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机械优化设计范文1
关键词：优化设计；农业机械；应用研究
1优化设计在农业机械设计中应用的意义
要提高我国农机产品的质量，就要大力提高农机生产制造水平和设计水平，对传统的农机产品设计进行改进。传统的农业机械零部件设计一般采用经验类比，通过力学简单计算来完成。传统的设计优化方式对设计人员的经验要求较高，很多创新设计和优化设计都缺乏数据支持，过度的设计导致机械综合性能提高的同时，制造成本大幅上升。
2优化设计的基本思路
优化设计是从若干种可行性方案中择优选出一种最佳的设计方法，这种选择是以初始数据为基础，采用计算机技术联合实现的。优化设计对软件计算能力和模型构建能力有较高的依赖，近年来随着计算机科技的不断发展和软件开发能力的不断提高，计算机在机械设计中发挥了重要的作用。同时，计算机的发展也使优化设计理念得以实现，优化设计的思路也越来越开阔。
3计算机软件在优化设计中的应用
要实现优化设计在农业机械设计中的应用，先进的软件技术是必不可少的。设计软件是设计者的工具，对于农业机械设计者来讲，能够熟练应用软件完成虚拟制造、实验和测试，对参数进行分析，是实现农业机械优化设计的必要因素[2]。
3.1ANSYS软件
ANSYS软件是一种大型有限元分析软件，由美国ANSYS公司研发，这种软件能够与多种计算机辅助设计软件实现数据的共享和交换，被普遍应用于汽车工业、建筑桥梁等方面设计中。
3.2ADAMS软件
ADAMS软件是一种对机械系统动力学进行自动分析的软件，由美国机械动力公司开发，通过ADAMS软件，能够建立机械系统几何模型，对虚拟机械系统进行动力学分析，预测机械系统的性能、碰撞加速和运动范围等[3]。
4优化设计在农业机械设计中的应用
4.1几何模型的建立
结合设计零部件的特征、材质和其他约束条件，通过Pro/E软件进行几何模型的建立，本次研究基于Pro/E软件应用的基础上，采用旋转建模的方法，建立齿轮轴模型。齿轮过渡段圆的半径R=8.6mm。
4.2模型材料属性设置
模型材料属性包含材料材质、密度、弹性模量、泊松比等。
4.3约束与载荷
齿轮的驱动轴两端，靠的是轴承作为支撑，加载载荷较为复杂，本文通过两种方式加载扭矩，一种是通过运动学模块进行扭矩分析，分析的受力情况信息传递到结构分析模块中；一种是取相近的加载扭矩数值输入到结构分析模块中。经过判定，本文采用第二种方式。沿着轴向建立起圆柱坐标系，加载圆柱面的壳，厚度取值1mm，这种取值也是为了便于分析，然后找到扭矩加载点，进行扭矩加载。这个环节需要注意，驱动力矩要在轴的中部位置加载，扭矩为8600N.mm，在轴的两端加阻力扭矩，两端本别为4300N.mm。
4.4模型分析
在模型分析环节中，完成受力和约束参数设置后，在利用Pro/E软件进行静态模型构建，然后对静态模型进行相应的分析。通过软件对构建模型的分析结果可以确定，最大的应力为16.7N/mm2,而设计所用材料材质为45号钢，最大的屈服应力能够达到350N/mm2以上，钢材的屈服应力范围远远大于设计零部件的最大应力，可见在尺寸选择中相对比较保守。
4.5设计参数的建立
设计的过程主要是模型建立的过程，而在模型建立的过程中，设计者将要建立许多参数，其中包括物理性能参数、结构设计参数等，这些参数代表着所用材料的基本属性和要达到的设计性能，当参数发生了变化，建立的模型性能也将随着发生变化。如果针对所有参数进行优化，将增加设计过程中庞大的计算量，这样就需要设计者对这些参数进行优选，结合不同参数对模型的影响程度，和对设计部件的使用性能的影响，可以优先选择对模型性能影响最大的参数设置，这种处理方式，也体现出优化设计的理念，实现参数选择上的优化，最有效的、影响最大的参数信息将被利用，而影响较小的参数将被忽略。在本次分析案例中，将过渡段尺寸参数当做设计变量，设计变量的初始值为8.6mm。
4.6优化设计
在农机设计中采用优化设计的目的在于能够实现通过模型的各项功能计算和设计，达到降低成本，能够发挥最优性能。在优化设计的过程中，要对具有影响效果的约束条件和各类参数进行设置。本案例设计中，满足各项受力条件下，所使用的材料质量最小，采用过渡段半径作为设计参数，部件的最大应力小于材料许用应力。本案例中选择的45号钢，最大的屈服应力大于350N/mm2，安全系数设定为3.0，轴最大应力＜114N/mm2，结合各参数和约束条件，从而分析出最优的结果。
