机械优化设计篇（1）

机械优化设计是综合性和实用性都很强的理论和技术，为机械设计提供了一种可靠高效的科学设计方法，使设计者由被动地分析、校核进入主动设计，能节约原材料，降低成本，缩短设计周期，提高设计效率和水平，提升企业竞争力、经济效益与社会效益。国内外相关学者和科研人员对优化设计理论方法及其应用研究十分重视，并开展了大量工作，其基本理论和求解手段已逐渐成熟。并且它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上，通过有效的实验数据和科学的评价体系来从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案。该领域的研究和应用进展非常迅速，并且取得了可观的经济效益。那就让我们关注机械优化设计中那些重要的量。

解决优化设计问题的一般步骤

解决优化设计问题的一般步骤如下：

机械设计问题――建立数学模型――选择或设计算法――编码调试――计算结果的分析整理

优化设计中数学模型的建立

a设计变量

在最优化设计过程中需要调整和优选的参数，称为设计变量。设计变量是最优化设计要优选的量。最优化设计的任务，就是确定设计变量的最优值以得到最优设计方案。但是每一次设计对象不同，选取的设计变量也不同。它可以是几何参数，如零件外形尺寸、截面尺寸、机构的运动尺寸等；也可以是某些物理量，如零部件的重量、体积、力与力矩、惯性矩等；还可以是代表工作性能的导出量，如应力、变形等。总之，设计变量必须是对该项设计性能指标优劣有影响的参数。

b约束条件

设计空间是一切设计方案的集合，只要在设计空间确定一个点，就确定了一个设计方案。但是，实际上并不是任何一个设计方案都可行，因为设计变量的取值范围有限制或必须满足一定的条件。在最优化设计中，这种对设计变量取值时限制条件，称为约束条件，而约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件，而优化设计问题大多数是约束的优化问题。针对优化设计数学模型要素的不同情况，可将优化设计方法进行分类，约束条件的形式有显约束和隐约束两种，前者是对某个或某组设计变量的直接限制，后者则是对某个或某组变量的间接限制。等式约束对设计变量的约束严格，起着降低设计变量自由度的作用。优化设计的过程就是在设计变量自由的允许范围内，找出一组优化的设计变量值，使得目标函数达到最优值。

c目标函数

在优化设计过程中，每一个变量之间都存在着一定的相互关系着就是用目标函数来反映。他可以直接用来评价方案的好坏。在优化设计中，可以根据变量的多寡将优化设计分为单目标优化问题和多目标优化问题，而我们最常见的就是多目标函数优化。

一般而言，目标函数越多，设计的综合效果越好，但问题求解复杂。在实际的设计问题中，常常会遇到在多目标函数的某些目标之间存在矛盾的情况，这就要求设计者正确处理各目标函数之间的关系。对这类多目标函数的优化问题的研究，至今还没有单目标函数那样成熟

优化设计理论方法

优化准则法对于不同类型的约束、变量、目标函数等需导出不同的优化准则，通用性较

差，且多为近似最优解；规划法需多次迭代、重复分析，代价昂贵，效率较低，往往还要求目标函数和约束条件连续、可微，这都限制了其在实际工程优化设计中推广应用。因此遗传算法、神经网络、粒子群算法、进化算法等智能优化法于20世纪80年代相继提出，并且不需要目标函数和约束条件的导数信息，就可获得最优解，为机械优化设计提供了新的思路和方法，并在实践中得到成功应用。

a遗传算法

遗传算法起源于20世纪60年代对自然和人工自适应系统的研究，最早由美国密歇根大学Holland教授提出，是模拟生物化过程、高度并行、随机、自适应的全局优化概率搜索算法。它按照获得最大效益的原则进行随机搜索，不需要梯度信息，也不需要函数的凸性和连续性，能够收敛到全局最优解，具有很强的通用性、灵活性和全局性；缺点是不能保证下一代比上一代更好，只是在总趋势上不断优化，运行效率较低，局部寻优能力较差。

b神经网络法

神经网络是一个大规模自适应的非线性动力系统，具有联想、概括、类比、并行处理以

及很强的鲁棒性，且局部损伤不影响整体结果。美国物理学家Hopfield最早发现神经网络具有优化能力，并根据系统动力学和统计学原理，将系统稳态与最优化态相对应，系统能量函数与优化寻优过程相对应，与Tank在1986年提出了第一个求解线性优化问题的TH选型优化神经网络。该方法利用神经网络强大的并行计算、近似分析和非线性建模能力，提高优化计算的效率，其关键是神经网络的构造，多用于求解组合优化、约束优化和复杂优化。近些年，神经网络法有较大发展，Barker等将神经网络用于航空工程结构件的优化设计。

c粒子群算法

Kennedy和Ebehart于1995年提出了模拟鸟群觅食过程的粒子群法，从一个优化解集开始搜索，通用个体间协作与竞争，实现复杂空间中最优解的全局搜索。粒子群法与遗传算法相比，原理简答、容易实现、有记忆性，无须交叉和变异操作，需调整的参数不多，收敛速度快，算法的并行搜索特性不但减小了陷入局部极小的可能性，而且提高了算法性能和效率，是近年被广为关注和研究的一种随机起始、平行搜索、有记忆的智能优化算法。目前，粒子群算法已应用于目标函数优化、动态环境优化、神经网络训练等诸多领域，但用于机械优化设计领域研究还很少。

d多目标优化法

功能、强度和经济性等的优化始终是机械设计的追求目标，实际工程机械优化设计都属于多目标优化设计。多目标优化广泛的存在性与求解的困难性使其一直富有吸引力和挑战性，理论方法还不够完善，主要可分为两大类：①把多目标优化转化成一个或一系列单目标优化，将其优化结果作为目标优化的一个解；②直接求非劣解，然后从中选择较好的解作为最优解。具体有主要目标法、统一目标法、目标分层法和功效系数法。

