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机械优化设计论文范文1
模型采用笛卡尔网格系统，I方向两端网格步长为300m，中间网格步长为100m，J方向网格步长为200m，K方向网格步长为5m，总共31层，模型总网格数为19×7×31=4123。在气藏底部采用Fetchovich水体模拟底水，中部布置大斜度井，井斜角为80°。同时，为判断模型压降参数设置是否正确，对研究区大斜度井进行实际测压资料历史拟合，即选择该井处于稳定生产期的测压数据进行拟合，其误差小于5%，吻合效果较好。
2单参数对大斜度井开发效果的影响
为准确分析各参数对底水气藏水淹规律及采出程度的影响，利用数值模拟多段井模型研究了井筒内的能量损失。井筒直径为89mm，示踪剂质量浓度为1.0mg/L，采用示踪剂追踪精确模拟底水见水时间。多段井模型将井筒劈分为多个段，每段拓扑结构保持原井轨迹，且拥有独立的压力、流体密度和相速度。考虑井筒内的能量损失，包括摩擦阻力损失、加速度损失及水静力学压降损失，进而可对井筒内的流体进行详细描述。采用上述模型以某一测试产量模拟生产，通过对每个射孔网格流压和流量的统计，可定量描述大斜度井不同长度的压力变化和气量差异。对于底水气藏而言，若开发过程中底水逐渐上升，气井避水高度和产量设计不合理，将导致过早见水，进而降低无水采出程度。目前，气藏底水锥进研究中，见水时间通常采用经验公式法或利用含水率来间接确定，这样会存在一定的误差。因此，笔者提出利用示踪剂追踪的方法来确定气井产出底水的准确时间，在底水中加入不同的示踪剂，通过模拟判断气井产水的来源，进而确定底水锥进的时间，为相关指标的优化提供依据。
2.1大斜度井的斜井段长度
为对比不同斜井段长度对底水气藏水淹规律的影响，模拟研究大斜度井的斜井段长度分别为200m，400m，600m和800m，斜井趾端避水高度为60m，生产制度为稳定生产（55万m3/d）情况下的水淹规律及开发效果。数值模拟结果表明：随着斜井井段长度的增加，见水时间和无水采出程度均随之增加，但增幅逐渐减小，预测期末采出程度也逐渐增大；当长度超过600m后，增长速度放缓，受长度增加的影响变弱。
2.2斜井段趾端避水高度
为对比不同斜井段避水高度对底水气藏水淹规律的影响，模拟研究大斜度井的趾端避水高度分别为30m，40m，50m和60m，斜井段长度为600m，生产制度为稳定生产（55万m3/d）情况下的水淹规律及开发效果。数值模拟结果表明：随着斜井井段避水高度的增加，见水时间和无水采出程度均随之增加，且增幅逐渐变大，预测期末采出程度逐渐减小；当斜井段避水高度超过40m时，对采出程度的影响变大。
3复合参数对大斜度井开发效果影响
单参数对大斜度井开发效果的影响在油气田开发方案优化中常常被采用，该方法通过固定部分参数，逐个对其余参数进行优化，当参数之间没有交互作用时，得出的结论是正确的。在实际生产中，不同参数的取值互相影响，即开发指标之间存在交互作用。因此，采用多次单参数优化往往只能得到局部最优结果。复合参数对大斜度井开发效果的影响是指斜井段长度、斜井段趾端避水高度和合理产量的综合作用。若对各参数不同水平组合进行模拟，全面实验则需要模拟较多方案，虽然能得到全局最优结果，但在网格精细划分或者参数较多的情况下，将会耗费大量的机时，甚至难以实现。为此提出将正交设计极差分析法与数值模拟方案相结合，根据正交准则挑选典型代表点，并设计正交表，以提高方案的合理性，减少工作量。
4结论
（1）多段井描述技术将井筒劈分为多个段，每段拓扑结构保持原井轨迹，可实现对大斜度井井筒损失的模拟，以及准确表征斜井段上的压力变化和气量差异。靠近井筒趾端，压力相对较高，靠近跟端压降变化较大。
（2）在实际生产中，各参数对开发效果的影响往往是综合作用的结果，极差分析法可作为优化开发指标的辅助手段，实现开发指标的全局最优。
机械优化设计论文范文2
（1）过滤元件。过滤原件是净化系统的最后屏障，是液压系统污染的关键步骤，是主要的元器件，对环境起到一个保障作用，具有一定的实际应用价值。
（2）液压净化系统简化模型。建立简化的模型必须进行推导，利用数学公式建立逻辑模型，通过逻辑模型建立实际应用模型，模型的建立需要一个严谨的推导过程，液压净化系统简化。
2液压净化系统的优化设计
本论文对液压净化系统进行优化选择设计主要从元件级参数设置及系统布局两方面进行阐述，对液压系统进行优化及升级提高环境保护，对机械设备的使用寿命等有一定的延长，提高其工作效率有一定使用价值。
2.1元件级的优化设计
基于以上液压污染动态平衡方程，对过滤元件过滤器进行优化选择，主要从确定过滤时间、过滤比两个方面进行优化选择。
（1）临界时间的确定。临界时间是针对一定污染度油液的独立过滤系统而言，当过滤时间达到，过滤系统的固体颗粒浓度不会随时间的改变而改变，这个时间就称为临界时间。临界时间对元件级的优化设计有一定的帮助，是对整个元件的优化设计有一定指导作用，对元件级的优化设计能顺利进行提供有力保障。
