时间：2023-03-17 18:13:28
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1.1材料变元
现实生活中很多种材料都可以用来设计机械结构，不一样的材料要求的加工方法和手段不一样、适用的结构类别不一样、零件需要的大小也不一样。材料的变元可以变化出不一样的结构模式。比如说：在进行钢材料的结构设计过程中，零件的截面面积越大，材料结构强度就越大、越硬；在铁材料的结构设计中，为了使结构变强变硬，人们通常使用加强筋和隔板的方法；在塑料材料的结构设计中，塑料件的筋板和壁厚应该无差而别且对称均匀。
1.2数量变元
在产品的结构当中主要包括以下几个方面，即零件以及轮廓面、线和加工、工作面共同构成了产品本身，如果想要将机械的结构目的进行改变，那么就可以通过调节上述结构元素而实现。就好比在铸件的过程中，是希望越简单便捷越好的。能够节省一些不必要的零件配置，又能在安装的时候方便人们的使用，这在无形中就提高了工作效率，比如安装一个螺丝钉的时候，如果按照螺钉和垫圈以及弹簧垫圈才能结合在一起的模式去安装，那么就需要最少三个步骤，但是如果把它们设计为一体的话，就可以大量地节省安装的时间，提高了效率。
1.3位置变元
在实际操作过程中，产品结构的元素之间的位置是可以进行调换的，这样可以无形中使结构本身的设计更加完善。比如，零件的焊缝位置应该对应中性轴或者至少需要靠近中性轴，这样便于将收缩力减少或者能够避免产品的变形。除此之外，零件的摆放问题也十分重要，如果杂乱无章则会大大阻碍操作速度。
1.4尺寸变元
零件的尺寸必须符合使用的标准才行，必须在各项标准合格之后才可以进行操作，比如：在冷冲压弯这一工艺中，就需要零件按照既定的需求进行弯曲，如果零件在加工的过程中，实现了标准的弯度，那么就算是一个成品，不需要再度进行加工。如果不符合产品的需求那么还需要进一步的加工整形来达到产品的要求。
1.5形状变元
机械整体的结构目的可以通过调整零件的形状或者改变其规格的大小而实现。比如在弹簧的生产过程中需要考虑多个问题，首先是弹簧的大小及其相对的螺丝垫圈的规格，能否让弹簧和使用的螺旋面以及被需要压紧的零件相吻合，就需要设计出不同规则的产品，无论零件的形状面如何都需要相匹配的弹簧来配合才行，如果零件之间的距离过大，或者不能够将压力有效融合，那么零件在安装过后就不算是合格，如果这一类零件销售在市场中，很可能造成一系列事故，那么为了防止拉簧因为这些问题而失去使用效率，就势必要将弹簧的设计空间放大，并且实现它的自身独特性，即使它在单独使用的过程中也可以实现跟其他零件的配合。
1.6分析连接变元
一是联接方法，主要的模式有焊接、胶结以及螺纹联接等方式。二是联接的方式，根据结构类型的不同而不同，因此为了丰富联接方式以及寻找到最为契合的联接方式，各个联接的结构以及联接的方式都可以进行相对应的合理调整。比如：针对一些需要拆卸的零件，如果在联接的方式上不能选择好，那么就会在联接和拆卸方面造成一定的困难，此类的零件需要便捷的拆卸模式，比如日常生活中所购买的一些产品，像是随声听的后盖，就可以任意拆卸下来安装电池来维持继续使用，这样的结构也方便用户使用，从未为其提供便捷的操作模式。
1.7分析工艺变元
零件在产生之前，往往会有其自己的设计图纸，而设计图纸上面的结构内容直接决定了产品属于何种工艺级别的零件，因为每一个设备的零件都不是完全相同的，所以零件的设计以及成本也千差万别，如果设计工艺在产品出产之前没有得到完善，那么势必会影响到零件自身的质量，一旦零件没有合乎要求，那么产品的整体结构就会受到一定的影响。因此在零件铸造之前对于零件图纸的研究必须给予深度的重视，现在的加工技艺正呈现着不断创新和完善的趋势，但是问题也就随之而来，这些加工工艺虽然具有创新性，但是还不够成熟，并非达到了理想中的需求，因此还需要进一步的对此加大研究的力度。
2机械结构创新的尝试及优化测评
2.1机械结构设计的创新尝试
防腐剂在石油以及一些石化设备中具有十分重要的作用，下文以其为例，阐述变元法在其中重要的作用。石油和石化设备必须进行防腐蚀性的设计，这样一来，在设计的最初就应该考虑到防腐蚀性的大小和影响因素，从而采取必要的保护和防治措施，主要有以下几个方面。首先，在总体的设计上面，对停车间给予了严格的要求，不能堆放杂乱，不能潮湿，不能含有其他不利于防腐的物质存在。其次，设备的使用年限与设备本身一些极为细小的间隙区有着十分重大的联系，这些缝隙极有可能在人眼看不到的地方发生腐蚀问题，或者这些缝隙人是无法凭借手工去进行操作控制的，就像是一些产品的焊接点，这些产品貌似看起来已经不存在腐蚀的可能，但是难免会有看不到的缝隙存在，应该进行必要的封存和填补，或者干脆将缝隙扩大，这样便于对其进行维修补救和防护。再次，温度较高以及质量较高的浓度阶梯，局部势差问题往往在这种情况和产品中产生，一旦发生了腐蚀则不可控制。此外，每一种金属都有着自己独特的属性，产品在构建的过程中不一定是一种金属构建而成，多半是几种金属共同组合而成，但是不同的金属势必会产生接触面的腐蚀，应该对此进行绝缘处理。最后，面积越小腐蚀的点也就越小，因此要针对产品的不同设计缩小表面积从而减少腐蚀。
2.2对机械结构变元创新设计的优化评测
机械结构在完成变元创新实践之后。要根据目前的性能以及使用效果进行一个综合的测评，首先要进行模糊测评，运用理论研究和一些理想化的模型设计一种测评模式，但是这种测评模式并不是实际操作中的模型，而是通过一定的数学模型，根据先进的设计理念和规划，对其进行变化创新设计的检测。在测试的过程中测试者凭借自己多年的使用经验和研究理念进行对其综合评价的过程，并根据现有的先进思维对其进行构建，在测试的过程中还需要考虑到社会实际问题，产品在经过变元之后，使用方面是否安全，便捷，可维修性是否达到了指标，并且要将逻辑推理的思维运用到其中，选择出使用其整体变元的方案，最后针对已经选择好了的方案，进行进一步地修改和完善，从而作用于产品的机械结构构建当中，服务于产品的整体功能。
建筑是环境的一部分,只有与整体环境形成一定的生态联系，才有一种共生关系。所以,建筑必须与外部空间相联系,形成不同层次的空间环境。因此,建筑与环境之间的结合、呼应,不仅完善了建筑空间,也使空间得以延伸、扩展。建筑空间与景观空间的结合,可以大大丰富建筑本身的空间。苏州拙政园中的“借景”手法非常经典地阐释了这种设计理念。例如：在市中心复杂地段建筑，由于道路不规则等问题对建筑产生了很大的制约，如果设计者采用圆形建筑风格，映衬周边的弧形道路，再用环形的步行道穿插于之中，能够形成建筑与环境的和谐统一。
二、和谐在于共同元素的发掘
在建筑设计中我们经常见到：一是关注建筑本身，后去考虑环境的美化；另一种是在环境中去添加建筑，建筑难以融入环境之中。这两种设计环境都难以实现空间的和谐统一。事实上，我们不能单纯考虑建筑，也不能单纯关注景观，单方面追求和谐统一的想法都是不现实的。如何在具体是设计过程中贯穿景观与建筑和谐统一的理念呢？这就需要我们去寻找建筑与景观的最佳结合点，不能在设计中顾此失彼。只有去寻求景观与建筑的结合点，从这个地方切入，才能够寻找到建筑的灵魂。
