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1對于車床刀架轉盤零件進行三維建模
對于車床刀架轉盤的三維立體建模是通過度對各種方法的結合，制作出不同類型的三維物體形狀以及真實環境的過程。對于三維數字化工藝的設計是通過以車床刀架轉盤的模型為載體，在進行綜合的考慮制造資源以及對產品的制造工藝流程的基礎上進行定義，用來控制以及實現可視化表達零件的整個制造過程的數字化模型，從車床刀架轉盤的特征角度看，所有的產品零件都可以看成是通過一系列的簡單特征所以組成。對車床刀架轉盤零件的三維建模的過程中，也就是對很多特征進行疊加，或者是相交和切割的過程，三維工藝的建模過程就是對加工特征以及特征之間的關系進行組織的控制過程。通過對車床刀架轉盤零件的圖紙進行分析，運用相關的轉盤三維模型進行具體的繪制工作。通過打開三維模型的軟件，新建對話框進入車床刀架轉盤建模環境，再插入車床刀架轉盤的圖紙，進入草圖的環境進行相關的繪制工作，在進行回轉命令，進行對回轉特征的創建工作，再進行相似的方法繪制其他的零件草圖，然后進行零件相關的拉伸特征的設置，除了這些之外還要注意對車床刀架轉盤零件的細節特征創建。
2對于車床刀架轉盤的機械加工工藝規程的設計
2.1對車床刀架轉盤加工的要求進行分析
對車床刀架轉盤的零件圖進行詳細的分析，對相關的零件的尺寸精度以及位置精度的要求進行充分的了解，比如零件的表面粗糙度和燕尾導軌面以及對稱度等，相關的精度要求非常高，對相關的零件部位的精度要求分析可以看出導軌面是轉盤零件最為關鍵的加工表面。
2.2對車床刀架轉盤的零件圖的檢查
車床刀架轉盤的零件圖包括主視圖和俯視圖以及側視圖，通過采用局部剖視或者半剖視的方法，可以對轉盤零件結構表達的更加清晰以及對轉盤零件的布局更加的合理，注意對轉盤的有關尺寸進行標注，注意對相關的形狀精度以及位置精度進行詳細的標注，而且要保證標注的統一性以及完整性，確保轉盤零件符合國家的相關標準規定，通過對轉盤零件的各項技術要求的可行性進行確定，保證了轉盤零件設計的合理性，從而為轉盤零件的組織生產以及機械加工工藝技術做好充分的準備工作。
2.3對轉盤零件生產類型的分析
根據相關的公式以及企業的生產條件進行確定車床刀架轉盤的年生產量，結合車床刀架轉盤質量的分析，以及對加工工作各種零件的生產類型的數量和工藝的特征進行考慮，從而可以確定出車床刀架轉盤的生產類型為中批生產。
2.4確定轉盤零件機械加工的工藝流程
通過對轉盤零件的零件圖進行分析可以得出，轉盤長度以及寬度等的設計標準，還有轉盤高度的設計標準以及燕尾面的粗基準，對各端面根據相關的基準進行加工，再采用一面兩孔的定位方式進行加工其他的表面，從而確定出車床刀架轉盤的機械加工工藝的設計流程。
2.5確定相關的設計設備
通過對車床刀架轉盤的機械加工工藝的方案以及各種方面加工的方法進行分析，結合對車床刀架轉盤的最大輪廓尺寸和加工精度的考慮，進行對加工機床的選擇，以及對各種刀具和量具以及夾具的選擇。
2.6制定零件機械加工工藝的規程
通過對上文的論述結果的分析，進行車床刀架轉盤的機械加工工藝各項要求的制定，制定的車床刀架轉盤零件的機械加工工藝的規程是企業組織車床刀架轉盤進行生產工作的標準，是整個車床刀架轉盤機械加工工藝規程優化設計工作的重要環節之一。
3結束語
車床刀架轉盤的三維工藝項目能夠大大降低企業的成本，從而增加企業的經濟效益。企業的精益化生產才符合現階段時代的發展，才能夠緊緊跟隨智能化制造的步伐。在對車床刀架轉盤的機械加工工藝規程的優化設計過程中，要做好對于零件的分析以及研究工作，通過對車床刀架轉盤零件的機械加工工藝進行優化設計，制定好相關的零件機械加工工藝規程，才能縮短零件的生產周期，從而降低制造的成本以及提高了零件的精密度，對提高企業的勞動生產率以及降低勞動的強度都有著重要的作用。
作者:張克盛 單位:甘肅畜牧工程職業技術學院
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二、和諧在于共同元素的發掘
在建筑設計中我們經常見到：一是關注建筑本身，后去考慮環境的美化；另一種是在環境中去添加建筑，建筑難以融入環境之中。這兩種設計環境都難以實現空間的和諧統一。事實上，我們不能單純考慮建筑，也不能單純關注景觀，單方面追求和諧統一的想法都是不現實的。如何在具體是設計過程中貫穿景觀與建筑和諧統一的理念呢？這就需要我們去尋找建筑與景觀的最佳結合點，不能在設計中顧此失彼。只有去尋求景觀與建筑的結合點，從這個地方切入，才能夠尋找到建筑的靈魂。
為此，我們在進行單體建筑設計的同時，預先提出整體環境框架與要求，在分析基址環境、周邊環境、視域環境等因素的基礎上，提出系統的設計指導原則。尊重建筑周圍景觀對建筑風格、色調、設施的各種要求，在這些要素中去尋找景觀與建筑相通的地方，抓住這個點來貫穿建筑與景觀，讓建筑風格與環境風格相符、相稱，讓建筑成為景觀生態中的一個部分，融入到環境當中去。對于一些后加入進去的建筑，或者是一些改造的建筑，也要在環境允許的條件下進行調整，保持建筑與環境之間的整體性。
三、用建筑思想反照景觀設計
建筑不僅僅從屬于景觀，也是景觀的一部分，當建筑融入景觀后，其本身也是對景觀的一種改造。所以，建筑的設計不僅要考慮與景觀的融合，也要考慮對景觀的創造性塑造。讓景觀襯托建筑、用建筑改造景觀。
在實踐中，我們要以建筑的理念對待景觀設計，用建筑分析、決策、設計的方法來造就景觀美學。具體設計中，我們可以建筑技術拓展景觀空間，用技術來表現科學與藝術的結合。同時，用建筑思維解決景觀問題。城市中的建筑與景觀往往要面對許多制約，包括場地的限制、經濟的限制，在設計過程中，采用建筑的思維方式可以解決城市景觀設計中的很多制約因素，比如，在城市建筑密集地區，以彩色噴涂地面的方式劃分出進出的道路以及人行與車行的路線，既滿足道路的功能要求，也為高層居民提供了視覺對象。
四、關注自然與文化雙重生態
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機械結構虛擬優化設計是以計算機建模和仿真技術為基礎，集計算機圖形學、虛擬現實技術、機械動力學、有限元分析、優化設計等技術為一體，由多學科知識組成的綜合系統技術，是機械結構動力學設計技術在計算機環境中數字化、圖像化的映射。本文分析了機械產品虛擬動態優化設計的一般過程，以數控車床關鍵部件一尾架為例，建立了三維可視化的有限元CAE模型，通過對模型進行結構分析，實現該部件結構的動態優化。
1機械結構虛擬動態優化設計過程
機械產品虛擬動態設計的一般過程是:先建立滿足工作性能要求的產品初始CAD模型(初步設計圖樣)，然后對產品結構進行動力學建模和動態特性分析，再根據工程實際情況，給出結構動態特性的要求或預定的動態設計目標，按結構動力學“逆問題”方法直接求解設計參數，或按結構“正問題”分析法，進行結構改進設計，直到滿足預期性能設計要求，從而獲得一個具有良好靜、動態特性的產品設計方案，如圖1所示。結構動態設計的主要內容包括:
