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中图分类号:TH122 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2009)020(c)-0098-01
优化设计是指在据产品的设计要求,合理确定各参数,使产品取得较高的经济效益和较好的使用性能。优化设计一般步骤为:
(一)建立优化设计的数学模型;
(二)求出最优设计参数。
优化设计模型是设计问题的数学形式,是反映设计问题各主要因素之间内在联系的一种数学关系。本文主要讨论三种优化设计模型:“成本――公差”模型、“质量――公差”模型、“质量――公差――成本”模型的建立过程及其用适用范围。
一、优化设计模型
(一)成本――公差模型
产品加工成本在机械产品的总成本中占有重要地位,影响加工成本的因素众多,其中零件公差起着重要的作用。一般来说在产品设计时零件公差等级越高就越能保证产品设计要求,但这必然导致产品加工成本提高。“公差―成本”模型是公差优化设计的基础,是建立机械产品优化设计目标函数的依据。但是由于影响产品加工成本的因素很多,因此难以确定一个通用的“成本―公差”关系式。较为常见的模型:
⑴
式中:ci――第i个零件的加工成本; ai――与公差无关的成本常数;
bi――与公差有关的成本系数; ti――第i个零件的公差。
通过选取多个统计样本,对统计样本数据进行回归分析,便可得成本-公差模型参数值如下:
⑵
⑶
(二)质量――公差模型
机械产品的质量在很大程度上是与产品的工作精度等输出性能指标联系在一起的。在一般情况下,产品的输出特性参数都是构成产品的零部件参数的映射。因此,产品的输出特性都可用其零部件参数按照一定得数学关系来描述。同样的道理,产品精度与零件公差之间也可以建立起相应的数学表达式:
T=F(t1,t2,……,t3) ⑷
式中:T――产品输出特性(T)的公差。
为了将产品设计精度T按一定的规则分配给相关零件公差,且使得产品制造成本最少,先确定产品输出特性误差的传递途径,再引入统计公差模型:
⑸
式中:ξi――第i个公差传递系数; Ki――第i个公差相对分布系数;
K――输出特性公差相对分布系数,零件尺寸成正态分布时取1。
由式⑴可知产品总制造费用,用C表示:
⑹
联合⑸、⑹两式,以总成本ΣT最小为公差分配判据,可求得各零件公差计算通式:
⑺
(三)质量――公差――成本模型
田口玄一博士认为:“质量损失是指产品出厂后给社会带来的损失”,质量损失给社会带来的损失的后果,首先反映在用户购买该产品的意愿上,并且直接影响到该产品的市场占有率,最终也要给产品制造企业带来经济损失。田口玄一博士提出的质量损失函数,描述了产品输出特性与质量损失之间的定量关系:产品输出特性值偏离目标值越大,损失越大,即质量越差,反之,质量就越好。质量损失函数如下:
L(T)=N(T-M)2 ⑻
式中:M――产品输出特性的目标值; N――质量损失系数。
由于产品输出特性公差T=|T-M|,故有:
L(T)=N(T)2 ⑼
根据田口玄一质量理论,产品总损失为产品成本与产品质量损失的总和,用L表示,则
L=L(T)+C ⑽
将⑺带入⑹式,得到:
⑾
由⑵、⑶、⑹、⑾四式可得“质量―公差―成本”优化模型:
⑿
二、结论与推广
本文探讨了优化设计的重要内容:优化模型的建立。介绍了三种常见的机械产品优化设计的模型:“成本――公差模型”、“质量――公差模型”,“质量――公差―成本”。“成本――公差模型”常用于零件优化设计,常用于优化单个零件的成本和公差。“质量―公差模型”常用于产品优化设计,用于优化产品组成零件的公差优化问题。“质量―公差―成本模型”常用于产品可靠性设计和成本控制,使产品的制造成本、经济效益和合格率达到预期指标。
作者单位:重庆大学机械工程学院
参考文献:
[1]韩之俊.三次设计[M].北京,机械工业出版社,1992
[2]孙国正.优化设计及应用[M].北京,人民交通出版社,2000
[3]林秀雄.田口方法实战技术[M].广东,海天出版社,2008
虽然随着机械设计技术的进步以及管理流程的简化，新时期的机械设计成本开支已经有所降低，但是仍然有可以压缩的空间。需要注意的是，运用优化设计的方法对机械设计的成本开支进行削减，要基于保障设计质量的前提；倘若成本的控制要以牺牲质量为代价，则这样的控制手法必须果断舍弃。在机械设计中采取优化设计路线，能够减轻前期和设计过程中的成本开支，为设计单位节省一笔不小的资金。优化设计的最佳方案往往是符合设计流程的，是可以发挥出现有材料、设备和人员最大能量的，所以不需要额外耗费多余的人力、财力和物力。因此，优化设计能够节约机械设计的开支成本是有科学依据和理论基础的。
2.优化设计可以提高机械产品的科技附加值，从而提高产品的竞争力和提高企业的经济效益
机械设计的产品是一种自然属性但是具备商业价值的“商品”，这就必然要与市场发生关联。同时，优化设计方法在机械设计中的应用，能够增加机械产品的科技含量和技术附加值，大大提高产品的市场竞争力。例如，随着现代科技的发展以及相互之间融合度越来越高，机械设计的产业化正在形成，即机械设计可以作为一个单独的工程链条存在。如果把机械设计的产品作为一个普通商品看待，这种商品必须是价格最低、质量最好、科技含量最高的，这样该产品才能在市场中取得占有率，企业才能因此获取利益最大化。所以，机械设计企业都在努力追求“这样的机械产品”，而这样的产品往往需要通过优化设计来实现。
优化设计为机械设计产品的技艺提升、附加值增大提供了全新的路径，也为机械设计单位和企业的发展增添了新的利润增长点。例如，随着信息技术、计算机技术、材料技术、液压技术、加工制造工艺的不断发展和成熟，机械设计的每一个环节都会有一种或多种新技术的注入，最终的机械产品往往“饱含科技”，其技术附加值自然可以达到一个高位。类似这样的高附加值机械产品，在市场中的价格是可以预见的，企业因此带来的收益也很高。由此可见，优化设计对于当今的机械设计的重要性。
二、实现机械设计优化设计的有效策略
优化设计可以为机械设计提供质量和效益的保证，因此必须引入科学有序的优化设计方案，使之产生明显的效果。从当前的情况看，机械优化设计可以从如下角度考量。其一，机械设计的一维搜索优化方法，这种方法也是当前机械设计优化方法的最典型代表，以数学函数为理论基础，透过搜索区间的确定，来保证优化方案的有效性。一维搜索方法是一维问题的最基本方法，也是多维机械设计的基础方法。
众所周知，机械设计大都是多维的，很少有一维的情况，但是这恰恰说明了一维的重要性和基础。就好比数学中的从0到9的10个数字，它们构筑了数学的基础，成为数学的理论“细胞”。一维搜索方法在机械设计的应用，往往直接影响优化设计问题的求解速度。其二，机械优化设计会用到约束优化方法和无约束优化方法。在机械优化设计中，经常使用的是约束优化的方法。除此之外，机械优化设计还可以通过线性规划方法、多目标及离散变量优化方法来实现。总之，诸多优化方法的存在和操作为机械优化设计提供了多元化的路径。（本文来自于《黑龙江科学》杂志。《黑龙江科学》杂志简介详见。）
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0060-01
机械设计的发展实际上也是社会生产力的进步，而这就集中的体现在了设计者的优化设计当中，在这一过程中，很多的机械设备都要符合社会的发展趋势，而在这之中也存在着非常强的逻辑性。机械的优化设计通常就是指通过建立数学模型的方式来找到最佳设计方案的过程，当前，机械的优化设计也逐渐成为了机械设计过程中非常重要的一个因素。所以当前，对机械设计的优化途径进行简要的分析和探讨是十分必要的。
1、机械优化设计的重要性
这里我们所说的优化设计实际上不仅仅局限于机械设计当中，在社会生产的各个领域都有着比较广泛的应用，优化设计在本质上就是指通过各种各样的方式和手段对研究的步骤和方法进行不断的改进和研究，这样就可以选出很多解决问题的方法和手段，然后再在这些方案当中选择最佳的方案，从而实现了路线选择的优化设计，而在机械的优化设计工作中，主要应该考虑的是以下几个方面的内容。
1.1 优化设计可以充分的保证设计的工艺和质量
