優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

關(guān)鍵詞：離心泵；數(shù)值分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；文丘里自吸系統(tǒng)

引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國各行各業(yè)對大型自吸離心泵的需求不斷增加，大型自吸離心泵應(yīng)用廣泛，在城市給排水、灌溉工程以及工業(yè)循環(huán)水等方面發(fā)揮著重要的作用，所以，研究大型自吸離心泵的設(shè)計(jì)方法、完善大型自吸離心泵的設(shè)計(jì)理論，能夠有效提高泵的工作效率，對提高自吸離心泵的性能有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 大型自吸離心泵存在的問題

從上世紀(jì)60年代開始我國就開始了對大型自吸離心泵的研究，到90年代提出了應(yīng)用彈性橡膠閥來實(shí)現(xiàn)回流孔自動(dòng)關(guān)閉的理論，在此基礎(chǔ)上研制出了外混式結(jié)構(gòu)的自吸離心泵，提高了泵的可靠性，這種離心泵得到了廣泛的使用。隨著時(shí)代的發(fā)展，對大型自吸離心泵的要求也在不斷提高，文章針對大型自吸離心泵的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及成本等方面對其進(jìn)行了廣泛的調(diào)查，總結(jié)出了目前大型自吸離心泵存在的主要問題：（1）自吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法有待完善。在國內(nèi)離心泵生產(chǎn)企業(yè)中，大多數(shù)還是生產(chǎn)內(nèi)混式和外混式自吸離心泵，缺乏創(chuàng)新，離心泵的工作效率和自吸性能有待提高；（2）自吸原理比較單一。大多數(shù)自吸離心泵采用的是上世紀(jì)90年代提出的通過彈性橡膠閥壓縮來控制回流孔自動(dòng)關(guān)閉從而實(shí)現(xiàn)自吸的理論，這種自吸原理雖然得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這種自吸原理逐漸變得單一、落后；（3）大型自吸離心泵的材料單一。我國生產(chǎn)大型自吸離心泵的主要材料是鑄鐵，這會(huì)導(dǎo)致大型自吸離心泵比較重，也會(huì)一定程度上增大工作人員的工作強(qiáng)度。

2 大型自吸離心泵結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 大型自吸離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型自吸離心泵通過自吸系統(tǒng)將泵的進(jìn)口管內(nèi)空氣排凈并實(shí)現(xiàn)快速自吸，保證了泵的工作效率，提高了泵的自吸性能。大型自吸離心泵的主要結(jié)構(gòu)由吸入段、泵體、冷卻油箱、軸承以及自吸系統(tǒng)等組成，泵與自吸系統(tǒng)采用螺栓連接，密封形式為油冷卻，保證泵工作效率和可靠性，大型自吸離心泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大型自吸離心泵三維結(jié)構(gòu)圖

2.2 大型自吸離心泵的設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)流量為Q=500m3/h，揚(yáng)程H=45m，泵的轉(zhuǎn)速n=2200r/min，柴油機(jī)的功率為P=100kW，泵的效率ηh=83.5%，泵及裝置效率ηm%=65.5%。

2.3 葉輪水利設(shè)計(jì)

大型自吸離心泵內(nèi)部水的流動(dòng)非常復(fù)雜，在自吸系統(tǒng)工作時(shí)涉及到氣液的混合，葉輪是非常重要的過流部分，葉輪的設(shè)計(jì)關(guān)系到泵的流量和抗氣蝕性能等，對于大型自吸離心泵的正常工作起著重要的作用。本裝置葉輪的結(jié)構(gòu)采用閉式結(jié)構(gòu)，葉輪的設(shè)計(jì)首先需要確定泵的比轉(zhuǎn)速，比轉(zhuǎn)速可以采用以下公式來計(jì)算：

n■=■=188

其次，需要確定泵的進(jìn)出口直徑，泵的進(jìn)口直徑是指進(jìn)口管法蘭處內(nèi)徑，常用泵的進(jìn)口直徑、流速以及流量之間的關(guān)系表1所示。

表1

根據(jù)圖表再加上實(shí)際情況選擇泵的進(jìn)口直徑為200mm，大型自吸離心泵的出口直徑選擇與進(jìn)口直徑相同，也為200mm；最后要確定葉輪的主要尺寸，葉輪直徑也叫做葉輪頸部直徑，本裝置使用的是懸臂式葉輪。通過一系列計(jì)算可得，葉輪進(jìn)口直徑為200mm，葉輪出口寬度為200mm，葉片包角為120°，進(jìn)口安放角為25°，出口安放角為30°，葉片厚度為8mm，葉片數(shù)為6片。

3 大型自吸離心泵自吸系統(tǒng)工作原理

本大型自吸離心泵采用了文丘里自吸系統(tǒng)，文丘里自吸系統(tǒng)是一種以壓縮空氣作為動(dòng)力的排氣裝置，主要由噴嘴、逆止濾網(wǎng)以及排氣裝置外殼等組成。文丘里自吸系統(tǒng)的排氣裝置和進(jìn)口管采用螺栓連接，中間安裝金屬濾網(wǎng)，用來過濾固體顆粒，文丘里自吸系統(tǒng)內(nèi)部沒有運(yùn)動(dòng)部件，所以不需要設(shè)置裝置，而且密封性能良好，結(jié)構(gòu)相對簡單，系統(tǒng)工作可靠性也大幅提升。文丘里自吸系統(tǒng)通過壓縮空氣產(chǎn)生射流，這時(shí)逆止閥會(huì)被打開，射流會(huì)不斷地卷吸泵體內(nèi)的空氣，然后排出。與此同時(shí)，逆止閥會(huì)組織外部的氣體進(jìn)入泵體內(nèi)部，經(jīng)過這樣的反復(fù)排氣會(huì)使泵體產(chǎn)生真空，這時(shí)水流進(jìn)入葉輪，水流的作用力會(huì)將逆止閥關(guān)閉，這時(shí)離心泵開始了正常工作，實(shí)現(xiàn)了大型離心泵的自吸功能。