机械优化设计范文2
1 机械可靠性优化设计的重要性
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
机械优化设计中，简化设计作为一种基础设计，其设计思路明确，即零部件的数量应尽可能避免冗余，减少故障出现。机械的可靠性优化设计中必须对其错误故障进行统计分析，从小故障处理做起尽可能保障机械的可靠性。通过简化和余度设计优化可以有效提升可靠性生产以及避开故障的能力[5]。简化优化设计即对机械生产中的一些不必要方式进行优化，减少一些超标负荷承载工作，调整机械各个部件的生产情况。
机械优化设计范文3
关键词：机械优化设计；双语教学；教学实践
作者简介：王林军（1982-），男，湖北黄冈人，三峡大学机械与材料学院，讲师；吴海华（1970-），男，湖北黄冈人，三峡大学机械与材料学院，教授。（湖北 宜昌 443002）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）04-0104-01
双语教学不仅在美国、加拿大、卢森堡、新西兰等双语国家或多语国家获得了成功，而且在俄罗斯、日本、澳大利亚、保加利亚、匈牙利等单语国家实施也获得了良好的效果。反思国内的双语教学情况，虽然英语教师非常努力地教，学生也非常认真地学，但所取得的效果十分不理想。[1-2]国内一些211和985重点院校（如浙江大学、北京大学等）的双语教学工作开展顺利，已在双语教学教材、师资队伍建设以及教学内容和教学方法方面取得许多研究成果。但地方本科院校的机械工程类双语教学工作进展十分缓慢，尤其是针对本科生开设的“机械优化设计”双语教学在教学内容与体系、英语教学环境、教学队伍建设、考核方式等方面严重不足，其主要原因是学生英语基础差、自学能力较弱，“机械优化设计”双语教学师资也相对薄弱。[3]上述差异决定了地方本科院校难以照搬重点院校的机械工程类双语教学模式，因此探索一条适合于地方本科院校的“机械优化设计”双语教学模式极为重要。
一、“机械优化设计”双语课程现状
“机械优化设计”是一门把机械设计与优化设计理论及方法相结合、实践性很强的课程，而双语教学主要是指教师采用英语或第二语言进行课堂教学。但如何有系统有组织地开展符合三峡大学（以下简称“我校”）特点的“机械优化设计”双语教学，如何处理教材的问题、如何在学时数原本紧张的前提下开展双语教学、双语教学方法和教学手段该如何改进、如何建立双语教学考核体系、如何提高学生的学习兴趣等等，这些都是在开展“机械优化设计”双语教学时所需要研究的问题。虽然目前不少地方本科院校已经开设了机械优化设计双语课程教学，但大学生英语水平良莠不齐，不少教师的英语水平同样还没有达到能真正像汉语一样熟练地运用英语教学的地步，这使得双语教学在“机械优化设计”课程中的研究与实践中碰到以下问题：[4-6]
1.双语教学效果差
目前国内英语教育主要以应试为目标，大学生的英语听说能力普遍较弱。“机械优化设计”双语教学中涉及许多专业词汇和复杂的句型，如果采用比较单一的授课方式，学生既无兴趣，又感到难以接受，无法准确理解该课程专业知识。
2.教学内容单一
我校该课程双语教学的对象是机械制造及其自动化专业三年级学生，他们虽然已具备一定的数理基础，但许多同学依然对机械优化设计过程和内容无法真正理解，甚至产生厌学情绪。这就要求双语教师在进行教学内容的设计时应更加丰富多彩。
3.教学方法问题
在进行“机械优化设计”双语教学时，若还是采用传统的满堂灌教学模式，课程本身的难度和英语的听力障碍将会导致教学效果不理想。而国际上知名大学多数采取的是引导式、启发式、互动式相结合的教学方法，后者更为有效，与“机械优化设计”双语课程教学相适应。
二、双语教学方法的改革与实践
依据机械工程类专业的特殊性，应从以下几方面进行改革和实践：
1.科学合理选择教学内容