在机械设计的过程中，设计人员一定要充分的对设计的主要流程、设计的时间和设计过程中需要用到的成本和功效等问题都进行严格的控制，而在这一过程中更为重要的是设计产品的工艺水准和实际的用途，在设计的过程中也可以将其理解成设计产品的品质和质量，通常我们在实际的工作中，机械产品一般都是需要使用在工业生产和大型的工程项目当中的，其质量的好坏会对整个机械的质量和性能造成十分重大的影响，在这样的情况下我们也就需要重视所以简单的来说就是机械设计的质量一定要放在首要的位置，如果失去了一些质量上的保障，这种机械设计也就无法很好的得到良好的保障，因此在实际的设计中就必须要找准设计的思路和策略，所以在设计的过程中一个非常关键的问题就是保持良好的设计质量和设计工艺，优化设计虽然不能很好的在设计的过程中作为衡量设计质量的唯一标准，但是优化设计在应用的过程中可以为施工提供更多可以选择的设计方案，这样设计师就可以在设计的过程中有更多的参考，在实际操作的过程中，设计者通常要使用数学的模型或者是函数对设计方案的综合性进行更加科学的分析，这样就可以做出更好的选择。最佳的设计方案通常都应该具备以下几个特点，一个是方案在应用的过程中效率应该是最高的，同时成本上也应该是最低的。一个是方案的可操作性非常强，可以非常好的实现设计的规划和要求。总体上来说，机械优化设计的过程实际上就是对诸多方案进行对比和选择的过程，在这个过程中方案选择必须要充分的考虑到现实需求，这也是保证设计质量的一个重要环节。
1.2 优化设计可以最大限度的节约设计开支和成本
机械设计是一项繁琐、浩大的工程，往往需要很久的时间才能完全，不存在所谓的捷径和“小道”。所以，在维系长时间设计流程的同时，必须做好高额开支和成本支出的准备。
事实证明，机械设计的成本开支往往令主管单位“不堪重负”。诚然，随着机械设计技术的进步以及管理流程的简化，新时期的机械设计成本开支以及有所降低，但是仍然有压缩的空间。要清楚的是，运用优化设计的方法对机械设计的成本开支进行削减，完全要基于保障设计质量的前提；倘若成本的控制要以牺牲质量为代价，那么这样的控制手法必须果断舍弃。
在机械设计中采取优化设计路线，能够减轻前期和设计过程中的成本开支，为设计单位节省一笔不小的资金。之所以这样说，是因为优化设计的最佳方案往往是符合设计流程的，是可以发挥出现有材料、设备和人员最大能量的，所以不需要额外耗费多余的人力、财力和物力因此，优化设计能够节约机械设计的开支成本是有科学依据和理论基础的。
1.3 优化设计可以提高机械产品的科技附加值
机械设计的产品是一种自然属性但是具备商业价值的“商品”，这就必然要与市场发生关联。同时，优化设计方法在机械设计中的应用，能够增加机械产品的科技含量和技术附加值，大大提高产品的市场竞争力，这对机械设计企业而言无疑是一大利好。例如，随着现代科技的发展以及相互之间融合度越来越高，机械设计的产业化正在形成，即机械设计可以作为一个单独的工程链条存在。如果我们把机械设计的产品作为一个普通商品看待，那么这种商品必须是价格最低、质量最好、科技含量最高的，唯有此，该产品才能在市场中取得占有率，企业才能因此获取利益最大化。所以，所有的机械设计企业都在努力的追求“这样的机械产品”，而这样的产品往往需要透过优化设计来实现。所以，优化设计为机械设计产品的技艺提升、附加值增大提供了全新的路径，也为机械设计单位和企业的发展增添了新的利润增长点。例如，随着信息技术、计算机技术、材料技术、液压技术、加工制造工艺的不断发展和成熟，机械设计的每一个环节都会有一种或多种新技术的注入，最终的机械产品往往“饱含科技，其技术附加值自然可以达到一个高位。类似这样的高附加值机械产品，在市场中的价格是可以想见的，企业因此带来的收益也是很高的。所以，如果把机械设计中优化设计作为一种生产选择方式来衡量，那么优化设计为产品的开发和流动，为设计单位、企业的利益最大化带来的贡献是很难估量。由此可见，优化设计对于当今的机械设计是多么的重要。
2、机械设计中优化设计的实现路径
既然优化设计可以为机械设计提供质量和效益的保证，那么就必须引入科学有序的优化设计方案，使之产生明显的效果。从当前的情况看，机械优化设计可以从如下角度考量。
首先，机械设计的一维搜索优化方法，这种方法也是当前机械设计优化方法的最典型代表，以数学函数为理论基础，透过搜索区间的确定，来保证优化方案的有效性。一维搜索方法是一维问题的最基本方法，也是多维机械设计的基础方法。众所周知，机械设计大都是多维的，很少有一维的情况，但是这恰恰说明了一维的重要性和基础。就好比数学中的从0到9的10个数字，它们构筑了数学的基础，成为数学的理论“细胞”。所以，一维搜索方法在机械设计的应用，往往直接影响优化设计问题的求解速度。其次，机械优化设计会用到约束优化方法和无约束优化方法。在机械优化设计中，经常使用的是约束优化的方法。
此外，机械优化设计还可以采用线性规划的方法、多目标和离散边梁优化方法来进行设计和操作，而优化方法的采用可以让机械设计有更多的可能，同时它也可以有效的提高机械设计的质量和水平。
3、结语
在机械设计的过程中，设计的质量会对机械整体性能的实现有着非常重要的意义，在设计的过程中，一定要充分的考虑到各个因素对机械质量产生的影响，同时根据实际的要求去选择适当的设计方案，只有这样，机械的质量和性能才能得到更好的保证，因此这也将成为机械设计中重要的一环。
参考文献
中图分类号：TD402 文献标识码：A
现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。工程实际中还逐渐出现了许多新的设计思想和设计方法。随着社会的发展、人们思想观念的更新和科学技术的发展而提出，对节能、环保、改进产品性能和增加产品市场竞争能力等方面的重要性而受到越来越多的重视。传统的设计运用力学和数学形成经验作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。我们熟悉的优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元法等,这些设计方法已经较为成熟,形成了完整的设计体系。机械优化设计是在进行某种机械产品设计时，根据规定的约束条件，优选设计参数，使某项或几项设计指标获得最优值。
它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的统称，提高设计质量和缩短设计周期，是为了适应市场剧烈竞争的需要，以及计算机在设计中的广泛应用。60年代以来，在设计领域相继诞生与发展的一系列新兴学科的集成。产品设计的“最优值”或“最佳值”，系指在满足多种设计目标和约束条件下所获得的最令人满意和最适宜的值。最优值的概念是相对的，随着科学技术的发展及设计条件的变动，最优化的标准也将发生变化。这种选择不仅保证多参数的组合方案满足各种设计要求，而且又使设计指标达到最优值。由于传统设计所用的计算方法和参考数据偏重于经验的概括和总结，往往忽略了一些难解或非主要因素。在信息处理、参量统计和选取、经验或状态的存储和调用等还没有一个理想的有效方法，解算和绘图也多用手工完成，这不仅影响设计速度和设计质量的提高，也难以做到精确和优化的效果。因此，求解优化设计问题就是一种用数学规划理论和计算机自动选优技术来求解最优化的问题。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化，它要求人们根据事物的客观规律，在一定的物质基础和技术条件下，得出最优的设计方案。机械优化设计可解决设计方案参数的最佳选择问题。
1 现代设计方法
1.1 创新设计
创新是设计的本质，随着科学技术突飞猛进的发展，产品的市场竞争也日益激烈。们消费观念不断变化，产品的创新性，创新产品能满足甚至创造出新的需求宜人性等因素愈来愈受到重视，大量科技成果转化为生产力，在竞争中占据着突出地位。在这种形势下，创新设计是产品适应新的市场形势的最好途径，因而必然有较强的市场竞争力。
1.2 智能设计
为了提高制造业对市场变化，在CIMS环境下，设计正在向集成化、自动化等方向发展。就必须大大加强设计专家与计算机工具，使计算机能在更大范围内，这一人机结合的设计系统中机器的智能，更高水平上帮助或代替人类专家处理数据、信息与知识，大幅度提高设计自动化的水平。智能设计就是要研究如何提高人机系统中计算机的智能水平， 做出各种设计决策，使计算机更好地承担设计中各种复杂任务，智能化是设计活动的显著特点，也是走向设计自动化的重要途径。