4 大型自吸離心泵試驗(yàn)研究

按照上述設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品質(zhì)量檢測水泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行檢測，并按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3216-2005《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能驗(yàn)收試驗(yàn)1級和2級》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。預(yù)測性能曲線與實(shí)驗(yàn)性能曲線重合度非常高，由于集合造型、湍流模型以及計(jì)算方法等都會(huì)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的誤差在可以接受的范圍之內(nèi)。同時(shí)對大型自吸離心泵自吸性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)自吸離心泵自吸高度達(dá)到5米時(shí)，自吸時(shí)間應(yīng)小于120s，本裝置進(jìn)行自吸實(shí)驗(yàn)時(shí)，自吸高度達(dá)到5米時(shí)自吸時(shí)間為75s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)驗(yàn)可以得出，大型自吸離心泵的性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，文章對離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法進(jìn)行了分析，介紹了泵的結(jié)構(gòu)、自吸系統(tǒng)以及葉輪等的設(shè)計(jì)，通過對大型自吸離心泵試驗(yàn)研究可以得出其性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，甚至一些參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對大型自吸離心泵進(jìn)行研究，提高了泵的工作效率和性能，對促進(jìn)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]任靜，吳玉林，楊建明，等.水力機(jī)械轉(zhuǎn)輪內(nèi)的CFD分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2000，21（3）：31-32.

篇(2)

關(guān)鍵詞：門架；模態(tài)化；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目:本項(xiàng)目為2014年省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目承擔(dān)的“基于ANSYS的門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析及優(yōu)化研究”的研究項(xiàng)目，（編號為：20142BBE50009）

集裝箱起重機(jī)中最為復(fù)雜的故障是門架變形，其中，門架的下?lián)献冃?，對起重機(jī)的正常運(yùn)行危害最大。本文采用有限元分析軟件ANSYS建立了起重機(jī)的有限元模型，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、模態(tài)分析，從應(yīng)力分布和應(yīng)力集中兩個(gè)方面對該起重機(jī)進(jìn)行評價(jià)和校核。

1起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

集裝箱起重機(jī)門架是由標(biāo)準(zhǔn)型鋼構(gòu)成，結(jié)構(gòu)對稱。首先建立起重機(jī)門架整體三維模型。

1.1起重機(jī)主要性能參數(shù)。該起重機(jī)主要性能參數(shù)為：額定載荷320T；跨度25m；桁高12m；起升速度9.5/19 m/min；最大起升高度10/12m；小車輪距3035mm；小車質(zhì)量5t；吊鉤總重2T；材料全部采用Q235。門式起重機(jī)門架的主要結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖1所示。

1-前端梁 2-道軌 3-后端梁 4-主梁 5-前上橫梁

6-后上橫梁7-門腿 8-底橫梁

1.2起重機(jī)有限元模型單元選擇

采用ANSYS中的三維梁單元，劃分單元建立有限元分析模型。門架結(jié)構(gòu)有限元模型劃分后的單元95401個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)182120。圖2為該起重機(jī)劃分單元后的有限元網(wǎng)格模型。

2應(yīng)力分布分析

2.1固定載荷

按圖1所示的工況位置，要求額定起門力：工況1（16T）、工況2（在門架中間帶運(yùn)行吊重11T運(yùn)行）工況3（10T）、工況4（9T）、工況5（（懸臂處5T）；規(guī)定起重機(jī)主梁方向?yàn)閆方向，垂直地面向上方向?yàn)閅方向，X向垂直于起重機(jī)平面。

2.2移動(dòng)載荷

起升載荷16T，同時(shí)，取動(dòng)力系數(shù)1.25；起重機(jī)自重，在建模過程中單位采用SI（MKS），取重力加速度g =10；抓斗和小車結(jié)構(gòu)自重共為5T；水平慣性載荷：根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，取加速度0.13 m/s2，取加速度放大倍數(shù)1.5。選擇對門架最危險(xiǎn)的工況1、工況2和工況5載荷組合進(jìn)行分析，如果這三工況沒有問題，其它工況也就沒有問題。

2.3計(jì)算結(jié)果分析

1）小車在工況1起吊16T額定載荷時(shí)，由圖3~6所示。

由上各工況的位移、等效應(yīng)力數(shù)據(jù)分析可以看出：

（1）X方向最大位移為9.566，最大位移發(fā)生在小車位于工況2上，滿足規(guī)范要求的；

（2）Y方向最大位移為11.658，最大位移發(fā)生在小車位于工況5上，位移動(dòng)載數(shù)值過大；（3）Z方向最大位移為13.98，最大位移發(fā)生在小車位于工況5上，最大位移13.98；

（4）最大等效應(yīng)力為333MPa，最大等效應(yīng)力發(fā)生在小車位于工況5上。

2.4方案優(yōu)化設(shè)計(jì)比較

重新對圖2進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在ansys中進(jìn)行一系列的操作，得到有限元模型有95300個(gè)單元，181367個(gè)節(jié)點(diǎn)，稱為方案2，比較后發(fā)現(xiàn)，門架結(jié)構(gòu)和受力上沒有什么變化，只是將主梁懸臂端變?yōu)橐惶菪谓Y(jié)構(gòu)，也就是說只進(jìn)行小車工況5時(shí)（在懸臂端）的計(jì)算即可。

通過現(xiàn)場實(shí)際測量，如表4所示。數(shù)據(jù)表明，實(shí)際測量值與有限元分析計(jì)算結(jié)果比較吻合，有限元分析結(jié)果有較高的計(jì)算精度。

3結(jié)論

本文研究的對象為集裝箱門式起重機(jī)門架，采用有限元分析軟件ANSYS對門架進(jìn)行分析，并在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了以下目的：

起重機(jī)應(yīng)力分布均勻，最危險(xiǎn)工況應(yīng)力

篇(3)

關(guān)鍵詞：污水管網(wǎng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Abstract: the sewage pipe network system is the lifeline of residents, it is to ensure that the area of other engineering facilities can be normal use one of the important facilities. This paper analyzes the significance of the sewage pipe network optimization design, mainly studies the main content and steps of the sewage pipe network optimization design, the hope can enhance and improve the sewage pipe network optimization design level in our country.

