机械优化设计概况

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1、 机械优化设计概况 优化设计是20世纪6年代初发展起来的一门新科学,它是将最优化原理和计算机应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计措施。运用这种新的设计措施,人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案,从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和措施的一种重要理论，它已广泛应用于各个工业部门。 机械优化设计涉及建立优化设计问题的数学模型和选择恰当的优化措施与程序两方名的内容。由于优化机械设计应用数学措施谋求机械设计的最优方案，因此一方面要根据实际的机械设计问题建立相应的数学模型，即应有数学形式来描述实际设计问题。在建立数学模型时，需要应用专业知识拟定设计的限制条件和所

2、追求的目的,确立各设计变量之间的互相关系等。机械优化设计问题的数学模型可以是解析式、实验数据或经验公式。虽然她们给出的形式不同，但都是反映设计变量之间的数量关系。 数学模型一旦建立,机械优化设计问题就变成一种数学求解问题。应用数学规划措施的理论,根据数学模型的特点可以选择合适的优化措施,进而可以选择和哦自行编制计算机程序,以计算作为工具求得最佳优化设计参数。 优化机械加工是保障产品质量,节能降耗的重要手段；它涵盖加工操作、技术应用、工艺设计和实行、材料分析等方面的知识, 为产品上质量、上水平、并不断创新提高效益奠定基本。 在机械制造领域里如何使用既有设备,将物及料耗降到最低,让利益最大化是每一

3、种机械制造公司要考虑的首要问题。通过减少成本,在市场竞争中站住脚,赢得市场份额。稀有公司机械厂拥有锻造、热解决、焊、车、铣、刨、磨、制作，品种齐全的加工制造方式。如何将其形成一种系统贯穿整个工艺，做好每一种细节,让产品达到完美和最小成本。要打破商定俗成,突破老式。不能由于干顺手就固步自封。当时的生产受当时设备及员工素质影响及工艺落后制约,有其时代性。机械制造涉及生产对象、工艺措施、工艺要素、工艺文献、工艺装备及工艺装夹5个重要环节， 它将机械加工构成一种完整的工艺环节体系。 生产对象生产对象是指原材料、毛坯、铸件、焊接件、冲压件、核心件、试件、工艺用件。采用何种样件完毕机械制造,是我们首要考虑

4、的问题。有些零件的制造可焊、可锻、可铸、可车,在满足其工艺规定的前提下,进行成本估算。固然首要原则要达到材料对力学方面的规定,如强度、塑性、韧性、屈服极限等等,以及在高温、高压、强酸强碱的工况下,与否达标，并且考虑生产对象的加工性能。 2 工艺措施工艺措施是制造手段,有锻造、锻造、热解决、机械加工及电加工。因加工精度和对金属组织的规定采用不同的措施制造,一般根据机械制造行业原则制造。现对这5种加工措施进行论述并阐明其重要特点。 锻造是将熔融金属浇注入型腔,待凝固得到一定形状和性能。它涉及刻模、刷涂料层、浇注、热解决,其环节复杂且环环相扣。制定每一种工种规范工艺,可以达到借鉴和总结经验的作用，不

5、断地改善和提高。刻模规范的下料,合理设立浇冒口，涂料的化学性能和物理性能及涂层的厚度,浇注温度的把握及如何合理运用热效益。 锻造是在加工及工具的作用下,使金属坯料或铸锭产生局部或所有的塑性变形,以获得一定几何形状、尺寸和质量的锻件加工措施。它可以局部改善材料的材质，有较好的强度及表面硬度，对材料损耗消耗较小。 热解决是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却,变化其整体或表面组织,从而获得所需要性能的加工措施。热解决种种工艺知识的普及对优化制造可减少成本。 机械加工是运用清除材料加工措施得到,根据零件形状位置和加工精度选择合适的加工措施。充足理解车床的加工性能,及机床各个部分对的的使用措施

6、，减少机床的磨损和刀具的损坏,同步可以提高加工的精度。 电加工是直接运用对工件进行加工的措施。我们常用的有等离子加工和刷镀。 3、 工艺要素工艺要素在操作过程中有工序、工步、辅助工步。在审图施工时候一方面考虑到基准。基准是用来拟定生产对象上几何要素间的几何关系所根据的那些点、线、面。它涉及设计基准、工艺基准、工序基准、定位基准、测量基准、装备基准、辅助基准。基准是保证零件尺寸精度和保证外形尺寸以及零件的互换性的前提,加工基准选择不当就无法保障这些因素。根据基准进行施工并兼顾如何正常设计工艺孔、工艺凸台及工艺留量。审核尺寸链涉及工艺尺寸链,工艺尺寸及工序尺寸。在尺寸考虑范畴里要考虑到加工总余量,

7、 工序余量以及切入量。根据不同的所要加工的材料和使用的刀具以及机床性能选择切削速度、进给量和切削深度。此外还要考虑主轴转速、切削力以及切削温度和切削液的使用。 4、 工艺文献制定完整的工艺文献，对单一件和小批量一卡多用,涉及机械加工过程卡、产品型号、零件名称、工时定额、设备型号。根据过程进行加工，指引每一步工作,突出重点，注重细节。它具有原则零件(或典型零件）工艺过程卡片格式。 零件图样的工艺性审查。根据定单是单件还是批量产品选择机械加工工种,车、锻、焊、铸,拟定工种。选择原则是要达到产品工艺性能的前提下分析各工种的性价比，是对生产前的预判，不能舍本逐末, 以客户需求为主,同步避免导致挥霍。