1.3 响应设计
随着市场竞争的加剧，使得产品的更新换代不断加快，市场寿命周期不断缩短。现代科技的日新月异，建立快速捕捉市场动态需求信息的决策机制。实施快速响应设计技术，适应市场环境的变化，面对瞬息万变的市场环境，用户需求的转移，增强企业市场竞争的有效途径。更要求企业具有高度的灵敏性，不断地迅速开发新产品，能抓稍纵即逝的机遇，变被动适应用户，这样才能保证企业在竞争中立于不败之地。在这种时代背景下，市场竞争的焦点就转移到速度上来，快速提高更高的性能/价格比产品的企业，将具有更高的竞争力。为提高快速响应能力，企业首先应当能迅速捕捉复杂多变的市场动态信息，并及时作出正确的预测和决策。
2 现代设计优化技术方法
2.1 现代方法与传统方法比较
整个传统设计的过程，参照同类产品，通过估算、经验类比或试验等方法来确定产品的初步设计方案，是人工试凑和定性分析比较的过程。机械产品的设计，一般需要经过需求分析、方案设计、分析计算、市场调查、结构设计、工程绘图和编制技术文件等一系列工作过程。传统设计方法通常是在调查分析的基础上，优化设计理论的研究和应用实践，从经验、感性和类比为主的传统设计方法过渡到科学、理性和立足于计算分析的现代设计方法，又能满足生产的工艺性、使用的可靠性和安全性要求，使传统设计方法发生了根本变革，机械产品设计正在逐步向自动化、集成化和智能化方向发展，按照传统方法得出的设计方案，可能存在有较大改进和提高的余地。机械产品设计工作的任务就是使设计的产品既具有优良的技术性能指标，且消耗和成本最低等。根据经验或直观判断对设计参数进行修改。但是由于传统设计方法受到计算方法和手段等条件的限制，设计人员可以在有限的几种合格设计方案中，这是很难找出最优设计方案的。
2.2 优化设计
随着计算机及其计算技术的迅速发展，对结构的参数化模型进行加载与求解。工程设计中较复杂的一些优化问题取得了较好的技术和经济效果，把状态变量提取出来供优化处理器进行优化参数评价。促进了工程优化设计理论和方法的发展，并结合工程优化设计的特点，为以后软件修正模型提供可能。如果最优，完成迭代，退出优化循环圈。利用CAE软件的参数化建模功能，将要参与优化的数据定义为模型参数，重新投入循环，与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小。在多目标优化，混合离散变量优化、模糊优化以及人工智能、神经网络及遗传算法，应用于优化设计等方面都获得一些显著的成果，已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，逐步形成以计算机和优化技术为基础的近代优化设计。
结论
从机械产品设计的全局来看，目前比较先进的优化设计，大多数还停留在设计方案后参数优化方面，面向产品设计，应将优化设计拓宽到机械设计产品的全生命周期过程，是适应机械产品设计。随着CAD技术不断地发展，现代科学技术支持下，现代机械先进优化设计技术将进行新一轮的发展。
参考文献
[1]现代设计方法[M].武汉:武汉理工大学出版社，2001.
随着现代社会科学技术的发展，机械设计领域的概念和思维方式也在不断发生变化，机械设计能够在一定程度上反映出社会群体对客观世界的认知，并且遵循客观事物的发展规律来开展优化设计。因此加大力度探讨机械优化设计理论方法，能够为机械优化设计的未来发展指明方向。
1 机械传统设计与优化设计的对比
机械优化设计是基于最优化设计的，主要以数学模型作为优化设计的基本途径。优化设计的方法及思维属于优化方法的范畴之内，这种设计思想会使得各种参数顺着理想的方向能够自我调节，在这种模型精确计算的条件下，从各种可行性相对较强的设计方案中择优选取最佳的设计方案。由于设计方案较多，那么就需要使用电子计算机加以筛选，这主要得益于电子计算机的运行速度非常快，从而从诸多设计方案中筛选出最优方案。虽然在实际的数学建模过程中需要进行一定地简化处理，可能会导致计算所得的结果与实际值存在一定的差距，但是其基于客观规律以及数据，又无需花费太高的费用，所以说，这种建模计算的方法具有经验类比或者试验途径不可比拟方面的优势之处，再加上一定的经验依据，就能够获得一个非常理想的设计结果。虽然传统设计也追求最优化的设计结果，一般是基于调查、分析，按照实际需求以及实践经验，参照类似于工程设计，经估算、类比以及试验等过程，对寻优过程进行构思、评估、再构思以及再评估等，从而最终确定设计方案，最后开展刚度、强度以及稳定性等方面的计算。然而在传统设计过程中，存在主观方面、时间以及工作量过多等方面的影响，由于这些影响因素的存在，使得设计结果的最优化选择无法正常进行，这些设计结果的计算也仅仅具有校对、核验以及补充等方面的作用，只能对原有方案的可行性加以证实。传统设计往往需要花费高额的资金以及人力，而且最终结果也与初始设计试验范围差不离。所以说，传统设计主要受到主观因素的影响，得到的仅仅属于满足最初设计要求的设计结果，并非最优化设计结果。
2 优化设计方法的评判指标
效率要高、可靠性要高、采用成熟的计算程序、稳定性要好。另外选择适当的优化方法时要进行深入的分析优化模型的约束条件、约束函数及目标函数，根据复杂性、准确性等条件结合个人的经验进行选择。优化设计的选择取决于数学模型的特点，通常认为，对于目标函数和约束函数均为显函数且设计变量个数不太多的问题，采用惩罚函数法较好；对于只含线性约束的非线性规划问题，最适应采用梯度投影法；对于求导非常困难的问题应选用直接解法，例如复合形法；对于高度非线性的函数，则应选用计算稳定性较好的方法，例如BFGS变尺度法和内点惩罚函数相结合的方法。
3 机械优化设计理论方法
3.1 准则优化法
在机械优化设计理论方法中，所谓准则优化法，就是指以物理学和力学等原则来构造并优化机械设计的方案，以促进机械优化设计的顺利进行。准则优化法在实际应用中具有良好的优势，其概念直观性较强，并且计算过程简便，即便是在约束条件相对较少的条件下，准则优化法的实际优化效率相对较高，因此在工程中具有良好的应用效果。但就机械优化设计的实际情况来看，准则优化法也不可避免的存在一些不足，尤其是在实际应用中，其所考虑的范围具有一定局限性，一旦实际约束条件较多，会严重影响机械优化设计的效率，因此在机械优化设计中，应当对此项因素进行深入衡量和分析，以全面提高机械优化设计的质量和效果。
3.2 线性规划法
在机械优化设计理论方法中，线性规划法是基于数学极值的基本原理上所提出的，以目标函数、约束条件以及设计变形的线性优化为主要因素进行分析，以此作为主要的求解方式。线性规划法中常用的两种方式是单纯形法与序列线性规划法。
其中单纯形法是美国学者所提出的一种具有直观性的线性问题求解方法。单纯形法在机械优化设计中也存在一定不足，极易受到收敛条件、压缩因子以及扩展因子等多种因素的影响导致难以准确计算出机械优化设计的最优解。因此为保障机械优化设计的实际效果，应当全面衡量各项因素，包括初始单纯形的各顶点线性独立情况以及新单纯形构成后对实际收敛情况进行准确的验算，并严格检查计算结果是否满足相关精度要求，从而全面提高机械优化设计的质量和效果。
序列线性规划法则相对简单，主要是在初始位置将目标函数集约条件进行展开，促使非线性规划向近似线性规划逐渐转化，并对最优结果进行求解，并采取科学合理的计算方式进行反复求解，直至满足机械优化设计的精度标准，从而提高机械优化设计的质量和效果。
3.3 非线性规划法
就机械工程的实际情况来看，大部分机械工程的性质都属于非线性规划，随着非线性程度的不断加大，难以将其完全简化为线性问题。非线性规划正是基于数学极值的原理所开展的机械优化设计，通过无约束直接法、无约束间接法和约束直接法、约束间接法等对优化问题进行不断求解，以保证机械优化设计的质量和效果。
3.4 现代优化设计理论方法
在机械优化设计中，往往存在不同种类的约束、变量及目标函数，为保证机械优化设计的质量和效果，机械优化准则法能够结合机械优化设计的实际情况，积极推导出不同的优化准则，但其实际通用性并不理想。规划法在实际应用中需要进行多次重复验算，此种情况下往往需投入大量的人力物力资源，并且实际优化设计的效率并不理想，甚至在一定程度上限制了规划法在现代机械工程项目优化设计中的应用深度和广度。随着现代社会科学技术的发展，机械工程中优化设计的难度也不断加大，有必要积极选取合理的优化设计方法来提高机械优化设计的总体质量和效果。