Key words: sewage pipe network; The optimization design

中圖分類號：U664.9+2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2104(2013)

1. 污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

對于傳統(tǒng)的污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)而言，首先，在設(shè)計(jì)人員掌握了系統(tǒng)、全面、完整的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料的前提下，遵照系統(tǒng)布置和管道定線的原則，憑借設(shè)計(jì)人員長期積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參照工程實(shí)際確定一種比較合理的管網(wǎng)系統(tǒng)布置圖；其次，根據(jù)工程實(shí)際選擇合適的方法，計(jì)算污水管道各管段的設(shè)計(jì)流量和水對管壁的壓力，并求出各管段的坡度和管徑；最后，組織多位專家及設(shè)計(jì)人員，根據(jù)他們的工作經(jīng)驗(yàn)，對設(shè)計(jì)的管徑和坡度進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，通過不斷調(diào)整設(shè)計(jì)方案使之滿足設(shè)計(jì)要求。傳統(tǒng)的污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)存在很多問題，其一，污水管網(wǎng)優(yōu)化方案的質(zhì)量直接受限于設(shè)計(jì)人員的工作經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人能力；其二，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的工作效率低，耗費(fèi)時(shí)間長，不利于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；其三，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可能導(dǎo)致不必要的資金浪費(fèi)，還可能對污水管道的后期管理與維護(hù)帶來困難。

隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)對各行各業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，并且提高了工作效率，降低了投入成本。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、最優(yōu)化理論以及系統(tǒng)分析方法的逐步成熟與完善，為污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供了必要的理論基礎(chǔ)，并為污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了保證，逐漸使污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作向著智能化方向發(fā)展。

在污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，通過對各種理論、技術(shù)、工具的整合與利用，在一定的條件下使污水管網(wǎng)趨于最優(yōu)化，最大限度的降低工程造價(jià)。污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、實(shí)用效益和現(xiàn)實(shí)意義。

2. 污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容

污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要有兩方面；一方面是管線平面布置的優(yōu)化選擇；另一方面是在確定了管線平面布置的前提下對管道參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）污水管線平面布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)。正確的定線是污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的先決條件，對不同定線方案的優(yōu)化選擇更具有實(shí)用價(jià)值。已定管線下的優(yōu)化設(shè)計(jì)是平面優(yōu)化布置的基礎(chǔ)。污水管線平面布置優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則是：管道工程量趨于最小化，管線趨于最短化，水流通暢且節(jié)省能量；

2）管道參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。管道參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是指已定管線下污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，主要是埋深、坡度和管徑以及不同管段間的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化問題。設(shè)計(jì)一段污水管道，確定流量后，可能有多種管徑和埋深組合符合設(shè)計(jì)要求，這時(shí)我們要選擇投資最小的組合。

在確定了管線平面布置的前提下對管道參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，最優(yōu)化方法主要有兩種：直接優(yōu)化法和間接優(yōu)化法。直接優(yōu)化法根據(jù)性能指標(biāo)的變化，直接對影響參數(shù)或方案進(jìn)行計(jì)算、比較，得到滿意解和最優(yōu)解，該方法比較簡單，但計(jì)算量比較大；間接優(yōu)化法又稱為解析優(yōu)化法，它用數(shù)學(xué)模型表示工程實(shí)際，通過優(yōu)化計(jì)算得到滿意解和最優(yōu)解。

3. 污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟

利用數(shù)值方法進(jìn)行污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟如下：

3.1 系統(tǒng)的概念化

污水管網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，在污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，如何科學(xué)、簡單的用一個(gè)替代系統(tǒng)來表示復(fù)雜的污水管網(wǎng)系統(tǒng)，并且該替代系統(tǒng)能夠反映該污水管網(wǎng)系統(tǒng)的基本特征和關(guān)鍵要素，這是優(yōu)化設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的一步。替代系統(tǒng)的科學(xué)性和合理性對優(yōu)化結(jié)果的有效性影響極大，因此在污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的初期一定要重視污水管網(wǎng)系統(tǒng)的概念化。

3.2 確定目標(biāo)

確定目標(biāo)是污水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的評價(jià)依據(jù)，也是污水管網(wǎng)系統(tǒng)概念化的重要內(nèi)容。確定目標(biāo)主要是探明污水管網(wǎng)系統(tǒng)的綜合目標(biāo)以及各個(gè)分目標(biāo)，建立替代系統(tǒng)中基本變量（污水管網(wǎng)系統(tǒng)中需要考慮的關(guān)鍵因素）與各目標(biāo)函數(shù)關(guān)系。

3.3 數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)學(xué)建模是將現(xiàn)實(shí)問題抽象為數(shù)學(xué)問題的過程，數(shù)學(xué)模型通過數(shù)學(xué)關(guān)系反映設(shè)計(jì)問題中各主要因素間的內(nèi)在聯(lián)系。數(shù)學(xué)模型有三要素，分別是設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。