为此，我们在进行单体建筑设计的同时，预先提出整体环境框架与要求，在分析基址环境、周边环境、视域环境等因素的基础上，提出系统的设计指导原则。尊重建筑周围景观对建筑风格、色调、设施的各种要求，在这些要素中去寻找景观与建筑相通的地方，抓住这个点来贯穿建筑与景观，让建筑风格与环境风格相符、相称，让建筑成为景观生态中的一个部分，融入到环境当中去。对于一些后加入进去的建筑，或者是一些改造的建筑，也要在环境允许的条件下进行调整，保持建筑与环境之间的整体性。
三、用建筑思想反照景观设计
建筑不仅仅从属于景观，也是景观的一部分，当建筑融入景观后，其本身也是对景观的一种改造。所以，建筑的设计不仅要考虑与景观的融合，也要考虑对景观的创造性塑造。让景观衬托建筑、用建筑改造景观。
在实践中，我们要以建筑的理念对待景观设计，用建筑分析、决策、设计的方法来造就景观美学。具体设计中，我们可以建筑技术拓展景观空间，用技术来表现科学与艺术的结合。同时，用建筑思维解决景观问题。城市中的建筑与景观往往要面对许多制约，包括场地的限制、经济的限制，在设计过程中，采用建筑的思维方式可以解决城市景观设计中的很多制约因素，比如，在城市建筑密集地区，以彩色喷涂地面的方式划分出进出的道路以及人行与车行的路线，既满足道路的功能要求，也为高层居民提供了视觉对象。
四、关注自然与文化双重生态
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）39-0098-02
优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新的设计方法，人们可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计的效率和质量。最优化设计成功运用于机械设计还是在20世纪60年代后期，虽然发展时间不长，但是发展迅速。在机构综合、机械零部件设计、专用机械设计和工艺设计方面都得到了应用并取得了一定的成果[1-3]。目前国内许多高校机械专业都开设了《机械优化设计》这门课程。通过《机械优化设计》这门课程的学习，首先应当使学生具有优化的思想，了解一些优化方法的原理，掌握一些优化的方法，为以后更好的工作打下扎实的基础。但是本课程中一些枯燥的数学推导及公式难以引起学生的学习激情。如何提高学生的学习热情，并使学生较快掌握一些优化方法，一直是笔者在从事《机械优化设计》课程教学中思考的问题。下面介绍笔者在从事《机械优化设计》课程中采用的一些方法和经验。
一、培养学生学习本课程的热情
学习《机械优化设计》这门课程的学生早已先修了机械原理、机械设计等课程，笔者在教学之初常常告诫同学，对于一名工程师设计人员来说，仅仅具有机械原理机械设计方面的知识是远远不够的，只能进行一些传统的设计。而传统的设计只是重复分析产品的性能，而不是主动地去设计优化产品的参数。从某种意义上讲它没有真正体现“设计”的含义。因此，对一个工程设计人员来讲，应当在产品设计的过程中始终要有优化的思想。当然光有优化的思想仍然是不够的，还要有优化的能力，掌握一些优化方法。笔者在开课之初，通常会给学生这样一个假设。如果甲、乙两位同学供职在同一个企业，企业老板让两人分别提出他们的方案来解决公司中某一产品的问题。甲很快将自已的解决方案提交给公司老板。乙经过分析考虑，在甲之后也提交了方案，乙的方案不仅解决了产品问题，而且优化了产品的参数，降低了成本。笔者问学生甲、乙两位同学谁将会被重用，谁将获得更多的职位升迁的机会。这个答案是不言而喻的。通过上述的假设，使学生懂得具有优化的思想和优化设计的方法还与他们个人在工作岗位的升迁机会有关。这极大地提高了学生学习这门课的热情，也让优化思想概念植根于学生思想之中。
二、采用形象化的教学方法
《机械优化设计》中许多枯燥的公式和推导，学生一时会难以掌握，有时会导致学生丧失学习的兴趣。在教学中笔者注重采用形象化的教学方法，例如一维搜索方法中的确定搜索区间的外推法可以用盲人探路的方法来加以引导[4]。具体可以表述为：一个盲人想去一个山谷谷底，他向前探出一步，如果发现在上坡，说明前进方向错误，谷底应在身体后方，应该转身再前行。如果探出一步，发现是下坡，表明谷底在前方，可以继续前行，直至走出一步出现上坡的感觉，据此可以判断谷底就在最后两步之间。
三、课堂教学与生产实践相联系
课堂教学与生产实践相联系，提高学生学习兴趣，提高学生走上岗位解决问题的能力。例如坐标轮换法，坐标轮换法是每次搜索只允许一个变量变化，其余保持不变，即沿坐标方向轮流进行搜索的寻优方法。在介绍坐标轮换法思想时，笔者以注塑产品为例加以介绍，注塑产品的质量与温度、喷嘴压力、保压时间、注塑速度等工艺参数有关。在试模过程中为了获得较好的产品质量，需要调试出这些工艺参数值。有经验的注塑人员往往采用坐标轮换法思想以节约试模时间。首先逐渐改变某一个工艺参数值，而其余工艺参数保持不变，观察注塑产品质量。在注塑产品质量不再提高时甚至开始降低时，再调整另一个参数值，直至注塑产品质量达到要求为止。如果同时对这些工艺参数进行调整，很难确定调整这些工艺参数的方向，会花费较长时间才能调试出合格的注塑产品。
四、加强与学生的互动
现代教学论指出：教学是教师的教与学生的学的统一，这种统一的实质就是师生之间的互动。《机械优化设计》课程师生之间的互动可充分发挥学生的主体作用和主动精神，提高学生的学习激情，进一步提高学生的优化设计能力、创新思维。在课堂上笔者注重与学生之间的互动。经常提出一个问题，让学生思考如何采用优化的方法去解决这一问题，以提高学生采用优化方法解决问题的能力。笔者常常让学生走上讲台，介绍他们采用的优化方法，并让学生们充分讨论思考有没有更好的优化方法，充分调动学生的积极性。在课堂教学最后，笔者完全将讲台交给学生，让学生们介绍学习《机械优化设计》这门课的心得和体会。通过课堂的互动，调动了课堂学习的气氛，学生在互动中学到了一些优化方法，牢固了优化设计的思想，提高了优化设计的能力。
虽然《机械优化设计》的基本寻优思想和方法在20世纪60年代已近完备，但是仍有需要改进之处，特别是该课程的教学方法。教学方法的优劣将会影响学生的接受程度。采用各种生动的方法将会提高学生的学习兴趣，牢固掌握一些优化的方法，让优化的概念植根于学生思想之中，为他们走上工作岗位更好地工作打下扎实的基础。笔者通过采用上述的教学方法发现，学生学习《机械优化设计》课程的兴趣提高了，分析问题解决问题的工程实践能力也得到了增强。有些毕业了的学生在与笔者联系时，提到他们工作时常常想到并主动去优化。优化创新思维已成为他们固有的一种思维模式。
参考文献：
[1]叶元烈.机械优化理论与设计[M].北京：中国计量出版社，2001.
[2]方世杰，綦耀光主编.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社，2003.
