机械优化设计概况

1、机械优化设计概况机械优化设计概况优化设计是20世纪60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方法。利用 这种新的设计方法，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方法的一个重要 理论，它已广泛应用于各个工业部门。机械优化设计包括建立优化设计问题的数学模型和选择恰当的优化方法与 程序两方名的内容。由于优化机械设计应用数学方法寻求机械设计的最优方案， 所以首先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

2、识确定设计的限制条 件和所追求的目标，确立各设计变量之间的相互关系等。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。虽然他们给出的形式不同，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个数学求解问题。应用数 学规划方法的理论，根据数学模型的特点可以选择适当的优化方法，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、工艺设计和实施、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础。在机械制造领域里如何使用现有设备，将物及料

3、耗降到最低，让利益最大化 是每一个机械制造企业要考虑的首要问题。通过降低成本，在市场竞争中站住脚, 赢得市场份额。稀有公司机械厂拥有铸造、热处理、焊、车、铣、刨、磨、制 作,品种齐全的加工制造方式。如何将其形成一个系统贯穿整个工艺，做好每一个 细节,让产品达到完美和最小成本。要打破约定俗成，突破传统。不能因为干顺手 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。机械制造包括生产对象、工艺方法、工艺要素、工艺文件、工艺装备及工 艺装夹5个重要环节，它将机械加工构成一个完整的工艺环节体系。1生产对象生产对象是指原材料、毛坯、铸件、焊接件、冲压件、关键件、 试件、工艺用

4、件。采用何种样件完成机械制造，是我们首要考虑的问题。有些零 件的制造可焊、可锻、可铸、可车，在满足其工艺要求的前提下，进行成本估算。 当然首要原则要达到材料对力学方面的要求，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，是否达标，并且考虑生产对象的加工性 能。2工艺方法工艺方法是制造手段,有铸造、锻造、热处理、机械加工及电加 工。因加工精度和对金属组织的要求采用不同的方法制造,一般依照机械制造行 业标准制造。现对这5种加工方法进行论述并说明其主要特点。铸造是将熔融金属浇注入型腔，待凝固得到一定形状和性能。它包括刻模、 刷涂料层、浇注、热处理，其环节复杂且环环相扣。制定

5、每一个工种规范工艺，可 以达到借鉴和总结经验的作用，不断地改进和提高。刻模规范的下料，合理设置浇 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利 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全部的塑性 变形,以获得一定几何形状、尺寸和质量的锻件加工方法。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。热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，改变其整体 或表面组织，从而获得所需要性能的加工方法。热处理种种工艺知识的普及对优 化制造可降低成本。机械加工是利用去除材料加工方法得到，依照零件形状位置和加工精度选 择合适的

6、加工方法。充分了解车床的加工性能，及机床各个部分正确的使用方法, 减少机床的磨损和刀具的损坏,同时可以提高加工的精度。电加工是直接利用对工件进行加工的方法。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 工时候首先考虑到基准。基准是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。它包括设计基准、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。依据基准进行 施工并兼顾如何正常设计工艺孔、工艺凸台及工艺留量。审核尺寸链包括

7、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，工序余 量以及切入量。依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、 工艺文件制定完整的工艺文件，对单一件和小批量一卡多用，包括机械 加工过程卡、产品型号、零件名称、工时定额、设备型号。依据过程进行加工， 指导每一步工作，突出重点，注重细节。它具有标准零件（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，确定工种。选择原则是要达到产品工艺性能的前提下分析各 工种

8、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,同时避免造 成浪费。工艺设备的选择。在能达到同样工艺情况下，考虑电耗、刀具消耗、副油、 加工便捷程度及员工的工作强度。专用设备都有专用功能兼顾其它功能,做到扬 长避短。同一类型的机床也有选择:机床加工范围应与加工零件的要求相适合； 机床的工作精度应与工序要求的精度相适合;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。同时铸件的选材要合适,材料过硬，难于加工，材料过软，达 不到要求的强度。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

9、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要求应经济,合理。设备的维护和保养:车床的保养和润滑，清洁，及各转动部分是否运转自 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。依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。结合机械结构设计的一般过程，提出了一种整体层-局部层的两层的优化 模型。首先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 层完成主要结构的优化。阐述了两层设计变量及目标函数划分方法，给出各层 优化模型的一般表达式，在

10、此基础上讨论了该分层模型的协调和收敛方法，最 终得到完整的机械结构整体优化策略。文中以7500X103 kg浮吊金属结构的整 体优化为例，详细讨论了高维、多目标机械结构整体优化建模过程。结果表明 笔者提出的分层优化模型可行、有效，可适用于大型复杂机械结构的整体优化 问题。一般机械结构的优化设计多局限于简单零部件或结构，只涉及到一种功能 或学科，优化过程也分别单独应用于机构设计和结构设计，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大于局部改进。在计算手 段日臻完善的今天，要求把优化范围扩展为包含功能、原理方案和总体参数、 结构方案、结构参数、结构形状的全设计过程，真正达到

11、优化的全局指导作用。 但复杂结构设计变量多、计算复杂、耗时过长，且通常为多目标、多学科问题， 用单一算法解决整个优化问题不可行，由此产生了整体优化的数学逼近和分解 协调优化策略。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 方法，可以减少计算量、缩短计算时间，但存在逼近不准确的问题。复杂结构机械构件众多，高度耦合，所以在结构优化中划分子结构的网状 分解方法应用困难，常见的为层状分解，例如桁架的节点层、面积层优化，网 状分解通常用于解决结构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，却没有一种普适的方法指导分解，不当的分解协 调反而使优化问题更复杂。笔者在

12、机械结构设计基本方法的基础上提出一种结 构的分层优化模型，将优化问题分为整体层和局部层，综合利用理论分析模型 及有限元分析模型，并通过层间协调使总体设计和结构设计联系起来，使二者 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7500 X 103kg全回转浮吊的金属结构优化设计实例，验证了该模型的有效性和适用 性。”整体层-局部层优化模型机械结构整体优化要综合各方面的因素，不但要 满足结构在机构设计和整体布局上的要求，还要保证结构的强度、刚度等要求， 且要求不但能得到结构的基本尺寸，还要提供截面形状及桁架节点布置的信息， 这使结构优化设计不再局限于某一段桁架、箱型梁构件的优化

13、，因此整体的优 化具有高维数、多目标、计算过程复杂等特点，并且设计变量的尺度差异巨大， 对目标函数的影响参差不齐。针对上述问题，考虑实际机械结构设计中，通常在满足机构和安装要求下， 根据经验和结构设计理论完成结构的总体布局设计，再进行局部构造设计，最 后进行强度、刚度的校核，完成由整体到局部的设计过程。整个流程中各个阶 段完成的参数不同，而且对此步的设计目标具有侧重性，这种分步设计的思想 同样可以应用在优化问题上，发展为分层策略，每层进行一类设计变量和目标 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 目标同时优化。笔者的优化模型由结构设计一般过程出发，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结构质量为优化目标，安装要求及 结构理论公式作为约束条件，此层的优化解析式明确，分析计算简单，可以得 到总体设计方案，但对于复杂结构分析不够精确，无法得到结构的拓扑层信息。 而局部层中以结构性能为优化目标，可以利用有限元软件进行校核，具体到每 一部分结构构件的优化设计。依据本文所述方法，已开发出具有高效率优化CAD 系统,证明对传统算法的改进是有效的。