1）設(shè)計(jì)變量。通常情況下用一組基本參量的數(shù)值來表示一個(gè)設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)過程中，有些參數(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求等預(yù)先給定，還有一部分參數(shù)需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行選擇，因此這部分參數(shù)都可以當(dāng)作變量來處理，稱為設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量分為離散型設(shè)計(jì)變量和連續(xù)型設(shè)計(jì)變量，但是在現(xiàn)實(shí)條件下，利用離散型設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)難度很大，因此，大多數(shù)工程實(shí)際問題都是采用連續(xù)型設(shè)計(jì)變量進(jìn)行處理；

2） 約束條件。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，我們必須根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，限制設(shè)計(jì)變量的取值。這種限制稱為約束條件，約束條件一般用等式約束函數(shù)和不等式約束函數(shù)來表示；

3）目標(biāo)函數(shù)。選定完設(shè)計(jì)變量后，設(shè)計(jì)所要達(dá)到的指標(biāo)可以用設(shè)計(jì)變量的函數(shù)來表示，該設(shè)計(jì)函數(shù)稱為目標(biāo)函數(shù)，即G(x)=G(x1,x2,…，xn)。在污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，被優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)有兩種表述方式：目標(biāo)函數(shù)的極大化，即G(x）MAX；目標(biāo)函數(shù)的極小化，即G(x）MIN。

3.4 優(yōu)化模型的求解與檢驗(yàn)

在工程實(shí)際中求解污水管網(wǎng)的最優(yōu)解可能有以下幾種情況：

1）只有一個(gè)定量指標(biāo)作為評價(jià)目標(biāo)，該定量指標(biāo)通常是工程造價(jià)，除此而外有很多可變的方案，這時(shí)需要通過最優(yōu)設(shè)計(jì)方法求得最優(yōu)解；

2）只有一個(gè)定量指標(biāo)作為評價(jià)目標(biāo)，并且備選方案不多，這時(shí)可以對所有方案進(jìn)行模擬計(jì)算，逐一進(jìn)行比較，擇優(yōu)選擇方案；

3）有多個(gè)評價(jià)目標(biāo)且評價(jià)目標(biāo)之間有沖突，這時(shí)要用多目標(biāo)最優(yōu)化方法，通過在各目標(biāo)函數(shù)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)與權(quán)衡，最終選擇最優(yōu)方案。

4. 總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高，我國城市化進(jìn)行不斷加快，與此同時(shí)國家投入了大量的人力、物力和財(cái)力設(shè)計(jì)并優(yōu)化污水管網(wǎng)，使我國污水管網(wǎng)系統(tǒng)得到極大提高和改善，但與西方發(fā)達(dá)國家相比仍有很大差距。本文通過對污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，提出了污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟，希望可以不斷提高我國污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)水平，為居民營造一個(gè)美好的居住環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田奇有,彭盡暉,龔雯.城市排水系統(tǒng)優(yōu)化的探討.山西建筑,2011,(10):110-112.

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篇(4)

關(guān)鍵詞：ANSYS參數(shù)化語言； APDL ；鋼結(jié)構(gòu) ；優(yōu)化設(shè)計(jì)Abstract: At present, more and more extensive application of steel structure, but the current design method of steel structure is relatively complex, the optimization design of the research is not thorough; at the same time, promotion of steel structure greatly limited because of its high cost is generally the people. This paper discusses the research on Optimization of steel frame structure, introduces the optimization algorithm (complex) and ANSYS in the APDL language. And combined with the practical engineering, and by using the complex method and the finite element software ANSYS optimization module, and at the same time, the lowest for optimization purposes, the beam column section size of a plane steel structure has been optimized and analyzed. Through the comparative analysis of the theoretical analysis and the results, confirmed that the optimization method is feasible, can not only significantly reduce the project cost, promote the popularization and promotion of steel structure. By the design example shows that, based on the two development language APDL ANSYS to establish the optimization of steel structure design module has the advantages of convenient operation, optimization program can be customized to optimize the process and control variables, to adapt to different types of structure and load combination, flexible strong. Optimization of the design idea, can be extended to other forms of structure, can be used for reference to other types of structure optimization.

Keywords: ANSYS parametric language; APDL; steel structure; optimization design

中圖分類號：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號:

1.引言

隨著我國建筑業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)與民用建筑中大量采用鋼結(jié)構(gòu)，使得建筑用鋼量逐年增加。因此，目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)越來越受到重視，并引起了社會(huì)日趨密切的關(guān)注，這不單單是因?yàn)橐绾雾憫?yīng)國家提出建設(shè)“節(jié)約型社會(huì)”的政策，更是因?yàn)橐绾问沟媒ㄖ摬牡玫焦?jié)約與合理利用。通用有限元軟件ANSYS 以其強(qiáng)大的分析功能、友好的人機(jī)交互界面和可開發(fā)性，在國內(nèi)外工程建設(shè)和科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過ANSYS 的二次開發(fā)語言APDL 定義了符合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，使之得出的計(jì)算結(jié)果對工程設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。同時(shí)由文中設(shè)計(jì)實(shí)例可知，基于ANSYS 的二次開發(fā)語言APDL 語言建立的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊操作方便，優(yōu)化程序可自定義優(yōu)化過程和控制性變量，適應(yīng)了不同的結(jié)構(gòu)類型和荷載組合，具有很強(qiáng)的靈活性。本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，可以推廣到其它結(jié)構(gòu)形式，可對其它類型結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到借鑒作用。