（2）基于Matlab的过滤比的优化选择。通过Matlab的过滤比进行优化选择，对液压系统产生的标准污染油液进行过滤比较。
2.2系统级优化与设计
根据液压系统目标污染度的要求，适当选择过滤管路及过滤器过滤精度，用于滤除系统自身形成的污染和外部侵入的污染，使油液的污染度控制在组件能耐受的污染限度之内。
（1）液压净化系统的布局。液压净化系统在实际使用过程中必须进行合理化地布局，布局采用多种方式，有时候多种方式进行合理布局，可提高过滤效果，增大系统的纳污量，减少清洗次数及延长液压系统的寿命。
（2）不同组合方式的过滤效果。通过实验进行验证，应用一种过滤方式过滤效果一般，通过多种形式与方式进行过滤能产生不同的效果，在工业实际生产过程中，经常选用多种组合方式进行过滤，其过滤效果是非常理想的，应用各种过滤方式的优势，达到一定效果。
3基于HyPneu的仿真验证
机械优化设计论文范文3
关键词：上肢康复训练机器人 青岛大学硕士开题报告范文 青岛论文 开题报告
一、 选题的目的和意义
据统计,我国60 岁以上的老年人已有1.12 亿。伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，与之相对的是通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高，因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。
目前世界上手功能康复机器人的研究出于刚起步状态，各种机器人产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器人的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。
目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题：康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。本课题针对以上问题，采用气动人工肌肉驱动的手指康复训练机器人实现手指康复训练的多自由度运动，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性，且具有体积小，运动的强度和速度易调整等特点。
课题的研究思想符合实际国情和康复机器人对系统柔顺性、安全性、轻巧性的高要求 。它将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研究一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健。
综上所述，气动人工肌肉驱动手指康复训练机器人的设计是气压驱动与机器人技术相结合在康复医学领域内的新应用，具有重要的科学意义。
二、 国内外研究动态
2.1 国外研究动态
美国是研究气动肌肉机构最多的国家，主要集中在大学。
华盛顿大学的生物机器人实验室从生物学角度对气动肌肉的特性作了深入研究，从等效做功角度建模，并进行失效机理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射运动控制研究。
vanderbilt 大学认知机器人实验室(cognitive robotics lab, crl)研制了首个采用气动肌肉驱动的爬墙机器人，并应用于驱动智能机器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。
伊利诺伊大学香槟分校的贝克曼研究所对图像定位的5自由度soft arm 机械手采用神经网络进行高精度位置控制和轨迹规划。亚利桑那州立大学设计了并联弹簧的新结构气动肌肉驱动器，可以同时得到收缩力和推力，并与工业界合作开发了多种用于不同部位肌肉康复训练的小型医疗设备。
英国salford 大学高级机器人研究中心对气动肌肉的应用作了长期的系统研究，开发了用于核工业的操作手、灵巧手、仿人手臂以及便携式气源和集成化气动肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的远程控制。
法国国立应用科学学院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了气动肌肉的动静态性能和多种控制策略，目前正在研制新型驱动源的人工肌肉以及在远程医疗上的应用。
比利时布鲁塞尔自由大学制作了新型的折叠式气动肌肉用于驱动两足步行机器人，实现了运动控制。
日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又发明了多种不同结构的气动肌肉。德国festoon 公司发明了适合工业应用的气动肌腱fluidic muscle，寿命可达1000万次以上，同时还对气动肌肉的应用作了许多令人耳目一新的工作。英国shadow 公司研制了目前世界上最先进的仿人手。美国的kinetic muscles 公司与亚利桑那州立大学合作开发了多种用于肌肉康复训练的小型医疗设备。
