(zhì)量、加快收斂， 增加方法的通用性[2]。形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化和材料優(yōu)化的集成在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中具有非常重要的價值，是并行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要組成部分，也是以后的研究重點。
拓撲優(yōu)化在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中是重要的參考依據(jù)， 讓復雜部件和結(jié)構(gòu)在概念設(shè)計階段即可理性地、靈活地優(yōu)選方案，并有可能解決一些大型實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。拓撲優(yōu)化在研究中所提出的均勻化等方法，可以將形狀優(yōu)化、布局優(yōu)化和材料選擇集成一體，為機械設(shè)計結(jié)構(gòu)、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(yōu)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(tài)等問題。
機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在工程機械設(shè)計中的具有非常重要的實用價值，如要解決優(yōu)化設(shè)計中有限元模型的龐大性問題、多學科設(shè)計與解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題交叉問題。對于機械設(shè)備、結(jié)構(gòu)和機構(gòu)的健壯性與可靠性是機械設(shè)計時非常關(guān)心的問題， 綜合考慮健壯性、可靠性及成本的全性能優(yōu)化設(shè)計方法、理論及其應用，則會給出更加接近實際的結(jié)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(yōu)化設(shè)計盡可能的為工程實際所服務， 進一步開展設(shè)計的實用性。所以開發(fā)和完善通用性的結(jié)構(gòu)化設(shè)計軟件已經(jīng)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(guān)的優(yōu)化設(shè)計的項目就有將近20項，其中包括廣義優(yōu)化設(shè)計，模糊優(yōu)化，全性能優(yōu)化設(shè)計，分解優(yōu)化設(shè)計，可靠性優(yōu)化，人機一體化設(shè)計與光機電一體化，有機械傳動系統(tǒng)性能優(yōu)化也有基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，復雜機電耦合設(shè)計理論與方法與系統(tǒng)解耦研究以及機電產(chǎn)品的綠色設(shè)計方法與理論等，在今年還提出的軋制件模具的現(xiàn)代設(shè)計方法， 面向產(chǎn)品的創(chuàng)新的概念設(shè)計等課題， 這些方面的研究充分反映出我國已經(jīng)非常重視機械設(shè)計的研究工作和機械機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展方向[4]。
參考文獻
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關(guān)鍵詞：機械優(yōu)化設(shè)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(nèi)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(nèi)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(shè)以及教學內(nèi)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(shè)的“機械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學在教學內(nèi)容與體系、英語教學環(huán)境、教學隊伍建設(shè)、考核方式等方面嚴重不足，其主要原因是學生英語基礎(chǔ)差、自學能力較弱，“機械優(yōu)化設(shè)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(yōu)化設(shè)計”雙語教學模式極為重要。
一、“機械優(yōu)化設(shè)計”雙語課程現(xiàn)狀
“機械優(yōu)化設(shè)計”是一門把機械設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計理論及方法相結(jié)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(tǒng)有組織地開展符合三峽大學（以下簡稱“我?！保┨攸c的“機械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學，如何處理教材的問題、如何在學時數(shù)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(yōu)化設(shè)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(jīng)開設(shè)了機械優(yōu)化設(shè)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(yōu)化設(shè)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(nèi)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?！皺C械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學中涉及許多專業(yè)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(yè)知識。
2.教學內(nèi)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(yè)三年級學生，他們雖然已具備一定的數(shù)理基礎(chǔ)，但許多同學依然對機械優(yōu)化設(shè)計過程和內(nèi)容無法真正理解，甚至產(chǎn)生厭學情緒。這就要求雙語教師在進行教學內(nèi)容的設(shè)計時應更加豐富多彩。
3.教學方法問題