0 引言
行星齿轮减速器因具有体积小、重量轻、承载能力高、结构紧凑、传动效率高等优点而广泛应用于冶金机械、工程机械、轻工机械、起重运输机械、石油化工机械等各个方面。UG软件是集CAD/CAE/CAM为一体的三维化的软件，它是当今最先进的计算机辅助设计、分析、制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。UG的CAD/CAE/CAM功能模块有复杂的特征建模、装配、运动仿真和有限元分析等功能。实现UG有限元分析功能，必须要遵从UG有限元分析的一般过程，构建有限元模型，其中包括自动网格划分、添加约束与载荷，利用图形的方式得到模型应力、应变的分布情况。机械优化设计，就是在给定的载荷和约束条件下，选择设计变量，建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设计方法。
1 齿轮轴几何参数的初选
通过常规设计方法设计计算出齿轮轴的几何参数，齿轮轴的齿形为渐开线直齿。分配减速器传动比，计算齿轮模数，并根据传动比条件、同心条件、装配条件和邻接条件确定齿轮的齿数。齿轮轴的齿轮基本参数如表1所示。
2 齿轮轴的三维建模
利用UG/Modeling模块建立齿轮轴模型，如图1所示（去掉网格后的实体模型）。
2.1 网格划分
网格划分越密集，计算结果越精确，但是这会使计算时间加长。单元网格的划分采用UG自带的3D四面体自动网格划分，单元尺寸为3mm。网格划分情况如图1所示。
图1 齿轮轴的网格划分
2.2 定义材料特性
齿轮轴材料选择20Cr，其材料属性如下：质量密度 7.850e3kg/m^3，杨氏模量205000N/mm^2（MPa），泊松比0.29，屈服强度等于540N/mm^2（MPa）。
2.3 施加约束和载荷
齿轮轴两端由两个滚子轴承支撑，限制了空间5个自由度，只允许转动。本论文只考虑齿轮轴齿轮处的应力进而对其进行优化，所以为齿轮轴加载荷及约束，安装轴承处加圆柱形约束，在轴端即与联轴器相连处施加大小为175.083N·m的扭矩。约束和载荷施加情况如图2所示。
图2 齿轮轴的载荷施加
2.4 求解和结果查看
UG软件的结构分析模块提供了强大的后处理功能，可以自动生成计算分析报告。齿轮轴的Von Mises应力图如图3所示。单元节点最大应力为325.8MPa，基本接近材料屈服强度的60%。总体来说，输出轴在强度方面不仅满足了设计要求，而且还有很大的裕量，材料的承载能力并没有得到充分的利用，这为齿轮轴的优化提供了很大的空间。
图3 Von Mises应力图
3 齿轮轴的优化
设计目标：
最小化 模型 重量
设计约束：
模型 Von Mises 应力，上限=320000.000000
设计变量：
a：：p53，初值=38.000000，下限=32.000000，上限=38.000000
最大迭代次数：20
优化结果如图4，图5所示。
由图6迭代分析结果可以看出，在进行第三次迭代的过程中，应力值超出上限，所以，以第二次的迭代结果为准，此时的齿宽为35mm，应力值为295MPa，比较理想。所以常规设计方法得到的齿宽b=38应变为优化设计方法得到的齿宽b=35，此时的应力值为295Mpa，亦满足强度要求。
4 结束语
本论文利用UG的高级建模功能，在对行星齿轮减速器齿轮轴进行参数化建模的基础上，建立了有限元模型并进行了有限元分析，得到了齿轮轴的Von Mises应力图，替代了常规校核的设计方法，大大提高了设计效率。同时对齿轮轴的齿宽进行了优化设计，使得设计方案比原常规设计方案在齿轮轴重量上下降了2.02%。为多个设计变量（如模数、齿数）的单或多目标函数优化奠定了基础。
参考文献：
[1]孙恒，陈作模.机械原理.7版[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2]濮良贵，纪名刚.机械设计.8版[M].北京：高等教育出版社，2001.
【Abstract】Taking engineering actual demand into account， ANSYS finite element software studies and analyzes stress and deformation of pressure vessels .Then to follow the design principles as a precondition， finite element model of pressure vessels to optimize the design and analysis， which aims at minimizing the quality after meeting the strength and stiffness requirements. At the same time， optimization analysis module of ANSYS carries on the optimization with pressure and wall thickness， provide theoretical basis with optimization.
【Key words】pressure vessels；Stress Analysis；optimization；ANSYS finite element software
1 引言
随着科技的发展，压力容器在众多工业部门中有着广泛的应用，对压力容器的要求也越来越高。以往的压力容器及其部件的设计基本采用常规设计法，以弹性失效准则为基础，材料的许用应力采用较大的安全系数来保障。由于设计偏于保守使得设计的容器比较笨重，且成本较高，材料有所浪费。
随着工化设计朝着大型化，复杂化，高参数化方向发展，压力容器部件越来越多的利用有限元压力分析来完成。新的分析设计主要以塑性失效和弹塑性失效准则为基础，比较详细的计算了容器和承压部件的应力，并利用大型有限元软件ANSYS对压力容器的壁厚及承压进行优化设计分析。
2 典型压力容器有限元分析
2.1 基于ANSYS的压力容器有限元分析
在分析过程中压力容器将空间问题平面化，有限元模型选取PLANE42单元。在ANSYS软件中采用直接建模的方法，省略压力容器的其他结构（如群座、螺栓等），并设定轴对称选项，建立1/4轴对称分析模型如图2-2示。端部封头对称面各节点约束水平向位移，筒体下端各节点约束轴向位移，内壁施加均布荷载P=10Mpa.
2.1.1 对有限元模型施加边界条件并求解
有限元分析的目的是了解模型对外部施加荷载的响应。在本例中，模型受到的荷载有内压，外压，重力以及支撑力，考虑到重力，外压和支撑力相对内压的影响而言作用甚小，可以忽略。因此只对内壁施加线荷载P=10Mpa，接下来进入求解处理器进行求解，获得位移云图及应力云图，如图2-1，2-2示。
图 2-1 工作压力为10 Mpa时的位移云图 图 2-2 工作压力为10 Mpa时的应力云图
图中位移及应力大小分别采用不同的颜色表示，其中红色表示位移及应力的最大值，蓝色是最小值。从图中可以看出位移的最大值出现在筒体下端，为1.2mm；应力的最大值出现在筒体与端部过渡的弧形处，最大值为95.7Mpa。
2.1.2 结果分析
图2-1，2-2反映了筒壁受内压作用后结构模型的位移、应力情况，从图中可以看出：（1）由于受内压作用，筒壁向外膨胀，模型为轴对称图形，所受的压力是均布的，膨胀亦是均匀的，与预期相符；（2）筒壁沿轴向应力分布是不均匀的，应力最大出现在筒体与端部进气管的过渡处。这是因为模型进气管处尺寸发生了较大变化，导致应力集中，所以数值模拟结果是合理的；（3）通过对筒壁进行强度校核表明，当材料采用Q235-A时，压力容器的最大应力值远小于其许用应力（235Mpa），表明筒体的承压空间还是有一定的提高潜势的。
2.2 压力容器承压能力的分析
上述结果中表明该压力容器的承压空间还可以提升，故此对该模型分别施加线荷载P=5Mpa、15Mpa、16Mpa、17Mpa、18Mpa、19Mpa、20Mpa、25Mpa，分析其结果变化。图2-3，2-4是模型的最大位移、最大应力值随压力的变化曲线图。
从图中可以看出：（1）位移和应力均随着压力的增加而变大，变化速率由大变小最后趋于平缓；（2）分析位移及应力的变化曲线表明，自开始加载到施加荷载15Mpa，其变化为线性变化，15Mpa到加载至25Mpa时，变化增长缓慢甚至趋于平缓。这与钢材的力学性能有关：钢材从加载到拉断，有四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段与破坏阶段。从加载到某一定值时曲线呈直线变化是因为钢材处于弹性阶段，再继续加载曲线出现平缓是因为钢材进入屈服阶段，产生塑性变形。所以也可以证明该有限元分析的可靠性；（3）从图中易找出曲线从直线段过渡到平缓段的临界点，即压力15Mpa，此时该模型的最大位移为2.03mm，最大应力值为168Mpa（小于许用应力235Mpa）。
图2-3 不同承压下最大位移值的变化曲线 图2-4 最大应力随承压的变化曲线
2.3 压力容器厚度的优化设计