lilly采用基于滑动模的参数自适应控制策略，实现了单气动肌肉驱动的关节位置控制。
2.2 国内研究动态
自20 世纪90 年代以来，我国陆续开始了气动肌肉的研究。
北京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研究，分析了其非线性特性、橡胶管弹性及其自身摩擦对驱动模型的影响，并应用于五连杆并联机构，通过刚度调节实现柔顺控制。
上海交通大学的田社平等运用零极点配置自适应预测控制、非线性逆系统控制以及基于神经网络方法，实现单自由度关节的快速、高精度位置控制。
哈尔滨工业大学的王祖温等分析了气动肌肉结构参数对性能的影响、气动肌肉的静动态刚度特性以及与生物肌肉的比较，提出将气动肌肉等效为变刚度弹簧，设计了气动肌肉驱动的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反馈数据手套和6 足机器人，采用输入整形法解决关节阶跃响应残余震荡问题。
北京理工大学的彭光正等先后进行了单根人工肌肉、单个运动关节以及3 自由度球面并联机器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神经网络等多种智能控制算法，并设计了6 足爬行机器人和17 自由度仿人五指灵巧手。
哈尔滨工业大学气动中心的隋立明博士也通过实验得到了气动人工肌肉的一个更简洁的修正模型和经验公式并对两根气动人工肌肉组成的一个简单关节系统进行实验建模和采用位置闭环的控制方法进一步验证气动人工肌肉的模型。
上海交通大学的林良明也对气动人工肌肉的轨迹学习控制进行了仿真研究给出了学习的收敛性的初步结论为下一步的学习控制奠定了基础。其中田社平通过对气动人工肌肉收缩在频率域上的数学模型并对它的结构及其静动态特性进行了理论分析建立了相应的静态力学方程。
2003年付大鹏等，以机械手抓取物体为分析对象，采用矩阵法来描述机械手的运动学和动力学问题，以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础，将运动、变换和映射与矩阵计算联系起来建立了机械手的运动数学模型，并提出了机械手运动系统优化设计的新方法，这种方法对机械手的精密设计和计算具有普遍适用意义。
2005年车仁炜，吕广明，陆念力对5自由度的康复机械手进行了动力学分析，将等效有限元的方法应用到开式的5自由度的康复机械手的动力分析中，这种方法比传统的分析方法建模效率高、简单快捷，极其适合现代计算机的发展，的除了机械臂的动力响应曲线，为机械手的优化设计及控制提供理论依据。
2008年北京联合大学张丽霞，杨成志根据拿取非规则物品的任务要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手，手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式,对实用型仿人机器手的机构设计有参考意义。
2009年杨玉维等人对轮式悬架移动2连杆柔性机械手进行了动力学研究与仿真，。采用经典瑞利.里兹法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题， 综合利用拉格朗日原理和牛顿.欧拉方程并在笛卡尔坐标系下，以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型并进行仿真。
2009年罗志增，顾培民研究设计了一种单电机驱动多指多关节机械手，能够很好的实现灵巧、稳妥的抓取物体，这个机械手共有4指12个关节。每个手指有3个指节，由两个平行四边形的指节结构确保手指末端做平移运动，这种设计方案很好的实现了控制简单、抓握可靠的目的。
从目前来看，国内对气动人工肌肉的研究仍处于刚起步的阶段。有关气动人工肌肉的研究与国外还有相当的差距对气动人工肌肉中的许多问题，还没有进行深入的研究。此外，采用气动人工肌肉作为机器人驱动器的研究还不成熟。
三、 主要研究内容和解决的主要问题
目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题:康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。为此，课题主要研究内容：设计一种结构简单，易于穿戴，并且安全、柔顺、低成本，使用方便的气动手功能康复设备。对气动手指康复系统进行机构运动学分析、用mat lab软件对康复训练机器人的康复治疗过程的力位信息进行仿真分析。
要实现上述的目标，系统中需要着重解决的关键技术有：
(1)基于已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分的设计，对手指康复训练方法分析和提炼。 主要包括：人手部的手指弯曲抓握动作分析，气压驱动关节机构自由度的优化配置。使机械手能够实现手指的弯曲、物体的抓握等手部瘫痪患者不能实现的动作。
