优化设计是一门新兴学科, 它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上, 通过计算机的数值计算, 能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案, 使期望的经济指标达到最优, 它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题, 优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法, 因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面: 一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型, 建立数学模型包括: 选取适当的设计变量, 建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式, 约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系; 二是如何求得该数学模型的最优解: 可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下, 在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内, 以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象, 选取设计变量,建立目标函数和约束条件, 并使目标函数获得最优值一种现代设计方法, 目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。
2 机械优化设计数学模型的建立
优化设计的数学模型包括优化设计三要素,即设计变量、约束条件和目标函数。
1)设计变量
设计变量是一组彼此独立的设计参数; 其个数称为优化设计的维数。一般情况下, 为使问题简单化, 应尽量减少设计变量个数, 将那些对设计指标影响比较大的设计参数定为设计变量。若几个设计变量用X1, X2Xn表示, 可把它们看作一个矢量X, 则可用矩阵的形式表示为X=[X1X2……Xn]T
2)约束条件
在优化设计过程中, 设计变量的取值通常不是任意的, 总要受到某些实际条件的限制, 这些限制条件称为约束条件或约束函数。约束条件一般分为边界约束和性能约束。约束按其数学表达式形式又可分为不等式约束和等式约束, 写成统一的格式为:
gi(x)≤ 0或gi(x)≥0 (i=1, 2, …, n)
hj(x)=0 (j=m+1, m+2, …P)
m代表不等式约束的个数; (p-m)代表等式约束的个数。
3)目标函数
目标函数也称评价函数, 它是评价设计方案优劣的标准。例如, 质量最轻, 体积最小等结构指标; 效率最高, 可靠性最好等性能指标以及成本最低, 生产率最高等经济指标等等。这些设计指标可以表示成为设计变量的函数, 称为目标函数,F(x)=F(x1, x2…xn), 可将最佳值统一定为目标函数的极小值即F(x)→min。
3 求解优化问题的基本思路和方法
求解优化问题可以用解析法和数值迭代方法。解析法是利用数学解析法(如微分、变分等方法)来求解。数值迭代方法则是利用函数在某一局部区域的某些性质和函数值, 采用某种算法逐步逼近到函数极值点的方法。首先从某一初始点X( 0)出发, 按照某种优化方法所规定的原则, 确定适当的搜索方向d( 0), 计算最佳步长a( 0)。求目标函数的极值点, 即获得一个新的设计点X( 1);然后, 再从X( 1)点出发, 重复上述过程, 获得第二个改进设计点X( 2)。如此
迭代下去, 可得X( 3),X( 4)…, 最终得到满足设计精度要求的逼近理论最优点的近似最优点X。
4 常用优化设计可选优化目标
在工程设计问题中, 追求的目标可各种各样,按追求目标的多少, 可分为单目标函数和多目标函数。如设计多级齿轮传动系统时, 要求在满足规定的传动比和给定最小齿轮直径的情况下, 追求系统的转动惯量最小, 箱体的体积最小, 各级传动的中心距之和最小, 承载能力最高, 寿命最长等。目标函数作为评价方案中的一个标准, 有时不一定有明显的物理意义和量纲, 它只是设计指标的一个代表值。正确地建立目标函数是优化设计中很重要的工作, 它既要反映用户的要求, 又要敏感地、直接地反映设计变量的变化, 对优化设计的质量及计算难易都有一定的影响。
5 优化设计方法的分类及其特点
以上比较全面地介绍了一些优化设计方法,每种方法都有各自的特点。这里把这些方法总结归纳出以下几类,着重讨论这几类优化设计方法的特点。