为了充分提高压力容器的整体性能和材料的有效利用率，基于“塑性失效”和“弹塑性失效”准则，以板壳理论，弹性与塑性理论及有限元方法，根据具体工况，对压力容器各部位进行详细的应力计算及分析，在不降低设备安全性的前提下选取相对较低的安全系数，从而降低结构的厚度，使材料得到有效利用。
上述承压15Mpa时该压力容器的最大位移值为2mm，最大应力值168Mpa小于其许用应力235Mpa，故可以考虑变化筒壁厚度，使材料发挥最大强度。所以在临界承压15Mpa的作用下试将原筒壁厚度25mm变为20mm，21mm，22mm，30mm进行试算。下图2-5、2-6为最大位移值、最大应力值随筒壁厚度的变化曲线。
图2-5 最大位移值随筒壁厚度的变化曲线 图2-6 最大应力值随筒壁厚度的变化曲线
由图可以看出：（1）在临界承压15Mpa下，容器的最大位移值、最大应力值均随着筒壁厚度的增加而减小；（2）从最大应力值与筒体壁厚的变化曲线中可以看出，当壁厚为21mm时其最大应力值为231Mpa小于其许用应力。故此可以认为在临界承压下，该压力容器的最优筒体壁厚为21mm，在此条件材料能发挥较高的强度。
3结语
本文采用ANSYSY软件对压力容器的位移、应力进行了较为详细的分析，同时对压力容器在满足给定刚度和强度条件下进行厚度最小的优化设计。研究计算结果可以发现：
（1）压力容器在受内压时，筒体中间位置变形最大，最大应力则发生在端部进气管与筒体的过渡处；
（2）在该给定容器的条件中，可以得到此容器的最大临界承压为15Mpa，此时的刚度、强度及应力均满足要求；
（3）为了最大发挥材料的用途，在满足给定强度和刚度条件下对该容器进行优化设计，可以得到其最优筒壁厚度为21mm。
同时也可以看出ANSYSY软件对分析压力容器的可靠性，有效性。很大程度上减少了设计成本和设计周期，也为更复杂的结构设计提供了新的方法。
参考文献：
[1] 全国压力容器标准化技术委员会，JB4732，1995.钢制压力容器---分析设计标准[R].北京：中国标准出版社，1995.
[2] 朱爱华.应用有限元分析软件进行优化设计（期刊论文）.机械制造与设计，2005（12）.
[3]夏峰社，朱哲，淡勇.高压容器筒体结构的最优化设计〔期刊论文〕.西安石油大学学报，2010（1）.
（Wenzhou Vocational & Technical College，Wenzhou 325035，China）
摘要： 优化设计是将最优化理论和计算技术应用于机械设计领域，为工程设计提供优化设计的方法。MATLAB优化工具箱具有编程工作量少、语法符合工程设计习惯的特点，本文应用MATLAB软件，以RV减速器一级齿轮传动体积最小为目标函数进行优化设计，并给出了优化设计实例，与原设计方案相比，取得了良好的优化效果。
Abstract： Optimization design is to apply optimum theory and computing technology into the field of mechanical design to provide the optimization design methods for engineering design. MATLAB optimization toolbox has many characteristics， such as the programming workload is less， the grammar conforms to engineering design practice and so on. MATLAB software is applied in this article， the minimum transmission volume of the first RV reducer gear as the objective function to optimize design and put forward the optimal design example. Compared with the original design scheme， it achieves good optimization effect.
关键词 ： MATLAB优化设计；目标函数；约束函数；RV减速器
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中图分类号：TG457.23文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）25-0085-03
基金项目：温州市科技计划项目（项目编号：G20120011）“基于救援机器人的RV减速器研发”的阶段研究成果。
作者简介：郑红（1968-），女，江西南昌人，温州职业技术学院机械系副教授，研究方向为机械设计制造及自动化。
0 引言
机械优化设计是最优化方法与机械设计的结合，设计工具是计算机软件及计算程序，设计方法是最优化数学方法。机械优化设计，就是在给定载荷及工作环境条件基础上，在机械产品的性态、几何尺寸关系或其他因素的限制（约束）的范围内，根据设计要求及目标，选定设计变量、建立目标函数，并使其获得最优值，设计出经济可靠的机械产品。
换句话说，也就是在满足一定约束的前提下，寻找一组设计参数，使机械产品单项或多项设计指标达到最优。机械优化设计因其目标函数和约束函数普遍呈非线性的特点，设计步骤为先根据实际的设计问题建立相应的数学模型，在建立数学模型时需要应用专业知识确定设计的限制条件和所追求的目标，确定设计变量之间的相互关系等，并使之满足强度、刚度及运动学等约束条件。数学模型一旦建立，优化设计问题就变成了一个数学求解问题，应用优化理论，设计优化程序，以计算机为载体计算得到最优化设计参数。
美国可口可乐公司是全球最大的饮料公司，拥有全球市场48%的占有率，为降低生产成本，提升品牌竞争力，可口可乐瓶有一段优化设计的佳话，优化处理后的可口可乐瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能却丝毫未受影响，仅此一举就节省了可观的材料费用，带来了可观的利润。
近年来制造业转型升级、国家推出“机器换人”工程，把机器人、高端数控设备的应用推向了，但基于机器人的RV减速器一直是个技术难题，直接影响到机器人的工作性能指标。
RV减速器产品在结构上由一级渐开线齿轮传动和一级摆线针轮行星传动串联构成，渐开线齿轮传动构成第一级传动，摆线齿轮行星传动构成第二级传动。RV减速器是一款刚度最高、振动最低的机器人用减速器，能够提高机器人工作时的动态特性，减小传动回差，而且还具有体积小重量轻、结构紧凑、传动比范围大、承载能力大、运动精度高、传动效率高等优点。
RV减速器广泛应用在机器人、数控机床行业，传统设计全由设计人员手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、体积或质量更小的指标要求下，希望能从一系列可行的设计方案中精选最优，传统的设计方法做不到，因而有必要采用优化方法来确定其设计参数。
RV减速器优化设计要解决的问题，与其使用场合的具体要求有关。在保证传动能力的条件下要求齿轮传动及针摆传动体积最小或质量最小；在要求较高时，需要优选齿轮的几何参数使齿轮副具有形成油膜的最佳条件；优化齿轮传动的惯性质量分配，以便最大限度地减少工作时间的振动和噪声，以及传动功率最大和工作寿命最长等。
对于不同类型的RV减速器，其优化设计具有各自的特点，设计变量一般选择齿轮传动的基本几何参数或性能参数，如齿数、模数、齿宽系数、传动比、螺旋角、变位系数和中心距等。
根据优化目标的不同，RV减速器设计可以有多种最优化方案，本文讨论的是在满足齿轮传动强度、刚度和寿命条件下，使RV减速器转矩最大、体积最小或质量最小。
基于RV减速器的机器人抓握机械手工况条件，8小时工作，正反转，轻载平稳，空载起动，室内工作，使用寿命5年，在温州职业技术学院工业中心单件生产，机器人机械手转矩T3=20 N·m，转速n3=5rpm，为优化设计对象，要求在保证齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度的条件下，获得转矩最大、体积最小、重量最轻的传动装置。应用MATLAB软件优化工具箱对电机转矩做最大值优化，即应用fmincon函数对电机转矩的倒数求最小值优化，优化的目的是求出在转矩最大的情况下，齿轮传动体积最小，实际上就是求齿轮齿数的取值。因此以转矩最大为优化目标，建立优化设计数学模型。
1 目标函数
①工作载荷计算功率P3。
因为T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上机器工作载荷系数K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②应用针摆传动效率η2=97%，计算第二级针摆传动功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③应用渐开线齿轮传动效率η1=95%，计算第一级齿轮传动功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④应用电机传动效率η=99%，计算电机功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤计算电机转矩。