考虑到我校机械制造及其自动化专业本科教学培养方案的特点及人才培养需要，对“机械优化设计”双语教学课程内容进行科学设计，主要包括以下教学内容：绪论（介绍机械优化设计的基本概念与发展趋势）；优化设计方法的数学基础（介绍矩阵运算和微积分的基础知识，凸集、凸函数与凸规划的基本理论）；常用的优化设计方法（介绍一维搜索方法、基于导数的优化方法和非导数优化方法等，包括智能优化方法）；约束优化问题的处理；多目标优化方法和优化设计结果的灵敏度分析技术；MATLAB在机械优化设计实例中的应用。这要求学生一方面掌握优化设计基础理论，另一方面应学会运用大型通用优化设计工具软件解决实际工程问题，真正做到学以致用。此外，在双语教学过程中，应安排大学生讲述自己完成机械优化设计过程，以提高大学生英语表达能力，并达到相互启发的作用。
2.努力营造英文教学环境，提高学生英语水平
作为教师，应认真备好每一堂课，板书、考试和作业批改中都要使用英语，采取全英语对学生进行提问，要求学生用英语回答，这样有助于锻炼学生的专业口语能力。同时，教师在给学生布置作业时，最好也是英语的，严格要求学生用英语完成，这样有助于锻炼学生的专业写作能力，为将来可能地进一步深造学习奠定了坚实的论文撰写基础。实际上，教师在双语教学活动中，除了布置一些该课程的课后英语作业外，还应当引导学生查找和阅读与该课程相关的专业英语读物，比如英文论文等，这样有助于增强学生的专业英语使用能力，而且还能培养该专业大三学生用英语思考的良好习惯，为将来的进一步学习和深造打下一定的基础。
3.努力加强我校双语师资队伍建设
为了提高教师的英语水平，每年安排教师参加由我校国际交流学院主办的暑期雅思培训班，取得雅思6.0分及以上成绩的教师才能担任双语教学课程。为了促进教师英文水平的稳步提高，以提升本校教师科研业务水平，学校定期派中青年教师出国交流学习，这势必将会对双语教学和师资队伍建设有一个很大的促进和提升作用。
4.充分利用本校网络教学平台
三峡大学求索学堂为全校提供网络教学服务，网络教学平台包括公共教学平台、多媒体课件制作系统、网络实时交互答疑系统。网络公共教学平台包括学生工作区、教师工作区、管理工作区三大部分，主要功能模块有公告栏、答疑、讨论区、在线自测、在线作业、下载区、资源等。多媒体课件制作系统提供辅助教师教学的多媒体课件制作平台；网络实时交互答疑系统是一个可以在网上传递五种不同模式的电子教学、实时协作和通信的平台，提供网络教学中的教学双边多媒体交互环境。充分利用本校求索学堂，可以促使教师和学生的沟通，同时还可以培养学生的知识获取能力和自主学习能力。
5.对本校传统的考核方式进行科学合理的改革
“机械优化设计”课程是机械设计制造及其自动化专业非常重要的一门专业基础课，属于专业必修课程，该课程考核方式过去经常是采取闭卷形式。这种考核方式有很大的不足，例如学生死记硬背优化公式，而忽略了利用该课程核心内容优化设计方法理论从工程上解决实际问题的能力，从而不能体现本校人才培养的要求。针对以上这些弊端，对该门课程的传统考核方式进行了改革，主要分为以下三个部分：闭卷考试成绩（占40%）：主要是考查学生对优化理论方法的理解和掌握程度；上机实验考试成绩（占40%）：重点考核学生运用计算机对优化方法的编程和实现能力；平时成绩（占20%）：主要是考核学生平时表现和出勤情况。
该课程考核方式的改革，势必将会促使学生更好地理解和掌握该课程的重难点内容，也会提高学生利用计算机编写优化程序解决工程实际问题的能力，同时将会提高机械工程类本科生的综合素质和能力，这也非常符合本校这种“高素质、强能力、应用型”的人才培养目标。
三、结论
双语教学不但能够提高学生的学习兴趣，而且还可以提高教师和学生的双语应用能力，对复合型人才的培养具有非常重要的意义。同时，在进行双语教学的过程中，要根据本校教师的英文水平和学生的认知和接受程度，精心准备和设计教学手段，科学合理安排教学内容，科学而有效地使用评价方法，这样不仅有助于学生及时了解和掌握本专业的前沿动态，还可以培养其直接阅读经典、前沿外文资料的能力。本文在对“机械优化设计”课程双语教学进行了多轮教学实践的基础上，对该课程双语教学的背景、教学内容与体系、英语教学环境、师资队伍建设、考核方式等问题进行了总结和改革，以期望对二本院校机械工程类“机械优化设计”课程双语教学与改革有一定的促进作用。
参考文献：
[1]廖迎春，樊后保，黄荣珍，等.本科院校双语教学改革的思考及建议[J].科技信息，2010，（19）.