(1)建立一個切合實際的結構動力學模型;
(2)選擇有效的動態優化設計方法。
2機械結構建模分析及優化實例
以數控車床關鍵部件尾架為例進行研究。數控車床動態設計是在“正問題”處理方法的基礎上進行的，數控車床共有零、部件800多個，其中對整機結構性能影響大的零、部件主要有以下幾個:床身、主軸箱、尾架等。為使整機具有良好的動態性能，必須對關鍵部件進行優化。為此，應先建立數控車床主要部件的幾何模型和滿足其動力學特征的有限元模型，進行動態分析，根據動態分析的結果對原部件結構設計的薄弱環節進行動力學修改和結構分析優化，最終得到一個具有良好靜、動態特性的產品設計方案。
數控車床的尾架安置在床身的尾架導軌上，并可沿此導軌調整其縱向位置。尾架套筒的錐孔裝有后頂尖，用以支撐工件。由于尾架頂尖與主軸箱卡盤的同軸度直接影響著車床加工零件的精度，因此，尾架的結構是否合理對保證車床加工高精度很重要。
如圖2為尾架系統的有限元模型，考慮到實際情況，將尾架導軌與兩導軌座作為一體處理，尾架體與導軌之間以互為接觸單元為主，每個導軌座均布4個全約束點，系統共有單元7 049個。得到尾架系統前三階振型如圖3(a)，3(b)，3(c)所示。表1列出了尾架系統計算頻率及振型特性。
由分析可知，該尾架系統剛度很弱，相當于簡支梁，是整機結構中非常薄弱的部分。綜合新車床的布局，考慮鑄造工藝性，尾架的導軌直接與床身一體，優化后的尾架由上下2部分組成，如圖4所示，其有限元模型如圖5所示。
建立改進尾架的有限元模型，系統共有2 210個體單元，對尾架上下2部分禍合12個節點，前三階固有振型如表2所示。
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【Key words】pressure vessels；Stress Analysis；optimization；ANSYS finite element software
1 引言
隨著科技的發展，壓力容器在眾多工業部門中有著廣泛的應用，對壓力容器的要求也越來越高。以往的壓力容器及其部件的設計基本采用常規設計法，以彈性失效準則為基礎，材料的許用應力采用較大的安全系數來保障。由于設計偏于保守使得設計的容器比較笨重，且成本較高，材料有所浪費。
隨著工化設計朝著大型化，復雜化，高參數化方向發展，壓力容器部件越來越多的利用有限元壓力分析來完成。新的分析設計主要以塑性失效和彈塑性失效準則為基礎，比較詳細的計算了容器和承壓部件的應力，并利用大型有限元軟件ANSYS對壓力容器的壁厚及承壓進行優化設計分析。
2 典型壓力容器有限元分析
2.1 基于ANSYS的壓力容器有限元分析
在分析過程中壓力容器將空間問題平面化，有限元模型選取PLANE42單元。在ANSYS軟件中采用直接建模的方法，省略壓力容器的其他結構（如群座、螺栓等），并設定軸對稱選項，建立1/4軸對稱分析模型如圖2-2示。端部封頭對稱面各節點約束水平向位移，筒體下端各節點約束軸向位移，內壁施加均布荷載P=10Mpa.
2.1.1 對有限元模型施加邊界條件并求解
有限元分析的目的是了解模型對外部施加荷載的響應。在本例中，模型受到的荷載有內壓，外壓，重力以及支撐力，考慮到重力，外壓和支撐力相對內壓的影響而言作用甚小，可以忽略。因此只對內壁施加線荷載P=10Mpa，接下來進入求解處理器進行求解，獲得位移云圖及應力云圖，如圖2-1，2-2示。
圖 2-1 工作壓力為10 Mpa時的位移云圖 圖 2-2 工作壓力為10 Mpa時的應力云圖
圖中位移及應力大小分別采用不同的顏色表示，其中紅色表示位移及應力的最大值，藍色是最小值。從圖中可以看出位移的最大值出現在筒體下端，為1.2mm；應力的最大值出現在筒體與端部過渡的弧形處，最大值為95.7Mpa。
2.1.2 結果分析
圖2-1，2-2反映了筒壁受內壓作用后結構模型的位移、應力情況，從圖中可以看出：（1）由于受內壓作用，筒壁向外膨脹，模型為軸對稱圖形，所受的壓力是均布的，膨脹亦是均勻的，與預期相符；（2）筒壁沿軸向應力分布是不均勻的，應力最大出現在筒體與端部進氣管的過渡處。這是因為模型進氣管處尺寸發生了較大變化，導致應力集中，所以數值模擬結果是合理的；（3）通過對筒壁進行強度校核表明，當材料采用Q235-A時，壓力容器的最大應力值遠小于其許用應力（235Mpa），表明筒體的承壓空間還是有一定的提高潛勢的。
2.2 壓力容器承壓能力的分析
上述結果中表明該壓力容器的承壓空間還可以提升，故此對該模型分別施加線荷載P=5Mpa、15Mpa、16Mpa、17Mpa、18Mpa、19Mpa、20Mpa、25Mpa，分析其結果變化。圖2-3，2-4是模型的最大位移、最大應力值隨壓力的變化曲線圖。
從圖中可以看出：（1）位移和應力均隨著壓力的增加而變大，變化速率由大變小最后趨于平緩；（2）分析位移及應力的變化曲線表明，自開始加載到施加荷載15Mpa，其變化為線性變化，15Mpa到加載至25Mpa時，變化增長緩慢甚至趨于平緩。這與鋼材的力學性能有關：鋼材從加載到拉斷，有四個階段，即彈性階段、屈服階段、強化階段與破壞階段。從加載到某一定值時曲線呈直線變化是因為鋼材處于彈性階段，再繼續加載曲線出現平緩是因為鋼材進入屈服階段，產生塑性變形。所以也可以證明該有限元分析的可靠性；（3）從圖中易找出曲線從直線段過渡到平緩段的臨界點，即壓力15Mpa，此時該模型的最大位移為2.03mm，最大應力值為168Mpa（小于許用應力235Mpa）。
圖2-3 不同承壓下最大位移值的變化曲線 圖2-4 最大應力隨承壓的變化曲線
2.3 壓力容器厚度的優化設計
為了充分提高壓力容器的整體性能和材料的有效利用率，基于“塑性失效”和“彈塑性失效”準則，以板殼理論，彈性與塑性理論及有限元方法，根據具體工況，對壓力容器各部位進行詳細的應力計算及分析，在不降低設備安全性的前提下選取相對較低的安全系數，從而降低結構的厚度，使材料得到有效利用。
上述承壓15Mpa時該壓力容器的最大位移值為2mm，最大應力值168Mpa小于其許用應力235Mpa，故可以考慮變化筒壁厚度，使材料發揮最大強度。所以在臨界承壓15Mpa的作用下試將原筒壁厚度25mm變為20mm，21mm，22mm，30mm進行試算。下圖2-5、2-6為最大位移值、最大應力值隨筒壁厚度的變化曲線。
圖2-5 最大位移值隨筒壁厚度的變化曲線 圖2-6 最大應力值隨筒壁厚度的變化曲線
由圖可以看出：（1）在臨界承壓15Mpa下，容器的最大位移值、最大應力值均隨著筒壁厚度的增加而減小；（2）從最大應力值與筒體壁厚的變化曲線中可以看出，當壁厚為21mm時其最大應力值為231Mpa小于其許用應力。故此可以認為在臨界承壓下，該壓力容器的最優筒體壁厚為21mm，在此條件材料能發揮較高的強度。
