机械优化设计在工程中的方法研究.doc

1、任务书设计题目： 机械优化设计在工程中的方法研究 1 设计的主要任务及目标论文的重点是对机械优化设计在工程中的方法进行探讨和研究。先简单叙述了机械优化设计常用的一些经典的方法，然后结合工程人员本身特殊的背景，探讨一些方法，对一些经典优化设计案例全面剖析研究，最后进行反馈跟踪和改良。2设计的基本要求和内容（1）了解机械优化设计（2）完成机械优化设计在工程中的方法分析与研究（3）查阅相应的机械优化设计成功案例（4） 毕业设计说明书；（5）答辩用PPT演示幻灯片一份；（6）其他校、系规定内容。3主要参考文献1 孙靖明主编.机械优化设计(第三版)M.机械工业出版社,2003：1-3.2 程耿东,顾元宪

2、，王健等. 我国机械优化研究与应用的综述和展望J.机械强度,1995(5):69-72.3 张运节.机械优化设计综述与展望.科技信息，2009(6):703-704.4 史凤兰.机械结构优化设计发展综述。中国科技信息，2010(22):134.5 孙国正，过玉卿等编.优化设计及应用M.人民交通出版社.2000:90-94.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅相关材料，撰写开题报告2014年3月 3日-2014年3月23日2掌握机械优化设计方法 2014年3月24日-2014年4月21日3查阅掌握机械优化设计成功的各类案例2014年4月22日-2014年5月20日4完成相应的设计说明书等

3、2014年5月21日-2014年6月10日5校订装订设计说明书、PPT制作2014年6月11日-2014年6月20日机械优化设计在工程中的方法研究摘要：机械优化设计是将数学最优化理论与计算机技术结合，应用于机械工程领域，为工程设计提供科学的设计方法的一门技术学科。利用这种新的设计方法，设计人员可以从众多的设计方案中寻求最优良的一个，大大提高设计效率和产品质量，同时又能将产品的成本降到最低。为此，机械优化设计的应用推广就显得很有必要。论文的主要目的是对机械优化设计在工程中的方法进行探索、研究，寻求最合适的方法，让学习者最快地接受掌握这门学科，应用于实践，为工程设计服务。 关键词：优化设计，方法研

4、究The method research of the Mechanical optimization design in engineering education Abstract：The Mechanical Optimization Design is a technology subject, which combine the mathematical optimization theory with the computer technology, used in the mechanical engineering fields, and providing the scien

5、tific design methods for the engineering design. With this new design method, the engineers can pick up the best design method from a lot of methods, which greatly improve the design efficiency and product quality, reduce the product cost as far as most. For the reason, the promotion of the Mechanic

6、al optimization design is very necessary. The main purpose of the paper is in search of the most appropriate method of Mechanical optimization design in engineering education, to let the learners master discipline as quickly as possible, and use it in practice. Key words: optimization design， method

7、 research目 录1 绪 论11.1 引 言11.2 机械优化设计发展历史与应用概况11.2.1 机械优化设计发展历史11.2.2 机械优化设计应用概况41.3 课题来源51.4 课题研究目的和意义51.5 本文研究的主要内容61.6 本章小结62 机械优化设计过程及方法概述72.1 优化设计方法分类72.2 无约束优化方法72.2.1 最速下降法82.2.2 共轭梯度法82.2.3 变尺度法82.2.4 坐标轮换法92.2.5 鲍威尔法92.3约束优化方法102.3.1 直接法102.3.2 间接法112.4 新型优化方法（基因遗传算法）8122.5 本章小结133 机械优化设计的应用

8、方向及案例143.1 机构的运动学或动力学参数优化设计143.1.1 机构优化简介143.1.2 曲柄滑块机构优化设计案例143.2 机械零部件的结构优化设计173.2.1机械零部件优化简介17I 3.2.2齿轮优化设计案例183.3 优化设计总结234 商业化软件在机械优化设计上的应用244.1 一些数学计算软件简介244.2 Matlab 优化工具箱在机械优化设计中的应用254.3 Ansys 优化设计模块(OPT)在机械优化设计中的应用274.4 本章小结285 总结与展望295.1 论文总结295.2 论文中的不足及工作展望29参考文献31致 谢33II1 绪 论1.1 引 言 一项产

9、品的设计，需要经过调查分析、制定方案、技术设计、绘制工作图纸等环节。传统的设计方法一般是先经过调查分析，然后在此基础上通过对同类产品参照估算、设计者自身的经验来确定设计方案，如果未能达到性能指标要求，设计人员再根据自身经验或直观判断进行修改、性能检验，如此反复，直至设计的产品满足设计指标要求为止。这种传统的设计方法只是一种定性分析的结果，没有经过精确的理论计算，期间造成了很多人力、财力的浪费，具有很大的改进潜力。为此，一种现代的设计理念优化设计产生了。 优化设计是从20世纪60年代初发展起来的，它将最优化原理和计算机技术结合，应用于设计领域，为工程问题提供一种先进科学的设计方法。利用这种新的设

