機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

劉建華+孫亞輝+李金榜

【摘 要】機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是以數(shù)學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)，目的在于優(yōu)化機(jī)械制造設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)達(dá)到最有利的學(xué)科，作為一種解決復(fù)雜問題的理論工具有重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。因此，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景十分廣泛。對(duì)此，本文簡要分析了機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展情況，根據(jù)機(jī)械運(yùn)行情況制定相應(yīng)的優(yōu)化策略，從而有利于確保機(jī)械的可靠生產(chǎn)，維持安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1. 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得大量機(jī)械制造要求要很高的技術(shù)水平，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作變得越加復(fù)雜，要求考慮的內(nèi)容也越來越多，精確性和科學(xué)性都與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)有巨大差別。面對(duì)這種情況，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。

2. 傳統(tǒng)機(jī)械的優(yōu)化方法的應(yīng)用與發(fā)展概述分析

2.1 傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法大多應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能和形態(tài)進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)優(yōu)化法，對(duì)剛度和壓彎組合強(qiáng)度結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好優(yōu)化，一方面滿足尺寸要求，另一方面能夠良好的控制結(jié)構(gòu)自重。在形態(tài)方面，注意軸對(duì)稱鍛造部件的毛坯形狀的優(yōu)化。在性能上采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法和黃金分割法對(duì)部分兩岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確保持運(yùn)動(dòng)平衡性，從而提高機(jī)械的傳力性能，因此，傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法取能取得一定良好的效果。

2.2 傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)分析

在新的設(shè)計(jì)方法出現(xiàn)后，傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)：設(shè)計(jì)中普遍采用最優(yōu)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)策略，幫助達(dá)到最優(yōu)組合性能；建立能夠反映設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)模型，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性；利用計(jì)算機(jī)選擇最優(yōu)方案，通過計(jì)算機(jī)程序解決更加復(fù)雜的計(jì)算；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，降低人工設(shè)計(jì)的誤差。

3. 機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要分析

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)時(shí)以成品的可靠性作為基準(zhǔn)，將外載力、零部件尺寸、承受能力等各項(xiàng)參數(shù)融合進(jìn)行綜合考慮。同時(shí)需要應(yīng)用力學(xué)理論、概率理論、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)等做出機(jī)械可靠性保障方案。

而在實(shí)際應(yīng)用中機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)一般會(huì)忽略設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性。因此，在實(shí)際研究中應(yīng)注意將力學(xué)作為隨機(jī)變量，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中認(rèn)為各個(gè)受力因素會(huì)受到環(huán)境的影響，因?yàn)榄h(huán)境因素是一個(gè)變量，存在著一定的規(guī)律性可循。機(jī)械強(qiáng)度受到材料的性能、加工精度、工藝環(huán)節(jié)的波動(dòng)等影響，呈現(xiàn)一種波動(dòng)性規(guī)律變化。

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)的不同的要求選取不同特征函數(shù)，注意在計(jì)算的時(shí)候應(yīng)考慮其離散性，使用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算求解。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各個(gè)參數(shù)的隨機(jī)分布，據(jù)此分析出機(jī)械的實(shí)際工作狀況。

4 .現(xiàn)代機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

現(xiàn)代高新設(shè)計(jì)方法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越加廣泛。而現(xiàn)代的設(shè)計(jì)不僅是單一的完成給定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，而是要將產(chǎn)品使用及設(shè)備維修等因素統(tǒng)一進(jìn)行綜合考慮。因此，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)在強(qiáng)調(diào)環(huán)保設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等考慮綜合性因素的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用工作更為活躍，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，涉及到航空航天工程機(jī)械及通用機(jī)械與機(jī)床的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；涉及到水利、橋梁和船舶機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；涉及到輕工紡織行業(yè)、軍事工業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；涉及到建筑領(lǐng)域機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；涉及到食品機(jī)械等機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)軟件

優(yōu)化算法的研究已經(jīng)有所成績，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開發(fā)工業(yè)化在線優(yōu)化軟件，便于工業(yè)設(shè)計(jì)使用。對(duì)在線機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件來說，亟待解決的問題是模型問題，對(duì)非常復(fù)雜的系統(tǒng)來說，結(jié)構(gòu)、流程、物料和系統(tǒng)參數(shù)等非常復(fù)雜，如果計(jì)算對(duì)象比較模糊，運(yùn)算效率會(huì)受到嚴(yán)重的影響，會(huì)給在線優(yōu)化軟件帶來了巨大的困難。

為了解決這種情況，通過合適算法解決辨別模型，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和學(xué)習(xí)特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的識(shí)別，讓在線優(yōu)化軟件也能夠良好的應(yīng)用于各種模型，如：國內(nèi)比較成熟的 NEUMAX 軟件包，基于神經(jīng)遺傳算法的在線優(yōu)化軟件包，能良好的實(shí)現(xiàn)各種模型的遺傳算法，并已成功應(yīng)用于甲醇合成機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化工作中。

4.2 在MATLAB中的應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)中引入優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)的機(jī)械零件滿足性能要求，使其在某些特定方面達(dá)到最優(yōu)。利用MATLAB優(yōu)化工具箱求解機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中人工試湊、分析比較過程中的繁雜與重復(fù)，且編程簡單、結(jié)果可靠。

在上述實(shí)例中，利用MATLAB 軟件中FEMINCON函數(shù)求解夾具設(shè)計(jì)問題，最終設(shè)計(jì)的夾具比采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的質(zhì)量輕、成本低且設(shè)計(jì)效率高。

4.3 多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的使用

多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中應(yīng)用較廣的一種，通過輸入層、隱層和輸出層，將模型輸入信息進(jìn)行單項(xiàng)的傳播輸出，整個(gè)模型中均不存在反饋鏈接。

多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很高的運(yùn)算速度，非線性的映射能力更突出，在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，能利用這種模型的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行映射。

除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用外，很多專業(yè)的數(shù)學(xué)軟件也應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，能夠很好的將計(jì)算問題與實(shí)際問題結(jié)合起來，在解決大部分工程問題時(shí)能夠節(jié)約大量的時(shí)間，而且計(jì)算結(jié)構(gòu)也非常精確，因此，在自動(dòng)化控制和機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。

4.4 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本內(nèi)容是雙向相連的神經(jīng)元系統(tǒng)，每個(gè)神經(jīng)元間的連接都具有特別的權(quán)值，這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于輸出和反饋能夠統(tǒng)一應(yīng)用，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)映射起來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化過程則與機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的最優(yōu)過程對(duì)應(yīng)起來，在實(shí)際應(yīng)用中，尋找神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與問題的解的過程十分關(guān)鍵。

5 .結(jié)語

總而言之，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)系著機(jī)械日常生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，其重要性不言而喻，那么在實(shí)際工作中必須對(duì)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。通過優(yōu)化機(jī)械安全運(yùn)行模式，使得機(jī)械在日常工作中發(fā)揮出其主要功用，為保持機(jī)械穩(wěn)定生產(chǎn)做貢獻(xiàn)，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量和速度。隨著數(shù)學(xué)理論和計(jì)算理論的發(fā)展，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也在不斷更新，各種設(shè)計(jì)方法都得到了不同程度的完善。因此，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)不但要深化工程設(shè)計(jì)理論，更要結(jié)合多種學(xué)科使計(jì)算優(yōu)化更加智能方便。

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