3結語
本文采用ANSYSY軟件對壓力容器的位移、應力進行了較為詳細的分析，同時對壓力容器在滿足給定剛度和強度條件下進行厚度最小的優化設計。研究計算結果可以發現：
（1）壓力容器在受內壓時，筒體中間位置變形最大，最大應力則發生在端部進氣管與筒體的過渡處；
（2）在該給定容器的條件中，可以得到此容器的最大臨界承壓為15Mpa，此時的剛度、強度及應力均滿足要求；
（3）為了最大發揮材料的用途，在滿足給定強度和剛度條件下對該容器進行優化設計，可以得到其最優筒壁厚度為21mm。
同時也可以看出ANSYSY軟件對分析壓力容器的可靠性，有效性。很大程度上減少了設計成本和設計周期，也為更復雜的結構設計提供了新的方法。
參考文獻：
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目前針對工科專業的研究性教學而言，以“項目和課題研究為導向”的教學方式非常貼切現行教學改革的要求和趨勢。該教學模式可以將學習、研究、實踐有機地結合起來，充分發揮學生的主體作用，使學生能創造性地運用所學的知識和能力，通過自己的主動探索、主動思考、主動實踐，自主地發現問題、研究問題和解決問題。首先，教師在講課內容中要增加具體的工程實例，同時注重引導學生注意身邊的工程問題，鼓勵學生參與提煉工程主題，并將工程主題與教學重點內容結合起來。在進行項目研究方案的制訂與討論過程中，可以先介紹課題的來源、背景、研究需求和研究目標，讓學生以分組的形式去查資料，閱讀查文獻，了解目前的研究現狀及研究方法，制定課題的研究方案，引導學生展開課堂討論，并根據所學的知識提出解決問題的方法，這樣可以將抽象的理論與具體的工程背景結合，使抽象的工程問題變得豐滿有趣，從而強化學生的工程概念與背景。然后，將學生帶到企業，進入生產現場和使用現場，獲得對所研究課題的感性認識，掌握和了解課題實際存在的問題，形成教學與實際結合起來的課外教學方式，通過學生親身實踐、工程技術人員的介紹以及教師的深入分析，使學生對研究的內容和課題有較為深刻的理解，便于制定更為具體和合理的研究計劃。例如在對某型號的路燈燈桿進行強度與可靠性研究時，可以運用力學知識進行理論計算，再進行實際測量，最后進行優化設計，這一過程幾乎會涉及到機械設計類的所有課程。
三、在項目實施過程中鍛煉學生的實踐能力
對于工科的本科生和研究生而言，我們現在的人才培養非常重視專業知識的學習，畢業后學生可以掌握本專業系統的理論知識和一定的實踐能力。但很多畢業生在進入工作崗位后，往往還需要2～5年時間的重新學習與培訓，才能具備較好的工程素養，也才能獨立解決工程實際問題，從而造成企業人力與財力的浪費，使得企業在招聘人才時，首先考慮的不是學生的文憑和學習成績，而是工作經歷和工作經驗。近幾年本科教學大綱經歷了至少兩次修訂，修訂過程中已經注意到這個問題，并且正在進行較大幅度的改革，其主要做法是加大實踐性教學環節的比重，實行企業與學校的聯合培養模式，其目標就是在工程應用、生產實際中培養學生獨立思考與解決問題的能力。如果能夠讓學生參與到教師與企業合作的課題中來，在項目研究與實施的過程中，讓學生將學到的知識應用于解決具體的工程問題，就可以實現新大綱修訂的宗旨，滿足新大綱的要求。橫向課題是企業在生產過程中或客戶在使用過程中發現和提出來的技術難題，往往具有一定的難度，課題的研究也是一項系統工程，其研究成果可以直接提升產品質量，產生明顯的社會和經濟效益。所以首先需要對研究的對象進行全面的了解、分析、調研與查閱資料，包括設備的結構、功能、使用方法、產品質量的評估等，這方面的研究可以培養學生畫圖、識圖、查閱文獻的能力。確定了詳細的研究方案之后，就要進行課題的研究，該研究過程往往歷時幾個月，甚至一年以上。在此研究過程中，學生需要參與大量的研究工作，可以在教師的指導下將學到的系統知識應用于理論計算，通過對理論知識的復習和應用，了解理論研究的價值，加深對理論知識的理解；學生還可以從事實驗分析和實際測試，不但可以在實驗室對試樣進行試驗，進一步熟悉實驗室儀器與設備的使用方法和技巧，還可以到車間進行實際測量，掌握現代測試儀器的操作和使用，并在試驗和測試完成后，進行數據的處理工作；在試驗研究的基礎上，培養學生利用先進的計算機仿真手段進行優化設計，通過學習先進的三維設計軟件、有限元計算軟件等進行結構的改進設計研究工作，并將計算結果與實驗結果進行對比，及時了解優化設計的效果，從而達到研究的目的。讓學生深度參與課題的研究過程，一方面可以使學生獲得較為全面、系統的學習與訓練。對機械專業學生而言，可以對實驗應力分析、有限元分析、機械振動、機械結構的測試分析以及優化設計等現代設計類的重要課程和知識點有非常深刻的了解；另一方面還可以對企業的產品、要求、技術、研發甚至市場都有比較全面的接觸。這樣對畢業生就業而言，所提供的參與這些企業課題研發的經歷，對企業來說無疑具有極大的吸引力。最為關鍵的是，這些學生一旦進入相關行業，馬上可以發揮很大的作用，能夠獨當一面解決企業面臨的具體工程問題。
四、在項目成果的總結中提高學生的綜合能力
學生通過參與科研項目的研究過程，可以了解企業的技術改進與研發過程，可以應用到所學的很多知識，也可以掌握很多新的思想、理念、方法和研究手段，可以培養動手能力和創新意識，但更為重要的是還需要通過對項目的總結來進一步提升他們的綜合能力和素質。項目研究過程還包括對研究結果的總結，尤其是需要對照預期的研究指標進行分析與匯總，形成一系列的研究成果。這一過程可以提供學生撰寫總結報告、學術論文與專利的機會。相對于知識的學習和動手能力的培養，我們目前對這種能力的要求不是很高，甚至不作要求，一般總是認為本科生沒有能力獨立撰寫和發表學術論文。但實際上對很多學生來說，只要閱讀過一定數量的科技文獻，再經過一定的指導和鍛煉，加上教師的認真修改，本科生完全可以發表學術論文，甚至是質量較高的國際論文。相對于較為專業的學術論文而言，撰寫專利，尤其是實用新型專利或外觀設計專利，相對來說比較容易，只要鼓勵學生善于觀察、敢于思考、勇于創新，再加上一定的指導，應該可以完成專利的授權，這一點對將來學生在企業工作非常有利。目前所有大學都越來越重視大學生的第二課堂，對工科學校來說這是培養“卓越工程師”的主陣地，也是培養大學生創新意識和動手能力的主課堂，對拓展學生的綜合素質起到非常重要的作用。學生可以從參與的課題中提煉新的內容，作為大學生課外科技活動項目，也可以將研究成果進行整理，參加各項科技競賽活動，如“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽、機械設計創新大賽等。通過競賽調動學生的主動性、積極性、創造性，激發學生的潛能，展示學生的才能。