结束语
总而言之，机械设计优化是基于传统机械设计理论基础上所提出的，通过与现代设计方法的协调配合，促进一种科学化的优化设计方法的形成，在机械工程中，有助于改善机械优化设计的质量和效果，促进机械产品达到高质量和高水平。随着现代社会科学技术的发展，机械优化设计方法也不断进步，每一种机械优化设计方法都具有各自的特点和应用领域，能够针对机械产品的性能及其他因素选取核实的设计变量和最优的设计方法，从而促进机械优化设计目标的实现，为机械优化设计的发展奠定坚实的基础。
参考文献
中图分类号：C35 文献标识码： A
引言
煤矿行业主要是对我国的自然可利用资源进行开采，以满足人类的发展需求为最终目的行业。在煤矿行业发展中，机械是必不可少的组成部分。因此，如何加强对煤矿开采机械的结构优化，已经成为了当前煤矿行业最为重视的事情，也是必须要彻底解决的事情。
一、煤矿技术中机械装备的重要性
煤炭资源一直是我国的最为重要的生产资源。在我国改革开放以来，煤炭在我国的消费市场中占首要位置。据相关的资料调查显示，就2010年一年间，煤炭在我国的总消费量就高达29.66亿吨，占全国一次性消费能源总量的66%，按这种开采的速度和消费情况来看，我国剩余的煤炭资源还可供开采100年以上。随着我国经济建设的发展及企业对煤炭资源的需求，我国近几年来成立了多个大型的煤炭开采基地。但同时，由于煤炭开采过程中机械设备问题，使在煤炭开采过程中受伤或死亡的人数也在逐年递增，这主要是由于在煤炭开采过程中机械设备跟不上时代的发展需求所至，据国内不完全资料数据显示表明，每年因煤矿机械装备所造成的伤亡人数占整体煤矿开采中伤亡人数的百分之七十左右。对于这种情况而言，随着煤炭开采事业的发展，负责人员也在不断地总结着经验与教训，对煤矿技术机械装备的结构优化组合也做出了一系列的改革措施，煤矿技术机械装备的好坏直接影响着整个煤矿开采施工工程是否可以顺利完工，也直接影响着施工人员的生命安全。因此，对煤矿机械进行结构优化是煤矿事业发展的必经之路。
二、我国煤矿生产机械装备结构的设计现状
目前我国的煤矿资源分为露天煤矿和井下煤矿两种，因此，开采机械也分为露天机械和井下机械两种。据国内资料统计表明，至十一五以来，我国煤矿技术中机械的需求量达50万台，总投资量超过了950亿元。其中，应要求新增的机械数量达23万台，总投资量达650亿元。而煤矿机械中需要结构优化与更新的设备超出了一半以上，所需投入资金达250亿元。截至2012年底，国家针对115家煤矿机械使用情况进行了调查，数据表明，在这115家煤矿开采企业中，至2008年底机械更新及结构优化所投入的资金额达650亿元，所产出的直接收入高达780多亿元。至2012年底，用于煤矿机械装备更换与结构优化的资金已高达860亿元，所产出的直接收益高达1100亿元。就我国煤矿资源调查结果表明，我国煤矿资源将来还有500多亿元的可开发利用空间，而开采设备也将逐渐由传统的中小型开采机械装备向大型煤矿机械开采装备演变。
三、我国煤矿机械装备企业核心竞争力构建途径
（一）强化新的科学技术的应用
在现代企业中，需要进一步的营造将科学技术看做是第一生产力的氛围，使科学技术在企业中发挥更加关键的作用。而为了做到这一点，其中的关键便是在思想形成正确的认识。比如，在造成煤矿机械失效的诸多因素之中，要将科学技术领域最新的研究成果应用其中，全面的、最大限度的展现新技术的生命力。具体而言，可以将陶瓷材料、碳纤维复合材料以及超强度聚合材料和金属基复合材料等新的材料技术有针对性的应用到不同煤矿机械装备的关键零部件中，这样不但可以明显的提高煤矿机械装备的可靠性能，最大限度的降低其重量，更为重要的是，还能够全面的改变煤矿机械装备的形体设计。
（二）以现代化管理模式促进企业可持续发展
对现代煤矿机械装备制造来说，管理制度即便是软件，但是对于这类企业的发展却会起到重要的保障作用。为此，要进一步的建立和规范现代化企业制度，提高企业的经营管理水平，重点在产品研发、质量监管、销售服务等相关领域展开与世界市场之间的合作与交流，全面的建立营销、技术服务和用户之间的一体化的信息系统，以超前的意识，强化企业的可持续发展能力。
（三）优化设计方法
计划经济时代和市场经济时代对企业的要求截然不同，当然，主要是用户的需求之间存在较大的差异。在当前的市场经济条件下，煤矿机械装备企业的发展一定要以动态化的视角进行生产和经营，唯有如此，才能对市场的变化做出积极的反应。为此，煤矿机械装备企业应该优化其涉及方法，根据待开采煤层的赋存条件的不同，要有针对性的选择采煤机的运动学参数与工作机构的结构参数；根据待掘进巷道的煤岩物理机械性质的差异以及巷道断面的尺寸差异，对掘进机结构尺寸与工作结构的运动学参数进行重新的比对和优化设计。只有这样，才能最大限度的缩短设计周期，全面的向用户展示设计方案。
（四）建设一支学术高、敬业精神强的管理队伍
在煤矿设备结构的优化设计过程中，我们首先要建立一个高素质、高标准的管理队伍，因为，在设计完成后，进行设备加工的时候，设计人员仍然要时常与制作单位保持密切的联系，以便及时的解决在生产过程中出现的设计上的疏漏和问题，并对其进行详细的记录，备于日后的资料查阅，给下一个设计研发工作提供参考的前例；加工制作完成以后的验收工作仍然很重要，我们要尽可能的在现场对设备进行连续运转试验，观察其可靠性是否达到设计研发的要求，如果一旦出现问题及时纠正更改设计，最终达到合格的效果，验收合格才可以允许发货。因此，建立一支学术高、敬业精神强的管理队伍是非常有必要的。
四、煤矿技术中机械装备结构优化设计
（一）加强结构优化设计的计划
在煤矿技术机械装备结构优化过程中，我们要做的是计划好设备结构优化的方案，在计划前，我们首先应该对改煤矿的旧设备进行了解及调查，然后对就设备存在的问题进行分析，然后制定出可以实施 的机械设备结构的设计方案，然后做出设计任务书。设计任务书大体上应该包括：机器的功能，经济性及环保性的估计，制造要求方面的大致估计，基本使用要求，以及完成设计任务的预计期限等。
（二）加强机械设备结构的安装调试
对改设备进行相应的调试和运转，确保该设备可以满足相应的使用要求，机械设备安装固定的步骤如下：
1.设备基础的检验，目前，施工单位安装机械设备的位置一般采用混凝土，故需要对基础施工单位提供的混凝土力学性能进行检测，确保设备基础能够承受机械设备因振动而产生的各个方向的力。
2.设备就位，所谓的设备就位就是将设备安全放到基础上，如果是小型的机械设备则相对较为简单，容易进行，要是大型的设备就对起重作业有了严格的要求。例如一个大型轧机的安放，底座和牌坊显然要分步安放。
3.安装精度检测调整与设备固定，安装精度的检测调整是进行机械设备安装的重要过程之一。
4.拆卸、清洗和装配，对于解体机械和整体机械放置时间超过规定时间的机械设备，要根据其设计图纸，确定其机械结构，然后按照拆卸原理进行拆卸。
5.设备的 ， 这是机械设备安装的结尾工作，是保证机械设备能够正常运转最为重要的一个环节。
6.机械设备的调试，机械设备安装后要进行调试，以确保机械设备的正常工作。进行机械设备调试的原则为从局部到整体，先进行部件调试，然后进行整体调试。
（三）煤矿生产的网络动态及模拟化设计
在煤矿生产的网络动态及模拟话设计中，我们要结合煤矿目前的实际情况对其进行考虑，因为，煤矿作业需在较为恶劣条件下进行，同时也需要高投资以及高科技的支持，因此，在设计研发的时候所需要的时间比较长，而且，如果单纯使用老套的设计方式，不单会增加大量的投入经费，还会使研发周期扩至更久，这样就无法实现与市场要求的同步性。因此，在进行网络化设计的时候，我们可以将研发、仿真、模拟等集于一身，对其进行设计，这种思想很有可能会对我国迈向全球化发展的轨道起着重要的作用，所以，对于动态模拟模拟设计必须要加强研究。煤矿生产的恶劣条件会对机械设备造成极大影响，所以，相关设计人员必须全面考虑实际生产发生的种种问题，争取在损耗与生产之间找到一个平衡点。
结束语
综上所述，煤矿技术中机械装备结构优化设计对提高设备的使用年限以及设备的运行安全都是十分重要的。因此，在机械设备优化设计时，要针对机械设备结构中出现的问题进行合理的改正与设计，从而保证机械结构优化设计的有效性，提高整个机械的运行能力。
参考文献
[1]任彬. 精密塑料注射成型装备产品数字化设计关键技术及平台构建[D].浙江大学，2010.