在進行“機械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學時，若還是采用傳統(tǒng)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(shù)采取的是引導式、啟發(fā)式、互動式相結(jié)合的教學方法，后者更為有效，與“機械優(yōu)化設(shè)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(jù)機械工程類專業(yè)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(nèi)容
考慮到我校機械制造及其自動化專業(yè)本科教學培養(yǎng)方案的特點及人才培養(yǎng)需要，對“機械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學課程內(nèi)容進行科學設(shè)計，主要包括以下教學內(nèi)容：緒論（介紹機械優(yōu)化設(shè)計的基本概念與發(fā)展趨勢）；優(yōu)化設(shè)計方法的數(shù)學基礎(chǔ)（介紹矩陣運算和微積分的基礎(chǔ)知識，凸集、凸函數(shù)與凸規(guī)劃的基本理論）；常用的優(yōu)化設(shè)計方法（介紹一維搜索方法、基于導數(shù)的優(yōu)化方法和非導數(shù)優(yōu)化方法等，包括智能優(yōu)化方法）；約束優(yōu)化問題的處理；多目標優(yōu)化方法和優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的靈敏度分析技術(shù)；MATLAB在機械優(yōu)化設(shè)計實例中的應用。這要求學生一方面掌握優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)理論，另一方面應學會運用大型通用優(yōu)化設(shè)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(yōu)化設(shè)計過程，以提高大學生英語表達能力，并達到相互啟發(fā)的作用。
2.努力營造英文教學環(huán)境，提高學生英語水平
作為教師，應認真?zhèn)浜妹恳惶谜n，板書、考試和作業(yè)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(yè)口語能力。同時，教師在給學生布置作業(yè)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(yè)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(chǔ)。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(yè)外，還應當引導學生查找和閱讀與該課程相關(guān)的專業(yè)英語讀物，比如英文論文等，這樣有助于增強學生的專業(yè)英語使用能力，而且還能培養(yǎng)該專業(yè)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(chǔ)。
3.努力加強我校雙語師資隊伍建設(shè)
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(wěn)步提高，以提升本校教師科研業(yè)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(shè)有一個很大的促進和提升作用。
4.充分利用本校網(wǎng)絡(luò)教學平臺
三峽大學求索學堂為全校提供網(wǎng)絡(luò)教學服務，網(wǎng)絡(luò)教學平臺包括公共教學平臺、多媒體課件制作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)實時交互答疑系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)公共教學平臺包括學生工作區(qū)、教師工作區(qū)、管理工作區(qū)三大部分，主要功能模塊有公告欄、答疑、討論區(qū)、在線自測、在線作業(yè)、下載區(qū)、資源等。多媒體課件制作系統(tǒng)提供輔助教師教學的多媒體課件制作平臺；網(wǎng)絡(luò)實時交互答疑系統(tǒng)是一個可以在網(wǎng)上傳遞五種不同模式的電子教學、實時協(xié)作和通信的平臺，提供網(wǎng)絡(luò)教學中的教學雙邊多媒體交互環(huán)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(yǎng)學生的知識獲取能力和自主學習能力。
5.對本校傳統(tǒng)的考核方式進行科學合理的改革
“機械優(yōu)化設(shè)計”課程是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，屬于專業(yè)必修課程，該課程考核方式過去經(jīng)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(yōu)化公式，而忽略了利用該課程核心內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計方法理論從工程上解決實際問題的能力，從而不能體現(xiàn)本校人才培養(yǎng)的要求。針對以上這些弊端，對該門課程的傳統(tǒng)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(yōu)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(yōu)化方法的編程和實現(xiàn)能力；平時成績（占20%）：主要是考核學生平時表現(xiàn)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(nèi)容，也會提高學生利用計算機編寫優(yōu)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(zhì)和能力，這也非常符合本校這種“高素質(zhì)、強能力、應用型”的人才培養(yǎng)目標。
三、結(jié)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(yǎng)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(jù)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(shè)計教學手段，科學合理安排教學內(nèi)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(yè)的前沿動態(tài)，還可以培養(yǎng)其直接閱讀經(jīng)典、前沿外文資料的能力。本文在對“機械優(yōu)化設(shè)計”課程雙語教學進行了多輪教學實踐的基礎(chǔ)上，對該課程雙語教學的背景、教學內(nèi)容與體系、英語教學環(huán)境、師資隊伍建設(shè)、考核方式等問題進行了總結(jié)和改革，以期望對二本院校機械工程類“機械優(yōu)化設(shè)計”課程雙語教學與改革有一定的促進作用。
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