(2)对机器人机械机构的运动学分析。主要包括：气压驱动的手指关节外骨骼机械机构的运动学分析。
(3)机器人机构的力位信息仿真。主要包括：用mat lab软件进行机器人气压驱动终端的力位信息 仿真。
根据总体方案设计以及工作量的要求，外附骨骼机械手系统是上肢康复训练机器人的一部分，本文主要是研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。
四、论文工作计划与方案
论文工作计划安排：
2010年9月——2011年6月准备课题阶段：
主要工作：学习当今最先进的机器人设计技术;学习用matlab软件进行计算仿真及优化，查阅国内外的资料，对康复机械手作初步了解。
2011年7月——2011年9月课题前期阶段
主要工作：课题方案设计，拟写开题报告，开题。
2011年10月——2012年7月课题中期阶段
主要工作：开始具体课题研究工作，根据已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分设计，对手指康复训练方法分析和提炼。研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。
2012年8月——2012年12月课题后期阶段
主要工作：对手指康复机器人进行模拟仿真，对设计进行优化，并在此基础上进一步完善课题。
2013年1月——2013年4月结束课题阶段
主要工作：整理相关资料，撰写论文，准备进行毕业论文答辩。
2013年5月——2013年6月论文答辩阶段
主要工作方案：
1. 完成学位课与非学位课学习的同时，进行市场调研，对手指康复机械手作初步了解。
2. 查阅资料，了解气动手指康复机器人的国内外发展现状。
3. 分析已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构的部分设计。
4. 对现有手指康复训练方法设计进行分析和提炼，分析其优缺点。
5. 开始具体设计工作。
机械优化设计论文范文4
[关键词]农业 深松技术 参数化设计
中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）27-0025-01
土壤深松作业是指运用大型拖拉机牵引深松机具进行行间（行间距为40～60cm）或全方位深层土壤耕作的机械化整地技术。土壤深松作业是农业耕作技术领域的一种全新的耕作模式，深松机是保护性耕作机具之一， 深松后的土壤具有明显的蓄水保墒和增产增收效果。采用深松技术是我国旱作地区农业持续发展的重要途径， 但国内现有的深松机工作阻力和能耗都较大。
1.研究的背景和意义
1.1 我国耕作现状
我国是人口众多的农业大国，传统的耕作方式越来越不适应现代农业的发展需要。在传统农业的耕作制度下，旱作农业耕地的土壤侵蚀严重，耕地退化、沙化严重，从而造成土壤蓄水、储肥等能力降低，进而造成农作物产量的大幅度降低。特别是近年来，伴随着气候的变化、反常，如沙尘暴、厄尔尼诺现象、拉尼娜现象等，在很大程度上限制了我国旱作农业的发展以及该地区农作物的产量，造成了巨大的损失。另外，由于受不同地区土壤湿度、容重、硬度等土质因素及地表植物的影响，造成土壤比阻不同，而且犁底层深度也不尽相同，这就使得同一种机具无法在不同地区通用。
1.2 深松机研究现状
相比较发达国家而言，国内深松机具的研制起步较晚，主要研究领域为振动式深松机振动机理及应用效果的研究、深松铲铲形的设计与优化、对于深松机缠绕堵塞问题的解决、深松机工作状态与受力分析等。目前，国内的深松技术也取得了很大进展。全方位深松技术是在传统耕作技术基础上改进形成的一种新的耕作方法，它能够增加土壤的孔隙度，加快土壤空气和大气的交换，使土壤微生物活动旺盛，达到作物增产的显著效果。在设计方面，国内也开始采用现代优化手段对深松整地作业机械进行优化，并取得了较好的效果。但这些设计大多是针对某一部件（如深松铲）或某些运动参数的设计与优化，没有一种针对保护性耕作的深松整地机械的整体设计，也没有形成系列化和参数化，应用范围较窄。
1.3 研究内容及方法
本研究采用理论分析与试验相结合、传统设计与现代设计相结合的方法，设计了一种加装碎土辊和圆盘刀的振动式深松整地联合作业机。借助于CAD和Pro/E技术完成二维图形的绘制和三维建模，运用有限元理论，借助有限元分析软件对设计进行模拟和仿真，并利用Pro/E软件的二次开发技术完成关键部件的参数化设计。随着现代设计方法的广泛应用与软件的迅猛发展，可以直接进行三维建模，然后对实体模型进行仿真、虚拟装配、形态和模态分析等，确定设计是否满足要求。然后，再通过三维建模软件直接生成二维平面视图。
2.深松部件总体方案设计与优化
2.1 需求分析