5.1 有约束优化设计法
机械优化问题大多数都是有约束的优化问题,根据处理约束条件的方法的不同可以分为间接法和直接法。
间接法常见的方法有增广拉式乘子法、罚函数法。它是将有约束优化问题转化为无约束优化问题,再通过无约束优化方法来求解。或者将非线性约束优化问题转化为线性规划问题来处理。
直接法常用的方法有复合形法、约束坐标轮换法、网络法等。其内涵是构造一个迭代过程,使每次的迭代点都在可行域中,同时逐步降低目标函数值,直到求得最优解。
5.2 无约束优化设计法
无约束化优化设计就是没有约束函数的优化设计。无约束优化设计法很多,包括牛顿法、坐标轮换法、共扼方向法、单纯形法、变尺度法、梯度法等。在寻优过程中是否利用到目标函数的性态(如可微性)是区别无约束优化设计法中直接法和间接法的标准。此法具有计算效率高、稳定性好等优点。
5.3 模糊优化设计方法
模糊优化设计法是将模糊信息和因素量化,建立由模糊约束条件、模糊变量以及模糊目标函数组成的模糊数学模型,再通过从模糊到非模糊的变化来实现模糊数学模型的转化,最终利用优化算法进行求解。
5.4 基因遗传算法
基因遗传算法是目前非常流行的一种优化算法,简称GA。在目前可检索的期刊文献中基于基因遗传算法进行优化研究的论文占了所有关于优化算法研究论文的很大的一部分。
GA是一种基于自然群体遗传演化机制的高效探索算法,它是美国学者Holland于1975年首先提出来的。
GA摒弃了传统的搜索方式,模拟自然界生物进化过程,采用人工进化的方式对目标空间进行随机化搜索。它将问题域中的可能解看作是群体的一个个体或染色体,并将每一个体编码成符号串形式,模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程,对群体反复进行基于遗传学的操作(遗传,交叉和变异),根据预定的目标适应度函数对每个个体进行评价,依据适者生存,优胜劣汰的进化规则,不断得到更优的群体,同时以全局并行搜索方式来搜索优化群体中的最优个体,求得满足要求的最优解。
6 优化设计方法的选择
在优化设计中,对于同一优化问题往往可以有不同的优化方法。有的优化方法效果较好,有的则较差,甚至会导致错误的结果。因此,根据优化设计问题的特点(如约束条件),选取适当的优化方法是非常关键的。以下列举了4个选择优化方法的基本原则:
(1)效率要高。所谓效率要高就是所采用的优化算法所用的计算时间或计算函数的次数要尽可能地少。
(2)可靠性要高。可靠性要高是指在一定的精度要求下,在一定迭代次数内或一定计算时间内,求解优化问题的成功率要尽可能地高。
(3)采用成熟的计算程序。解题过程中要尽可能采用现有的成熟的计算程序,以使解题简便并且不容易出错。
(4)稳定性要好。稳定性好是指对于高度非线性偏心率大的函数不会因计算机字长截断误差迭代过程正常运行而中断计算过程。
除了上述4个基本原则外,选择恰当的优化方法还需要个人的经验,这样可以运用一些技巧,简便解题程序和步骤。这些经验包括对各种常用优化算法的特点要非常清楚,比如它们的计算精度、收敛性、稳定性等等,这样才能互相比较,从中找到一个最合适的算法出来。此外,还需深入分析优化模型的约束条件、约束函数、设计变量以及目标函数,根据复杂性、准确性等条件对它们进行正确地选取和建立。
7 未来前景和地位
近年来, 优化设计方法已在许多工业部门得到应用, 并发挥着重要的作用, 相对来讲, 优化方法在机械设计中的应用稍晚一些, 直到60 年代后期才开始有较成功的应用, 但发展却十分迅速。在机构综合, 机械零部件设计, 专用机械设计和工艺设计等方面都获得应用, 并取得丰硕的成果。机构运动参数的优化设计是机械优化设计中发展较早的领域, 不仅研究了连杆机构, 凸轮机构等再现函数和轨迹的优化设计问题, 而且还提出一些标准化程序。机构动力学优化设计方面也有很大进展, 如惯性力的最优平衡, 主动件力矩的最小波动等的优化设计。机械零部件的优化设计,最近20 多年也有很大发展, 主要是研究各种减速器的优化设计, 滑动轴承和滚动轴承的优化设计以及轴。弹簧、制动器等的机构参数优化。除此之外, 在机床、锻压设备、压延设备、起重运输设备, 汽车等的基本参数、基本工作机构和主题机构方面也进行了优化设计工作。
优化方法在结构设计中的应用, 既可以使方案在设计要求下达到良好的性能指标, 又不必耗费过多的材料, 使机器重量降低。例如起重机主梁、塔梁、雷达接收天线机构、机床多轴箱方案、建筑结构等, 利用优化设计, 可以使重量减轻15%以上。在国外, 如美国贝尔飞机制造公司采用优化设计方法优化了450个设计方案, 二个大型结构问题, 使得在设计中, 重量减轻25 % 。我国某生产厂家引进的17 一00薄板轧机是德国DMAG公司提供的, 该公司对此产品进行优化设计后, 可以多盈利几百万马克。