优化设计方法的评价指标

根据优化设计中所以解决问题的特点，选择适当的优化方案是非常关键的。因为解决同

一个问题可能有多种方法，而每一种方法也有可能会导致不同的结果，而我们需要的是可以更加体现生产目标的最优方案。所以我们在选择方案时一定要考虑一下四个原则：

a效率提高。所谓效率要高就是所采用的优化算法所用的计算时间或计算函数的次数要尽可能地少。

b可靠性要高。可靠性要高是指在一定的精度要求下，在一定迭代次数内或一定计算时间内，求解优化问题的成功率要尽可能地高。

c采用成熟的计算程序。解题过程中要尽可能采用现有的成熟的计算程序，以使解题简便并且不容易出错。

d稳定性要高。稳定性好是指对于高度非线性偏心率大的函数不会因计算机字长截断误差迭代过程正常运行而中断计算过程。

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。

结论

机械优化设计作为传统机械设计理论基础上结合现代设计方法而出现的一种更科学的

优化设计方法，可使机械产品的质量达到更高的水平。近年来，随着数学规划理论的不断发展和工作站计算能力的不断挖掘，机械优化设计方法和手段都有非常大的突破，且优化设计思路不断的开阔。总之，每一种优化设计方法都是针对某一类问题而产生的，都有各自的特点，都有各自的应用领域，机械优化设计就是在给定的载荷和环境下，在对机械产品的性能、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值得一种新的设计方法，其方法多样依据不同情形选择合理的优化方法才能更简便高效的达到目标。当今的优化正逐步的发展到多学科优化设计，充分利用了先进计算机技术和科学的最新成果。所以机械优化设计的研究必须与工程实践、数学、力学理论、计算机紧密联系起来，才能具有更广阔的发展前景。

参考：

机械优化设计篇（2）

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。）

机械优化设计篇（3）

我国在工程运用中都取得了非常大的进步与很好的成效,然而和国外的先进优化技术相比还是有非常大的差异,在现实工程中能够起到作用的优化设计方案或者是设计结果所占据的比例并不是非常的大。计算机等辅助装备性能的不断增强、加之市场与科技的双重推进，使优化技术能够在机械设计与制造中的运用得到了迅猛的发展,遗传算法、粒子群法以及神经网络等其它一些智能的优化方法在优化设计中也得到了非常广泛的引用。现代机械正向着大型化、复杂化的方向发展,传统优化设计方法在实际工程的运用中逐渐显表现的有些单调与乏力，已经不能满足产品不断创新的需求,机械优化设计急需创新和发展。

1机械优化设计中的相关定义

优化设计能够展示出人们对于设计规律这个客观世界认知的深化。设计上的优化值具体是指在特定条件的影响下能够取得的最佳设计值。最优值是一个比较相对的概念,其和数学上的极值相比还是有很多不同的。

2机械优化设计研究内容

机械优化设计是一种比较科学、现代化的设计方式,而且是“最优”的。此处的“最优”也是相对而言的,伴随科技的不断发展以及设计条件不断变化,最优的标准也随之改变。优化设计体现了人们对于客观世界认知的深化,需要人们按照事物发展的客观规律,在特定的物质基础与技术情况下完全发挥人的主观能动性,获得最好的设计方案。

2.1优化设计与传统设计的区别

优化设计的最终目的就是最优设计，运用数学手段创建能够达到设计目的的优化模型；在大量能够实施的设计方案里面选择出最好的设计方案；其所运用的手段就是计算机，计算机具有非常快的运算速度，可以从数量较多的方案中挑选出“最优方案”。即使在建模的时候需要进行合适的适简化,或许会导致所得到的结果不是完全可行或者是实际最优的，然而它是以客观规律与数据为基础的，不需要太多费用，所以其具备了经验类比或者是试验手段所没有的特征。传统设计同样也追寻着最优的结果，经常是以调查分析为基石，根据设计需要与实践经验，参照相似的工程设计,经过估算、经验对比、试验以及构思、评价、再构思、再评价的寻优步骤来选择设计方案，接下来需要刚度、强度以及稳定性等其它方面进行计算。经有关实践可以看出，传统的设计还要大量不足之处需要改善，并且最后的结果基本上离不开初始设计的试验范围。

2.2优化设计所研究的内容

优化设计首先需要选择设计变量、制定目标函数、列出约束条件以及构建优化模型,其次是选用比较合适的优化方法进行优化求解,其主要包含了建模与求解。建模的要求:了解与把握优化设计方法的基本理论知识、设计问题抽象与数学模型处理的基本技能；具备此领域丰富的专业知识与设计经验。

2.3机械优化设计特点

机械优化设计其实就是将计算方法与数学规划理论运用到机械设计中去，按照所设定好的目标，凭借电子计算机的运算寻找最佳设计方案的相关参数，进而能够获得更大的技术经济的成效，其具备了普通的机械设计所没有的特征。主要体现在以下几个方面：能够减少机械产品的成本，增强它的性能。

2.4机械优化设计基本思路

在保证基本机械性能的基础上，依托计算机,运用部分具有较高精度的力学与数学规划方法来进行计算。机械优化设计的步骤：对设计变量进行分析，提出目标函数，确定约束条件，建立优化设计的数学模型；选用合适的优化方式，编写优化程序；准备所需要使用的初始数据并且上机进行计算，对计算所得到的结果进行必要的验证。

3机械优化设计方法

优化准则法针对不同类型的约束、变量以及目标函数等需要导出完全不一样的优化准则,通用性非常差,并且基本上都是近似最优解；规划法需要经过大量的迭代、不断进行分析，需要花费大量的资金，这在很大程度上限制了它在实际工程优化设计中的宣传运用。现代化的机械设计复杂程度越来越高,传统的优化算法已经不能跟上时代的潮流。

3.1遗传算法

遗传算法最是早由美国密歇根大学的Holland教授所提出的，是模拟生物进化的过程、高度并行、随机以及自适应的全局优化概率搜索算法。其根据获得最大收益的原则进行随机搜索,不需要使用任何梯度信息,就能够获得全局最优解,具备非常强的灵活性、通用性与全面性；其缺点就是不能够确保下一代比上一代要好。在1980年的时候，被大量的运用到函数优化与人工搜索等其它方面，在最近的几年里更多的是被运用到工程优化设计中，其主要适合设计变量比较少的情况使用。