因为RV减速器总传动比为i=-Z2/Z1*Zb，则电机转速为n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以电机转矩为T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N·m
对于第二级针摆传动，设计采用一齿差摆线针轮行星传动，因此针齿齿数Zb必须为偶数，Zb用数学表达式来表达，即Zb=2*k，而10≤k≤50，则电机转矩表达式为
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N·m。
所以，电机转矩表达式有3个变量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表达式变为T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
机械手的工作要求是转矩足够大，而MATLAB软件的fmincon函数只能进行最小值优化，所以对电机转矩求倒数，对电机转矩的倒数作最小值优化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目标函数f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非线性约束条件
①非线性约束条件1。
根据机器人抓握机械手工况条件、载荷条件，可以判定齿轮几何尺寸不大，模数较小，初定为0.5或1mm；转矩也不大，约为20N·m，电机转矩理论上应该可以控制在1 N·m以内，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，则
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1
所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0构成非线性约束条件1。
②非线性约束条件2、非线性约束条件3。
RV减速器对总传动比有范围要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成两个表达式，即
140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0构成非线性约束条件2、3。
综上，非线性约束条件共3个，
1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0
140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0
（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0
3 线性约束条件
①线性约束条件1、线性约束条件2。
为使RV减速器偏心轴轴承与摆线轮之间的作用力不至过大，渐开线齿轮传动中心距a应是针齿基圆半径R的0.35~0.65倍，这个可归为结构尺寸条件。
因为要设计出在转矩最大前提下，体积最小质量最轻的RV减速器，必须使齿轮传动的中心距最小，RV减速器的结构紧凑，所以初定针齿基圆半径R=（30~40）mm，所以
a=（0.35~0.65）*R=（0.35~0.65）*（30~40）=（10.5~26）mm，取整后11≤a≤26。因为
a=1/2*m*（Z2+Z1），因为模数越小，齿轮的几何尺寸就越小，所以模数取0.5，则
a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即
11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成两个表达式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26构成线性约束条件1、2。
②线性约束条件3、线性约束条件4。
为使第二级摆线针轮行星传动部分输入转矩不至过大，第一级渐开线齿轮传动的传动比必须控制为i≥1.5，但单级齿轮传动比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成两个表达式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0构成线性约束条件3、4。
③线性约束条件5、6、7。
小齿轮齿数的取值范围8≤Z1≤20，展成两个表达式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20构成线性约束条件5、6。
大齿轮齿数的取值范围Z2≤100，即x（2）≤100构成线性约束条件7。
④线性约束条件8、9。
因为Zb必须为偶数，所以Zb用数学表达式来表达，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成两个表达式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50构成线性约束条件8、9。
把9个线性约束条件写矩阵表达式，即
-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11
0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26
1.5 * x（1）- x（2） ≤0
-5 * x（1）+ x（2） ≤0
-x（1） ≤-8
x（1） ≤20
x（2） ≤100
-x（3）≤-10
x（3） ≤50
4 MATLAB编程
把上述计算过程编写成MATLAB程序，应用MATLAB软件优化工具箱对电机转矩做最大值优化，即应用fmincon函数对电机转矩的倒数求最小值优化，优化的目的是求出在转矩最大的情况下，RV减速器中心距最小，实际上就是求齿轮齿数的取值。
该数学模型为3个设计变量、12个约束条件的多元函数最小值问题，采用MATLAB软件优化工具箱求解最优结果，进行非线性有约束多元函数最小值计算，命令函数为fmincon，主程序如图1，非线性约束条件如图2，程序运行结果如图3。
程序经过6次迭代计算，MATLAB计算优化结果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N·m。
5 数据优化处理
因为齿数一定为整数，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因为Z1<17，齿轮会产生根切现象，但齿轮传动的中心距又必须控制，所以略加大齿数，采用变位齿轮，取Z1=12，所以Z2=i1*Z1=4*12=48。
因为齿轮模数m=0.5mm，所以齿轮传动中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，满足初定的齿轮传动中心距取值范围11~26mm。
用优化处理的参数计算电机转矩的最大值T=0.24 N·m。
6 比较与结论
RV减速器齿轮传动原设计电机转矩为0.2N·m，中心距为20mm，经过MATLAB软件优化工具箱优化处理，电机转矩增至0.24N·m，中心距降为15mm，满足齿根弯曲疲劳强度条件和齿面接触疲劳强度条件，在保证传动能力的前提下减速器体积减少了约30%，效能非常可观。
参考文献：
[1]郑宝乾.ZD型减速器整体结构有限元模态分析[J].煤炭技术，2010，12（18）.
Abstract: with the rapid development of national economy, automobile production increased year by year, our country more and more cars, cars are more and more complex. Especially the rapid development of science and technology, the automobile industry competition has changed from single performance competition steering performance, environmental protection, energy saving, comprehensive competition. Only the automobile engine, to cope with the world energy crisis and reducing the environmental pollution, the research and development work has focused on reducing fuel consumption, reduce emissions, lightweight and reduce wear and so on, to optimize the technology will be widely used in these studies.