另外, 通过电路优化设计, 使原来电路的性能在满足设计功能和指标的基础上, 在一定的约束条件下, 对某些参数进行调整, 就使得电路的某些性能更为理想。目前, 已有现成的电路优化软件可对电路进行优化设计, 优化时可以同时调整电路中8个目标参数和约束条件点的要求。可以根据给定的模型和一组晶体管特性数据, 优化提取晶体管模型参数。因此可以提升我国机电设备设计技术水平和企业的竞争能力, 同时显著提高企业的经济效益与社会效益。
现实生活中, 优化问题存在于很多方面, 已经受到科研机构、政府部门和产业部门的高度重视。随着市场经济的发展, 产品市场经济日趋激烈, 工矿企业迫切期望提高产品性能, 减少原材料消耗, 降低生产成本, 增强产品的竞争力, 这使得机械优化设计的应用范围越来越广, 收到的效益也愈来愈显著。
机械优化设计学结 [篇2]
学习机械优化设计以前，总感觉企业的生产，人类日常生活中的劳动等都是一种简单的过程，总有一定的套路可循。但自接触了机械优化设计这门学科以后，让我认识到在人类的生产中，我们总是意向于得到我们最满意的效果，如加工零件怎样最省材料又不影响零件的加工，饭店厨师对于菜系的烹饪顺序等，看似很简单的问题，但其中却蕴藏着极大的智慧！就老师上课用以举例的割木材问题中怎样剧料使材料最省为例，细分下来积累的计算量足以令我们筛选一宿！总上的种种，就迫切的需要我们掌握一套系统的机械优化设计方法。
翻阅相关书籍，才了解到机械优化设计虽然只有从近代到现在短短几十年的发展历史，但是其体系的迅速完善我想是其他学科难以企及的。如今，机械优化方法也是各类决策方法中普遍采用的一种方法，机械优化设计作为一种现代化的设计方法已经广泛的机械设计中，并取得了良好的经济效益。在面对市场竞争日益激烈的大环境下，计算机处理技术日益改进，作为新产品的开发与改进环节中最重要的环节就在于如何大幅度的缩短产品的使用周期，如何提高新产品的设计质量，以及降低新产品的设计成本这些方面等对于企业缩减开发成本，更快的抢占同类产品的市场等具有决定性的作用！我们应当与时俱进，跟上学科发展的势头，把机械优化设计作为学习生活中研究与关注的对象，在平时的处事中长存优化的思想。
机械优化设计学结 [篇3]
在现代社会， 人们运用这种类型的机械， 以改善劳动条件，提高劳动生产率和产品质量，同时，随着经济的发展，人们也运用越来 越多的机械，以提高自身的生活质量，可以说，国民经济各部门及人类自身生活中使用机 械的程度，是整个社会发展水平的重要标志之一。
通过本学期对机械制造基础的学习，尤其是在赵老师的细心讲解和教导下，我不仅系 统的掌握了机械知道的基本理论知识，也学会了部分的应用技术。现总结如下：机械工程材料篇 机械工程材料篇1 金属材料的性能 在现代工业中，金属材料是工程材料的核心。金属材料有两大类性能：一类是使用性 能，包括力学性能、物理性能和化学性能，它反映了金属材料在使用过程中所显示出来的 特性；另一类是工艺性能，包括铸造性、锻造性、焊接性以及切削加工性，它反映金属材 料在制造加工过程中成型能力的各种特性。
1.1 金属的力学性能 金属的力学性能是指材料在各种载荷（静载荷、冲击载荷、疲劳载荷等）作用下表现 出来的抵抗变形和破坏的能力。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳 极限等。
强度是指金属材料在载荷作用下所表现出来的抵抗变形或断裂的能力。金属材料的强 度是用应力来度量的，即单位截面积上的内力称为应力，用 σ 表示。常用的强度指标有屈 服强度和抗拉强度。
（1）屈服强度 式中σs材料产生屈服时的最小应力，单位 mpa。
σ s = fs / a0fs——屈服时的最小载荷（n） ； a0——试样原始截面积（mm2）.（2）抗拉强度 σ b 单位 mpa 试中表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，故又称强度极限。σb = f / a b 0fb——试样断裂前所承受的最大载荷（n） 。塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力，塑性指标也是通过拉 伸试验测定的。常用的指标有两个： （1）断后伸长率：
式中 l0 、 l1δ = ( l1 ? l0 ) / l0 ×100%——分别为试样原始标距和被拉断后的标距（mm） 。（2）断面收缩率：
式中ψ = ( s0 ? s1 ) / s0 ×100%s0 、 s1 ——分别为试样原始截面积和断裂后缩颈处的最小截面积（mm2） 。δ 、ψ 数值愈大，表明材料的塑性愈好。通常，依据断后伸长率是否达到 5%，作为划分为塑性材料和脆性材料的判据。