3.2粒子群算法

Kennedy和Ebehart在1995年的时候提出了模拟鸟群觅食环节的粒子群法，从一个优化解集进行搜索，经过个体之间的相互竞争与合作，实现复杂空间中最优解的全局搜群法与遗传算法相比，容易实现、原理简单以及有记忆性，不需要进行变异与交叉操作，需要调节的参数并不是非常的多，收敛的速度很快，算法所独有的并行搜索不仅能够降低陷入局部极小的可能性，进一步提高了算法的性能与计算的效率。目前，其已经被应用到了对目标函数进行、对优化动态环境进行优化与神经网络训练等其它方面，然而运用在机械优化设计中的研究还是非常少的。

4案例分析

内燃机连杆结构的最优化设计。运用传统的设计是很难使得连杆达到不但要轻而且又非常可靠的目标，而选用最优化方法并结合采用有限元法数值计算技术对连杆结构进行分析，则可圆满完成这一任务，并得出连杆最优化设计后的结构形状。在连杆结构的最优化设计计算中，每向最优方案前进一步，都需要对连杆结构进行有限元研究，其主要目标就是为最优化的设计提供变形、应力以及疲劳安全系数等相关信息。运用有限元的方式对连杆结构在全部720°循环的过程中做动态分析，会获得非常好的效果，然而这就会导致会有一个非常繁琐的计算过程，需呀花费大量的时间。所以，在最优化过程中可配合使用计算比较方便、结果也比较准确以及花费时间比较少的最大拉、压工况下的有限元静力分析，而后对连杆上应力、变形最大及疲劳安全系数最小的特征部位的计算结果进行动态修正。修正值可通过对连杆最优化设计初始方案的动态分析或对已有连杆的动应力电测得到。

5结语

机械优化设计为机械工程界创造了巨大的经济财富，伴随科技手段的不断更新，优化设计的发展具有非常广阔的前景。目前的优化正逐渐的发展成为多学科的优化设计，完全运用最先进的计算机技术。虚拟设计技术是未来发展的重点，仿真技术也逐步向着协同化与系统化的方向不断发展。目前依然处在理论探究阶段的结构拓扑优化、结构动态性能优化设计、智能算法优化设计、可靠性稳健设计、柔性机械优化以及绿色优化等都是未来机械优化设计的重点发展方向。然而我们依然需要注意的是，在逐渐增强优化技术水平的同时，国内的机械加工的工艺水平、制造技术以及加工手段也需要同步增强，否则机械的整体水平依然会停在原地。这不但要引入先进的加工技术，更为重要的是不断增强加工设备自身的性能，特别是数控机床的加工水平。增强与国际技术发达国家之间的沟通与合作，软、硬件技术共同提升，以期达到机械设计——加工一体化的目的。

作者:张鑫 单位:西京学院

机械优化设计篇（4）

课程设计是工科学生从学习书本知识向模拟工程设计过渡的重要训练环节，对训练学生初步熟悉工程设计的基本方法和步骤，正确使用工具书，以及培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力等，都具有显著的效果，在教学中一直受到高度重视。《机械设计基础》课程设计在该课程理论教学结束时进行，时间一般为两周。近几年来，我在指导学生进行《机械设计基础》课程设计时，遇到了一些困难，设计进行得并不顺利。主要原因有两点：一是学生的水平参差不齐，对理论知识理解掌握的差异较大，尤其是综合应用所学知识解决问题的能力普遍较差；二是钻研精神不够，主动性差，过于依赖教师的辅导。为了改变这种状况，我对课程设计的选题、组织实施以及成绩评定等环节做了一些积极的探索，收到了良好的效果。

根据学生不同水平，设计课题分为不同层次“齿轮减速器”是《机械设计基础》课程设计长期采用的典型课题，它具有以下诸多优点：一是齿轮减速器是机械传动中常用的传动装置，也是各种机械中通用的传动装置，与课程性质相一致；二是通过这类课题的设计实践，能够使学生得到较全面的训练，较好地达到设计教学目的；三是在难易程度和设计工作量方面应变性较强，便于根据需要灵活掌握。所以，我仍然选择“齿轮减速器”作为设计课题。考虑到学生水平参差不齐，同一班级中的学生之间存在较大差距，为了使设计课题的难易程度和工作量大小与学生的水平和能力相适应，既让每个学生都能顺利地完成设计任务，又能充分发挥优秀学生的潜能，我确定了复杂程度不同、工作量不同的三类设计课题，供不同层次的学生完成。学习成绩一般或较差的学生，所要完成的设计课题是“一级直齿圆柱齿轮减速器”，其难度不大，设计工作量适中；难度和设计工作量都较大的“一级斜齿圆柱齿轮减速器”和“二级直齿圆柱齿轮减速器”两个设计课题，供学习成绩好、能力强、肯钻研的优秀学生选择。

提前布置设计任务，把课程设计融合到理论教学之中课程设计是紧接在理论教学结束后进行的。通常的做法是在课程设计开始时布置设计任务。我在辅导学生设计时发现，有不少学生对设计时所要用到的理论知识和基本方法，虽然在前面理论教学中已经学过，但此时却不会应用，有的甚至已经忘记了，辅导时很费力气，影响课程设计的顺利进行。为了改变这种状况，我采取了提前布置设计任务的做法，把课程设计融合到课程的理论教学之中。在开学初把课程设计的任务书与课程的授课计划一起发给学生（学生暂不分组），让学生从学习本课程开始，就接触设计课题，在学习理论知识的过程中逐步熟悉设计课题。把设计课题分解成带传动、齿轮传动、轴传动和轴承等四个设计模块，融入有关章节的理论教学中去，把设计课题中的理论计算，如带传动设计、齿轮传动设计计算、轴的设计等，与教材中相应的练习题结合起来，作为课外练习布置给学生课后完成。由于这些课外作业与课程设计联系紧密，学生大多十分重视，积极性很高。到进行课程设计时，设计课题中的理论计算部分已经经过了一次演练，大多数学生对设计计算的方法和步骤已经不再陌生，只需用分组后各自的原始设计数据代替前面练习时的数据，将所作过的资料（计算）进行修改、连接整理，便可以较顺利地完成设计计算说明书的编写，把主要精力和时间用于结构设计和绘图，从而使绝大多数学生都能够顺利地按时完成设计任务。