[2]张素芳.对高校双语教学若干问题的探讨[J].中国电力教育，
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[3]刘卓夫，罗中明，李永波.双语教学改革存在的问题与思考[J].黑龙江教育学院学报，2010，29（2）：62-64.
[4]孙靖民.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社，2007.
机械优化设计范文4
关键词：新课程标准；中职教育；计算机制图；创新思维
一、中职机械制图教学优化设计实践理论
现代教育技术引入到机械制图教学中，能够使教学过程和教学活动更加丰富和优化。在机械制图教学实践中发现，以多媒体教学、翻转课堂、微课教学等为代表的现代教育技术模式发挥了突出的作用。现代教育技术冲击了传统的中职教育模式，对教师的工作方式产生了巨大的影响，改变了师生双方在教学活动中的角色和地位，使学生更多地站在了学习的主体地位，这极大地激发了学生的学习兴趣和学习欲望。基于现代教育技术的中职机械制图教学设计以系统方法为指导，重视对学生的分析，教学设计要包含整个教学过程和教学操作。此外，教学设计还应重视教学效果的评价，要从评价中获得更优秀的设计方案。通常来说，基于现代教育技术的机械制图教学设计优化由以下几个基本要素构成，即学习需求分析、学习内容分析、学习者特征分析、学习目标阐明、学习策略制定、教学媒体选择以及教学设计成果评价。
二、机械制图教学设计改进与优化
在中职机械专业教学中，机械制图课程是最基本也最重要的基础课程之一，机械制图教学要先进行传统的教学设计，然后在此基础上进行改造和优化。以机械制图课程中重点知识板块“组合体视图”为例进行课程教学设计。组合体视图主要由相贯线、截交线和组合体视图的补图补线等组成，对学生的空间想象能力具有一定的要求。1.机械制图传统教学设计模式结合课程设计的流程和内容，将机械制图课程中“组合体视图”教学设计分为七个环节。（1）机械制图的需求分析。在该课程环节，学生基本已经掌握了基本几何体表面求点、求线的知识，但对于几何体平面截切、贯穿截交线、相贯线的绘制等存在较多问题，多数学生混淆各种相贯线、截交线的形状，甚至不知其绘制方法，这对后续的教学产生了较大的影响。因此教学设计有较大的需求。（2）学习者分析和学习环境分析。教师在教学设计过程中必须结合学生的实际情况进行，否则容易使教学设计与教学过程脱节，进而影响教学效果。学习者分析的内容包括对该板块知识的掌握、学生的学习动机和学习能力水平、学习偏好和对教师的态度、学生在学习中的共性特征等；学习环境分析内容包括教学点对教学需求的满足程度、教学点模拟应用环境的适应性、在教学点运用多种教学策略的可行性、可营销教学设计和传递的限制等。（3）确立教学目标。“组合体视图”教学的知识技能目标设定为理解概念，将组合体拆分为基本几何体，培养学生组合体形状的空间想象能力，并补画出第三视图。教学过程中的目标是使学生达到自主观察与分析、自主操作的能力，并掌握组合体视图方法。要使学生树立起机械制图课程的兴趣，以积极向上的态度学习。总体来讲包括语言技能、智慧技能、动作技能、态度技能、认知技能。（4）明确教学难点和重点。在机械制图课程的“组合体视图”模块，学习的重点和难点为组合体的组合方式，读出组合体视图，并补画第三视图，要求学生掌握绘制组合体平面图的技能。（5）教学策略的选择和教学设计思路的确定。在“组合体视图”教学中，教师可选择任务驱动法、协作学习法、讨论交流学习法等教学方法。教学手段借助相关教学课件、平面图、组合体模型等。学生的方法为自主学习和小组协作学习相结合的方法，学习的过程则为“接受任务思考讨论合作操练总结巩固”。（6）制定清晰明确的教学过程。教学过程的整体内容包括教学环节、教师的教学活动和学生的学习活动、教学媒体的选择、设计意图和教学反馈评价。