機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用

劉建華 孫亞輝 李金榜/光力科技股份有限公司

機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用

劉建華 孫亞輝 李金榜/光力科技股份有限公司

機械優(yōu)化設(shè)計主要是以數(shù)學(xué)計算為基礎(chǔ)，目的在于優(yōu)化機械制造設(shè)計，使設(shè)計達(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)實應(yīng)用意義。因此，機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用前景十分廣泛。對此，本文簡要分析了機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用和發(fā)展情況，根據(jù)機械運行情況制定相應(yīng)的優(yōu)化策略，從而有利于確保機械的可靠生產(chǎn)，維持安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

機械優(yōu)化設(shè)計；應(yīng)用

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得大量機械制造要求要很高的技術(shù)水平，機械產(chǎn)品的設(shè)計工作變得越加復(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)機械設(shè)計有巨大差別。面對這種情況，機械優(yōu)化設(shè)計理論應(yīng)運而生，并逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代化的機械設(shè)計方法。

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

2.1 傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法的應(yīng)用

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

在機械結(jié)構(gòu)上，內(nèi)點罰函數(shù)優(yōu)化法，對剛度和壓彎組合強度結(jié)構(gòu)進行良好優(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部分兩岸結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使得機械結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確保持運動平衡性，從而提高機械的傳力性能，因此，傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法取能取得一定良好的效果。

2.2 傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法的改進分析

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

3.機械可靠性優(yōu)化設(shè)計的重要分析

機械可靠性設(shè)計時以成品的可靠性作為基準(zhǔn)，將外載力、零部件尺寸、承受能力等各項參數(shù)融合進行綜合考慮。同時需要應(yīng)用力學(xué)理論、概率理論、數(shù)據(jù)統(tǒng)計學(xué)等做出機械可靠性保障方案。

而在實際應(yīng)用中機械可靠性設(shè)計一般會忽略設(shè)計參數(shù)的隨機性。因此，在實際研究中應(yīng)注意將力學(xué)作為隨機變量，機械可靠性設(shè)計中認(rèn)為各個受力因素會受到環(huán)境的影響，因為環(huán)境因素是一個變量，存在著一定的規(guī)律性可循。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，呈現(xiàn)一種波動性規(guī)律變化。

機械可靠性設(shè)計時，根據(jù)設(shè)計的不同的要求選取不同特征函數(shù)，注意在計算的時候應(yīng)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)計時應(yīng)考慮各個參數(shù)的隨機分布，據(jù)此分析出機械的實際工作狀況。

4.現(xiàn)代機械的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用分析

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

4.1 優(yōu)化設(shè)計網(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)平臺開發(fā)工業(yè)化在線優(yōu)化軟件，便于工業(yè)設(shè)計使用。對在線機械優(yōu)化設(shè)計軟件來說，亟待解決的問題是模型問題，對非常復(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，如果計算對象比較模糊，運算效率會受到嚴(yán)重的影響，會給在線優(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)特點進行數(shù)據(jù)的識別，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，能良好的實現(xiàn)各種模型的遺傳算法，并已成功應(yīng)用于甲醇合成機械設(shè)計的優(yōu)化工作中。

4.2 在MATLAB中的應(yīng)用

在機械設(shè)計中引入優(yōu)化設(shè)計方法，使設(shè)計的機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)化工具箱求解機械優(yōu)化設(shè)計問題，避免傳統(tǒng)設(shè)計方法中人工試湊、分析比較過程中的繁雜與重復(fù)，且編程簡單、結(jié)果可靠。

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

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，將模型輸入信息進行單項的傳播輸出，整個模型中均不存在反饋鏈接。

多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很高的運算速度，非線性的映射能力更突出，在機械優(yōu)化設(shè)計中，能利用這種模型的特點，對機械結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化進行映射。

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)用于機械設(shè)計工作中，能夠很好的將計算問題與實際問題結(jié)合起來，在解決大部分工程問題時能夠節(jié)約大量的時間，而且計算結(jié)構(gòu)也非常精確，因此，在自動化控制和機械設(shè)計領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。

4.4 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(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)，每個神經(jīng)元間的連接都具有特別的權(quán)值，這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于輸出和反饋能夠統(tǒng)一應(yīng)用，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)和機械設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)映射起來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進化過程則與機械優(yōu)化設(shè)計的最優(yōu)過程對應(yīng)起來，在實際應(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，機械優(yōu)化設(shè)計關(guān)系著機械日常生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行，因此，其重要性不言而喻，那么在實際工作中必須對現(xiàn)代機械設(shè)計進行優(yōu)化。通過優(yōu)化機械安全運行模式，使得機械在日常工作中發(fā)揮出其主要功用，為保持機械穩(wěn)定生產(chǎn)做貢獻(xiàn)，提高機械設(shè)計的質(zhì)量和速度。隨著數(shù)學(xué)理論和計算理論的發(fā)展，機械優(yōu)化設(shè)計方法也在不斷更新，各種設(shè)計方法都得到了不同程度的完善。因此，機械優(yōu)化設(shè)計不但要深化工程設(shè)計理論，更要結(jié)合多種學(xué)科使計算優(yōu)化更加智能方便。

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