2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論

2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概念

假定分析搜索最優(yōu)設(shè)計(jì)一般被歸納為結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析過程的流程。而這其中優(yōu)化分析的核心部分為搜索過程。在包括滿足各種給定條件的前提下，是否達(dá)到最優(yōu)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)最先對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行的判斷。如果沒能達(dá)到，但又為了使得預(yù)定的最優(yōu)指標(biāo)能逐步達(dá)到，就需要遵循某一設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行修改。而以數(shù)學(xué)規(guī)劃為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立，并對計(jì)算方法進(jìn)行選擇，使得工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，然后在多種可行性設(shè)計(jì)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)選擇出相對屬于最優(yōu)設(shè)計(jì)的方案，這也正是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。

2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要要素：。其數(shù)學(xué)模型的一般表達(dá)式為

求設(shè)計(jì)變量

使目標(biāo)函數(shù)

滿足約束條件

3.基于APDL的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1APDL語言簡介和使用

APDL是指ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，是使得某些功能或建?？梢宰詣?dòng)完成的腳本語言之一。它提供如參數(shù)、宏、標(biāo)量、向量及矩陣運(yùn)算、分支、循環(huán)、重復(fù)以及訪問ANSYS 有限元數(shù)據(jù)庫等一般程序語言的功能，同時(shí)其可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機(jī)制、界面驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行應(yīng)用程序等，因此它也提供簡單界面定制功能。為了擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析范圍以外的能力，它可以根據(jù)指定的函數(shù)、變量設(shè)定程序的輸入，同時(shí)選它使用戶對任何設(shè)計(jì)和分析屬性有控制權(quán)，也就是說其為了為用戶提供了自動(dòng)完成繁瑣循環(huán)的功能而運(yùn)用了建立智能分析的手段，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)行繁瑣的迭代提供了可能和高效率，具體為參數(shù)、函數(shù)、分支與循環(huán)、重復(fù)、宏等功能。

3.2優(yōu)化基本原理

優(yōu)化方法采用復(fù)形法。復(fù)形法優(yōu)化是一個(gè)運(yùn)用較多且較為成熟的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，其基本思路來源于無約束優(yōu)化算法的單純形法。而無約束優(yōu)化算法的單純形法就是復(fù)合形法的基本思路的來源。

3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

為了將有限元法與優(yōu)化方法結(jié)合起來，可以采用基于APDL語言的ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊（OPT）來實(shí)現(xiàn)。基本流程圖如圖1所示。

圖1ANSYS軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)程序流程圖

3.4APDL優(yōu)化程序關(guān)鍵技術(shù)

首先建立鋼框架結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限模型。參數(shù)是指APDL中的變量與數(shù)組。參數(shù)化模型的建立，便于模型的修改，也便于設(shè)置優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

其次建立鋼框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。下面是部分優(yōu)化命令：

/POST1！進(jìn)入后處理器

*GET,V,SSUM,,ITEM,EVOL！提取結(jié)構(gòu)體積，賦予參數(shù)V

……

/OPT！進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)器

OPANL,1.LGW!指定分析文件

OPVAR,W1,DV,.1,.4!定義設(shè)計(jì)變量

OPVAR,TW1,DV,0.005,0.02

OPVAR,TY1,DV,0.005,0.02

……

OPVAR,MS1,SV,0,225750!定義狀態(tài)變量

OPVAR,SS1,SV,0,125000

……

OPVAR,V,OBJ,,,.01!定義目標(biāo)函數(shù)

OPKEEP,ON!要求保留最優(yōu)設(shè)計(jì)序列時(shí)的數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件

OPTYPE,SUBP!使用零階方法

OPFRST,40!最大40次迭代

OPEXE!運(yùn)行優(yōu)化

4.優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析

本文以單跨單層鋼框架結(jié)構(gòu)廠房為例，跨度為 12m，層高為4.5m，框架梁、柱均采用焊接H 型鋼截面且翼緣采用焰切邊，材質(zhì)均為Q235 鋼。為簡便起見，取恒荷載為0.5kN/m2，活荷載為2.0kN/m2。通過APDL 優(yōu)化程序，得出用鋼量約為18.2kg/m2。優(yōu)化前后的結(jié)果對比分析見表1。

表1 優(yōu)化前后結(jié)果分析

5.結(jié)語

本文首先論述了進(jìn)行鋼框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的意義，介紹了優(yōu)化算法（復(fù)形法）和ANSYS 中的APDL語言。并通過與實(shí)際工程相結(jié)合，并分別采用復(fù)形法和有限元軟件ANSYS優(yōu)化模塊，同時(shí)以最低化用為優(yōu)化的目的，使一平面鋼結(jié)構(gòu)的梁柱截面尺寸得到優(yōu)化并進(jìn)行相應(yīng)的分析。通過理論分析與結(jié)果的分析比較，證實(shí)了該優(yōu)化方法是可行的，不僅能明顯降低工程造價(jià)，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的普及和推廣。而由設(shè)計(jì)實(shí)例可知，基于ANSYS 的二次開發(fā)語言APDL 語言建立的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊操作方便，優(yōu)化程序可自定義優(yōu)化過程和控制性變量，適應(yīng)了不同的結(jié)構(gòu)類型和荷載組合，具有很強(qiáng)的靈活性。本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，可以推廣到其它結(jié)構(gòu)形式，可對其它類型結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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篇(5)