随着国家对深松作业的扶持政策力度不断加大。深松技术越来越得到国家的重视，深松机械将有着广阔的市场。传统铧式犁翻耕使得土壤结构和地表植被遭到破坏，从而使其缺乏抵抗灾害的能力。深松是传统翻耕的替代技术。传统的铧式犁翻耕作业后土壤，地表无覆盖物，在遇到雨水冲刷时会形成地表径流，造成水土流失，遇到大风时会形成扬沙等环境危害。而深松作业则很好地避免了上述缺点，深松后地表覆盖良好，犁底层被打破，在耕层和犁底层形成了虚实相间的土壤构造，能起到“通水通气”的作用，有利于作物根部向下生长，促进作物早熟高产。但与深松机不断增长的市场需求相比，国内深松机种类较少，机型较为陈旧。深松由于存在上述需求，设计一种高效节能，符合保护性农业作业要求的深松整地联合作业机，既是现实生产发展的需要，也是生态环境保护的需要。
2.2 深松机铲柄的优化设计
铲柄存在的主要问题是下端螺孔处受力较大，有失效的可能性，所以优化的目的是在螺孔处的受力突然增大时，不会对深松铲柄造成破坏。
优化方案1：考虑到螺栓组联接将减少单个螺栓的受力，决定增加固定孔个数，将深松铲柄固定孔个数有两个增加到六个。这种改进方法部分减少了深松铲柄最下端螺栓孔的受力，但距离铲柄旋转中心最远的两个螺栓受力依然很大，较多的螺栓孔也降低了深松铲柄的强度，无法有效保证铲柄的失效。
优化方案2：为了避免铲柄上某处应力出现远大于其他区域的情况，将深松铲柄采：用无孔固定的方式。这种固定方式下深松铲柄的受力会有所减小，最大应力为下端 U 型螺栓处所受到的压应力，其大小为 194MPa，这种受力方式仍然不能保证铲柄在受到较大冲击载荷的情况下不发生变形、断裂等破坏。
优化方案3：这种方案改变了前两种改进设计的思路，将改进的重点脱离了铲柄本身，即将原设计的深松铲柄下端的紧固螺栓改为安全销。同时为了保证深松机在工作过程中不会因机座对铲柄的夹持不牢而产生横向晃动，可将机座护板与铲柄的重合面积适当增大。综合比较以上三种优化形式，可以发现优化方案3对深松铲的结构改变不大，却能够有效的避免深松铲柄因受到载荷过大而损坏。
3.深松机机架的优化设计
对机架的优化主要体现在以下两个方面：增加斜拉杆的厚度，以减小接触点的拉应力。将斜拉杆厚度由30mm增加到50mm，使得斜拉杆与上悬挂点之间的接触面积有较大的增加，从而增加受力最大点的强度。适当减小机架前后横梁的管壁厚度。机架管壁厚度过大，不仅使得机械笨重，而且造成一定的资源浪费，再考虑到载荷的情况下，将原机架管壁厚度由10mm减小到8mm。优化后机架的受力更加均匀，最大应力点应力由 226MPa减小为136MPa，有效地避免了在载荷增大的情况下危险点断裂的可能性。
4.结论
论文以深松机关键部件――深松铲铲头、铲柱和连接装置为研究对象，运用现代设计方法，将经验设计、三维造型与有限元方法有机结合。基于相关经验和理论，通过多方案比较，确定了整机方案：深松类型为行间深松，减阻方案为自激振动;防堵方案：安装破茬装置，深松铲均匀安装在单梁上。确定了关键部件的设计方案。依据有限元分析结果，对深松铲柄和机架的结构尺寸进行了结构优化，缩小铲柄下端固定孔径，增加机架斜拉杆强度。并针对实际生产中铲柄易损坏、入土角不可调节等问题，对深松铲固定装置进行重新设计，使其具有了入土角调节和过载保护功能。
参考文献
[1]柏雪源，程卫东.1998.国外几种新型深松机具的研究.农机与食品机械，4： 34-35.
机械优化设计论文范文5
拓扑优化 形状优化 精密铸造 后悬置支架 有限元分析
论文摘要: 本文主要阐述借助于Alatir公司的Hyperworks结构优化软件，对精密铸造产品进行结构优化设计，且以对某汽车驾驶室后悬置支架的结构优化为例，着重介绍了拓扑优化和形状优化在精密铸造产品结构设计上的应用方法及功能。事实表明拓扑优化和形状优化的联合应用，对精密铸造产品的结构设计起到非常关键的帮助作用，最后通过此软件对优化后的产品结构进行有限元分析，验证优化后产品结构的强度和刚度。
HyperWorks在精密铸造产品优化设计中的应用
一、引言
在当前的汽车工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是两个突出的问题，在传统的设计中，由于机械产品机构的复杂性，长期以来主要应用经验类比设计，对产品结构作定性分析和经验类比估算，在决定实际结构时，一般都取较大的安全系数，结果使得产品都是“傻”、“大”、“粗”，使材料的潜力得不到充分发挥，产品的性能也得不到充分的把握。所以传统的汽车设计思路已经不能满足当前设计的需要。汽车轻量化设计开始占据了汽车发展中的主要地位，它既可以提高车辆的动力性，降低成本，减少能源消耗又能减少污染。但是，简单的汽车轻量化设计却是一把双刃剑，它在减轻汽车重量的同时，也牺牲了车辆的强度和刚度，甚至对产品的结构寿命也产生影响，在此情况下，有限元分析方法在汽车设计中的合理应用就得到了充分体现，经过近几年的实践证明，Altair公司的有限元分析技术以及拓扑优化技术在汽车行业获得了非常成功的应用。特别是对于一些结构复杂的汽车铸造结构件，Hyperworks 的有限元分析技术、拓扑优化和形状优化技术的推广使得材料的潜能及铸造的优势得到了充分的发挥。