设计任务分解到人，保证每个学生都能认真投入到课程设计中去每个学生都能积极参与并有所收获，是我组织实施课程设计的指导思想。为了实现这个目标，使每个学生都能认真地投入到课程设计中去，防止少数学生偷懒，我采取了以下措施：一是分组小、任务足，每个设计小组一般为两人。小组之间的原始设计数据各不相同，并且在小组内把设计任务分解到人，小组成员之间既相互合作，又都有自己的任务，人人都必须自己动手、抓紧时间才能按时完成。二是在设计过程中，强化平时考核，每天检查各小组的设计进度，记录每个学生的出勤情况，作为评定学生设计成绩的一个方面。三是准确把握设计工作量，在给每个学生分配设计任务时，根据能力不同区别对待，既做到任务充足，又保证每个学生只要抓紧时间都能按时完成。四是指导注重培养能力，对于大多数学生，指导的重点是设计的基本方法和步骤以及如何查阅设计资料和工具书；对较差的学生则以答疑的形式进行个别辅导。

图纸必须上机绘制，进一步提高学生计算机绘图能力计算机绘图是工科学生的一项必备技能，早已纳入《机械制图》课程的教学之中。在进行《机械设计基础》课程设计时，学生已经初步掌握了计算机绘图的基本技能。因此，在课程设计期间，我将CAD/CAM机房向学生开放，要求学生所有图纸必须用AutoCAD绘制。通过实践，我觉得这样做有三点益处：一是满足了学生上机操作的愿望，有利于调动学生的积极性；二是在计算机上绘出的图纸干净整齐，避免了过去用图版绘图存在线条粗细不匀、图面难以保持干净等问题，学生把自己绘制的图纸打印出来，容易产生成就感，有利于增强学生的自信心；三是给学生提供了一次把所学的CAD绘图技能应用于设计的机会，对进一步提高学生的计算机绘图技能大有益处。

充分重视答辩环节，促进学生反思和提高学生在完成设计后，把设计资料交给教师评阅，往往只关心成绩，而不关心自己的设计存在哪些问题，应当如何改进。因而，教师的评阅环节对学生的进步没有多大帮助。为了最大限度地提高课程设计的效果，尽可能使学生多受益，我在评阅设计资料时强化了答辩环节，通常安排一个下午进行答辩，答辩时请相关教师参与，把每班分为四个答辩组，每组两位教师，负责4～5个设计小组。学生的设计成绩由两部分组成：一是答辩教师在仔细审阅学生的设计资料的基础上，结合学生的答辩情况和设计课题的难易程度给出成绩，此成绩占设计成绩的70％；另一部分是平时考核成绩，由指导教师根据学生在设计过程中的表现，如遵守作息时间情况、是否按时独立完成等评定，占设计成绩的30％。

实践表明，以上做法能够较好地适应当前绝大多数学生的实际情况，充分调动学生的积极性，设计教学的整体质量有了明显的提高。效果最为显著的有两点：一是针对每个学生的实际水平分配不同的设计任务，使每个学生都必须认真去做，避免了过去按“优带差”分组常常演变成“优代差”的弊端。学习较差的学生不得不自己去完成设计任务，也和其他学生一样得到了锻炼，看到了自己的成绩，感受到成功的快乐，有利于增强他们的自信，对他们以后的进步大有益处。二是把课程设计贯穿到课程理论教学中，体现了理论联系实际的教学原则。不仅有效地提高了课程设计的效率，而且大大激发了学生的学习热情，使学生在学习有关章节时有了明确的针对性，看到了理论的应用性，学习的积极性明显增强，真正实现了课程设计与理论教学的互相促进，有利于该课程整体教学质量的提高。

参考文献

机械优化设计篇（5）

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0121-01

机械产品应用范围相对较广，为确保机械产品在我国日常生活及企业从生产中得到有效应用，实施优化设计十分必要。目前我国已经针对机械结构优化设计进行了研究，并取得一定成果，主要表现在船舶行业、焊工航天以及汽车行业等[1]。机械结构的优化设计可有效提高其产品性能并增加其自身市场竞争力，对其市场发展起重要作用。

1 机械结构优化设计

随着科学技术的发展进步，加快了机械产品更新的速度，以往在制造机械产品时主要采用大批量生产的方法进行，产品相对单一，目前在实施机械产品加工时多采用小批量加工模式，可确保产品的多样性。为确保生产企业的利润，在生产机械产品时需注意将其生产周期缩短，最大限度在确保至质量的前提下降低生产成本。通过实施优化设计可满足上述目标，在一定程度上缩短生产时间并降低成本，通过效率抢占市场。机械结构优化设计目前已在船舶制造、交通工具、航空航天、冶金、纺织、建筑等多领域应用。

机械结构优化设计流程主要包括：（1）针对所优化机械产品尽心目标函数优化设计，可确保机械产品相关技术指标符合优化要求。（2）设计机械产品优化函数变量，变量设计包括机械产品长度、厚度以及弧度等相关结构参数。（3）对机械产品优化设计约束条件进行设定，对计算过程中各项变量浮动范围进行限定。（4）通过以上步骤得出多种优化设计方案，分别对不同方案进行评价，根据机械结构优化设计需求选择最佳方案实施。

2 机械产品优化设计应用分析

2.1 尺寸优化设计

机械产品实施优化设计过程中对尺寸数据有精准的要求。因此实施优化设计汇总需确保各零件尺寸与实际工作需求相符，若产品为多个零件组成结构，若其中一个零件尺寸存在误差均会对零件连接效果造成极大影响，甚至加剧机械磨损导致产品报废。因此机械产品零件越多及机械结构复杂程度越高，对各零件精细度的要求也有所提高。开展机械产品尺寸优化的前提条件机械产品拓扑关系及形状不发生改变，通过计算机技术的应用对具体尺寸变化进行有效调整，可确保机械产品性能的增强。