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法和技術(shù)的應(yīng)用具體體現(xiàn)在房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)兩方面。其中房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對以上幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)還包含選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等內(nèi)容，并應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和使用要求的前提下，結(jié)合具體工程的實(shí)際情況，圍繞其綜合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀和便于施工五種效果，而建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方法的應(yīng)用不但滿足了建筑美觀、造型優(yōu)美的要求又能使房屋結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、合理，成為實(shí)際意義上的"經(jīng)濟(jì)適用"房。從建筑上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，它主要體現(xiàn)在房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)量方面。 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)意圖后，盡量使平面布置規(guī)則，縮小剛度和質(zhì)量中心的差異，這樣水平荷載就不會(huì)使建筑物有太大的扭轉(zhuǎn)作用。豎直方向上應(yīng)避開使用轉(zhuǎn)換層，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化就是在各種影響變量中選擇主要參數(shù)，并建立函數(shù)模型，運(yùn)用科學(xué)合理的方法得出最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化建立模型的大致步驟如下：一是設(shè)計(jì)變量的合理選擇。通常的設(shè)計(jì)變量選擇對設(shè)計(jì)要求影響較大的參數(shù)，將所涉及的參數(shù)按照各自的重要性區(qū)分，將對變化影響不大的參數(shù)定為預(yù)定參數(shù)，通過這種方法可減少很多計(jì)算編程的工作量。二、目標(biāo)函數(shù)的確定。使用函數(shù)找出滿足既定條件的最優(yōu)解。最后，約束條件的確定。房屋結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件，包括了應(yīng)力約束、裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、從正常時(shí)的極限狀態(tài)下彈性約束到終極狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等。設(shè)計(jì)中，要保證各約束條件必須符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

1.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算方案

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)多個(gè)變量、多個(gè)約束條件，屬于一個(gè)非線性的優(yōu)化問題，設(shè)定計(jì)算方案時(shí)，常將有約束條件轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束條件來計(jì)算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成計(jì)算方案的設(shè)定后只需編制相應(yīng)適用的運(yùn)算程序即可得到我們的最終優(yōu)化結(jié)果。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用于實(shí)踐之中，是目前一個(gè)比較廣泛的課題，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法在不改變適用性能的前提下達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)、前期設(shè)計(jì)，舊房改造，抗震設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)的各分部環(huán)節(jié)，發(fā)揮著巨大的效益。在按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法及模型進(jìn)行實(shí)踐的過程中，要注意下面的幾個(gè)問題。

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)注意前期參與

因?yàn)榍捌诜桨傅拇_定直接影響建筑的總投資，而現(xiàn)在存在的普遍問題就是前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不進(jìn)行參與，建筑師進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)大多并不考慮結(jié)構(gòu)的合理性以及它的可行性，但是建筑設(shè)計(jì)的結(jié)果卻直接對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成影響，某些方案可能會(huì)增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就能參與進(jìn)來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計(jì)方案，獲得一個(gè)良好的開端。

2.2概念設(shè)計(jì)結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

概念設(shè)計(jì)應(yīng)用于沒有具體數(shù)值量化的情況，例如地震設(shè)防烈度，因?yàn)樗牟淮_定性，計(jì)算式難免與現(xiàn)實(shí)有較大的差異，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候就要采用概念設(shè)計(jì)的方法，把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù)。設(shè)計(jì)過程中需要設(shè)計(jì)人員靈活的運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，達(dá)到最佳的效果。

與宏觀把握相對應(yīng)的，設(shè)計(jì)的過程同時(shí)要注意對于細(xì)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角處易出現(xiàn)裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價(jià)格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現(xiàn)澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設(shè)計(jì)的時(shí)候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規(guī)范要求即可，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。

2.3下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎(chǔ)，那么要根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件選擇樁基類型，盡量節(jié)省造價(jià)。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應(yīng)多進(jìn)行比較以確定最合適的方案。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（1）直覺優(yōu)化（概念設(shè)計(jì)優(yōu)化）技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于同一建筑方案，可以有許多不同的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)；確定了結(jié)構(gòu)布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過程中設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、荷載的取值也不是惟一的：建筑物細(xì)部的處理更是不盡相同，這些問題是計(jì)算機(jī)無法完全解決的，都需要設(shè)計(jì)人員自己作出判斷。而判斷只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律指導(dǎo)下，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，這便是前面所說的概念設(shè)計(jì)。因此，概念設(shè)計(jì)存在于設(shè)計(jì)師對多種備選方案進(jìn)行選擇的過程中。

（2）概念設(shè)計(jì)處理的實(shí)際建筑設(shè)計(jì)問題概念設(shè)計(jì)所要處理的問題多種多樣。但可以肯定的是希望通過概念設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或?qū)⑵茐某潭冉抵磷畹?。因此，分析如何?yīng)付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而，建筑設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)該未雨綢繆，從計(jì)算及構(gòu)造等各個(gè)方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應(yīng)盡量避免。剛度均勻、對稱是減小地震在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不利影響的重要手段；延性設(shè)計(jì)則能有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞；多道設(shè)防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構(gòu)件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設(shè)防思想在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都應(yīng)該作為概念設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想。

【參考文獻(xiàn)】

[1]談建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué)，2009（4）.

[2]張紅友.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少建筑投資成本[J].陜西建筑，2008（11）.

[3]馬臣杰，張良平，范重.優(yōu)化技術(shù)在深圳京基金融中心中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009（4）.

篇(6)

關(guān)鍵詞 項(xiàng)目教學(xué) CDIO 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.11.061

Teaching Practice of Optimal Design of Machinery Course Based on CDIO

LI Keqin

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Higher engineering education is experiencing the huge changes， CDIO education concept is gradually accepted by people. And optimal design of machinery is a professional elective course of mechanical engineering， CDIO education concept， introduced in the teaching， make students take the initiative to explore the essence of optimization algorithm， practical optimization algorithm， combined with the practical problems in mechanical engineering and application. To select two project instruction teaching and achieved good teaching effect.