10、计方法，工程人员可以从众多的设计方案中寻找到最佳的设计方案，大大提高设计效率和产品质量。它不像传统的设计方法仅凭借经验或直观判断来确定方案，经过一步步的校核、修改，而是借助于电子计算机，应用一些精确度较高的数值分析方法进行分析计算，从大量的可行设计方案中寻求最优设计方案，从而实现理论设计代替经验设计、定量分析代替定性分析。可以预料，随着科学技术尤其是计算机技术的不断发展，数学理论、方法向各学科及应用领域更广泛、深入地渗透，在当今的信息时代，最优化理论和技术必将在社会的诸多方面起着越来越大的作用，有着巨大的发展潜力和广阔的应用前景1。 1.2 机械优化设计发展历史与应用概况 1.2.1 机械优化

11、设计发展历史 在第二次世界大战期间，由于军事上的需要，产生了运筹学，运筹学为许多古典微分法和变分法所不能解决的问题提供了许多最优化方法。当时著名的挪威诺贝尔物理学奖获得者布莱凯特，带领 11 名人员，成立了盟国第一个运筹学小组，运用运筹学法，评估战斗效能，提出战术建议。他们当时较为著名的事例有：通过舰载炸弹、飞机投射炸弹试验研究，将深水炸弹的爆炸深度从 10.5米加深到 21 米，使德军潜艇被炸沉数成倍增加。第二次世界大战以后，运筹学的应用逐渐转为民用，而 20 世纪 50 年代发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支，为优化设计奠定了理论基础。20 世纪 60 年代电子计算机和计算技术

12、的发展为优化设计提供了强有力的手段，使工程技术人员能够从大量繁琐的计算工作中解放出来，把主要精力转到优化方案的选择上来。 虽然近 30 年来优化设计方法才在许多工业部门得到应用，但最优化技术成果应用于机械设计领域却是从 20 世纪 60 年代就开始了。机械优化设计发展较早的领域是机构运动参数的优化设计，研究了连杆机构、凸轮机构等再现函数和轨迹的优化设计问题，并提出了一些标准化程序。1964 年，D.W.Cooper 等人基于平面连杆机构的复数矢量方法开发了第一部公开发行的平面连杆机构运动分析软件 KAM(Kinematic Analysis Method),为连杆机构的特性分析和优化设计起了重

13、大的推动作用；1983 年，葛效尧研究了固定凸轮与连杆组合机构的优化设计方法：先是分析了各部件的运动规律，并使用约束随机方向法综合研究连杆与凸轮槽间压力角的最佳值，得到最佳方案；1986 年，黄锡鹏、黄宗益、桂子鹏对装载机工作装置上的连杆机构做了优化设计，取得了明显的改善效果。1992 年，张兆东、唐锡宽等人研究了高速弹性机构的满应力优化。 在以运动学为基础的机构运动参数优化设计迅猛发展的同时，以动力学为基础的传动系统参数优化设计也有了很大进展。其中以行星机构的优化为最多。1980 年，万耀青等人研究了几种行星机构的最小体积设计方法，是以行星轮个数、齿宽、模数和太阳轮函数为设计变量，约束条件有

14、同轴条件、装配条件、传动比条件、强度条件等。1990 年，孟彩芳等以最佳传动角和机构运动规律作为多目标函数，研究了行星式链连杆组合机构的优化。另外，离合器的研究也受越来越多人的关注。1988 年，葛安林等使用模糊评价法研究了离合器的接合平稳性和使用寿命多目标优化。1990 年，李成刚等研究了离合器的可靠性优化。机构与传动系统运动学及动力学参数的优化设计始于 20 实际 60 年代中后期，在 90 年代达到顶峰。 从 20 世纪 60 年代开始，随着有限元法的发展和优化理论的不断进步、高性能计算机的问世和普及，机械系统和结构动力优化设计开始受到许多学者的关注。尤其是在对系统动态特性有着特殊意义的

15、航空、航天领域，一些专家已经开始将动力学分析和动力优化设计逐渐应用到工程设计中，使动力优化设计成为一个活跃的研究领域。1965 年 Niordson 关于振动梁结构优化设计的文献是公认的最早涉及结构动力优化设计的研究，此后，研究成果层出不穷。Haug和 Arora 于 1979 年出版了关于动力优化设计的专著，其中报道了动力优化设计在减振器、汽车悬挂系统、桁架、飞机结构、输电塔及炮筒等的应用状况。林家浩，Grabdhi 和陈建军分别对 1983、1993 和 2000 年前的机械系统和结构动力优化设计研究状况进行了评述，对动力优化设计方法在各类动力优化设计研究专题的应用和发展状况进行了报道。陈建军指出，机械系统和结构动力优化设计主要有两大类问题：动