Keywords: engine, machine, technology, performance
中图分类号：S219.031文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
发动机是一部由许多机构和系统组成的是将某一种型式的能量转换为机械能的复杂机器。其作用是将液体或气体燃烧的化学能通过燃烧后转化为热能，再把热能通过膨胀转化为机械能并对外输出动力。而汽车发动机是汽车的动力装置。由机体、曲柄连杆机构、配气机构、冷却系、系、燃料系和点火系（柴油机没有点火系）等组成。按燃料分发动机有汽油和柴油发动机两种。按工作方式有二冲程和四冲程两种，一般发动机为四冲程发动机。
随着世界能源问题和环境污染问题的日趋严重，飞机及汽车作为污染环境和消耗能源的大户，备受人们的关注。发动机燃烧过程直接影响节能和环保，对发动机燃烧过程优化的研究越来越受到重视。
发动机设计以结构、热力、燃烧、强度、振动、流体、传热等多个学科为基础，可变因素多，随机性大，是一个可变互耦系统的优化问题。多学科设计优化通过充 分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，因而在发动机传统设计流程图上有很大的应用优势。
发动机的优化涉及到多个目标，与单目标优化问题不同的是这些目标函数往往耦合在一起，且每一个目标具有不同的物理意义和量纲。它们的关联性和冲突性使得对其优化变得十分困难。多目标优化方法可以分为如下两大类并且已在发动机的优化设计中得到了应用。1.基于偏好的多目标优化方法此方法根据工程实际的具体情况，首先选择一个偏好向量，然后利用偏好向量构造复合函数，使用单目标优化算法优化该复合函数以找到单个协议最优解。如利用线性组合法对发动机的悬置系统进行多目标优化；利用加权法对液体火箭发动机的减损和延寿控制进行多目标优化。2.基于非劣解集的多目标优化方法 此方法首先需要找到尽可能多的协议解，然后根据工程实际情况，获得决策解。相比基于偏好的多目标方法，该方法更系统、实用和客观。如通过多目标遗传算 法，以单位推力、耗油率等为目标函数对航空发动机总体性能进行优化；基于多目标遗传算法对固体火箭发动机的性能和成本进行优化。在发动机的生产及实际使用中，总是存在着材料特性、制造、装配及载荷等方面的误差或不确定性。虽然在多数情况中，误差或不确定性很小，但这些误差或不确定性结合在一起可能对发动机的性能和可靠性产生很大的影响。对于此类不确定性问题的优化，传统的优化方法已无法解决，而必须求助于不确定性优化方法。 随着发动机质量越来越轻，而其功率和转速不断提高，振动和噪声问题越来越突出。振动不仅影响到发动机自身的强度和性能，而且会给车辆整体寿命和乘客舒适 性造成很大的影响。除了对发动机本身结构进行改进外，对发动机的减振系统进行优化也是一条提高车辆整体振动性能的有效途径。传统的弹性减振系统已无法满足 舒适性要求，未来的趋势是半主动减振和主动减振控制系统，即能根据发动机激励、路况、车辆行驶状态和载荷等自动调节系统参数，优化车辆动力学特性，实现主 动减振。车用发动机的减振系统是一复杂的非线性系统，而神经网络因其自身的非线性映射能力在未来发动机减振系统的优化设计中具有很大的潜力。另外，由于发 动机动力系统的复杂性，在模型、载荷、激励等方面都具有很大的不确定性，减振系统的优化不可避免地应考虑系统不确定性的影响，可以利用模糊集或区间数学理 论结合神经网络进行不确定性优化，以提高减振系统的可靠性和鲁棒性。
发动机的燃烧和排放系统直接影响到 发动机的燃油经济性、噪声、排放等重要指标，影响到汽车的节能与环保性能。对燃烧与排放系统的优化可从两个方面进行。一方面是燃料喷射系统的优化，可通过 电控单元精确控制各气缸的燃油喷射量，自由控制发动机的转矩，使得发动机具有良好的启动性能和最佳的输出响应特性，并使得气缸达到最佳混合气状态，提高燃 油热效率，降低噪声；另一方面是优化进气管系的结构参数，改进发动机燃烧室，优化压缩比。未来的燃烧与排放系统的设计，应当综合考虑喷射系统和发动机结 构，同时注重结构、燃烧、流体、噪声等不同专业领域的性能提高，进行多学科优化设计。汽油发动机的热效率为 20 %～30 % ,柴油发动机为 30 %～40 %。如能广泛地使用柴油机 ,将会节约大量燃料。柴油机的优点还在于它可以使用纯度比较低、价格比汽油便宜的柴油作燃料。据统计 ,将汽油机转换为柴油机 ,每升燃料的行程里程平均可增加 35 % ,同样质量和功率相同的柴油机与汽油机相比 ,油耗可降 15 %～ 25 %。因此 ,各汽车制造商都积极地增加柴油车的比重 ,目前绝大多数商用车都装备柴油机 ,而各汽车厂商提供的装有柴油机的轿车、行车也日益增多 ,如宝马、奔驰、奥迪、丰田、本田、马自达等都在全力开发并推出环保型柴油车。在欧洲 ,轿车柴油化的比例已高达 40 % ,且有不断上升之势。
综上所述，优化技术在发动机的设计 制造中占有非常重要的地位。包括常规优化方法和智能优化方法在内的优化技术已被应用于发动机设计。考虑到能源的短缺和环境问题的重要性，未来的车用发动机 优化设计的研究将是以节能和环保为重点的综合最优，应当建立并应用多种不确定多目标多学科优化理论方法、策略及算法；并应大力开发在一个优化平台上集成各 个学科设计要求的多学科多目标优化设计系统，该系统将具有更高的优化效率和较好的开放性，可以更好地适应未来汽车个性化设计的趋势。
摘要：
[1]汽车行业一体化 (质量、境、业健康安全)管理体系认证的研究 .吉林大学 . 2007中国优秀硕士学位论文全文数据库 .
关键词： MATLAB优化设计；目标函数；约束函数；RV减速器
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中图分类号：TG457.23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）25-0085-03
0 引言
机械优化设计是最优化方法与机械设计的结合，设计工具是计算机软件及计算程序，设计方法是最优化数学方法。机械优化设计，就是在给定载荷及工作环境条件基础上，在机械产品的性态、几何尺寸关系或其他因素的限制（约束）的范围内，根据设计要求及目标，选定设计变量、建立目标函数，并使其获得最优值，设计出经济可靠的机械产品。
换句话说，也就是在满足一定约束的前提下，寻找一组设计参数，使机械产品单项或多项设计指标达到最优。机械优化设计因其目标函数和约束函数普遍呈非线性的特点，设计步骤为先根据实际的设计问题建立相应的数学模型，在建立数学模型时需要应用专业知识确定设计的限制条件和所追求的目标，确定设计变量之间的相互关系等，并使之满足强度、刚度及运动学等约束条件。数学模型一旦建立，优化设计问题就变成了一个数学求解问题，应用优化理论，设计优化程序，以计算机为载体计算得到最优化设计参数。
美国可口可乐公司是全球最大的饮料公司，拥有全球市场48%的占有率，为降低生产成本，提升品牌竞争力，可口可乐瓶有一段优化设计的佳话，优化处理后的可口可乐瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能却丝毫未受影响，仅此一举就节省了可观的材料费用，带来了可观的利润。
近年来制造业转型升级、国家推出“机器换人”工程，把机器人、高端数控设备的应用推向了，但基于机器人的RV减速器一直是个技术难题，直接影响到机器人的工作性能指标。
RV减速器产品在结构上由一级渐开线齿轮传动和一级摆线针轮行星传动串联构成，渐开线齿轮传动构成第一级传动，摆线齿轮行星传动构成第二级传动。RV减速器是一款刚度最高、振动最低的机器人用减速器，能够提高机器人工作时的动态特性，减小传动回差，而且还具有体积小重量轻、结构紧凑、传动比范围大、承载能力大、运动精度高、传动效率高等优点。
RV减速器广泛应用在机器人、数控机床行业，传统设计全由设计人员手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、体积或质量更小的指标要求下，希望能从一系列可行的设计方案中精选最优，传统的设计方法做不到，因而有必要采用优化方法来确定其设计参数。
RV减速器优化设计要解决的问题，与其使用场合的具体要求有关。在保证传动能力的条件下要求齿轮传动及针摆传动体积最小或质量最小；在要求较高时，需要优选齿轮的几何参数使齿轮副具有形成油膜的最佳条件；优化齿轮传动的惯性质量分配，以便最大限度地减少工作时间的振动和噪声，以及传动功率最大和工作寿命最长等。
对于不同类型的RV减速器，其优化设计具有各自的特点，设计变量一般选择齿轮传动的基本几何参数或性能参数，如齿数、模数、齿宽系数、传动比、螺旋角、变位系数和中心距等。
根据优化目标的不同，RV减速器设计可以有多种最优化方案，本文讨论的是在满足齿轮传动强度、刚度和寿命条件下，使RV减速器转矩最大、体积最小或质量最小。
基于RV减速器的机器人抓握机械手工况条件，8小时工作，正反转，轻载平稳，空载起动，室内工作，使用寿命5年，在温州职业技术学院工业中心单件生产，机器人机械手转矩T3=20 N・m，转速n3=5rpm，为优化设计对象，要求在保证齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度的条件下，获得转矩最大、体积最小、重量最轻的传动装置。应用MATLAB软件优化工具箱对电机转矩做最大值优化，即应用fmincon函数对电机转矩的倒数求最小值优化，优化的目的是求出在转矩最大的情况下，齿轮传动体积最小，实际上就是求齿轮齿数的取值。因此以转矩最大为优化目标，建立优化设计数学模型。
1 目标函数
①工作载荷计算功率P3。
因为T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上机器工作载荷系数K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②应用针摆传动效率η2=97%，计算第二级针摆传动功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③应用渐开线齿轮传动效率η1=95%，计算第一级齿轮传动功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④应用电机传动效率η=99%，计算电机功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤计算电机转矩。