篇7
0引 言
齒輪作為在機械結構中經常用到的重要的傳動零件，其強度直接影響到整個機械結構的工作性能和壽命，然而在傳統齒輪設計中，齒輪的強度校核過程和設計過程主要是通過人工設計完成，計算繁瑣，設計周期長且難以實現優化設計。
本文采用有限元分析法對漸開線標準圓柱直齒輪進行接觸應力和齒根彎曲應力進行分析計算。并且在有限元分析中,對AYSYS[1]軟件進行二次開發，即應用了APDL[2]語言，自動實現了齒輪的參數精確建模 ，自適應網格劃分和有限元強度分析。
最后和傳統經典方法進行了對比分析,證明了本方法的準確性。具有實際操作性和推廣價值。
1.齒輪強度分析的基本要求
在機械專業中，減速機是主要的重要的傳動機構，而齒輪傳動是其中最常見的實現方式。因此齒輪零件的設計就顯得尤為重要。其中齒輪應力強度校核是齒輪結構設計的前提，只有相互嚙合的齒輪通過了接觸和彎曲強度校核計算，才能進行齒輪結構設計。當然相互嚙合的齒輪種類十分繁雜。這里我們為方便起見，只考慮漸開線標準圓柱直齒輪的問題。
傳統的應力強度校核計算十分煩瑣，需要查閱機械設計手冊中大量的數據（包括圖形和圖表）。而傳動機構中往往是多對齒輪嚙合，其中有一對不符合要求，整個計算就得重來，耗費了設計者大量的精力。
因此借助計算機及相應軟件完成對齒輪的優化設計十分必要。使用有限元分析軟件ANSYS對齒輪進行強度分析，可對齒輪的強度設計提供可靠的依據，實現變速器齒輪的計算機輔助設計，可以加快設計進程、縮短研制周期、提高設計質量。
本文應用了APDL，即ANSYS參數化設計語言（ANSYS Parametric Design Language），設計直齒圓柱齒輪模塊以及應用ANSYS有限元軟件進行有限元分析方面，做一些初步的探索。
2.問題研究的主要方法及實例
本文以ANSYS軟件為平臺，以直齒圓柱齒輪為實例，研究了在ANSYS環境下實現直齒輪精確建模和應力分析的方法，并與彈性力學和機械手冊的計算結果進行了比較。論文參考網。
2.1ANSYS軟件介紹
ANSYS是一個大型通用有限元軟件。在機械結構系統中.主要在于分析機械結構系統受到負載后產生的力學效應.如位移、應力、變形等.根據該結果判斷是否符合設計要求。
2.2 APDL介紹
APDL即ANSYS參數化設計語言（ANSYSParametric Design Language），用于自動利用參數（變量）創建模型。很適于在系統之上根據特定的需要進行二次開發。
2.3 漸開線直齒圓柱齒輪的參數化二維建模
本文以《機械設計手冊》[3]中第八章計算例題為實例。
漸開線圓柱直齒輪建模前的參數如表1所示：
篇8
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中圖分類號：TG457.23 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）25-0085-03
0 引言
機械優化設計是最優化方法與機械設計的結合，設計工具是計算機軟件及計算程序，設計方法是最優化數學方法。機械優化設計，就是在給定載荷及工作環境條件基礎上，在機械產品的性態、幾何尺寸關系或其他因素的限制（約束）的范圍內，根據設計要求及目標，選定設計變量、建立目標函數，并使其獲得最優值，設計出經濟可靠的機械產品。
換句話說，也就是在滿足一定約束的前提下，尋找一組設計參數，使機械產品單項或多項設計指標達到最優。機械優化設計因其目標函數和約束函數普遍呈非線性的特點，設計步驟為先根據實際的設計問題建立相應的數學模型，在建立數學模型時需要應用專業知識確定設計的限制條件和所追求的目標，確定設計變量之間的相互關系等，并使之滿足強度、剛度及運動學等約束條件。數學模型一旦建立，優化設計問題就變成了一個數學求解問題，應用優化理論，設計優化程序，以計算機為載體計算得到最優化設計參數。
美國可口可樂公司是全球最大的飲料公司，擁有全球市場48%的占有率，為降低生產成本，提升品牌競爭力，可口可樂瓶有一段優化設計的佳話，優化處理后的可口可樂瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響，僅此一舉就節省了可觀的材料費用，帶來了可觀的利潤。
近年來制造業轉型升級、國家推出“機器換人”工程，把機器人、高端數控設備的應用推向了，但基于機器人的RV減速器一直是個技術難題，直接影響到機器人的工作性能指標。
RV減速器產品在結構上由一級漸開線齒輪傳動和一級擺線針輪行星傳動串聯構成，漸開線齒輪傳動構成第一級傳動，擺線齒輪行星傳動構成第二級傳動。RV減速器是一款剛度最高、振動最低的機器人用減速器，能夠提高機器人工作時的動態特性，減小傳動回差，而且還具有體積小重量輕、結構緊湊、傳動比范圍大、承載能力大、運動精度高、傳動效率高等優點。
RV減速器廣泛應用在機器人、數控機床行業，傳統設計全由設計人員手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質量更小的指標要求下，希望能從一系列可行的設計方案中精選最優，傳統的設計方法做不到，因而有必要采用優化方法來確定其設計參數。
RV減速器優化設計要解決的問題，與其使用場合的具體要求有關。在保證傳動能力的條件下要求齒輪傳動及針擺傳動體積最小或質量最小；在要求較高時，需要優選齒輪的幾何參數使齒輪副具有形成油膜的最佳條件；優化齒輪傳動的慣性質量分配，以便最大限度地減少工作時間的振動和噪聲，以及傳動功率最大和工作壽命最長等。
對于不同類型的RV減速器，其優化設計具有各自的特點，設計變量一般選擇齒輪傳動的基本幾何參數或性能參數，如齒數、模數、齒寬系數、傳動比、螺旋角、變位系數和中心距等。
根據優化目標的不同，RV減速器設計可以有多種最優化方案，本文討論的是在滿足齒輪傳動強度、剛度和壽命條件下，使RV減速器轉矩最大、體積最小或質量最小。
基于RV減速器的機器人抓握機械手工況條件，8小時工作，正反轉，輕載平穩，空載起動，室內工作，使用壽命5年，在溫州職業技術學院工業中心單件生產，機器人機械手轉矩T3=20 N?m，轉速n3=5rpm，為優化設計對象，要求在保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度的條件下，獲得轉矩最大、體積最小、重量最輕的傳動裝置。應用MATLAB軟件優化工具箱對電機轉矩做最大值優化，即應用fmincon函數對電機轉矩的倒數求最小值優化，優化的目的是求出在轉矩最大的情況下，齒輪傳動體積最小，實際上就是求齒輪齒數的取值。因此以轉矩最大為優化目標，建立優化設計數學模型。
1 目標函數
①工作載荷計算功率P3。