硬度是表征材料表面局部体积内抵抗其它物体压入时变形的能力。通常材料的强度越 高，硬度也越高，耐磨性也越好。常用硬度指标有：布氏硬度（hb）洛氏硬度（hra、 hrb、hrc）和维氏硬度（hv）等 韧性是指材料断裂前吸收的变形能量。韧性的常用指标为冲击韧度。
冲击韧度 ak (ak＝ ak/fk ) 指在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的 能力，是材料强度和塑性的综合表现。
疲劳极限是指许多机械零件在交变载荷作用下，虽然零件所受应力远低于材料的屈服 点，但在长期使用中往往会突然发生断裂。
1.2 物理性能和化学性能 金属材料固有的一些性能称为物理性能，主要包括密度、熔点、导电性、导热性、热 膨胀、磁性等。
金属材料的化学性能是指金属与周围介质接触时，抵抗抵抗发生化学或电化学的性 能。包括耐腐蚀性和抗氧化性。
1.3 金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指材料在各种加工条件下形成能力的性能，如金属材料的铸造 性能、焊接性能、锻造性能、切削加工性能、冲压性能、热处理工艺性等。材料的工艺性 能的好坏，决定着其加工成型的难易程度，直接影响到制造零件的工艺方法、质量和制造 成本。
2 金属的晶体结构与结晶 金属材料的各种性能， 尤其是力学性能与其微观结构有关。
物质的聚集状态分为气态、 液态和固态，大多数金属材料都能用液态转变为固态，并且是在固态下使用的。
2.1 晶体结构：指在晶体内部，原子、离子或原子集团规则排列的方式。晶体结构不 同，其性能往往相差很大。在研究晶体结构时，通常以晶胞作为代表来考查。晶体结构与 材料性能：
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较 差。
2.2 晶体缺陷：实际晶体中排列不规则的区域称为晶体缺陷，按空间尺寸分为三种： 点缺陷、线缺陷、面缺陷。
2.3 金属的`结晶：是指液态金属凝固成固态金属晶体的过程。液态金属结构的特点是：
“近程有序， 远程无序”。
金属的结晶过程包括晶核的形成和长大两个基本过程。
形核方式：
自发形核和非自发形核。常用控制晶粒度的方法有：控制过冷度、变质处理、附加振动等。
3 钢的热处理 钢的热处理是指把钢在固态下加热到一定的温度，进行必要的保温，并以适当的速度 冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。热处理是强化金属材 料、提高产品质量和使用寿命的重要途径之一。热处理方法虽然很多，但都是由加热、保 温和冷却三个阶段组成的。
3.1 热处理按工艺方法不同可分为：整体热处理、表面热处理和化学热处理。热处理 的第一步就是把钢的原始组织加热，使其转变为奥氏体，奥氏体的形成分为四个阶段：晶 核的形成、晶核的长大及渗碳体的溶解、奥氏体成分的均匀化；控制奥氏体晶粒长大的措 施：合理选择加热温度和保温时间、选用含有合金元素的钢。
3.2 根据加热及冷却的方法不同，获得金属材料的组织及性能也不同，热处理可分为 退火、正火、淬火和回火四种。
退火是将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退 火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的 目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能， 减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。所以退火既为了 消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半 成品热处理，又称预先热处理。根据钢的化学成分和退火目的不同，退火常分为：完全退 火、球化退火、去应力退火、扩散退火和再结晶退火等。
正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然 冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提 高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。
淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度 骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热 处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。淬火中常用的淬火剂有：水、 油、碱水和盐类溶液等。