因为RV减速器总传动比为i=-Z2/Z1*Zb，则电机转速为n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以电机转矩为T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N・m
对于第二级针摆传动，设计采用一齿差摆线针轮行星传动，因此针齿齿数Zb必须为偶数，Zb用数学表达式来表达，即Zb=2*k，而10≤k≤50，则电机转矩表达式为
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N・m。
所以，电机转矩表达式有3个变量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表达式变为T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
机械手的工作要求是转矩足够大，而MATLAB软件的fmincon函数只能进行最小值优化，所以对电机转矩求倒数，对电机转矩的倒数作最小值优化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目标函数f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非线性约束条件
①非线性约束条件1。
根据机器人抓握机械手工况条件、载荷条件，可以判定齿轮几何尺寸不大，模数较小，初定为0.5或1mm；转矩也不大，约为20N・m，电机转矩理论上应该可以控制在1 N・m以内，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，则
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1
所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0构成非线性约束条件1。
②非线性约束条件2、非线性约束条件3。
RV减速器对总传动比有范围要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成两个表达式，即
140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0构成非线性约束条件2、3。
综上，非线性约束条件共3个，
1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0
3 线性约束条件
①线性约束条件1、线性约束条件2。
为使RV减速器偏心轴轴承与摆线轮之间的作用力不至过大，渐开线齿轮传动中心距a应是针齿基圆半径R的0.35～0.65倍，这个可归为结构尺寸条件。
因为要设计出在转矩最大前提下，体积最小质量最轻的RV减速器，必须使齿轮传动的中心距最小，RV减速器的结构紧凑，所以初定针齿基圆半径R=（30～40）mm，所以
a=（0.35～0.65）*R=（0.35～0.65）*（30～40）=（10.5～26）mm，取整后11≤a≤26。因为
a=1/2*m*（Z2+Z1），因为模数越小，齿轮的几何尺寸就越小，所以模数取0.5，则
a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即
11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成两个表达式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26构成线性约束条件1、2。
②线性约束条件3、线性约束条件4。
为使第二级摆线针轮行星传动部分输入转矩不至过大，第一级渐开线齿轮传动的传动比必须控制为i≥1.5，但单级齿轮传动比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成两个表达式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0构成线性约束条件3、4。
③线性约束条件5、6、7。
小齿轮齿数的取值范围8≤Z1≤20，展成两个表达式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20构成线性约束条件5、6。
大齿轮齿数的取值范围Z2≤100，即x（2）≤100构成线性约束条件7。
④线性约束条件8、9。
因为Zb必须为偶数，所以Zb用数学表达式来表达，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成两个表达式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50构成线性约束条件8、9。
把9个线性约束条件写矩阵表达式，即
-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11
0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26
1.5 * x（1）- x（2） ≤0
-5 * x（1）+ x（2） ≤0
-x（1） ≤-8
x（1） ≤20
x（2） ≤100
-x（3） ≤-10
x（3） ≤50
4 MATLAB编程
把上述计算过程编写成MATLAB程序，应用MATLAB软件优化工具箱对电机转矩做最大值优化，即应用fmincon函数对电机转矩的倒数求最小值优化，优化的目的是求出在转矩最大的情况下，RV减速器中心距最小，实际上就是求齿轮齿数的取值。
该数学模型为3个设计变量、12个约束条件的多元函数最小值问题，采用MATLAB软件优化工具箱求解最优结果，进行非线性有约束多元函数最小值计算，命令函数为fmincon，主程序如图1，非线性约束条件如图2，程序运行结果如图3。
程序经过6次迭代计算，MATLAB计算优化结果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N・m。
5 数据优化处理
因为齿数一定为整数，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因为Z1
因为齿轮模数m=0.5mm，所以齿轮传动中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，满足初定的齿轮传动中心距取值范围11～26mm。
用优化处理的参数计算电机转矩的最大值T=0.24 N・m。
6 比较与结论
RV减速器齿轮传动原设计电机转矩为0.2N・m，中心距为20mm，经过MATLAB软件优化工具箱优化处理，电机转矩增至0.24N・m，中心距降为15mm，满足齿根弯曲疲劳强度条件和齿面接触疲劳强度条件，在保证传动能力的前提下减速器体积减少了约30%，效能非常可观。
参考文献：
[1]郑宝乾.ZD型减速器整体结构有限元模态分析[J].煤炭技术，2010，12（18）.
1 引言
甘蔗是多年生宿根植物，目前国内的甘蔗收割机械普遍存在甘蔗宿根破头率较高的问题，严重影响甘蔗来年的发芽率。当切割器旋转速度和收割机前进速度都处于理想状态时，宿根破头率的主要影响因素是切割器刀盘的振动。引起刀盘振动的因素既有路面和柴油机等外部激励作用，也和刀盘自身高速旋转有关，并且在切割甘蔗时受到冲击载荷也会引起振动。因此，我们不可能一个个消除引起振动的因素，可行的方法是提高刀盘自身的动态性能。
本文对已生产出样机的小型甘蔗收割机的砍蔗刀盘的结构参数，基于APDL进行了优化设计。区别与常见的以最大应变或应力做约束条件的优化，本文的优化以刀盘的前3阶固有频率作为约束条件，并取得了良好的效果，为砍蔗刀盘的设计提供了指导，对小型甘蔗收割机的设计具有重要意义。
2 砍蔗刀盘参数化模型的建立
砍蔗刀盘上安装有间隔90°角的四个刀片，并和转轴组成切割器。采用自底向上的建模方式，建模时，简化掉四个刀片，并以位移约束代替转轴上联轴器，得到最简模型，如图1所示。砍蔗刀盘的的半径与切割系统半径及刀片的悬伸长度有关，为不考虑优化的参数，取为195 mm，厚度H1=8mm；加强盘半径为R，直接影响刀盘的动态性能，为待优化参数，取为95mm，厚度H2=15mm。
砍蔗刀盘的模型有ANSYS参数化设计语言（APDL）建立，为方便施加联轴器对转轴的位移约束，用ASBW命令将转轴的外圆柱面分为两个面。
3 砍蔗刀盘的模态分析
考虑到后续的参数优化，选取ANSYS优化模块支持的solid92号单元和Block Lanczos模态提取方法。由于影响系统动态性能的是前面几阶低频模态，所以提取前砍蔗刀盘的前5阶固有频率，如表1所示。
砍蔗刀盘的第1、2阶振型是绕X轴和Y轴的倾斜偏转变形，第3阶是四周翘起的弯曲变形，第4、5阶是很大的前后或左右的弯曲变形。这些都对甘蔗宿根切割质量造成很大影响。
此外，柴油机的工作频率为36.43HZ，刀盘的工作转速为900r/min，频率为15HZ。砍蔗刀盘的前5阶固有频率虽然避开了柴油接的工作频率，但和刀盘的工作频率都很接近，亟待提高。
4 砍蔗刀盘的结构优化
结构优化的基本思想是以最少的材料获得最好的结构性能。常见的结构优化以结构的静态性能为约束，有以最大节点位移的[7]，也有以综合应力或特征应力的[8]，很少有以反应系统动态性能的固有频率作为约束的。
5 结论
以系统的动态性能作为约束，对砍蔗刀盘进行了结构优化设计。优化后刀盘的前5阶固有频率均有提高，说明刀盘的动态性能得到了改善。此外，刀盘的前5节固有频率差值也得到了扩大，这有利于减少刀盘工作时越过共振区。
参考文献：
[1] 林茂，符新，冯活伦等.甘蔗切割器研究现状机展望[J].中国农机化，2011，（2）：16～19.