单纯从“组合体视图”知识模块的教学来讲，教学过程为：创设环境引入课前知识的引入引入新课分析组合体组合方式逐个绘制简单基本几何体的画法分析绘制几何体外部连接部分的画法分析绘制几何体内部衔接部分的画法想象组合体的空间立体形状通过组合体的空间立体性状并补画第三视图。（7）作业评价。在课堂教学环节结束之后，教师应结合“组合体视图”教学的实际情况给学生布置合适的作业，作业的内容为补画第三视图。教师对学生作业的评价方式与工具为三角板等绘图仪，评价的内容包括学生的作业是否符合视图投影规律，绘制图线是否达到要求，视图补画是否正确，包括外形正确和细节补画完整与否。2.机械制图教学改进设计与实践由于机械制图课程需要较高的空间想象能力，其在教学中最好能够给学生展现立体形象，这样能够加深学生对机械绘图的理解和记忆。三维形式的组合体视图展示对学生的学习至关重要，而现代教育技术的引入对于实现这种教学要求具有极大的帮助。因此在引入现代教育技术时，组合体视图教学需要对传统教学设计进行修改和优化。首先，教学目标需要结合现代教育技术进行修改和优化，补充学生空间思维能力培养、空间转化为平面作图能力、读图能力与计算机画图能力的培养。其次，整合调整教学内容，包括投影基础、制图基础、机械图、计算机基础等几个部分。在组合体视图教学中，将抽象的组合体平面图转化为三维立体图借助多媒体展现出来，实现实物与图的转换。在线面切割、拉伸、并、差等造型三维体教学展示中，引入三维CAD/CAM软件，使学生能够更为直观的观察和理解。对于生产中常见的标准件画法和读图、装配图展示，引入多媒体进行教学演示，加深学生记忆。其后，在“组合体视图”教学中引入建构主义理论，将教学过程分为五个环节，即进入知识情境、建立支架、独立自主探索、协作合作学习、总体效果评价。比如在“螺纹连接”教学环节，教师借助多媒体来演示螺栓结构，并用动画说明螺栓连接的工艺过程，然后让学生以小组的形式进行讨论交流，教师通过注释和演示细节来加深学生印象。然后，在现代教育技术的支持下，创新空间想象能力的培养方式，比如点线面的投影、借助CAD/CAM软件展示组合体立体模型的形成，让学生找到易切削的材料进行三维空间思维能力培训。最后，在多媒体的辅助下，教师将机械制图的教学理论和实践相结合，在教学中调整了实践性内容，加大徒手画草图的训练，并结合实际生产中的例子对学生进行讲解。
三、机械制图教学设计优化实践效果分析
机械优化设计范文5
关键词：《机械优化设计》；形象化；实践；教学方法
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）39-0098-02
优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算技术应用于设计领域，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，从而大大提高设计的效率和质量。最优化设计成功运用于机械设计还是在20世纪60年代后期，虽然发展时间不长，但是发展迅速。在机构综合、机械零部件设计、专用机械设计和工艺设计方面都得到了应用并取得了一定的成果[1-3]。目前国内许多高校机械专业都开设了《机械优化设计》这门课程。通过《机械优化设计》这门课程的学习，首先应当使学生具有优化的思想，了解一些优化方法的原理，掌握一些优化的方法，为以后更好的工作打下扎实的基础。但是本课程中一些枯燥的数学推导及公式难以引起学生的学习激情。如何提高学生的学习热情，并使学生较快掌握一些优化方法，一直是笔者在从事《机械优化设计》课程教学中思考的问题。下面介绍笔者在从事《机械优化设计》课程中采用的一些方法和经验。
一、培养学生学习本课程的热情