因為T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上機器工作載荷系數K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②應用針擺傳動效率η2=97%，計算第二級針擺傳動功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③應用漸開線齒輪傳動效率η1=95%，計算第一級齒輪傳動功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④應用電機傳動效率η=99%，計算電機功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤計算電機轉矩。
因為RV減速器總傳動比為i=-Z2/Z1*Zb，則電機轉速為n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以電機轉矩為T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N?m
對于第二級針擺傳動，設計采用一齒差擺線針輪行星傳動，因此針齒齒數Zb必須為偶數，Zb用數學表達式來表達，即Zb=2*k，而10≤k≤50，則電機轉矩表達式為
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N?m。
所以，電機轉矩表達式有3個變量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表達式變為T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
機械手的工作要求是轉矩足夠大，而MATLAB軟件的fmincon函數只能進行最小值優化，所以對電機轉矩求倒數，對電機轉矩的倒數作最小值優化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目標函數f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非線性約束條件
①非線性約束條件1。
根據機器人抓握機械手工況條件、載荷條件，可以判定齒輪幾何尺寸不大，模數較小，初定為0.5或1mm；轉矩也不大，約為20N?m，電機轉矩理論上應該可以控制在1 N?m以內，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，則
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1
所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0構成非線性約束條件1。
②非線性約束條件2、非線性約束條件3。
RV減速器對總傳動比有范圍要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成兩個表達式，即
140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0構成非線性約束條件2、3。
綜上，非線性約束條件共3個，
1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0
3 線性約束條件
①線性約束條件1、線性約束條件2。
為使RV減速器偏心軸軸承與擺線輪之間的作用力不至過大，漸開線齒輪傳動中心距a應是針齒基圓半徑R的0.35～0.65倍，這個可歸為結構尺寸條件。
因為要設計出在轉矩最大前提下，體積最小質量最輕的RV減速器，必須使齒輪傳動的中心距最小，RV減速器的結構緊湊，所以初定針齒基圓半徑R=（30～40）mm，所以
a=（0.35～0.65）*R=（0.35～0.65）*（30～40）=（10.5～26）mm，取整后11≤a≤26。因為
a=1/2*m*（Z2+Z1），因為模數越小，齒輪的幾何尺寸就越小，所以模數取0.5，則
a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即
11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成兩個表達式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26構成線性約束條件1、2。
②線性約束條件3、線性約束條件4。
為使第二級擺線針輪行星傳動部分輸入轉矩不至過大，第一級漸開線齒輪傳動的傳動比必須控制為i≥1.5，但單級齒輪傳動比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成兩個表達式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0構成線性約束條件3、4。
③線性約束條件5、6、7。
小齒輪齒數的取值范圍8≤Z1≤20，展成兩個表達式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20構成線性約束條件5、6。
大齒輪齒數的取值范圍Z2≤100，即x（2）≤100構成線性約束條件7。
④線性約束條件8、9。
因為Zb必須為偶數，所以Zb用數學表達式來表達，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成兩個表達式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50構成線性約束條件8、9。
把9個線性約束條件寫矩陣表達式，即
-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11
0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26
1.5 * x（1）- x（2） ≤0
-5 * x（1）+ x（2） ≤0
-x（1） ≤-8
x（1） ≤20
x（2） ≤100
-x（3） ≤-10
x（3） ≤50
4 MATLAB編程
把上述計算過程編寫成MATLAB程序，應用MATLAB軟件優化工具箱對電機轉矩做最大值優化，即應用fmincon函數對電機轉矩的倒數求最小值優化，優化的目的是求出在轉矩最大的情況下，RV減速器中心距最小，實際上就是求齒輪齒數的取值。
該數學模型為3個設計變量、12個約束條件的多元函數最小值問題，采用MATLAB軟件優化工具箱求解最優結果，進行非線性有約束多元函數最小值計算，命令函數為fmincon，主程序如圖1，非線性約束條件如圖2，程序運行結果如圖3。