Key words project instruction; CDIO; optimal design of machinery

1 CDIO概述

CDIO①②③代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

2 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程體系架構(gòu)

隨著設(shè)計(jì)過程的計(jì)算機(jī)化，自然就要為設(shè)計(jì)過程能自動(dòng)選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案建立一種迅速而行之有效的方法。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)④應(yīng)運(yùn)而生。優(yōu)化設(shè)計(jì)借助計(jì)算機(jī)能進(jìn)行大量的分析計(jì)算，從眾多的設(shè)計(jì)方案中選出一個(gè)既滿足設(shè)計(jì)要求又使設(shè)計(jì)指標(biāo)最好的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程體系大致有四部分：一是優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ);二是無約束優(yōu)化方法;三是約束優(yōu)化方法與工程應(yīng)用;四是現(xiàn)代的優(yōu)化方法與工程應(yīng)用。當(dāng)然部分教材只有三部分：優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ);基于導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化方法;非導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化方法;而現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容極其豐富并在進(jìn)一步發(fā)展完善中。目前的教材以介紹優(yōu)化基本理論占相當(dāng)大的篇幅，而缺乏結(jié)合優(yōu)化商品化軟件包運(yùn)用來介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)和用的脫節(jié)。

3 CDIO和項(xiàng)目教學(xué)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程中的教學(xué)實(shí)踐

MATLAB④⑤是當(dāng)前最優(yōu)秀的科學(xué)計(jì)算軟件之一，也是許多科學(xué)領(lǐng)域中分析、應(yīng)用和開發(fā)的基本工具。MATLAB經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種功能全面的軟件，幾乎可以解決科學(xué)計(jì)算中的所有問題，使得MATLAB在機(jī)械工程、通信、控制和信號處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3.1 CDIO項(xiàng)目教學(xué)案例之一

CDIO教育理念別強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目教學(xué)和實(shí)踐。案例一的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如式（1）。

（） = + + 4

（） = + 2 ≥ 2 （1）

（） = + 1≥ 0

（） = ≥ 0

（） = ≥ 0

在MATLAB軟件環(huán)境的CDIO求解過程為：（1）構(gòu)思，先將優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的約束條件轉(zhuǎn)化為適宜MATLAB求解的標(biāo)準(zhǔn)形式;（2）設(shè)計(jì)，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實(shí)現(xiàn)，編寫MATLAB程序;（4）運(yùn)作，調(diào)試MATLAB程序并分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)論。

優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的約束條件轉(zhuǎn)化為適宜MATLAB求解的標(biāo)準(zhǔn)形式如式（2）。

（） = + 2 ≤ 0 （2）

（） = + 1≤ 0

（） = ≤ 0

（） = ≤ 0

在MATLAB軟件環(huán)境中求解過程略。

表1給出了求解運(yùn)行的結(jié)果;圖1為優(yōu)化案例中的目標(biāo)函數(shù)值與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系變化趨勢示意圖。

3.2 CDIO項(xiàng)目教學(xué)案例之二

二級圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)⑥及其MATLAB實(shí)現(xiàn)。

如何讓其設(shè)計(jì)的二級圓柱齒輪減速器在現(xiàn)有的條件下實(shí)現(xiàn)輸出最大、重量最輕或其它目標(biāo)？這些疑問，可以在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程中得到滿意的解決。

案例二的具體要求：二級圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。要求在滿足強(qiáng)度的條件下，使其體積最小，以達(dá)到其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量最小的目的。其輸入?yún)?shù)：給定傳遞的功率 = 6.3kW、總傳動(dòng)比 = 31.5、輸入轉(zhuǎn)速（高速軸） = 1450rpm，齒寬系數(shù) = 0.4。大齒輪：45鋼正火187～207HBS;小齒輪：45鋼調(diào)質(zhì)228～255HBS。總工作時(shí)間不少于10年。圖2為二級圓柱齒輪減速器傳動(dòng)簡圖。

案例二是一個(gè)機(jī)械工程實(shí)際問題，在MATLAB軟件環(huán)境的CDIO求解過程為：（1）構(gòu)思，利用先修課程，將二級圓柱齒輪減速器問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，即轉(zhuǎn)化為適宜MATLAB求解的標(biāo)準(zhǔn)形式;（2）設(shè)計(jì)，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實(shí)現(xiàn)，編寫MATLAB程序;（4）運(yùn)作，調(diào)試MATLAB程序并分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)論。

MATLAB的求解程序和優(yōu)化結(jié)果略。

優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析與處理是很重要的一環(huán)，也是CDIO和項(xiàng)目教學(xué)取得成效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4 結(jié)束語

CDIO工程教育的最大特點(diǎn)是項(xiàng)目教學(xué)和動(dòng)手能力的培養(yǎng)。在最近幾屆的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，嘗試引入MATLAB軟件包，貫徹CDIO和項(xiàng)目教學(xué)教育理念，讓學(xué)生在做中學(xué)，通過項(xiàng)目帶動(dòng)，設(shè)計(jì)應(yīng)用的技能得到強(qiáng)化。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生的工程實(shí)際運(yùn)用能力有較大的提升。

注釋

① The CDIO Syllabus v2.0.An Updated Statement of Goals for Engineering Education [C].Proceedings of the 7th International CDIO Conference，Technical University of Denmark，Copenhagen，2011.June ：20-23.

② 顧佩華，李N平，沈民奮，等.以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的EIP-CDIO創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)模式[J].中國高等教育，2009（3，4）：47-49.

③ 查建中.論“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：1-6，9.