学习《机械优化设计》这门课程的学生早已先修了机械原理、机械设计等课程，笔者在教学之初常常告诫同学，对于一名工程师设计人员来说，仅仅具有机械原理机械设计方面的知识是远远不够的，只能进行一些传统的设计。而传统的设计只是重复分析产品的性能，而不是主动地去设计优化产品的参数。从某种意义上讲它没有真正体现“设计”的含义。因此，对一个工程设计人员来讲，应当在产品设计的过程中始终要有优化的思想。当然光有优化的思想仍然是不够的，还要有优化的能力，掌握一些优化方法。笔者在开课之初，通常会给学生这样一个假设。如果甲、乙两位同学供职在同一个企业，企业老板让两人分别提出他们的方案来解决公司中某一产品的问题。甲很快将自已的解决方案提交给公司老板。乙经过分析考虑，在甲之后也提交了方案，乙的方案不仅解决了产品问题，而且优化了产品的参数，降低了成本。笔者问学生甲、乙两位同学谁将会被重用，谁将获得更多的职位升迁的机会。这个答案是不言而喻的。通过上述的假设，使学生懂得具有优化的思想和优化设计的方法还与他们个人在工作岗位的升迁机会有关。这极大地提高了学生学习这门课的热情，也让优化思想概念植根于学生思想之中。
二、采用形象化的教学方法
《机械优化设计》中许多枯燥的公式和推导，学生一时会难以掌握，有时会导致学生丧失学习的兴趣。在教学中笔者注重采用形象化的教学方法，例如一维搜索方法中的确定搜索区间的外推法可以用盲人探路的方法来加以引导[4]。具体可以表述为：一个盲人想去一个山谷谷底，他向前探出一步，如果发现在上坡，说明前进方向错误，谷底应在身体后方，应该转身再前行。如果探出一步，发现是下坡，表明谷底在前方，可以继续前行，直至走出一步出现上坡的感觉，据此可以判断谷底就在最后两步之间。
三、课堂教学与生产实践相联系
课堂教学与生产实践相联系，提高学生学习兴趣，提高学生走上岗位解决问题的能力。例如坐标轮换法，坐标轮换法是每次搜索只允许一个变量变化，其余保持不变，即沿坐标方向轮流进行搜索的寻优方法。在介绍坐标轮换法思想时，笔者以注塑产品为例加以介绍，注塑产品的质量与温度、喷嘴压力、保压时间、注塑速度等工艺参数有关。在试模过程中为了获得较好的产品质量，需要调试出这些工艺参数值。有经验的注塑人员往往采用坐标轮换法思想以节约试模时间。首先逐渐改变某一个工艺参数值，而其余工艺参数保持不变，观察注塑产品质量。在注塑产品质量不再提高时甚至开始降低时，再调整另一个参数值，直至注塑产品质量达到要求为止。如果同时对这些工艺参数进行调整，很难确定调整这些工艺参数的方向，会花费较长时间才能调试出合格的注塑产品。
四、加强与学生的互动
现代教学论指出：教学是教师的教与学生的学的统一，这种统一的实质就是师生之间的互动。《机械优化设计》课程师生之间的互动可充分发挥学生的主体作用和主动精神，提高学生的学习激情，进一步提高学生的优化设计能力、创新思维。在课堂上笔者注重与学生之间的互动。经常提出一个问题，让学生思考如何采用优化的方法去解决这一问题，以提高学生采用优化方法解决问题的能力。笔者常常让学生走上讲台，介绍他们采用的优化方法，并让学生们充分讨论思考有没有更好的优化方法，充分调动学生的积极性。在课堂教学最后，笔者完全将讲台交给学生，让学生们介绍学习《机械优化设计》这门课的心得和体会。通过课堂的互动，调动了课堂学习的气氛，学生在互动中学到了一些优化方法，牢固了优化设计的思想，提高了优化设计的能力。
虽然《机械优化设计》的基本寻优思想和方法在20世纪60年代已近完备，但是仍有需要改进之处，特别是该课程的教学方法。教学方法的优劣将会影响学生的接受程度。采用各种生动的方法将会提高学生的学习兴趣，牢固掌握一些优化的方法，让优化的概念植根于学生思想之中，为他们走上工作岗位更好地工作打下扎实的基础。笔者通过采用上述的教学方法发现，学生学习《机械优化设计》课程的兴趣提高了，分析问题解决问题的工程实践能力也得到了增强。有些毕业了的学生在与笔者联系时，提到他们工作时常常想到并主动去优化。优化创新思维已成为他们固有的一种思维模式。
参考文献：
[1]叶元烈.机械优化理论与设计[M].北京：中国计量出版社，2001.
[2]方世杰，綦耀光主编.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社，2003.
[3]孙靖民.机械优化设计（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2005.