程序經過6次迭代計算，MATLAB計算優化結果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N?m。
5 數據優化處理
因為齒數一定為整數，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因為Z1
因為齒輪模數m=0.5mm，所以齒輪傳動中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，滿足初定的齒輪傳動中心距取值范圍11～26mm。
用優化處理的參數計算電機轉矩的最大值T=0.24 N?m。
6 比較與結論
RV減速器齒輪傳動原設計電機轉矩為0.2N?m，中心距為20mm，經過MATLAB軟件優化工具箱優化處理，電機轉矩增至0.24N?m，中心距降為15mm，滿足齒根彎曲疲勞強度條件和齒面接觸疲勞強度條件，在保證傳動能力的前提下減速器體積減少了約30%，效能非常可觀。
參考文獻：
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對于機械專業的畢業生而言，不僅要培養學生熟練掌握專業基礎理論知識的能力，還要注重培養學生的實踐應用能力、思維開創性和創新性等能力。所以“卓越工程師教育培養計劃”明確要求行業和企業必須要深度參與人才的培養過程，學校也要按照機械行業的通用標準來培養工程人才，同時要注重培養學生的工程能力和創新能力，以提高學生的工程應用能力和社會適應性。在機械工程專業的培養方案與計劃中，現代機械設計系列課程毫無疑問是與工程實際與工程應用聯系最為緊密的課程，也是將來對機械專業學生工程應用能力和社會適應性影響最大的主干課程，課程包括材料力學、工程力學、有限元分析、機械振動、機械設計、優化設計與理論、機械結構測試與分析等，這類課程不僅是機械工程專業本科生與研究生重要的專業基礎課和學習后續專業課的基礎，也是現代設計方法與工程技術的重要組成部分，更是非常重要的培養學生科研水平與實踐應用能力的系列課程。課程的培養方案、教學計劃以及教學方式嚴重影響機械專業學生的培養質量，也直接影響機械專業“卓越工程師教育培養計劃”的成敗與實施效果。
1 利用教學計劃修訂的契機完善課程體系的設置
培養方案和教學計劃是高校根據不同層次不同專業的培養目標和培養規格所制定的實施人才培養活動的具體方案，一般包括課程體系、教學計劃、課程教學大綱等，其核心是課程體系。高校在編制或修訂機械工程專業的培養方案時，在課程體系的設計上，要針對社會對機械專業人才的需求，面向行業、企業和現實社會生活，既要注重傳統基礎理論的夯實和前沿專業科技的發展，又要注重學科與課程的系統性和專業課程的教學實踐性，還要圍繞企業的需求和市場的變化，始終保持對市場和企業的高敏感度，強調企業對學生具備的職業能力的要求，突出社會對學生具備的基本素質的培育。所以新的機械專業課程體系，需要對機械設計系列課程的設置與安排，作較大的調整，增加開設實驗應力分析、有限元分析、機械振動、機械結構的測試分析以及優化設計等現代設計類的重要課程，以保證學生接受到系統全面的現代機械設計方面的理論和方法，掌握最新的測試技術與分析手段，使學生在畢業后的短時間內，就能夠獨當一面地運用現代的設計方法和計算、測試手段解決企業面臨的具體工程。現代設計的技術和方法對學生的實踐性和動手能力要求較高，所以還要增加實踐教學所占學時的比例，安排足夠的時間或較多的機會讓學生接觸到社會或企業，以加強專業技能技巧的實際訓練（即職業訓練），培養動手能力、實踐能力和創新能力，提高實際工作能力，以便一進入社會就能很快上手，縮短適應時間。
2 利用研究型教學的機會改進傳統的教學方式
研究型教學是教師在教學過程中通過優化課程結構，建立一種基于研究探索的學習模式。研究型教學模式將學習、研究、實踐有機結合起來，充分發揮學生的主體作用，使學生能創造性地運用知識和能力，在主動探索、主動思考、主動實踐的研究過程中，自主地發現問題、研究問題和解決問題的一種教學模式。在研究型教學中，教師的職能將由“教”轉變為“導”。課堂教學方面，由傳統的單向灌輸轉變為啟發互動式，要引導學生自主探究和體驗新知識；課外教學方面，將教學與實際結合起來，通過親身實踐，擴大知識視野，獲得科學研究的基本訓練和研究技能。
機械設計系列課程研究型教學的關鍵是圍繞“卓越工程師教育培養計劃”的培養目標和要求，培養具有較強的工程素養、工程應用能力和實踐動手能力的機械工程師。所以在理論教學過程中，一方面保證理論體系的完整性；另一方面要提高多媒體課件的質量，課件中要增加具體的工程實例，注重引導學生注意身邊的工程問題，鼓勵學生參與提煉工程主題，并將教學重點內容提煉成具體的工程主題，引導學展開課堂討論，并根據所學的知識提出解決問題的方法，這樣可以將抽象的理論與具體的工程背景結合，使抽象的工程問題變得豐滿有趣，從而強化學生的工程概念與背景。在實踐教學過程中，要想方設法創造條件和機會讓本科生走進企業，讓碩士生進入研究生工作站。目前第一批參與“卓越工程師教育培養計劃”的高校普遍提出校企聯合培養工程技術人才的模式，讓學生有半年以上的時間在企業實習或參加社會實踐，學生在企業的學習任務主要是培養他們的工程實踐能力，養成工程創新的意識。在企業學習階段安排的教學環節包括認識實習、生產實習、畢業實習、部分基礎課和專業課的學習、畢業設計等，甚至還可以讓學生在企業進行1周至3個月的中短期課程學習或者工程實踐。這種校企合作培養的做法基本與歐洲應用技術型大學的培養模式相似，可以使畢業生將來能夠很快的適應社會、適應工作崗位，從而減少畢業后重新培訓與學習的時間，縮短適應周期。
3 利用參與項目的機會培養學生的工程背景與素養
目前很多機械專業畢業生進入工作單位，都需要較長時間的重新學習與適應，才能具備基本的工程素養與概念，還要再經過更長時間的鍛煉才能具有現代設計的科研能力與水平，才能獨立開展科學研究和解決具體的工程實際問題。這個過程往往需要2～5年的時間，使得企業既浪費人力又浪費財力。造成如此現狀的原因主要在于學生參與的項目或課題很少，不能真正將學到的知識應用于解決具體的工程問題，所以在學校學習階段，需要注重讓學生參加項目或課題的鍛煉。
學生可以參與項目是廣義的、多種多樣的，可以是老師所研究縱向和橫向項目的子課題，可以是學生的畢業設計與論文，可以是教學過程中提煉出來的工程實例，也可以是學生在企業實習或實踐中發現的工程問題，還可以是生活中與專業知識有關的現象，甚至可以參與博碩士研究生的研究課題等等。很多大學正在實施的“研本1+1引領計劃”，就是研究生根據自己的專業知識、研究方向和經歷對本科生進行一對一的引領，實現對本科生在科技創新和社會實踐的引導。