[2] 王汝贵.甘蔗收割机圆盘式切割器工作参数优化研究[D].南宁：广西大学硕士论文，2004.
[3] 向家伟，杨连发，李尚平.小型甘蔗收割机根部切割器结构设计[J].农业机械学报，2008，4（39）：56～59.
[4] 杨家军，刘锋，刘喜云.甘蔗收获机切割器的动态设计[J].机械科学与技术，2000，19（6）：923～924，926.
[5] 孙德鹏，蒲明辉，万佳等.模态综合法和ANSYS在甘蔗收割机切割系统上的应用[D].农机化研究，2008，（3）：171～174.
[6] 童卫华，姜节胜，廖巍.基于可靠性分析机频率约束的结构优化[J].机械科学与技术，1997，4（16）：581～584.
[7] 项忠珂，李尚平，唐满宾.基于有限元的加工中心工作台的仿生优化[J].组合机床与自动加工技术，2010，（11）：100～103.
[8] 胡迎春，陈树勋，李尚平.基于全局协调的甘蔗收割机多学科优化设计研究[J].中国机械工程，2007，18（11）：1355～1358.
作者简介：
项菲菲（1988-），女，汉族，江西丰城人，讲师，硕士，研究方向： 结构优化设计
阅读，是阅读主体通过与阅读对象（文本）的对话和交流，寻求理解和自我理解，以达到构建“新我”的创造过程。阅读的实质和对话教学以及学习方式的优化理解,为我们的阅读课的学习方式优化提供了一定的理论依据和行为准则。目前有的学者根据学生的发展和中学阅读教学两方面需要，把阅读教学活动分为五种类型：即浏览性阅读、理解型阅读、鉴赏性阅读、借鉴性阅读、探究性阅读。根据这五种类型，可以设计出五种对应的阅读课，并且将其与一定的学习方式相结合，使学习方式的优化落实到具体的不同类型的阅读教学活动中。
(1)流览性阅读——泛读课
针对这种阅读类型，我们重点是设计出泛读课，进行浏览性阅读能力训练。可采取自主合作探究的学习方式，具体实施策略可以这样优化设计：自主查找资料——感知理解——观点交流汇报——价值评判等环节。
(2)理解性阅读——精读课
针对理解性阅读，我们设计出精读课，可以组织学生就文本的重点、难点、特点质疑问难，达到深入把握文章内容和形式的目的；与这种教学相适应的学习方式可以采取合作探究式或研究性学习的方式来组织学习，具体的实施策略可以这样优化设计：自读感知——多重对话——质疑问难——自我总结。
(3)鉴赏性阅读——欣赏课
鉴赏性阅读，指为获得审美愉悦而进行的阅读。针对理解性阅读，我们设计了欣赏课，对学生进行鉴赏性阅读能力的训练。可组织学生阅读课文中的典型作品和课外的经典名著、精美时文。教师应当加强鉴赏的方法指导，并让学生深入体验，可采用体验式学习方式，具体的实施策略可以这样优化设计：自主预习——诵读涵咏——情境体验——感悟交流——拓展延伸。
(4)借鉴性阅读——读写课
借鉴性阅读，指的是为提高写作能力而进行的阅读。针对借鉴性阅读，我们设计出读写课，以读促写，读写结合。进行借鉴性阅读训练，可以组织学生揣摩分析范文，选定一个角度进行模仿。与这种阅读教学相适应的学习活动可以这样优化设计：自读指导——集体讨论——作品分析——品读促写。
(5)探究性阅读——研究课
探究性阅读，指为研究特定的问题而进行的阅读。这是一种极有发展价值的阅读。通过精思细审，参照比较，使认识更全面，更深入，以至于产生创造性的见解。它可以锻炼阅读主体的才干。针对探究性阅读，我们设置研究课，采用研究性学习的方式，组织学生围绕一个或多个问题展开探究。与这种阅读教学相适应的学习活动实施可以这样优化设计：问题的提出（发现）——资料的收集和整理——研究资料——讨论心得——问题解决——书面报告。在此提供笔者的一个研究性学习的案例来说明：
研究性阅读设计
研究内容：大秦兴亡之启示
取材范围：（1）文本材料
苏教版高中语文必修二：苏洵《六国论》，杜牧《阿房宫赋》
苏教版语文读本二：贾谊《过秦论》，苏轼《六国论》，苏辙《过秦论》
（2）音像材料《复活的军团》
研究步骤：
一、材料解读（1周）
1.学生结合工具书自主解读教材中的有关文章，疏通文意，理解主旨。（对于文言解读过程中出现的问题，学生在阅读中标划并提出，由教师协助解决。）
2.提出自己的认识与感想，与小组同学一起交流解读心得，通过讨论加深认识。
3.观看音像材料，拓展阅读视野，丰富知识积累。
二、论文选题（2课时）
1.阅读往届学生研究性论文佳作，了解研究性论文的写作方式。教师点拨要点，作出本专题的论文选题及写作指导。
2.分析总结自己的阅读心得，确定研究的方向，报出论文题目。
3.论文选题交流。学生展示自己选定的题目，并简单介绍写作思路（或提纲）。同学共同评议，明确写作方向。
三、材料整理与搜集（1周）
1.根据选题重新阅读指定篇目，搜集整理相关的素材。
2.围绕选题拓展阅读空间，或上网搜索，或阅读相关书籍，摘录素材。
四、论文写作（1周）
整理素材，梳理成文。
关键词：机械设计；CAD技术
1CAD技术的发展
CAD(ComputerAidedDesign)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950年计算机辅助设计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和产品数据管理技术（ProductDataManagement，PDM）及计算机集成制造系统（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一体。
产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(IntelligentCAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。
以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。
2三维CAD技术在机械设计中的优点
通过实际应用三维CAD系统软件,笔者体会到三维CAD系统软件比二维CAD在机械设计过程中具有更大的优势,具体表现在以下几点:
2.1零件设计更加方便
使用三维CAD系统,可以装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。
2.2装配零件更加直观
在装配过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验行程是否达到要求,及时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。
2.3缩短了机械设计周期
采用三维CAD技术,机械设计时间缩短了近1/3,大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,而大部分零部件的设计都将继承以往的信息,使机械设计的效率提高了3~5倍。同时,三维CAD系统具有高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一种全新的机械产品。
2.4提高机械产品的技术含量和质量
由于机械产品与信息技术相融合,同时采用CADCIMS组织生产,机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法,如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企业数控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工,一致性很好,保证了产品的质量。
3CAD技术在机械设计中的应用
3.1零件与装配图的实体生成
3.1.1零件的实体建模。CAD的三维建模方法有三种,即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中,都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件,可通过对其进行结构分析,将其分解成若干基本体,对基本体进行三维实体造型,之后再对其进行交、并、差等布尔运算,便可得出零件的三维实体模型。
对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。
3.1.2实体装配图的生成。在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等,几乎覆盖了整个现代制造技术。
一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理,而实体造型是工程数据的主要来源之一。
3.3机械CAE软件的应用
机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后,才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。
4CAD前沿技术与发展趋势
4.1图形交互技术
CAD软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。
4.2智能CAD技术
CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。
4.3虚拟现实技术
虚拟现实技术在CAD中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产品的外形,从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本.虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向.另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。
参考文献
[1]黄森彬主编.机械设计基础.高等教育出版社.
[2]荣涵锐.新编机械设计CAD技术基础〔M〕.北京:机械工业出版社,2002.