机械优化设计范文6
关键词:VB;机械优化设计;软件;实现
Realization and Implementation of Mechanical Optimal Design Software Based on Visual Basic
REN Xiao-dan
(Electrical Engineering Department, Inner Mongolia Machine Electricity Occupation Technical College, Hohhot, 010051, China )
Abstract: Mechanical optimal design method is an important means of the modern mechanical design process to identify the most optimum design. Using VB as a development platform to the exploit optimization software applied in the process of mechanical design based on the commonly used optimize method calculation, use which to meet the mechanical design process optimization requirements.
Key words:visual basic; mechanical optimal design; software; realization
最优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新学科,随着数学规划论和计算机技术的发展,它与机械设计理论相结合,解决了在机械设计领域中最优化设计问题。通过这种新的设计方法,可以从众多的设计方案中寻找最佳的设计方案,从而大大减轻了设计人员的劳动强度,提高了设计效率和质量。
在机械优化设计过程中,将遇到如何选择合适的优化方法这一问题,由于求解问题的性质、规模及解题思路和策略不同,优化算法种类很多,设计人员需要寻找合适的算法,满足机械设计方案的要求。为了方便设计人员使用最优化方法,通过可视化语言VB开发了机械优化设计软件,能够满足工程人员的设计需要。
1 机械优化设计概述
机械设计优化问题,就是在给定的约束范围内,选取设计变量,建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设计方法。其设计步骤为:
1) 将设计问题的物理模型转变为数学模型。建立数学模型时要选取设计变量、确定目标函数、给出约束条件;
2) 采用适当的最优化方法求解数学模型;
3) 编制优化设计程序;
4) 求解优化结果;
5) 分析优化结果。
机械优化设计常用的优化方法有一维搜索最优化方法、多变量无约束优化方法、约束最优化方法。一维搜索法主要包括黄金分割法和二次插值法。多变量无约束优化方法主要包括变量轮换法、鲍威尔法、梯度法、牛顿法、变尺度法等。约束最优化方法主要包括随机方向法、复合形法、惩罚函数法等。
2 软件开发
VB是一种Microsoft Windows应用程序的开发工具,采用了“可视化设计”和“面向对象设计”技术,初学者只要掌握几个关键技术就可以建立实用的应用程序。软件开发的效率大幅度提高,输入输出界面也都采用了Windows的标准,软件的维护和扩充也十分方便。用VB开发出的应用软件,其操作界面美观大方,使用方便,具有人性化的特点,更易为用户所接受。同时,程序编程语句直接简捷,在程序的调试过程中,容易跟踪程序的运行进程,从而发现问题,以进行改进和调整。
程序设计主要包括机械优化设计中常用的优化算法,所有功能都可以在菜单中进行操作。同时在软件左侧设计下拉式菜单,方便用户对优化算法的快捷访问,用户登录界面如图1所示。在函数方程输入的设计中,利用了ScriptControl控件。在使用ScriptControl控件前,先通过“工程/部件”菜单命令选择Microsoft Script Control 1.0选项,添加ScriptControl控件。实现步骤如下:
1) 将ScriptControl控件添加到工具箱;
2) 在窗体上放置ScriptControl控件;
3) 设置ScriptControl控件的Language属性为vbscript;利用Eval方法使用户可以根据实际需要,在界面输入需要优化的方程。
3 应用实例
针对工程技术中的许多问题,建立的目标函数常可归结为函数f(x)的形式,其最优化设计的数学模型可简化为:min f(x),x∈En或max f(x),x∈En。选取文献[1]上的一个例题进行验证。利用黄金分割法求目标函数为f(x)= x^2-7x+10的最优解。已知初始区间为[2、8],取迭代精度e=0.35。
在软件中选取黄金分割法优化界面,输入已知条件,如图2所示。观察输出结果,可以得到极值点x=3.58344,极值f(x)= -2.24304。根据软件优化结果,发现和理论计算结果一致。
4 结束语
机械优化设计软件可以帮助工作设计人员简化计算,缩短设计周期。但是,每一种优化方法都具有一定的局限性,在设计时应考虑求解问题的规模、数学模型的特性和复杂程度,及各类优化方法的特点和应用范围,选取合适的算法进行优化。
参考文献:
[1] 陈秀宁.机械优化设计[M].杭州:浙江大学出版社,2002.
[2] 孙靖民.机械优化设计[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3] 孟兆明,常德功.机械最优设计技术[M].北京:化学工业出版社,2002.