本文将详细介绍利用Hyperworks的拓扑优化和形状优化技术对东风商用车驾驶室后悬置支架进行减重优化设计的应用过程。以及如何应用Hyperworks验证改进结构后的应力和应变情况，使该后悬置支架减重优化后的结构能够满足产品的使用性能和铸造工艺性要求。
二、有限元法的概念和优化设计流程确立
2.1有限元法和有限单元的概念
有限元法又称有限单元法，是结构分析的一种数值计算方法，它随着计算机的发展而应运而生，并得到了广泛应用，目前已成为工程数值分析的有力工具。在实际工程应用中，我们首先把CAD模型分割成有限个实体或者壳单元。一般作为实体单元所适合的结构，是具有三维形状变化的物体，不太适合棒状、平板状的物体。实体单元是利用3D-CAD所作好的实体模型，能够拿来就能作有限元模型处理，这一点非常方便。 但是用实体单元制成的模型，因为节点数往往较多在分析时务必注意计算机磁盘用量和计算时间。
另外从实体单元能够把三维图形原封不动地适用于结构分析的模型上这一点来说，对于结构复杂的零件，采用实体单元是很好用的单元。实体单元有六面体、五面体、四面体，在用自动生成的情况下使用四面体较多。从分析精度而言，使用六面体为好，自动生成的三维形状也有必须限制用于六面体的等等，五面体单元在评价应力时尽量不使用此方法为好。壳单元有三角形和四边形单元，对于板单元尽量使用四边形单元，对于实体单元尽量使用六面体单元。使用三角形或四面体单元与使用四边形或六面体单元时相比有使结构增加刚性的模型化倾向。在本文我们所做的驾驶室后悬置支架的优化计算中，由于结构和受力状况的复杂性，我们采用实体单元与壳单元相结合的划分方法。
2.2 确立优化设计流程
在利用Hyperworks软件做优化分析时，通常的流程是首先读入CAD模型，然后划分网格，添加边界条件，设置优化分析模型参数。优化分析模型一般是由目标函数、约束条件、优化设计变量三个方面组成，借助于Hyperworks软件的OptiStruct模块，对于后悬置支架的轻量化设计，在现有的计算机条件下可以很方便的实现。首先，在轻量化分析过程中，一般选取优化设计变量为支架的体积的减少量，然后采用传统的拓扑优化方法，将总体的应变能作为目标函数。在本次后悬置支架的优化分析中，主要采用OptiStruct模块的拓扑优化和形状优化。首先，拓扑优化可以获得一个最佳的结构布局——即最佳的材料分布；然后在这个最优结构布局的基础上按照实际设计需求形成一个新的设计方案，并反馈到CAD软件中，形成新的CAD模型，最后应用更仔细的形状优化工具，同时添加适合铸造的约束条件，得到最有效的细节设计方案。
图(1)代表了该后悬置支架的简单优化设计流程，从最初的模型导入，以及之后的约束条件与目标函数的设定，同时包括制造工艺参数的设定，最后通过形状优化得到的最终设计方案。
根据优化需求，将三维模型
进行非安装部位的材料填充
导入三维模型
图（1）拓扑与形状优化流程图
三、 有限元模型建立和边界条件确定
3.1有限元模型建立
3.1.1后悬置支架原始结构分析
由于驾驶室后悬置系统布置方式比较复杂，整个驾驶室后悬置系统由安装于浮动横梁上的左右各一个橡胶缓冲块支撑，两个悬置支架对称的垂直立于车架大梁上，中间用一弧型横梁连接，在悬置支架的两侧对称的布置两个筒式减震器，而本文所要优化分析的后悬置支架是整个系统中受力最为复杂的关键零件。该零件在原始设计中，由于整个机构的复杂性，对产品的性能未能充分把握，在进行设计时只能作定性分析和类比估算，确定实际结构时，选择的安全系数过大，致使设计出来的产品结构过于笨重，粗大，缺乏美观。另外，由于对实际的受力点未能牢牢把握，导致结构材料分布不够均匀，铸造工艺性较差。原始结构见图（2）
图（2）原始结构模型图
3.1.2 有限元网格划分
有限元网格划分是进行有限元优化分析至关重要的一步，有限元分析的精度和效率与网格单元的密度和几何形状有着密切的关系，并且有限元网格划分的好坏，对后续数值计算结果的精确性有着直接的影响，它不但涉及单元的形状及其拓扑类型、单元类型还有选择什么样的网格生成器、网格密度的定义、单元的编号以及几何体元素等等。所以在实际应用中，选择合理的网格单元对整体模型的分析有重要的影响。根据上述介绍，结合后悬置支架结构的复杂程度以及优化分析的要求，对其采用实体单元网格划分，同时，在非干涉和装配部位进行必要的材料填充；另外，对分析过程中涉及到的弧形横梁因结构简单，属于简化梁结构，故采用壳单元的划分方式。
具体网格划分见图（3）
后悬置支架
弧型横梁
图（3）有限元网格模型
其节点数和单元数见表（1）
表（1）后悬置支架及横梁的节点与单元数
3.2 确定边界条件及设置优化参数
3.2.1 确定边界条件
由于驾驶室后悬置系统是以垂直方式布置，在车辆高速行使时，路面通过悬挂系统传递到驾驶室的冲击，发动机、传动系传递到驾驶室上的振动，以及侧向减振器所带来的瞬时冲击，是我们分析时主要考虑的因素。
计算时考虑驾驶室受垂知方向4G（瞬时），侧向2.5G（稳态）的冲击，同时对支架底端与车架大梁连接处用螺栓固定，该产品受力工况及约束条件如下图（4）所示
图（4）后悬置支架受力工况