2.2 形状优化

为确保机械产品性能的全面提升，在进行优化设计时也可从机械产品形状入手开展优化。因多数大型机械设备自身结构相对复杂，各部件形状也具有多样化，很难进行分析，为优化设计进展带来一定困难。我国目前已经针对结构优化方面出现研究成果，如田方针对轴对称机械零件开展的优化设计以及王世军针对机器人结构的优化等。

2.3 拓扑优化

以往在实施机械结构优化设计中多侧重于进行结构参数优化，未针对机械零件拓扑结构实施优化设计。随着机械结构设计意识的提高，优化中心开始向拓扑结构优化方向转换。拓扑设计优化主要在离散结构以及连续结构方面体现，其中离散结构优化设计主要是通过对多个关键点连接方式方面入手，改优化前提是确保上述关键点位置的确定。连续拓扑优化设计主要针对孔洞形状、数量、分布情况、部分结构边界开展的优化。

2.4 动态性能优化

机械产品动态性能主要指的是机械结构受外界作用下显示出外型变化规律，包括相关运动参数等[2]。机械产品实施动态性能的优化设计可明显反应出改产品工作强度及寿命情况。因此对机械结构动态性能开展优化设计不仅能减轻机械工作负担还可在同等工作强度条件下对其使用寿命进行延长。

2.5 多学科结构优化设计

开展机械结构优化设计中需应用多科学角度入手，单独使用某科学角度无法得出理想优化结果，应从多学科角度进行，确保优化设计的多学科化、总体化及系统化，确保优化设计程度符合实际需求或超出预期目标。

3 机械结构优化设计趋势

随着时展进步及行业前景变化发展处机械结构的优化设计，通过近年机械结构优化设计的开展已经从简单化优化设计想结构系统大型化及复杂化机械发展[3]。通过产品设计变量的不断增加，造成结构分析推到以及计算数值方面难度均有所提高，特别是进行特殊结构优化时无相应数据及公式进行应用。在针对大型机械结构进行优化设计时，需将复杂结构进行分解，逐步对各子结构分别进行优化，在优化过程中若设计多学科优化设计也可分科学进行优化。通过对计算机技术的有效利用，确保机械结构优化设计多方向发展。该技术主要代表包括模仿神经网络和遗传算法的人工算法，该算法适合在连续混合机离散变量全局优化中应用，可对产品准确度及应用质量进行提高。针对拓扑结构的优化设计时目前开展机械结构优化设计研究的主要方向，因实施拓扑结构优化可谓机械结构整体优化方案的设计提供科学依据，确保寻找出最佳设计方案，该方法多在大型机械优化上应用，可通过较复杂的计算实施优化，对大型机械尺寸、形状进行优化，提高其产品性能。

4 小结

机械结构优化设计的开展可帮助提升机械产品性能及质量，为机械产业的发展提供了方向及机遇。优化设计的实施可缩短机械产品生产周期并提高机械制造行业竞争力，推动机械产品优化发展。

参考文献

[1]张钟文. 试析机械结构优化设计的应用及趋势[J]. 装备制造技术，2016，07：270-271.

[2]曾文忠. 机械产品设计的结构优化技术应用策略探究[J]. 湖南农机，2014，09：44-45.

[3]周继瑶. 论现代机械中的结构优化设计[J]. 企业科技与发展，2013，09：19-21.

机械优化设计篇（6）

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

机械优化设计篇（7）

0.前言

当今社会，科学技术飞速发展，人们不仅对多功能产品有强烈的需求，也需要多功能产品可以实现其应具备的功能。产品的可靠性优化设计是以产品功能的可靠性使用为目的而应运而生的产物，从产生开始到现在，已经得到了迅速的发展与广泛地使用[1]。在进行机械工程的产品设计时，将可靠性理论与技术应用于其中，并根据需要与可能，将产品的可靠性使用作为优先考虑的设计准则；在满足时间、费用及性能的基础上，让设计出的机械工程产品符合可靠性的要求。可靠性的设计问题在涉及传统的设计技术的同时，也与价值工程、系统工程、环境工程及质量控制工程等有着密切的关系。因此，可靠性设计是多学科与多技术相互交叉融合的一种新兴技术。

1.机械工程产品的可靠性优化设计现状分析

由于我国的特殊历史原因，机械工程制造业与西方发达国家机械制造业相比，显得相对落后，尤其是在可靠性设计的研究方面更是显得滞后。直到二十世纪八十年代，我国在机械工程的可靠性研究才取得了一些初步的成效，在某些个别的行业还成立了专门从事可靠性优化设计研究的组织与团体，并为社会培养了大批的可靠性优化设计研究的技术人才，制定出了整套可靠性优化设计的规范标准[2]。从总体上来看，过去的可靠性优化设计研究比较偏重于理论，但在生产实践中，对于理论的应用则是比较少，就这一点而言，与制造业相对较为发达的国家相比较，存在着许多不足之处。

2.可靠性优化设计在机械工程中的应用

机械工程产品的可靠性优化设计在产品的生产与使用周期的各环节都起着重要作用。这些环节主要有产品的设计、制造、使用及售后维修等。以下就机械工程产品的设计、制造及使用三个环节展开讨论可靠性优化设计问题。