[2]吴昭雄. 农业机械化投资行为与效益研究[D].华中农业大学，2013.
中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（a）-0034-03
网络协同设计是一种先进的联合设计手段，可以将不同的设计主体（专业技术人员）通过共享的网络平系起来，设计人员之间可以使用功能各异（异构）的工具设计远程协作，在这个共享平台中阶段性优化已有方案、模块化分析、并行修改，以远超出非协同条件下设计的效率和质量完成产品设计。其使用到的工具可以包括且不仅限于SolidWorks、PRT（Pro/E）、PRT（UG）、DWG、CATIA等，同时在产品的优化设计阶段也会用到各种计算软件工具如MATLAB等，在使用中可采用两种方式实现产品的协同化设计，其一是采用数据格式转换，该方式是实现异构平台条件下同一产品数据集成与共享的主要方式。其所采用的主要数据转化手段包括利用XML技术、IGES标准以及STEP标准。XML（即系统基于可扩展标记语言）技术，IGES标准（即利用图形数据交换标准）和STEP标准（即产品模型数据交换标准），使用商业化或编制数据转换接口，从而实现产品的几何特征提取和数据格式转换。其二是对三维建模软件进行二次开发，在工作端嵌入相应开发模块，以实现对产品设计节点所产生数据的三维建模，基于Web的产品协同设计原型系统原理见图1。
1 产品协同设计
1.1 产品协同设计概述
产品设计包括多种设计项目内容，譬如确定产品规格、技术规范、性能解析、采取多种计算手段分析建模，初步制定制造计划和概算等。通常状况下，这阶段工作必须通过设计方案、确认架构、设计优化、仿真和样机测试性能、效果等过程对方案的可行性、有效性进行最终检验。此阶段工作涉及诸多不同类型资源，譬如产品市场情况和开发此产品相关的理论，譬如文本阐述、图表图形、城市、数据库、仿真设计（数字化）、物理及样机模型实验和实验实施所需诸多设施、装置等[1]，不过上述资源多数散布于多处。
利用远程MATLAB优化分析系统与CAD软件融合利用，不仅加速系统研发工作，使得系统更为可靠，并且非常有益于产品设计阶段中MATLAB优化解析方法的推广利用。在特殊条件下，运用MATLAB优化分析方法远程优化设计方案的前提要件是确定模型参数，通过增加产品性能、模型设计和优化的多个参数，辅助改进设计，必然有益于系统功能的扩展，还能够扩大系统运用范畴。此外，把散布的分析和优化工作所需资源有效归集，对于持有此资源的主体来说，能够提升利用此资源的整体效率，提高利润水平，另外利用此资源主体所需费用较少，因此整个研发设计过程中所耗成本也更低，产品在市场上自然具备更强竞争力。
1.2 产品协同设计过程
产品协同设计过程可以简单描述如下。
（1）方案设计。此阶段工作主要包含下述两个内容：第一，企业根据顾客要求设计完产品；第二，企业能够依据市调结果，自主研发推出新产品。两种产品设计方案均需交换许多不同类型数据和资料，最终必然能够确定最优设计方案。
（2）参数优化分析。为确保研发产品性能可靠，满足设计需要，运用MATLAB优化研究软件优化产品，令其更为可靠。
（3）产品结构设计。设计人员根据已经优化确定的产品方案，运用CAD程序完成建模，并协同完成装配过程。
（4）样机实验。在车间内产出样机，对踊进行性能测试，研究验证产品性能，保证性能满足设计要求。
2 优化设计方法分析
许多机械产品设计中需要进行优化，优化过程可分为3个部分：合成和分析、评价以及更改参数3个部分组成。其中，合成和分析部分的功能主要是建立产品设计参数和设计性能以及设计要求之间的关系，这是对设计产品进行建立数学模型的处理。产品的性能和设计要求的分析，相当于评估目标函数是否改善或达到最佳，即测试数学模型中的约束每一条都满足。选择参数部分是利用不同优化方法，使该目标函数（数学模型）求解，并根据该优化方法来求得最佳设计参数。优化设计的前提是选择最优的设计方法。而哪一种方法最优，主要根据具体设计优化的问题情况、特点和具体设计来定。通常来讲，可以有下述几点评价方案。
（1）可靠性。（2）精度。（3）效率。（4）通用性。（5）稳定。（6）全局收敛方法。（7）初始条件灵敏度。（8）多变量灵敏度。（9）约束灵敏度。
3 齿轮传动系统的优化设计案例
机械层面的设计优化视为协同设计工作平台内节点之一，通过传送输入/出文件，可以在异地完成计算并运用结果，下面以齿轮减速器为案例说明基于Web的协同设计下的优化设计过程，案例中所选择的优化算法为遗传算法（Genetic Algorithm，简称GA）。这是一个模拟达尔文生物遗传进化选择历程检索获取最优结果的方法[2]。在机械层面的设计优化问题中，运用这一方法，能够有效避免产生局部最优解，最终获得对整个系统方案都最优的更好解。该研究运用遗传算法用作齿轮优化方法，再结合Matlab遗传工具箱完成优化，不仅简单而且高效。
优化分析系统一般能够划分成处置数据、设计优化、输入/输出、造型产出4个主体模块。其中第一个模块的主要任务是：完成齿轮设计过程线图、处置数据，根据各种条件、状况，能够灵活选择查表、插值、拟合曲线、数据库和BP神经网络映射等多种手段完成工作。其中第二个模块主要应用Matlab语言，根据从第三个模块获取的转速、传递功率、负载性质以及传动比等数个已经确定的参数数据，运用Matlab神经网络、遗传算法两大工具箱，优化齿轮设计[3]。其中第三个模块主要负责：运用完成VB、Matlab、 SolidWorks API多个软件中数据的流转改用。其中第四个模块的主要任务是，依据前一模块产出结果，在优化设计的协同工作端自动完成齿轮的三维参数化造型。
3.1 建立数学模型
选择目标函数为齿轮减速器体积最小，同时，在选择齿轮强度的影响参数时使用以下4个参数，分别是法向模数mn、小齿轮齿数z1、齿宽系数φd以及螺旋角β，以上4个参数为设计变量建立数学模型。
（1）设计变量。
（2）目标函数。
（3）约束条件。
①模数约束：1.5≤χ1≤20。
②根切约束：g1≤0。
③齿宽系数约束条件：0.2≤χ4≤1.2。
④螺旋角约束：8≤c3≤25。
⑤齿面接触应力约束：g2≤0。
⑥齿根弯曲应力约束：g3≤0，g4≤0。
其中：
斜齿齿轮接触疲劳应力为：。
斜齿齿轮弯曲疲劳应力为：。
3.2 BP神经网络映射程序的实现
神经网络BP（Back Propagation），是目前在多学科领域应用范围最为普及和成熟的人工神经网络，其组成经过主要包含信息正向传播与误差的反向传播两个过程。BP人工神经网络在模式识别、函数逼近和数据压缩方面都显示出较强的映射能力[4]。下面是齿形系数YFa计算关系映射的实现步骤（使用Matlab7.1神经网络工具箱，共4步）。
第一步，读入训练样本数据。
第二步，初始化网络，利用网络初始化函数newff实现。
第三步，训练网络。利用训练函数train实现。
。
第四步，函数逼近。
利用上步训练好的网络代替原有的
函数关系，计算任意齿数zv0时的齿形系数YFa0，通过sim函数实现。
对比样本数据和映射之后产出数据，发现变差的最高值为0.006，证明此人工神经网络辨识精度达到很高水平，满足要求。
3.3 遗传算法程序实现
该文运用遗传算法来计算优化齿轮设计，结合运用Matlab软件中的遗传工具箱完成优化，整个过程不仅简单而且高效，其中遗传算法优化步骤如下。
（1）将数学模型转化成如下适用于Matlab的形式。
①设计变量。
②目标函数。
③约束条件。
（2）建立目标函数的m文件FitnessFcn.m文件内容如下。
（3）建立非线性约束的m文件nonlconfun.m；文件内容如下。