8、工艺设备的选择。在能达到同样工艺状况下,考虑电耗、刀具消耗、副油、加工便捷限度及员工的工作强度。专用设备均有专用功能兼顾其他功能， 做到扬长避短。同一类型的机床也有选择：机床加工范畴应与加工零件的规定相适合;机床的工作精度应与工序规定的精度相适合;机床的选择应与生产类型相结合。 对大批量定型铸件毛坯的尺寸，对后续加工影响很大。合理设计加工工艺凸台及留有夹持长度。同步铸件的选材要合适,材料过硬，难于加工,材料过软,达不到规定的强度。 在工艺上遵循:尽量采用统一精基准，以避免基准转换;尽量采用工序集中原则;提高定位基准面之间的位置精度。它是机械加工的经济精度。此外尺寸公差,行位公差和表面粗糙度的规

9、定应经济,合理。 设备的维护和保养:车床的保养和润滑，清洁，及各转动部分与否运转自如;粗,精加工阶段分开,可较及时发现毛坯的缺陷,避免不必要的损失;合理使用机床,使用精密机床较长期地保持其精度。根据加工行业最快捷及最经济的原则选购先进的设备用于生产,一次投入大,但长远利益可观。 结合机械构造设计的一般过程，提出了一种整体层-局部层的两层的优化模型。一方面在整体层对整个机械系统的总体设计方案进行优化,然后在局部层完毕重要构造的优化。论述了两层设计变量及目的函数划分措施,给出各层优化模型的一般体现式，在此基本上讨论了该分层模型的协调和收敛措施，最后得到完整的机械构造整体优化方略。文中以750003

10、 kg浮吊金属构造的整体优化为例，具体讨论了高维、多目的机械构造整体优化建模过程。成果表白笔者提出的分层优化模型可行、有效，可合用于大型复杂机械构造的整体优化问题。 一般机械构造的优化设计多局限于简朴零部件或构造,只波及到一种功能或学科，优化过程也分别单独应用于机构设计和构造设计,割裂了两者的关系。而对于大型复杂机械，整体优化发挥的作用显然远远不小于局部改善。在计算手段日臻完善的今天，规定把优化范畴扩展为涉及功能、原理方案和总体参数、构造方案、构造参数、构造形状的全设计过程,真正达到优化的全局指引作用。但复杂构造设计变量多、计算复杂、耗时过长,且一般为多目的、多学科问题，用单一算法解决整个优化

11、问题不可行,由此产生了整体优化的数学逼近和分解协调优化方略。响应面和神经网络都属于通过数学逼近来模拟实际优化模型的措施,可以减少计算量、缩短计算时间，但存在逼近不精确的问题。 复杂构造机械构件众多，高度耦合,因此在构造优化中划分子构造的网状分解措施应用困难,常用的为层状分解，例如桁架的节点层、面积层优化，网状分解一般用于解决构造优化中的多学科问题，例如多学科的协同优化。但在面对不同的整体优化问题时，却没有一种普适的措施指引分解，不当的分解协调反而使优化问题更复杂。笔者在机械构造设计基本措施的基本上提出一种构造的分层优化模型，将优化问题分为整体层和局部层,综合运用理论分析模型及有限元分析模型，并

12、通过层间协调使总体设计和构造设计联系起来，使两者互相影响，而不是独立的优化过程,真正达到整体优化设计的目的。通过7500103kg全回转浮吊的金属构造优化设计实例，验证了该模型的有效性和合用性。 整体层局部层优化模型机械构造整体优化要综合各方面的因素，不仅要满足构造在机构设计和整体布局上的规定,还要保证构造的强度、刚度等规定，且规定不仅能得到构造的基本尺寸，还要提供截面形状及桁架节点布置的信息,这使构造优化设计不再局限于某一段桁架、箱型梁构件的优化,因此整体的优化具有高维数、多目的、计算过程复杂等特点,并且设计变量的尺度差别巨大,对目的函数的影响参差不齐。 针对上述问题，考虑实际机械构造设计中

13、,一般在满足机构和安装规定下,根据经验和构造设计理论完毕构造的总体布局设计,再进行局部构造设计,最后进行强度、刚度的校核，完毕由整体到局部的设计过程。整个流程中各个阶段完毕的参数不同，并且对此步的设计目的具有侧重性,这种分步设计的思想同样可以应用在优化问题上,发展为分层方略，每层进行一类设计变量和目的函数的优化，可以达到分解降维的目的,并且避免了不同类别层次设计变量和目的同步优化。笔者的优化模型由构造设计一般过程出发,将优化问题划分为整体层和局部层。整体层一般以机构设计和构造质量为优化目的，安装规定及构造理论公式作为约束条件，此层的优化解析式明确，分析计算简朴，可以得到总体设计方案,但对于复杂构造分析不够精确，无法得到构造的拓扑层信息。而局部层中以构造性能为优化目的，可以运用有限元软件进行校核,具体到每一部分构造构件的优化设计。根据本文所述措施,已开发出具有高效率优化CAD系统,证明对老式算法的改善是有效的。