針對學生的不同學習階段，通過自主選題或導師命題的方式布置與工程實際相關的一系列項目，把學生分成若干小組，以組建學習小組的形式讓學生共同進行課題的研究，每一小組承擔相關的子課題。在教師和研究生的指導下，各小組的學生經過文獻資料的查閱、研究方案的討論、導師的定期輔導、學生做演示文稿匯報等過程后，獨立或半獨立地進行理論分析、實驗測試、仿真計算以及優化設計，最后撰寫課題研究報告并總結研究的方法與成果，從而系統全面地完成課題的研究工作并以成果的形式予以展現。這一培養過程的顯著特點是將學生的選擇項目與工程應用、生產實際、日常生活緊密接軌，不但能夠激發學生的學習潛能，培養學生獨立思考與解決問題的能力，還可以培養學生的“團隊意識”與交流合作的素質。最為重要的是，可以通過具體的工程課題，讓學生得到完整與系統的工程訓練，這也是“卓越工程師教育培養計劃”的核心。
4 利用大學生第二課堂培養創新意識和動手能力
大學生第二課堂是培養“卓越工程師”的主陣地，也是培養大學生創新意識和動手能力的主課堂，對拓展學生的綜合素質起到非常重要的作用。學生可以選擇參加科技競賽、、參加講座、申報專利、參加科研課題等多種方式來鍛煉自己。
對于機械專業學生來說，組織他們參加各種職業資格考試，例如見習工程師培訓與考試，可以使學生掌握現代的設計理念和先進的工程設計與研究方法，增加相關行業的基本知識與技能；支持他們參與各級各類的競賽活動，如“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽、全國的大學生數學建模競賽、電子設計競賽、機械設計創新大賽、全國周培源大學生力學競賽、英語演講比賽等各級各類競賽，可以調動學生的主動性、積極性、創造性，激發學生潛能，展示學生的才能；鼓勵他們走進開放的工程力學與現代測試分析實驗室，為學生設計若干綜合性和研究型的實驗，在實驗室中培養和訓練學生使用使用測量設備與儀器的能力；吸引他們進入研究生工作室和機械結構分析研究中心，為學生提供有限元分析軟件、優化設計等現代的分析手段，使學生掌握先進的機械設計與分析方法；最后，讓學生參加教師與研究生的項目與課題，提供他們走進企業的機會，參加工程項目的測試、分析與優化等綜合型的研究工作，從而增強學生的工程概念與意識，提高與鍛煉學生解決工程實際問題的能力，最終提高學生的社會適應性，成為合格的卓越機械工程師。
參考文獻
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[2] 汪木蘭，周明虎，李建啟.以項目教學為載體制訂先進制造技術卓越工程師培養方案[J].中國現代教育裝備，2010（12）：15-19.
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中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）24-0144-02
一、前言
研究生教學有其突出的特點，他們中多數人理論基礎扎實，獲取書本知識能力強。但同時也存在創新意識和創新能力不足、工程應用背景不夠的缺點。本人通過十多年研究生教學的實踐，結合本學院研究生專業方向、課程內容針對性強等特點，對如何在研究生教學改革中突出培養學生的自學能力、創新能力，增強學生的創新意識與工程應用能力等問題進行了一些改革創新。
二、課程定位及課程特點
隨著現代工業的發展，科學研究的深入與計算機軟、硬件的發展，計算機仿真技術已成為分析、綜合各類系統，特別是大系統的一種有效研究方法和有力的研究工具，計算機仿真技術已經廣泛應用在各技術領域、各學科內容和各工程部門。仿真技術已經在國防軍事、國民經濟、社會生活的眾多領域發揮了重要的作用，國內外眾多學者認為，仿真技術“正在成為與理論、實驗并列的第三種認識和改造客觀世界以及科學研究的手段”，因此仿真技術
被認為是“使能”技術。計算機仿真技術是仿真科學與技術涉及到的有關具體仿真技術中最為基礎的部分，具有綜合性、多學科交叉等特點。
為了拓寬機械工程專業基礎，提高培養對象的整體素質，更好地適應社會對機械工程專業人才的需求，高校工科專業的研究生應掌握一定的計算機仿真知識與技能。計算機仿真技術課程是我校機械工程學院面向所有研究生各專業方向的研究生開設的一門專業基礎課程，考慮專業應用需求并結合教學實踐情況，課程目的是通過本課程的學習，要求學生掌握計算機仿真技術方面的基本理論，基本知識和基本技能，培養學生分析問題和解決問題的能力，為今后分析、綜合各類工程系統或非工程系統提供一種有力的工具，以便能靈活應用所學的計算機仿真技術為本專業工作服務。
一方面，基于仿真技術課程的內容方法較多，實踐性強的特點；另一方面，授課對象專業方向較多、授課學時有限等特點，如何解決在有限的教學課時內講授內容繁多的仿真內容、對計算機仿真技術課程進行教學方法和手段的改革探索和實踐，以達到計算機仿真技術教學目標。
三、教學內容的設置和教學方法的選擇
課程開設初期，由于只是機械電子工程專業方向的同學選修，所以所講內容基本針對該專業方向進行設置。隨著選修人數的不斷增加，以及選修學生所屬專業方向的擴大，專業方向包括：機械制造及其自動化、機械電子工程、機械設計及理論、車輛工程、機械工程（專業學位）等，基本涵蓋了機械工程學院的所有專業方向。
計算機仿真技術課程涉及多個交叉學科，緊密相關的課程包括數值計算方法、計算機編程、計算機圖形學、高等數學、自動控制原理、現代控制理論、優化設計等課程。如何講出本課程的特點，并充分結合相關課程內容，必須在教學內容的選排上下功夫。
項目教學法是一種以任務驅動、以項目為基本教學單元，將理論教學和實踐教學有機融合在一起，強調綜合能力的培養在研究生教育中的重要性，突出學生在整個教學過程中的主體地位。因此，為了滿足各個專業方向學生的要求，使他們能夠掌握一門工程分析技術，為后續的學術論文和碩士學位論文的撰寫提供計算、分析和仿真手段，本人在講授該門課程的過程中，逐年對教學內容、教學手段和教學考核方法等不斷進行調整和完善。
1.采取項目專題方式進行教學內容的講授，調整授課內容，采用專題教學方法使課程主題內容分明，有利于將仿真方法講深、講透。
2.擴展所授課程內容涵蓋的范圍，包括數值計算、優化設計、圖形可視化、控制系統特性仿真、控制系統設計以及與外部軟件的接口等內容，以滿足各專業方向學生的需求。
3.增加與課程相結合的實驗教學內容。計算機仿真技術本來是實踐性很強的綜合性技術，仿真技術本身是在對控制系統分析的過程中不斷完善和發展起來的。因此并結合各個專業研究生的不同研究方向，靈活設計若干個專題實驗，使學生學以致用，培養學生將該門課程應用于實際工程的能力。
4.采用多個工程應用實例進行教學，從系統應用、數學建模、仿真建模、模型求解以及特性分析等，使學生從生產實際認知的研究對象，提升到理論高度的學習，應用所學的各科理論知識和技術手段，進行數學建模、仿真建模的建立，并對模型求解以及特性進行分析，獲得直觀結果，提高學生學習興趣，最終解決實際工程問題，培養學生解決工程實例問題的能力。