3.2.2材料属性及性能参数
该后悬置支架采用ZGD410-700制成，其材料参数如表（2）所示。
表（2） 车身后悬置支架材料参数
四、拓扑优化和形状优化
4.1车身后悬置支架的拓扑优化
拓扑优化就是在产品初时设计阶段，利用优化计算得到满足设计要求的结构外形，并且可以返回到CAD，进行详细的结构设计，然后再利用形状或尺寸优化调整细节，最终得到满足要求的设计方案。对于这个后悬置支架的拓扑优化，主要问题是怎样使支架结构合理布置，以及如何最好的模拟支架所受的垂直载荷和侧向载荷。
在本次拓扑优化过程中，采用后悬置支架与横梁整体分析，但对后悬置支架单独优化的方式，这样获得的结果更趋近于真实的情况。由于拓扑优化对加强筋及凸缘刚度的敏感性较高，因此在采用传统的拓扑优化方法，定义设计变量时，将体积和应变能作为目标响应，设计空间的体积减少量作为优化的约束条件，总体的应变能作为最终的目标函数，这里的总体应变能不仅包括设计空间的应变能，同时也包括非设计空间的应变能。 最后，根据拓扑优化结果云图，返回CAD模型，结合精密铸造工艺，尽可能的凸出筋骨，减少大平面，在遵循实体最小原则下重新进行三维设计造型。优化云图及结构优化方案见图（5）
拓扑优化云图（一）
拓扑优化云图（二）
结构优化方案
图（5）拓扑优化云图和结构优化方案
4.2 车身后悬置支架的形状优化
根据以上拓扑优化结果，确定了一个在给定载荷条件下满足设计要求的最佳结构布置方案，在此方案的基础上，对后悬置支架进行细节优化——形状优化，在形状优化中，同时要考虑结构应力和屈曲变形。理论上为了突出筋骨，保持整个结构布置的均匀化，同时减少局部应力的集中，我们只对该有限元模型做局部形状优化，如图（7）所示，这样就避免整体优化时间上的浪费。
图（7）
为形状优化建立了有限元模型之后，我们要将适合铸造的工艺参数、应力标准和屈曲要求作为形状优化的设计约束，将质量最小化设为设计目标函数，对于应力约束，设计约束不允许该处的最大应力超出材料的屈服极限，同时在实际优化过程中，该处结构的厚度只能要求向内侧移动，高度只能向上移动。最终经过形状优化后结构见图（8）所示：
图（8）形状优化后最终结构图
五、结构验证与对比分析
经过拓扑优化和形状优化，我们最终得到了较为理想的设计方案，为了验证该优化方案的可靠性，特对此机构进行有限元分析计算，同时对用传统的经验类比方法设计的优化方案进行分析对比。用传统经验类比方法设计的方案如图（9）
图（9）传统优化设计方案
结合实际受力情况对传统优化设计方案和拓扑优化方案分别做有限元验证分析，应力云图见图（10）
传统优化设计方案应力云图
拓扑优化方案应力云图
图（10）方案验证应力云图
由以上分析可知，传统优化设计方案最大应力高达726MPa，出现在台肩处，而拓扑优化方案的最大应力虽然达到576MPa，但是位置出现在弧型横梁上，与传统优化设计方案相比，相同位置的最大应力由710MPa减少到216MPa。其对比参数见表（3）：
表（3）优化前后结构性能对比
六、结束语
经过上述优化方案的对比，我们可以很清楚的看到，利用传统的优化方式和利用Hyperworks的拓扑和形状优化方式的差别，虽然重量相差不多，分别下降了35%和35.5%，但是在同种工况作用下，传统方式优化的产品结构多处应力超出材质屈服极限，且最大应力达到了726MPa，远远超出了材料的屈服极限，在使用过程中很容易就发生断裂；而采用Hyperworks的拓扑和形状优化方式优化的产品结构最大应力只有230MPa，低于所使用材质的屈服极限410MPa，且同一部位由传统优化结构的710MPa减少到218MPa，同比强度增加了2.65倍，刚度增加了1.27倍，并且优化后的产品结构更适合于铸造工艺。
由上述可知，车身后悬置支架的优化设计验证了HyperWorks软件的OptiStruct模块在精密铸造产品的成功应用，说明了此技术在工业制造中具有非常优秀的特点，打破了生产单位不能独立改善产品结构的历史。随着工业产业的发展，OptiStruct的优化概念将会被越来越多的人接受并有效运用，届时它将真正成为产品结构设计工程师的左膀右臂。
参考文献
1、张国瑞 有限元法 北京 机械工业出版社 1991
2、刘惟信 机械最优化设计（第二版） 北京 清华大学出版社 1994
机械优化设计论文范文6
（厦门理工学院 机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024）
摘 要：为了培养卓越人才的创新创业能力，以项目为主线、教师为主导、学生为主体，通过项目驱动能力培养，同时为产品衍生项目。让学生在工程实践项目的研发过程中培养发现问题、分析问题、解决问题的能力。实践证明，项目驱动方式更容易激发学生的创新创业能力。
关键词 ：创新创业；实践教学；项目驱动
中图分类号：G644文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）08-0244-02