（4）把线性约束所对应的向量与系数矩阵赋予下述变量A、b、Aeq、beq，将边界（上/下）值分别赋予下述变量LB、UB。
（5）调用。
3.4 VB与Matlab混合编程
VB、Matlab结合完成编程过程中，还能够运用动态DLL链接库、DDE数据和ActiveX自动化3种技术手段，具体详见文献[4]。该研究运用ActiveX技术，利用VB编程时调取Matlab优化齿轮设计程序的部分代码如下：
当齿轮优化分析计算完毕，齿轮优化分析结果上传并存储到数据库中，但此时非优化设计客户端用户只能浏览及下d计算数据文本，如果客户端没有安装二次开发模块，仍然无法对数据进行建模处理，所以在优化设计工作端需要对软件进行二次开发，以SolidWorks软件为例，可以运用ActiveX技术和API函数，结合VB语言二次开发SolidWorks，运用优化所得结果实现齿轮的三维参数化造型在所开发的VB程序内增加下述代码，将完成的程序编辑产出*.dll文件，在SolidWorks中打开，在菜单栏中就能够加入“齿轮”“斜齿圆柱齿轮”菜单和下拉菜单选项。
…
4 结语
该文探讨了基于Web的网络协同设计框架下，产品的优化设计部分作为协同设计网络的重要组成部分（工作端）的优化过程，并以齿轮优化分析作为具体案例进行分析，文中融合了编程开发软件：VB、Matlab，结合BP神经网络、遗传算法（人工智能领域），成功完成了存在离散（或连续）设计变量时，设计的优化，使得优化齿轮设计工作效率得到提升，继而实现了整体设计协同作业效率的提升，并获得了最佳方案。下一步可考虑在诸个工作端进行有效的数据转换最终将此优化实现和三维参数化造型结合融于一体，在诸个工作端所用CAD/CAM软件条件下，也能够完成有限元分析并产出NC代码，有效提升设计齿轮工作效率和品质，加快系统制造速度。
参考文献
[1] 周伟.基于网络的协同设计系统数据交换及管理关键技术研究[D].重庆：重庆大学，2007.
随着现代科学技术的发展，市场产品竞争也越来越激烈，产品品种的换代速度加快，产品的复杂性在不断增加。所以产品生产正在以小批量、多品种的生产方式取代过去的单一品种大批量生产方式[1]。而这种生产方式，肯定会缩短产品的生产周期，产品的成本也会降低，产品提高市场的占有率和竞争力也会提高。所以在机械结构设计中采用优化设计是满足市场竞争的需要。
1 机械结构优化设计方法
目前，机械结构优化设计的应用已经应用到各个领域，很多的机械产品在设计中都会采用优化设计，才用优化设计能解决结构重量扩展到降低应力水平，还还能改进结构性能以及提高产品安全寿命等问题。
对机械结构的尺寸优化设计的应用方法有：用遗传算法对空间杆桁架的杆截面进行尺寸优化，从而得到空间桁架较好的结构。对一些结构的形状优化设计方法有：用数值解法计算机械产品的形状优化，并采用数学规划的方法进行形状优化设计。下面介绍下在振动机械优化设计中的对比分析 ：
筋板在连接结构的内壁，能提高其抗弯和抗扭刚度；对开式截面的结构，作用很明显；而对闭式结构作用影响不大。筋板作为壁板加强时，刚度作用增强，能抵抗局部变形。
无论采用何种优化方法，在迭代过程中求解目标函数和约束函数的值是必不可少的，在一些方法中，需要求解目标函数和约束函数的1阶甚至2阶偏导数。这些约束函数往往是结构的性能要求，如结构的应力、位移、频率、稳定性、可靠性等，这些性能经常是设计变量的高阶非线性函数。如果采用经典的力学公式能获得满足工程要求的结果，则在优化过程中，不断调用这些公式计算当前函数值或导数值，就可以完成优化迭代。在这样的方法中，由于函数最终表达为显式，因而计算所化的时间和存储量以当前的计算机技术看来是不难做到的。但是，对于复杂的机械结构来说，采用力学公式求解往往就不能胜任了。在有限元等数值方法快速发展的今天，自然被用在机械结构优化的分析中。由于这些数值方法应用广泛，可以求解结构的各类问题，包括静力、动力、弹塑性、热传导等，因此，随着计算机的软件和硬件技术快速发展，在过去经常被视作瓶颈的计算速度和存储量，对于一般的机械结构优化已经不是太大的问题时，机械结构优化中越来越多地采用数学规划+数值计算的模式。这种模式最大的优点是适应性好，使用方便，适合各类机械结构优化问题，包括大型杆系结构、三维连续体和板壳结构以及各种载荷和约束条件下的优化设计。但是，随着优化迭代次数的增加，重分析次数也大幅度上升，尤其对于大规模的结构问题，特别是涉及动力、可靠性问题，如果单次有限元分析的时间就很长，再加上求偏导数时的重分析时间将可能使求解变得过于耗时，以致不可行。
2 机械结构优化的应用趋势
结构优化设计随着最优化方法的不断发展和改善， 已逐渐得以发展。近些年来， 在结构优化结构算法的方面，结构优化设计偏向于采用接近实际的复杂结构模型来模拟一些大型结构系统， 由于设计的变量数目比较大，所以研究新的准则优化方法非常受到重视，但是如何去针对一些特殊的结构才设计相应的公式，解决在数值计算与推导实现的相关问题，同时还可以使用一些机械系统的分解与优化方法， 在机械结构优化中，可以按优化多级分解或进行子结构分解，对于一些多学科的较为复杂的系统可以采用学科分解优化的方法。分解的算法关键在于如何去建立各个子问题之间的耦合关系，比如可以通过采用线性分解和使用最优解对参数的灵敏度等方法来建立起耦合关系，让一些子问题的解相容，从而确保迭代收敛，但是问题是怎样保证一定能求解。并采用计算技术应用到结构优化设计中去。像人工神经网络， 遗传算法等方法， 在最近十余年来被机械结构优化设计的发展很快。它们对连续混合与离散变量的全局优化， 这对发展结构近似重分析的专家系统有重要的作用。现在的问题就是该如何去提高优化精度、质量、加快收敛， 增加方法的通用性[2]。形状优化、拓扑优化和材料优化的集成在机械结构优化中具有非常重要的价值，是并行结构优化的重要组成部分，也是以后的研究重点。
拓扑优化在结构优化中是重要的参考依据， 让复杂部件和结构在概念设计阶段即可理性地、灵活地优选方案，并有可能解决一些大型实际结构优化设计。拓扑优化在研究中所提出的均匀化等方法，可以将形状优化、布局优化和材料选择集成一体，为机械设计结构、工艺和材料提供科学的手段。但是如果要处理一些庞大的优化模型和有限元的计算量非常大，应力需要约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失有可能会引起计算模型病态等问题。
机械结构优化技术在工程机械设计中的具有非常重要的实用价值，如要解决优化设计中有限元模型的庞大性问题、多学科设计与解决结构优化问题交叉问题。对于机械设备、结构和机构的健壮性与可靠性是机械设计时非常关心的问题， 综合考虑健壮性、可靠性及成本的全性能优化设计方法、理论及其应用，则会给出更加接近实际的结果，应当应予重视[3]。在研究这类问题中，对包括随机性和模糊性的不确定因素也应当应予注意。为增强优化设计尽可能的为工程实际所服务， 进一步开展设计的实用性。所以开发和完善通用性的结构化设计软件已经变得十分迫切。
从近几年来国家自然科学基金所资助的项目来看，单就机械学科相关的优化设计的项目就有将近20项，其中包括广义优化设计，模糊优化，全性能优化设计，分解优化设计，可靠性优化，人机一体化设计与光机电一体化，有机械传动系统性能优化也有基于人工神经网络的复杂结构优化研究，复杂机电耦合设计理论与方法与系统解耦研究以及机电产品的绿色设计方法与理论等，在今年还提出的轧制件模具的现代设计方法， 面向产品的创新的概念设计等课题， 这些方面的研究充分反映出我国已经非常重视机械设计的研究工作和机械机构优化设计的发展方向[4]。
参考文献
[1] 张红友.优化结构设计减少建筑投资成本[J].陕西建筑，2008（11）.