④ 王國強(qiáng)，趙凱軍，崔國華.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

篇(7)

【關(guān)鍵詞】機(jī)械工程；優(yōu)化；設(shè)計(jì)

在進(jìn)行機(jī)械工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，將可靠性理論與技術(shù)應(yīng)用于其中，并根據(jù)需要與可能，將產(chǎn)品的可靠性使用作為優(yōu)先考慮的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；在滿足時(shí)間、費(fèi)用及性能的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計(jì)出的機(jī)械工程產(chǎn)品符合可靠性的要求。設(shè)計(jì)問題在涉及傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)的同時(shí)，也與價(jià)值工程、系統(tǒng)工程、環(huán)境工程及質(zhì)量控制工程等有著密切的關(guān)系。因此，可靠性設(shè)計(jì)是多學(xué)科與多技術(shù)相互交叉融合的一種新興技術(shù)。

一、機(jī)械工程產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

由于我國的特殊歷史原因，機(jī)械工程制造業(yè)與西方發(fā)達(dá)國家機(jī)械制造業(yè)相比，顯得相對落后，尤其是在可靠性設(shè)計(jì)的研究方面更是顯得滯后。直到二十世紀(jì)八十年代，我國在機(jī)械工程的可靠性研究才取得了一些初步的成效，在某些個(gè)別的行業(yè)還成立了專門從事優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的組織與團(tuán)體，并為社會(huì)培養(yǎng)了大批的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的技術(shù)人才，制定出了整套優(yōu)化設(shè)計(jì)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。從總體上來看，過去的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究比較偏重于理論，但在生產(chǎn)實(shí)踐中，對于理論的應(yīng)用則是比較少，就這一點(diǎn)而言，與制造業(yè)相對較為發(fā)達(dá)的國家相比較，存在著許多不足之處。

二、優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)械工程中的應(yīng)用

機(jī)械工程產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的生產(chǎn)與使用周期的各環(huán)節(jié)都起著重要作用。這些環(huán)節(jié)主要有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用及售后維修等。以下就機(jī)械工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造及使用三個(gè)環(huán)節(jié)展開討論優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

1.機(jī)械工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要包括裝配整體設(shè)計(jì)與零件組裝設(shè)計(jì)。對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以將其當(dāng)作一個(gè)整體，設(shè)計(jì)的方法主要有兩種，第一種方法為：先大致了解機(jī)械的完整系統(tǒng)，并分析組成整體的零部件具有多大程度的可靠性，據(jù)此推斷出整體具有多大程度的可靠性；這種方法即為預(yù)測整體設(shè)計(jì)可靠性的手段，預(yù)測的結(jié)果必須與設(shè)計(jì)指標(biāo)相符合。第二種方法為：將整體機(jī)械工程優(yōu)化設(shè)計(jì)所要求的指標(biāo)分配到其零部件的設(shè)計(jì)上，要求零部件必須滿足各自的可靠性指標(biāo)要求；常用的可靠性的分配方法有：再分配、等分配、比例分配及綜合評分的分配方法。設(shè)計(jì)單個(gè)零件時(shí)，盡量采用符合國家規(guī)定且已經(jīng)在生產(chǎn)中大量投入使用的常規(guī)零件，并用不同設(shè)計(jì)方法對重要程度不相同的零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件之前，要先行可靠性的試驗(yàn)。除此之外，要反復(fù)驗(yàn)證及修改機(jī)械工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性，直到其能夠滿足于優(yōu)化設(shè)計(jì)所要求的標(biāo)準(zhǔn)為止。設(shè)計(jì)機(jī)械工程的人機(jī)系統(tǒng)也很重要，這方面的設(shè)計(jì)包括適應(yīng)性及操作的舒適性設(shè)計(jì)。

2.機(jī)械工程產(chǎn)品制造中的優(yōu)化設(shè)計(jì)

要保證一個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量，在制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制是最關(guān)鍵的部分，因此，機(jī)械產(chǎn)品在制造的過程中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的。加工的設(shè)備可靠性要得到保證，在選擇加工工藝與工藝流程時(shí)，要注意其技術(shù)水平，保證制造水平盡量達(dá)到最優(yōu)化。產(chǎn)品制造工藝流程是一個(gè)完整的系統(tǒng)，其中的各個(gè)方案與工序是工藝流程系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，對每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，都要綜合考慮各方面的因素，如工藝裝備、加工設(shè)備、加工材料與工作人員素質(zhì)等；只有這樣才能為各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)出可靠性與合理的指標(biāo)；最后，整合分析各個(gè)子系統(tǒng)的指標(biāo)，并通過合理的方法將總系統(tǒng)的可靠性及優(yōu)化指標(biāo)整理出來。

3.機(jī)械工程產(chǎn)品的使用與維修的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行維修，能有效延長其使用壽命；良好的售后服務(wù)水平是一個(gè)公司獲得發(fā)展的必備條件。因此，生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的廠家要認(rèn)真對待售后服務(wù)與維修的問題，運(yùn)用先進(jìn)的邏輯分析法，制定出科學(xué)的維修內(nèi)容與維修方式，對機(jī)械產(chǎn)品的合理使用壽命作出規(guī)劃。機(jī)械工程產(chǎn)品具有可維修性及可靠性，兩者在很大程度上是相似的，可維修性是可靠性的具體指標(biāo)之一。對機(jī)械工程產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)當(dāng)首先考慮到可靠性指標(biāo)，以便能使設(shè)計(jì)出的機(jī)械產(chǎn)品在發(fā)生故障的情況下，易于檢查與維修。進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品維修的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮維修費(fèi)用的問題，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)工作的人員在進(jìn)行機(jī)械工程優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要以最少的費(fèi)用獲得最高程度可靠性作為設(shè)計(jì)的原則，以便能夠盡量減少發(fā)現(xiàn)故障的時(shí)間。因此，以優(yōu)化設(shè)計(jì)理論作為維修設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是非常合理的，也是非常重要的；制定經(jīng)濟(jì)合理的維修設(shè)計(jì)在現(xiàn)代化與科學(xué)化的進(jìn)程中意義重大。使用符合標(biāo)準(zhǔn)的維修設(shè)備進(jìn)行維修，提高維修工作人員的技能水平，使機(jī)械產(chǎn)品的維修工作能夠朝現(xiàn)代化與科學(xué)化的方向發(fā)展。