2.1机械工程产品设计环节可靠性优化设计

机械工程产品的设计主要包括装配整体设计与零件组装设计。对机械产品进行可靠性优化设计时，可以将其当作一个整体，设计的方法主要有两种，第一种方法为：先大致了解机械的完整系统，并分析组成整体的零部件具有多大程度的可靠性，据此推断出整体具有多大程度的可靠性；这种方法即为预测整体设计可靠性的手段，预测的结果必须与设计指标相符合[3]。第二种方法为：将整体机械工程可靠性优化设计所要求的指标分配到其零部件的设计上，要求零部件必须满足各自的可靠性指标要求；常用的可靠性的分配方法有：再分配、等分配、比例分配及综合评分的分配方法。设计单个零件时，尽量采用符合国家规定且已经在生产中大量投入使用的常规零件，并用不同设计方法对重要程度不相同的零件进行优化设计，设计关键部件之前，要先行可靠性的试验。除此之外，要反复验证及修改机械工程产品设计的可靠性，直到其能够满足于可靠性优化设计所要求的标准为止。设计机械工程的人机系统也很重要，这方面的设计包括适应性及操作的舒适性设计。

2.2机械工程产品制造中的可靠性优化设计

要保证一个产品的质量，在制造环节的质量控制是最关键的部分，因此，机械产品在制造的过程中进行可靠性优化设计是非常重要的。加工的设备可靠性要得到保证，在选择加工工艺与工艺流程时，要注意其技术水平，保证制造水平尽量达到最优化。产品制造工艺流程是一个完整的系统，其中的各个方案与工序是工艺流程系统中的子系统，对每个子系统进行可靠性优化设计时，都要综合考虑各方面的因素，如工艺装备、加工设备、加工材料与工作人员素质等；只有这样才能为各个子系统设计出可靠性与合理的指标；最后，整合分析各个子系统的指标，并通过合理的方法将总系统的可靠性及优化指标整理出来。

2.3机械工程产品的使用与维修的可靠性优化设计

对机械产品进行维修，能有效延长其使用寿命；良好的售后服务水平是一个公司获得发展的必备条件。因此，生产机械设备的厂家要认真对待售后服务与维修的问题，运用先进的逻辑分析法，制定出科学的维修内容与维修方式，对机械产品的合理使用寿命作出规划。机械工程产品具有可维修性及可靠性，两者在很大程度上是相似的，可维修性是可靠性的具体指标之一[4]。对机械工程产品进行设计时就应当首先考虑到可靠性指标，以便能使设计出的机械产品在发生故障的情况下，易于检查与维修。进行机械产品维修的可靠性优化设计时，要充分考虑维修费用的问题，负责设计工作的人员在进行机械工程可靠性优化设计时，要以最少的费用获得最高程度可靠性作为设计的原则，以便能够尽量减少发现故障的时间。因此，以可靠性优化设计理论作为维修设计的基础，是非常合理的，也是非常重要的；制定经济合理的维修设计在现代化与科学化的进程中意义重大。使用符合标准的维修设备进行维修，提高维修工作人员的技能水平，使机械产品的维修工作能够朝现代化与科学化的方向发展。

3.结语

在以往机械工程的优化设计的过程中，很少将可靠性方面的指标考虑进去，因此不能够将机械工程产品的可靠性真实地反映出来；在可靠性的设计方法当中一般不会考虑机械产品的重量、体积及成本等方面的指标[5]。而在很多机械工程的设计方案中，只考虑进行可靠性方面的设计或只考虑优化方面的设计，就很难达到理想设计的效果。因此，只有在机械工程的设计中综合考虑可靠性与优化设计，并将两者的优势有机结合在一起，方能取得理想的设计效果。随着现代经济建设的步伐不断加快，机械工程制造业的发展也在日趋繁荣，且正朝着更具深度、更为复杂的方向迈进。当前人们对机械工程产品的可靠性优化设计的要求变得更高；目前，机械工程产品正日趋大型化与复杂化，因此，机械工程产品的可靠性优化设计的方法的应用也将会变得更广泛。对产品的使用也会变得更广泛，现代企业的发展也要以此作为发展的指标。

【参考文献】

[1]万耀青.机电工程现代设计方法[M].北京理工大学出版社，2009（03）：183-184.

[2]何社全.工程机械产品的满意性设计[J].建筑机械化，2010（02）：419-420.

机械优化设计篇（8）

机械可靠性设计时以成品的可靠性作为基准，将外载力、零部件尺寸、承受能力等各项参数融合起来考虑。然后应用力学理论、概率理论、数据统计学等做出机械可靠性保障方案。传统机械设计方法又被称为安全系数法，其在机械可靠性优化设计的时候只要确保安全设计系数大于规定的数值即可，但是在实际应用中机械可靠性设计往往忽略了设计参数的随机性。因此在实际研究中应注意将力学作为随机变量，机械可靠性设计中认为各个受力因素会受到环境的影响，因为环境因素也是一个变量，还存在着一定的规律性可循[1]。机械强度受到材料的性能、加工精度、工艺环节的波动等影响，也呈现出一种波动性规律变化。机械可靠性设计的时候，应根据设计的不同的要求选取不同的特征函数，注意在计算的时候应考虑其离散性，使用概率统计方法进行计算求解。机械可靠性设计的时候应考虑到各个参数的随机分布，还应据此来分析出机械的实际工作状况。

2机械可靠性优化设计案例

本次机械可靠性优化设计研究选取蜗杆减速器优化设计作为研究的主要内容，一级蜗杆减速器的主要失效形式有：涡轮齿面点蚀、涡轮齿折断、键压溃、轴折断、轴承实效等几类。针对蜗杆进行可靠性优化设计的时候，其优化模型为：Rs=Rcf?Rch?Rz?Rj?Rg。其中Rcf表示蜗轮齿根弯曲疲劳的可靠度；Rch表示涡轮齿面接触疲劳可靠度；Rz表示轮轴的可靠度；Rg表示滚动轮轴可靠度；Rj表示键可靠度。蜗杆减速器进行变量设计的时候，将蜗杆的模数定为m，蜗杆直径系数为q、蜗杆轴直径ds、蜗杆头数zl、传动比i、涡轮轴长度L。可靠性设计变量表示如图1所示，其中X={m，z1、q、L、i、ds}。