回火是工件淬硬后加热到 ac1 以下的某一温度， 保温一定时间， 然后冷却到室温的热 处理工艺。
按回火温度不同， 回火分为：
低温回火 （150～250℃） 中温回火 、 （350～500℃） 、 高温回火（500～650℃） 4 常用的工程材料 工程材料分为金属材料和非金属材料，其中金属材料是工程中应用最为广泛的，它包 括碳钢、合金钢、铸铁、有色金属等。公差配合与测量技术篇 公差配合与测量技术篇5 圆柱体的公差与配合 5.1 基本术语及定义 互换性是指同一规格的零、部件可以相互替换的性能。互换性分为完全互换和不完全 互换。
我国的技术标准分为三级：国家标准(gb)、部门标准(专业标准，如 jb)、地方标准或 企业标准；另外，还有国际标准(iso)等。
优先系数是指按一定公比由优先数所形成的一种十进制的几何级数。
基本尺寸是指设计给定的尺寸。
实际尺寸是指通过测量获得的尺寸。
极限尺寸是指允许尺寸变化的两个极限值，尺寸较大的一个称为最大极限尺寸，较小 的一个称为最小极限尺寸。
配合是指基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间的关系。配合种类有：间隙配 合、过盈配合、过渡配合。
基孔制是指基本偏差为一定的孔的公差带与不同基本偏差的轴的公差带形成各种配 合的一种制度，称基孔制。代号“h” 基轴制是指基本偏差为一定的轴的公差带与不同基本偏差的孔的公差带形成的各种 配合的一种制度，称为基轴制，代号“h”。
5.2 尺寸的公差与配合 基本偏差是指公差带靠近零线的那个偏差为基本偏差；公差带位于零线上方时，基本 偏差为下偏差；公差带位于零线下方时，基本偏差为上偏差。为了满足生产的需要，国家 标准设置了 20 个公差等级。各级标准公差的代号分别为：it01、it0、it1、it2、…it18。
标准公差数值的特点：从左至右，基本尺寸相同，随着公差等级的越来越低，公差值越来 越大；从上至下，精度等级相同，随着基本尺寸的越来越大，公差值越来越大。公差等级 的选用原则：在满足使用要求的前提下，尽量选取低的公差等级，并考虑孔轴加工时的工 艺等价性。
6 测量技术基础 在机械制造中，为确保加工后的零件质量，需要对零件的长度、角度、表面粗糙度和 形位误差等几何量进行检测，并根据检测的结果对加工方法及加工设备做出调整。 7 形位公差及测量 形位公差的研究对象是构成零件几何特征的点、线、面的几何要素。
形位公差各项目的符号如图：形位公差的标注表示：8 表面粗糙度及测量 一台机器的质量，主要取决于组成机器各个零件的加工质量和产品的装配质量。而零 件的加工质量的主要指标包括加工精度和表面粗糙度两个方面。表面粗糙度对机器零件的 配合性质、耐磨性、工作精度、抗腐蚀性均有较大的影响。选择合理的表面粗糙度对保证 产品的性能、降低加工成本和选择加工方法等方面有着非常重要的意义。金属切削加工篇 金属切削加工篇金属切削加工是用切削工具从毛坯上去除多余的金属，已获得具有所需的集合参数和 表面粗糙度的零件的加工方法。切削加工能获得较高精度和表面质量，对被加工材料、零 件几何形状及批量生产具有广泛的适应性。机械零件除少数是采用无切屑加工的方法获得 以外，绝大数零件都是靠切削加工来获得。
切削运动是指刀具与工件间的相对运动。按作用来分，切削运动可分为主运动和进给 运动。机床通常只有一个主运动；而进给运动可以是多个，也可以是一个，可以是连续的， 也可以是间歇的。切削要素包括：切削速度、进给量、背吃刀量。
刀具材料主要是指刀具切削部分的材料，是影响加工表面质量、切削效率、刀具寿命 的基本因素。常用的道具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷材料。
外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具。
金属切削过程是指工件上多余的金属层，在刀刃的切割、前刀面的推挤下，产生变形 滑移而变成切屑的过程。切屑有三大类型：带状切屑、挤裂切屑、单元切屑和崩碎切屑。
在一定的条件下切削塑性金属，刀具切削刃附近的前面上粘附着一块很硬的金属堆积物， 这就是积屑瘤，为避免积屑瘤应采用高速切削或低速切削。
组成机器的零件大小不一，形状和结构各不相同，其切削加工方法也多种多样。常用 的金属切削加工方法有车削、钻削、镗削、刨削、拉削、铣削和磨削等。车削加工是机械 加工中最基本、最常用的一种工艺方法，是在车床上利用工件的旋转运动和刀具的移动来 完成对工件的切削加工的。
学习这部分内容时，我们是在赵老师的带领下去实训基地自己亲手操作的。能让我们 有机会把理论和实践相结合，更深刻的掌握了一些实际操作的技能。
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