中图分类号：F407 文献标识码： A
引言
机械制造业的不断发展，随之而来的是对机械结构设计要求的不断提高，因此，对于机械结构的设计需要在满足机械设计原则的基础上不断创新，改变原来的设计方法，根据机械产品的功能充分发挥创造力，综合运用先进的技术，借鉴优秀的研究成果，在全新的设计理念和基本设计原则的指导下，创造出更具有价值的机械结构。
1、机械结构设计概述
对于机械结构而言，根据不同的设计方法生产出来的结构也不尽相同，比如在材料、毛坯选择上，应当根据材料价值和特性进行选择，充分利用机械结构材料自身的性能；同时，还要注意利用代用材料。如果只是制造毛坯，则制造难度就会明显降低；切削加工过程中，选用切削加工费用低的方法；机械结构设计过程中，要求结构应当便于装夹和定位，并且适用于标准刀具以及量具，适合标注尺寸等
2、机械结构设计原则
2.1应当满足机械结构的应用要求
在结构设计过程中，机械结构应当可以有效实现预定的指标；同时，还要确保设计出来的机械结构可有效完成任务，满足强度、刚度、精确度以及使用寿命的要求，同时还要确保该机械结构在使用过程中的安全可靠性。
2.2应当有效满足经济性要求
对于机械结构设计而言，其经济性实际上是一个综合性的指标，全面体现在设计、制造和应用全过程。其中，设计与制造经济性，主要体现在设计、制造过程中的成本有效控制；应用过程中的经济性，主要表现在高生产率、高效率等方面，同时还要求维护费用较低。这些都是设计过程中应当充分考虑的问题。
2.3应当关注机械设备操作人员的安全
机械结构设计过程中，应当注意技术安全问题，最大限度地去改善操作人员的劳动条件、强度；同时，还要注意机械结构外形的美观度，并能有效满足特殊要求，比如机床在长期应用中的精度、大型机械的运输方便性等。
2.4与质量技术指标相适应
由于机械结构是机器产品的基本组成要素，因此对结构质量的要求十分严格，但质量技术指标越高，用在结构设计和制造上的成本和时间也越多，当质量技术指标达到要求时，再添加其它的要求势必会导致工时和成本急剧增加，生产效率明显下降。在这样的条件下，生产出来的结构将无法实现最理想的经济效益。因此，在对机械结构的结构进行设计时，结构的结构工艺性必须在满足使用条件的前提下与质量技术指标相适应，实现机械结构最高的实用性和最大的经济效益。
3、机械结构设计方法
3.1理论设计
理论设计主要以人们已掌握的合乎规律的理论和实践知识为基础，结合理论力学、材料力学、机械原理、金属学等理论知识进行机械结构的结构设计。根据结构的整体载荷情况，运用理论计算公式确定结构的几何尺寸。结构的尺寸计算必须满足载荷情况、材料性能、结构工作情况和应力分布规律等方面的条件。运用计算公式初步确定机械结构的尺寸及形状后，再利用校核计算对结构危险剖面的安全系数计算值进行校核。这个过程多用于应力分布规律复杂，但又能用材料力学公式表示出来的结构设计，同时也适用于应力分布规律简单但必须已知结构尺寸的情况，如轴和弹簧的设计。在进行机械结构的结构设计时，一些具有足够实践经验的设计工作者也常为了简化计算过程，在粗略的估算和相关资料的基础上直接进行结构设计，然后采用校核计算。理论设计的基础是熟知机械结构的材料性能和应力分布规律，是经过大量感性知识而总结出来的设计规律，因此是一种具有一定科学性和先进性的设计方法，值得广泛采用。但是任何一种理论都存在不完善的地方，所以不应把理论设计当作完美的机械结构机构设计方法。
3.2模型实验设计
模型实验设计主要针对一些尚无法运用理论知识进行详细分析的大型的、结构复杂且具有一定重要性的机械结构进行结构设计。具体来说，就是对结构作出初步设计，形成模型，对模型进行反复试验，再根据实验结果加以修改。这种设计方法同样也是对理论不足的一种弥补，同时也有效地避免了经验设计中缺乏科学性的成分。模型实验设计决定了大型复杂结构中的工作应力分布情况和结构的极限承受能力，是将经验设计转化为理论设计的途径之一。
3.3经验设计法
即实际设计过程中，根据某类机械结构现有设计、应用经验，总结出经验公式，根据设计人员自身的设计经验，选一类比法进行设计。虽然该种方法没有较为详尽的理论科学分析依据，但也具有科学统计性特点，因此应用价值也比较大。实践中可以看到，因该种方法是基于通过实践总结出来的经验，所以它经得起实践检验。比如，机架以及变速箱设计过程中，经验设计法便可在理论设计的基础上加以应用和实现，实际上它是理论设计的初级方法。
4、机械结构优化的发展展望
结构优化设计随着最优化方法的不断发展和改善，已逐渐得以发展。近些年来，在结构优化算法方面，结构优化设计趋向于采用接近实际的复杂结构模型模拟大型结构系统，由于设计变量数目大，研究新的有效的准则优化方法受到重视，但仍有如何去解决针对各种特殊的结构优化问题建立相应的公式，解决解析推导和数值计算的实现问题；再是使用大型系统的分解优化方法，对于大型结构优化，可以按子结构分解或者进行多级分解优化，对于多学科的复杂系统可以按学科分解优化。分解算法的关键在于建立各个子问题之间的稿合关系，比如通过使用最优解对参数的灵敏度和采用线性分解等法建立起稿合关系，使得子问题的解相容，从而保证迭代收敛，问题是如何保证一定能求解。并行计算技术引入结构优化设计是一个较新的方向。像遗传算法，人工神经网络的方法，在近十年来被引入结构优化设计并发展很快。它们对离散与连续混合变量的全局优化，对发展结构近似重分析的专家系统有其独到之处。现在的问题是怎样提高优化质量、精度、加快收敛，增加方法的通用性。
拓扑优化、材料优化和形状优化的集成在机械结构和部件设计中具有重要的实用价值，是近年来出现的并行设计的重要组成部分，仍将是下一步研究工作的重点。拓扑优化能够为结构的方案设计提供科学的依据，使复杂结构和部件在概念设计阶段即可灵活地、理性地优选方案，有望用于大型实际结构优化设计求解。但是要处理庞大的有限元和优化模型计算量增大，应力约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失可能会对计算模型造成病态等问题。
从近几年来国家自然科学基金所资助的内容来看，单就机械学科涉及优化设计的项目就有近20项，有广义优化设计，全性能优化设计，模糊优化，可靠性优化，分解优化设计，光机电一体化与人机一体化设计，有基于人工神经网络的复杂结构优化研究及机械传动系统性能优化，复杂机电系统解稿与稿合设计理论与方法研究，机电产品的绿色设计理论与方法等，以及今年提出的面向产品的创新的概念设计，轧制件模具的现代设计方法等课题，反映我国已经注意追踪或跨入世界领先领域的研究工作。另外，优化新方法的研究，形状优化和拓扑优化，多学科优化，结构优化建模，可靠性问题，结构重分析与灵敏度分析，遗传算法，神经网络，人工智能，大规模问题求解，因特网应用等都是继续深入研究的热门课题。
结束语
机械结构优化设计是提高产品性能、节约生产成本的有效方法。其直接关系着整个机械产品的性能和质量，因此在机械结构机构设计过程中，应当加强思想重视和设计思路创新，只有这样才能确保设计质量。
参考文献
工程机械一体化监测系统的优化设计的内容
中图分类号：C35文献标识码： A
一、机械结构动态优化设计的应用概况
在机械结构动态优化设计理论中，其根本思想是按照产品功能的要求来对产品结构进行设计，或者根据机械结构需要改进的部分进行动力学建模，并做动态性分析，然后根据产品在动态性上的要求或预定的动态设计目标，进行结构的修改、再设计，以满足机械结构在动态性上的设计要求。
