1、本科毕业论文（20 届）机械优化设计在工程中的方法研究所在学院专业班级 机械设计制造及自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 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
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，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
3、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 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
4、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，方法研究The method research of the Mechanical optimization design in engineering education Abstract：The Mechan
5、ical 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 scientific design methods for the engineering design. With this new design method, the engineers can pick up
6、 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 Mechanical optimization design is very necessary. The main purpose of the paper is in search of the most approp
7、riate 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 researchI 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 -5
8、1.4 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）8 -122.5 本章小结 -133 机械优化设计的应用方向及案例 -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
9、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 -17II3.2.2 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 -3311 绪 论1.1 引 言 一项产品的设计，需要经过调查分析、制定方案、
10、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。利用这种新的设计方法，工程人员可以从众多的设
11、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 机械优化设计发展历史 在第二次世界大战
12、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 10.52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的发展为优化设计提供了强有力
13、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大的推动作用；1983 年，
14、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，约束条件有同轴条件、装配条件、传动比条
15、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航空、航天领域，一些专家已经
16、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3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
17、动力优化设计主要有两大类问题：动力特性优化设计和动力响应优化设计。动力特性优化设计主要是以结构频率、振型为目标或约束的优化设计，也常涉及结构的阻尼、刚度与质量分布等等。目前，基于频率的结构动力特性优化设计研究开展最早，成果也最多。而动力响应优化设计主要指以动力激励下系统的响应，如位移、速度、加速度、应力、应变等为目标或约束的动力学优化设计。该问题同时涉及动力特性分析、动力响应分析以及优化设计，求解更加的困难和复杂，迄今有关的研究成果还不多，有待进一步的研究和发展2。机械中大部分的零、部件是用来传递能量或载荷的，这些零部件的强度、刚度、稳定性和疲劳强度是设计中必须考虑的。机械的结构优化设计为设计
18、者提供科学的方法来改进设计方案，达到减少资源、节约成本的目的，为此机械结构优化设计也越来越被人重视和研究。由于大部分机械零部件的形状比较复杂，结构的力学分析经常需要借助于有限元或边界元方法及相应的软件，因此机械结构的优化设计大部分是以有限元法为其核心算法。而基于边界元法的结构优化也常有出现，因为在结构形状优化中边界元法有其自身独特的优点。 桁架类结构是工程机械和天线搭建中经常应用的结构，很多学者对桁架结构的研究有着浓厚的兴趣，也做了很多相关的工作。20 世纪 80-90 年代，王生洪、段宝岩、施浒立等先后研究了天线结构的优化；王希诚、周明、段宝岩等又进一步研究了天线结构的形状优化和拓扑优化。
19、连续体结构的形状优化是 80 年代兴起的研究热点，它将优化的能力扩展到降低结构的复杂度及部件的应力集中、提高部件的疲劳强度等。很多学者在这方面做了大量的研究工作。其主要有：刘英卫的飞机部件三维形状优化；方宗德的斜齿轮的三维修形优化；尹莉、钱惠琳、林桥、陈汝训等关于压力容器壳体及封头的形状优化；，林秀英、张东旭等关于发动机轮盘的形状优化等。 利用结构优化方法设计某类特定的机械结构是优化设计的重要方面。1982 年，4米成秋，孙靖民研究了机床结构及部件的优化； 1988 年，张允真等研究了装载机动臂和大型排料臂架的优化；1993 年，梁春堂等研究了矫直机摆动体的结构优化。以上，是自优化设计应用于机
20、械以来，机械优化设计发展过程中三个大的主要的研究方向，经过国内外无数学者的努力，已经卓有成果，而且扩展到了机械的各个领域，为提高生产效率，减少浪费，节约资源做出了巨大贡献。但是随着机械优化设计的发展，它的应用也越来越广，仍面临着许多难题和挑战。例如：机械产品设计中零部件的通用化、系列化和标准化；整机优化设计模型及方法研究；机械优化设计重离散变量的优化方法的研究；更为有效的优化设计方法的发掘；还处于理论探索阶段的柔性机械优化、绿色优化、可靠性优化设计等3。 1.2.2 机械优化设计应用概况 自机械优化设计的诞生，到现在已经发展了半个多世纪。随着大量的学者将机械优化设计应用到实际的工程案例中，如今
21、，它几乎普及了机械领域的各个行业，其主要有以下几个领域： （1）通用机械和机床通用机械和机床的结构优化设计是机械优化设计成功应用的一个领域。机械结构优化设计将有限元技术与优化技术结合，对大型复杂机械结构的设计是一种有效、精确的方法。一般的机械零部件都是连续体结构，结构分析非常复杂，结构优化设计相应也就很困难。国内相关的研究比较突出，发表了大量的研究论文和报告。这些研究工作的开展，一些大型通用机械和机床的设计逐渐找到了一种快速，有效、可靠的设计方法，大大提高了机械产品的设计水平。 （2）汽车行业是一个要求不断创新、发展的重要行业。各个国家和地区都分重视汽车工业的发展。为此，先进的机械优化设计方法也就在此行业得到发明、推广和应用。国内外都取得了大量的研究成果：隋允康等做了把 DDDU-2 软件包应用于汽车结构优化设计的研究；冯振东等进行了万向节传动布局的支承动态结果的优化设计；田振中对特种汽车车身的结构设计的研究；冯国胜对汽车加工的结构优化设计进行了研究等。目前，汽车业已经成为机械结构优化设计广泛应用的一个领域。 （3）在船舶业，船舶结构优化设计方法的研究起步相对较晚。我国自 20 世纪 70 年代末开始研究船舶结构的优化设计，比国外晚了差不多 10 年，但是，我国的船舶结构优化设计仍然取得了很不错的成果。在潜艇结构、游船剖面、潜艇外部液