图1 蜗杆减速器变量优化设计图

蜗杆减速器的体积主要受到蜗轮、蜗轮轴、蜗杆等因素的影响，因此取三者的体积作为目标函数：

Minf1（x）=π/4{B2（mz2）2+L1（mq）2+m?（q-2.4）2（0.9mz2-L1）+ds2[L-（1.5ds-B2）]}。其中蜗轮齿宽度为B2=[m（q+2）-0.5m]sina+0.8m。a=50°，a表示蜗轮齿宽度。则根据蜗杆可靠性优化设计相关计算，必须建立相应的约束条件，其中 ，其中式子中的 表示蜗杆允许的接触应力。蜗轮轴的强度为 。其中式子中的MD表示危险截面积的弯矩均值。

3 机械可靠性设计建议

3.1 权衡和耐环境设计

针对机械进行耐环境和权衡和设计，有利于设计者找出机械相对可靠的设计方案，并对机械的质量、成本、体积以及可靠性等完成优化。耐环境设计主要是基于综合考虑的一种设计方式，从机械的零部件出发，将零部件的寿命周期内的各种环境考虑进去[2]。

3.2 预防故障设计法

机械设备正常运行与否关系到机械设备的整体运作功能是否在完整的串联中各自发挥出自身的作用。整体功能大于部分功能将成为机械可靠性设计的重要目标，机械优化设计中首先要重视机械设备的可靠性，并对零部件进行严格的需求控制和选择控制。预防故障法设计中应对选用的零部件和通用不见进行验证分析，最大限度对故障进行分析。

3.3 简化以及余度设计优化

机械优化设计篇（9）

1.1 传统机械优化设计方法的应用

传统机械优化设计方法大多应用于机械结构和零件功能的优化设计，针对机械结构的性能和形态进行优化。在机械结构上，内点罚函数优化法，能够对刚度和压弯组合强度结构进行良好的优化，既能够满足尺寸要求又能良好的控制结构自重。在形态方面，典型的是轴对称锻造部件的毛坯形状的优化。在性能方面，采用坐标转换法和黄金分割法对部分两岸结构进行优化设计，使得机械结构更加准确保持运动平衡性，提高了传力性能。这样看来，传统机械优化设计方法依然能够取得良好的效果，所以在机械设计发展中不能忽略传统优化方法的作用。

1.2 传统优化设计方法的一些改进

在新的设计方法出现后，传统机械优化设计进行了一些改进：设计中普遍采用最优设计方案和设计策略，帮助达到最优组合性能;建立能够反映设计问题的数学模型，提高机械设计的准确性;利用计算机选择最优方案，通过计算机程序解决更加复杂的计算;计算机辅助设计，降低人工设计的误差。

2 现代机械优化设计方法的应用和发展

随着机械设计要求不断提高，设计工作需要考虑的问题也越来越多，整体需要解决的问题规模和复杂度都有所增强，传统优化方法的问题暴露出来，局部优化和最优解不再适用于大规模问题的设计，这使得机械设计工作者广泛吸取其他学科的理论知识，产生全新的机械设计思路，通过算法来解决一些复杂的设计问题。

2.1 反馈神经网络在机械优化设计中的使用

反馈神经网络模型的基本内容是一些双向相连的神经元系统，每个神经元之间的连接都具有特别的权值，这个神经网络对于输出和反馈能够统一应用，这样将整个网络的能量函数和机械设计的目标函数映射起来，神经网络的进化过程则与机械优化设计的最优过程对应起来，在实际应用中，寻找神经网络模型与问题的解的过程十分关键。

2.2 多层向前神经网络在机械优化设计中的使用

多层向前神经网络也是目前神经网络模型中应用较广的一种，通过输入层、隐层和输出层，将模型输入信息进行单项的传播输出，整个模型中不论是层内还是层间，均不存在反馈链接。多层向前神经网络具有很高的运算速度，非线性的映射能力也更突出，在机械优化设计中，能够利用这种模型的特点，对机械结构的多目标优化进行映射。

除了神经网络模型的应用外，很多专业的数学软件也应用于机械设计工作中，比如MATLAB，作为功能强大的工程数据计算软件，能够很好的将计算问题与实际问题结合起来，其中配置了大量的工程函数，在解决大部分工程问题时能够节约大量的时间，而且计算结构也非常精确，所以在自动化控制和机械设计领域都有很好的应用。

3 遗传算法的应用与发展

遗传算法简称GA，是一种全新的概率优化算法。遗传算法作为一种非确定性的拟合自然算法，模仿了自然界生物进化的特点和规律，对于随机对象进行自然选择，按照自然界的适者生存法则来循环处理数据，最终产生的随机群体会收敛于整体的最优解。遗传算法有很强的自适应性，借助自然界遗产的规律，能够对全局都进行优化处理，同时遗传算法是潜在的并行计算算法，所以拥有很高的计算效率。遗传算法以其全局优化的优越性，主要应用于机器学习和控制领域，最近几年也得到发展被应用于机械优化设计中。

3.1 遗传算法与机械结构优化设计

简单的遗传算法线性适应度非常理想，通过非线性适度与自适应的变异概率来优化一般的遗传算法，以此来解决机械结构的优化问题，多峰值函数极值等都具有实际的参考意义。

3.2 遗传性算法与可靠性分析

框架结构系统结合遗传算法，能够对系统结构的可靠性进行优化分析。

3.3 遗传算法与故障诊断

遗传算法网络模型中，各个神经元之间的权值可以作为染色体向量，模拟基因多点交叉变异能够对随机对象进行优化选择，这种遗传算法能够应用于变压器故障的诊断。

4 机械优化设计软件的应用与发展

4.1 专用软件的应用与发展

目前国内机械优化设计专用软件开发和使用的都比较少，机械优化设计软件的开发还需要积累足够的经验，根据工作经验转换成计算机功能组成专用软件。计算机辅助设计软件的使用，能够帮助解决很多机械设计中的工程问题，结合人工神经网络和遗传算法，开发计算与图形化功能，专业软件的发展速度也是越来越快。