目前，机械结构动态优化设计已经在我国的机械行业中被广泛应用，其在汽车、航空航天、船舶行业、建筑机械等行业中均取得了重大的成果。在汽车行业中，随着社会的发展和人们需求的更新，汽车行业已经实现了客车车身轻量化的优化设计、汽车车身形态仿生的优化设计、汽车车身安全性的优化设计以及面向行人下肢碰撞保护的优化设计等目标。在航空航天行业，其作为国家科学技术综合水平和实力的体现，机械结构动态优化设计在航空航天行业得到了高度的重视，并应用到航空航天技术中每一产品的设计上。在船舶行业，我国经过自主创新研究，对潜艇外部液压舱、油船剖面、潜艇结构等方面的优化设计进行了研究，旨在提高船舶行业各研究对象的性能。与此同时，结构动态优化设计在高速公路沥青混凝土路面结构、液压缩管机模具、双层组合套管、基床结构等很多方面的优化设计上也发挥着重要的作用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。
二、优化策略与流程
1.优化策略结构进行优化设计
根据设计变量的类型和求解难易程度，可分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次，每个层次对应不同的设计阶段。为了实现结构设计自动化，对产品进行优化设计时：首先，根据产品功能要求建立优化目标函数，将刚度、强度等约束条件参数化，利用拓扑优化方法计算冗余材料所在单元（即要杀死的单元），并进行冗余材料边界单元和节点的遍历搜索，结合实际生产资源情况建立边界关键点，对原模型进行参数化变形设计，得到拓扑优化后的模型；然后，根据结构力学特性要求对其进行边界形状优化和尺寸参数的优化，并通过参数化驱动实现模型的更新，最终得到满足刚、强度要求的CAD模型。
2.三级优化流程
在参数优化三级优化设计过程中，拓扑优化阶段主要通过变密度法求解密度较小的单元，自动生成拓扑优化后的概念模型。形状优化阶段首先针对前期优化结果模型进行微小单元的去除，充分利用曲线拟合技术构建密度较小的冗余单元边界关键点组成的轮廓，并根据零部件生产资源情况进行边界形状的修正，通过参数化变形设计技术对原模型进行布尔减操作，得到拓扑优化后的CAD模型，将其导入CAE系统，然后通过形状优化的数学模型寻找结构的最佳边界形状或者内部几何形状，以改善其力学特性。尺寸优化阶段根据结构的受力情况确定设计变量及其变化范围，建立目标函数，然后通过遗传算法迭代求解较优的参数方案，从中选取最优方案参数来驱动模型，生成优化结果模型。方法流程如图1所示。
三、机械结构优化分析
1.机械结构的拓扑优化
过去一般机械结构优化设计主要集中在结构参数的优化和设计，而对于机械零部件的拓扑结构很少涉及。但是，随着人们对机械产品设计创新意识的提高，特别是机械产品概念设计的提出和应用，人们对结构优化设计提出了更高的要求――机械产品的结构拓扑优化设计。1985年，M.P.Bendsoe和N.Kikuchi将均匀化方法应用于连续体的结构拓扑优化，推动了连续体结构的拓扑优化发展。同时，连续体结构的拓扑优化已经从平面问题扩展到板壳和三维连续体问题。另外，一些新的方法，如生物生长模拟法、密度法、泡泡法等，被提出并得到应用。目前，结构拓扑优化方法也已被工业界所接受，例如Ford公司等正在加快研究步伐，推出了一些应用的实例。机械结构拓扑优化将把结构优化推到一个新的、更高的产品设计层次。
2.机械结构的形状优化
在机械零部件中，连续体结构非常多，形状比较复杂，结构分析存在一定的难度，而结构形状对机械零部件的性能影响很大。因此，机械零部件的结构形状优化可以大大提高其性能。20世纪80年代开始，机械行业开始兴起结构形状优化的研究，Haftka、Ding和Hassani进行了综述，国内外出现了许多该方面的研究成果，伊莉、钱惠林、林桥等研究了压力容器部分的结构形状优化设计；陈汝训、张东旭等研究了航空器部分零部件的结构形状优化；Schwarz研究了对应于弹塑性结构响应的拓扑与形状优化；等等。灵敏度分析是结构形状优化的关键之一，程耿东和Haftka同时提出了半解析法，并被普遍采用。机械结构的形状优化也是提高零部件机械性能的重要方法之一。
3.智能优化算法和仿生优化
算法优化算法的研究一直是优化设计的重要研究领域，特别是机械结构优化设计中一般零部件的结构分析非常复杂，有限元分析需要很长的计算时间，优化迭代次数很多。因此，机械结构优化设计对优化算法要求很高，主要要求优化算法具有强收敛性、高可靠性、强稳定性等，研究人员不断地进行优化算法的发展和改进。目前，数学规划法中一些算法（如SQP等）比较适合结构优化设计问题的求解，优化准则法也是一种有效的算法，国内也开发了一些优化设计软件包，例如大连理工大学的结构优化程序系统DDDU、华中科技大学（原华中理工大学）的优化方法程序库OPB―2等。由于现代学科之间的大量交叉，特别是人工智能、神经网络、模糊数学、不确定数学、基因遗传等理论和方法的引入，为优化算法的发展提供了新的发展空间，例如遗传算法、基于神经网络的算法、蚂蚁算法、模拟退火法等等。这些新的算法已经成功应用于优化问题的求解，用于结构优化问题的求解目前正处于研究阶段。这些算法具有很好的特性，经过研究人员的努力，一定能够在机械结构优化设计中得到推广和应用。
四、机械结构优化的发展展望
结构优化设计随着最优化方法的不断发展和改善，已逐渐得以发展。近些年来，在结构优化算法方面，结构优化设计趋向于采用接近实际的复杂结构模型模拟大型结构系统，由于设计变量数目大，研究新的有效的准则优化方法受到重视，但仍有如何去解决针对各种特殊的结构优化问题建立相应的公式，解决解析推导和数值计算的实现问题；再是使用大型系统的分解优化方法，对于大型结构优化，可以按子结构分解或者进行多级分解优化，对于多学科的复杂系统可以按学科分解优化。分解算法的关键在于建立各个子问题之间的稿合关系，比如通过使用最优解对参数的灵敏度和采用线性分解等法建立起稿合关系，使得子问题的解相容，从而保证迭代收敛，问题是如何保证一定能求解。并行计算技术引入结构优化设计是一个较新的方向。像遗传算法，人工神经网络的方法，在近十年来被引入结构优化设计并发展很快。它们对离散与连续混合变量的全局优化，对发展结构近似重分析的专家系统有其独到之处。现在的问题是怎样提高优化质量、精度、加快收敛，增加方法的通用性。
拓扑优化、材料优化和形状优化的集成在机械结构和部件设计中具有重要的实用价值，是近年来出现的并行设计的重要组成部分，仍将是下一步研究工作的重点。拓扑优化能够为结构的方案设计提供科学的依据，使复杂结构和部件在概念设计阶段即可灵活地、理性地优选方案，有望用于大型实际结构优化设计求解。但是要处理庞大的有限元和优化模型计算量增大，应力约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失可能会对计算模型造成病态等问题。动态特性优化是机械系统和结构设计应用研究的一个重要方向f}P-zo。特征向量、动力响应量的灵敏度分析、高度密集频率的动力学问题的分析和优化设计，大型动力优化问题的建模和求解方法，非线性分析在优化中的应用，使优化技术的作用从对设计方案的优化延伸到加工工艺过程的优化，仍是极富有研究和应用价值。
综上所述，未来，机械行业产品结构的设计、动态化的优化设计和技术的运用，还需要不断分析与探讨.只有不断完善技术力量，才能更好地跟随科技的变化而不断地进步。
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