基金项目：福建省教育科学“十二五”规划项目重点课题（No。 FJJKCGZ14-066）； 厦门市教育科学“十二五”规划2014年度立项重点课题（14003）
1 引言
作为一所亲产业大学，我校一直注重学生创新能力的培养，强化“关产业痛痒、应产业所求、纳产业精华、为产业服务”的亲产业办学理念，树立“面向工业界、面向未来、面向世界”的工程教育宗旨，以海西工业企业的发展需求为导向，通过与先进企业开展“互利双赢”的校企合作，共建以实际工程为背景、以工程技术为主线的卓越工程师联合培养体系，着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。
特别是我校作为卓越工程师试点培养高校，坚持以学生为本，知识、能力、素质协调发展的理念，紧密结合地方经济发展的实际需要，秉承我校“知行合一 工学结合”人才培养模式，构建以就业为导向的实践性、创新型、应用型人才培养体系，为机械行业培养定位清晰、特色鲜明、创新素质高、动手能力强、勤劳务实的高级专门人才。
2 学科竞赛与创新实验项目结合，创新创业有机结合的教学体系
建立了与地方业界共建多赢的长效机制。各专业组建了有业界精英和外校专家参与的专业建设指导委员会，每年还聘请企业技术、管理骨干来校兼课、指导实习和毕业设计（论文）。如图1所示项目驱动下创新创业能力的培养体系，形成多种校企合作模式。学校现已形成三种校企合作模式：一是共建实验实训场所，如PLC控制实验室、全自动机械手研发实验室、数控技术实验室等。二是项目带动人才培养，如全液压干冰成型机、威盛叉装车工作装置研制等，人才培养；三是共建校外实践基地，如松霖科技、厦工机械、东风汽车股份有限公司、冠捷科技有限公司、路达科技有限公司、林德叉车等一批知名企业，在实践环境、工程项目和指导力量等方面，为学生开展实践活动提供条件。
3 创新创业实践教育
为了把创新创业教育落到实处，在实践教学中，为学生开辟设计型和综合型的实验，在项目的带动下进行实验教学；充分结合学科竞赛，锻炼和培养学生的独立的创新创业能力。
实践教学目标并结合自己的研究方向和课题引入项目的内容并将项目合理地分成若干教学模块（子项目、任务），以“项目为主线、以完成任务为‘驱动’、教师为主导、学生为主体”，充分利用各种先进的教学手段和方法，创设任务情境，为学生提出由表及里、循序渐进的学习途径，充分调动学生学习的积极性，让学生在完成任务的同时掌握最新的、实用的专业知识并充分利用课程设计、生产实习、毕业设计等环节，让学生连贯起来获得实际工程项目的从分析、设计到实现的完整过程的训练给学生提供参与科研项目的机会，划分部分任务让学生完成，使学生能够理论联系实际，激发学习兴趣，提高学生动手能力。如图2所示。
让学生参与各项机械创新设计大赛、无碳小车比赛、挑战杯、方程式赛车等具体项目中来。它以学生主动性学习为基础，要求学生当主角、由学生通过实际动手操作、解决实际工程问题的实践来学习优化设计知识和技能。它给学生的主动性更大，使学生通过自身的经历了解优化过程的行进，在设计具体实例的过程中主动地去学习优化知识，从而学会运用优化知识。鼓励学生参加各种竞赛如挑战杯赛，机械创新设计大赛，无碳小车比赛、挑战杯、方程式赛车比赛、电子创新设计大赛和机器人大赛等，强化、培养学生的创新意识、创新能力、工程意识以及科研开发能力。向学生开放实验室，提供良好的实验条件，让学生动手实践，达到理论与实践交融的教学目的。
4 效果与特色
学生在创新实验项目中，根据自己的兴趣爱好制作小型产品。在机械创新设计大赛中学生的工程实践能力得到了很大的提升，如图3所示在机械创新设计大赛中设计的教学用箱式全息投影仪及自动伸缩桌子。特别是学生在参与实践项目的设计研发过程中，把所学的知识应用到工程实践中解决问题，跟着工程师和老师学到了很多书本上或课堂中老师没讲的知识，如图4、5所示学生在现场进行工程实际项目的研发及产品的调试工作；同时从实践工程中检验自己所学的理论知识。学生发现在学校所学的理论知识要应用到实践问题中，有很大的差距，如何灵活应用自己所学的专业理论知识来分析和解决实践问题，那才是最关键的。在这些实践过程中，同学们体会到了收获了成功的喜悦和自信，进一步激励他们参与到实践课题的研究中，这样不断的形成良性循环，激发学生的创新创业能力的培养。毕业跟踪调研发现：参与这类实践项目的学生，在工作中实践中发现问题、分析问题、解决问题的能力较强。所以很多用人单位提前主动联系高校，预定创新创业能力强的学生。图所示是学生根据自己在机械创新设计大赛中的产品，申请授权了相应的实用新型专利。
5 结论
创新创业教育需要高校的建立起长效的培养机制，并把每个教学实践过程落到实处，那学生的创新创业能力才得以激发和培养。让学生主动带着问题去学习，在解决问题的实践过程中挖掘和梳理理论知识。不到形成良性互动循环过程。
参考文献：
（1）林桂娟。《机械优化设计》课程的项目驱动式教学方法探讨[J]。赤峰学校学报（自然科学版），2014，（20）：256-257.
（2）以项目驱动的双主体教育模式在本科生导师制中的实施[J]。黑龙江高教研究，2013，31（7）：34-37.