4.2 网络在线机械优化设计软件

机械优化设计篇（10）

1前言

随着社会的进步与科学技术的发展，机械工程在我国经济中的地位也越来越重要。人们对机械工程设计的要求越来越高。然而，我国的机械工程制造业相对于西方发达国家还存在一定的差距，比如机械工程的可靠性优化设计往往注重理论而没有很好的把理论应用到生产实践中去。还有，我国的大部分高校与企业不够重视可靠性研究，这导致了我国比较缺乏可靠性研究人才的局面;甚至有些企业认为可靠性研究可有可无，认为可靠性研究对企业产生不了什么重大影响，这是很不利于机械工程的可靠性优化设计的发展的，进而也不利于企业的健康可持续的发展。

2当前我国机械工程可靠性优化设计中的不足之处

2．1机械工程可靠性优化设计人才储备不足

因为机械工程可靠性优化设计是一项很复杂的、系统的项目，所以机械工程设计往往需要技术高超的人才来支持，而当前我们国家还是比较缺乏这些技术高超的人才的。当前机械工程可靠性优化设计方面人才的缺乏与高校的教育工作有很大的关系。这是因为很多高校往往只注重培养大众型人才来适应社会的需要，而没有重视培养高技术的人才，尤其是关于机械工程设计方面的高技术人才。虽然有的高校有开设机械工程设计的课程，但是没有在这方面进行比较深入的开展。因而，也就很难培养出高素质的机械工程可靠性优化设计人才，进而也就给当下我国机械工程可靠性优化设计方面的人才储备造成了很大的不良影响，这是非常不利于机械制造业的发展以及社会发展的。

2．2企业对机械工程可靠性优化设计不够重视

当下很多企业还没有真正意识到可靠性优化设计对企业的重要性。企业的机械工程可靠性设计是一项比较复杂、系统的工作，它关系着产品的质量以及企业的效益。如今市场竞争越来越激烈，企业要真想在市场竞争中处于有利地位，就要重视机械工程的可靠性优化设计;反之，就会因为机械工程可靠性优化设计的不到位而保证不了产品的质量，进而使产品失去相应的竞争力，从而使企业处于市场竞争中的不利地位。

3如何做好机械工程可靠性优化设计的几个关键点

3．1要做好设计环节中的可靠性优化设计

产品的生产和使用周期的各环节是离不开机械工程产品可靠性优化设计的，这些环节相对来说比较有难度、重要的环节主要有设计、制造以及和使用环节。而在机械产品的设计方面，往往包括了组装零件设计以及整体装配设计。首先在进行整体装配设计的时候，要求相关工作人员要认真、全面的分析这个整体系统中的每一个零部件的可靠性程度，从而去判断出这个系统整体的可靠程度。相关人员在进行整体设计可靠性预测的时候，务必要使相关预测结果要达到设计的要求。当然，可以利用再分配法、等分配法以及比例分配法等来使整体装备中每一个零部件都能达到相应的设计标准，进而保证该机械工程的整体满足可靠性的要求。其次，在组装零件设计方面，就要严格要求所选用的零件是符合相关国家的规定而且大量应用在实际的生产中的。值得注意的是，不同的零件其选择的设计方法也往往不同，所以要对相关的零件进行可靠性的试验，如果零件没有通过试验就要严格的反复修改，直到试验通过为止。

3．2要加强机械工程制造工艺可靠性优化设计

机械工程的高质量是离不开机械工程制造工艺的可靠性优化设计的，因而需要相关工作人员要重视机械工程制造工艺的可靠性优化设计。在进行制造工艺的可靠性优化设计的时候，首先要保证所用的加工设备达到相关的加工标准，其次要选择适当的加工工艺及其流程。机械工程在制造这一环节中往往涉及很多工艺，所以该系统是比较复杂的。在进行机械工程制造工艺的可靠性优化设计的时候，要全面考虑相关的因素，比如加工设备的选用、工作人员的整体素质以及技工材料等。只有做好了机械工程制造工艺的可靠性优化设计，才能真正有利于确保整个机械工程的可靠性。

3．3要做好使用与维修过程中的可靠性优化设计

机械工程可靠性优化设计离不开维修过程中的可靠性优化设计。相关工作人员应该要根据具体的实际情况来采用逻辑分析决断法来确定维修内容以及维修方式，进而来确定产品的使用寿命。机械工程的维修性能对机械工程的可靠性有着很大的影响，因而在进行机械工程的可靠性设计的时候要充分考虑其维修性能。在进行机械工程维修可靠性优化设计的时候，要尽量使得维修费用变低的同时也能收获最高的可靠性水平。这样有利于在产品发生故障的时候，能尽快发现故障之处，并采取相应的维修措施来进行维修。只有做好了机械工程维修过程中的可靠性优化设计，才能有效的延长产品的使用寿命，反之就会很容易降低产品的使用寿命。总的来说，就是机械工程使用与维修过程中的可靠性优化设计是极其重要的，然而要想真正做好使用与维修过程中的可靠性优化设计就必须要以可靠性优化设计理论为基础，并且遵循合理且经济的维修规则。

4结语

随着我国经济的不断发展，机械工程项目也越来越复杂和具有高难度，做好机械工程的可靠性优化设计就显得尤其重要。值得注意的是，因为常规的机械工程优化设计中没有重视到设计过程中可靠性的各个质变，所以就不能很好的真实反映机械工程在运行过程中的具体情况。而机械工程的可靠性优化设计相对于常规的机械工程的优化设计来说，并没有充分考虑到体积和重量等指标。由此可见，要想使机械工程的设计达到高质量水平，不仅要充分考虑常规的机械工程优化设计还要全面考虑机械工程的可靠性优化设计。要想使我国机械工程的可靠性优化设计实力不断提高，就要大力培养这方面的高素质人才，弥补当下我国这方面高素质人才储备的不足。而要想培养出高素质的人才，就要重点抓高校这方面的教育工作。只有认识到机械工程中可靠性优化设计的不足之处，才能有利于做好机械工程设计、制造与使用这三个主要环节的可靠性优化设计，才能真正有利于整个机械工程的质量安全，有利于我国经济的发展。

参考文献:

［1］张立博．探讨机械工程的可靠性优化设计［J］．工程技术与产业经济，2012(03):63～64．