5.結合學科前沿，進行課堂討論。研究生在初步掌握了對系統的模型、仿真算法設計、仿真及結果分析這一流程后，為強化計算機仿真在實際工程的應用概念，在此基礎上，以項目形式，開展課程學科前沿以及⒏妹趴緯逃胂執技術融合等專題討論。
6.增加實驗環節，培養研究生工程實際應用能力。利用各種平臺，擴充計算機仿真技術資料，提供最新的仿真案例，結合教學團隊的科研課題，設計實驗項目，培養研究生工程實際應用能力。
四、項目教學法的教學效果
基于項目教學法計算機仿真技術課程的教學方法改革與實踐，滿足機械工程學院各個專業方向研究生的需求，教學方法和手段的完善，使研究生自主學習能力、創新能力和工程應用能力等得到了進一步的提高。
計算機仿真技術作為工科研究生的必備研究手段和技術，使學生掌握一門工程分析技術，為后續的課題研究、學術論文和學位論文的撰寫提供計算、分析和仿真手段。
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1CAD技術的發展
CAD(ComputerAidedDesign)是計算機輔助設計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數值計算能力，輔助工程技術人員進行工程或產品的設計與分析，達到理想的目的，并取得創新成果的一種技術。自1950年計算機輔助設計（CAD）技術誕生以來，已廣泛地應用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領域，產品的設計效率飛速地提高。現已將計算機輔助制造技術（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和產品數據管理技術（ProductDataManagement，PDM）及計算機集成制造系統（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一體。
產品設計是決定產品命運的研究，也是最重要的環節，產品的設計工作決定著產品75%的成本。目前，CAD系統已由最初的僅具數值計算和圖形處理功能的CAD系統發展成為結合人工智能技術的智能CAD系統（ICAD）(IntelligentCAD)。21世紀，ICAD技術將具備新的特征和發展方向，以提高新時代制造業對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現代設計技術、智能活動是由設計專家系統完成。這種系統能夠模擬某一領域內專家設計的過程，采用單一知識領域的符號推理技術，解決單一領域內的特定問題。該系統把人工智能技術和優化、有限元、計算機繪圖等技術結合起來，盡可能多地使計算機參與方案決策、性能分析等常規設計過程，借助計算機的支持，設計效率有了大大地提高。
2三維CAD技術在機械設計中的優點
通過實際應用三維CAD系統軟件,筆者體會到三維CAD系統軟件比二維CAD在機械設計過程中具有更大的優勢,具體表現在以下幾點:
2.1零件設計更加方便
使用三維CAD系統,可以裝配環境中設計新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件,既方便又快捷,避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來,使人一目了然。
2.2裝配零件更加直觀
在裝配過程中,資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關系,若裝配不正確即予以顯示,另外,零件還可以隱藏,在隱藏了外部零件的時候,可清楚地看到內部的裝配結構。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示,對于有一定運動行程要求的,可檢驗行程是否達到要求,及時對設計進行更改,避免了產品生產后才發現需要修改甚至報廢。
2.3縮短了機械設計周期
采用三維CAD技術,機械設計時間縮短了近1/3,大幅度地提高了設計和生產效率。在用三維CAD系統進行新機械的開發設計時,只需對其中部分零部件進行重新設計和制造,而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息,使機械設計的效率提高了3~5倍。同時,三維CAD系統具有高度變型設計能力,能夠通過快速重構,得到一種全新的機械產品。
2.4提高機械產品的技術含量和質量
由于機械產品與信息技術相融合,同時采用CADCIMS組織生產,機械產品設計有了新發展。三維CAD技術采用先進的設計方法,如優化、有限元受力分析、產品的虛擬設計、運動方針和優化設計等,保證了產品的設計質量。同時,大型企業數控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工,一致性很好,保證了產品的質量。
3CAD技術在機械設計中的應用
3.1零件與裝配圖的實體生成
3.1.1零件的實體建模。CAD的三維建模方法有三種,即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建模功能的CAD軟件中,都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實體造型模塊中,系統提供了六種基本體系,即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環狀體和楔形體。對簡單的零件,可通過對其進行結構分析,將其分解成若干基本體,對基本體進行三維實體造型,之后再對其進行交、并、差等布爾運算,便可得出零件的三維實體模型。
對于有些復雜的零件,往往難以分解成若干個基本體,使組合或分解后產生的基本體過多,導致成型困難。所以,僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此,可在二維幾何元素構造中先定義零件的截面輪廓,然后在三維實體造型中通過拉伸或旋轉得到新的“基本體”,進而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。
3.1.2實體裝配圖的生成。在零件實體構造完成后,利用機器運動分析過程中的資料,在運動的某一位置,按各零件所在的坐標進行“裝配”,這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學技術的不斷發展,制造行業的生產技術不斷提高,從普通機床到數控機床和加工中心,從人工設計和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業正向數字化和計算機化方向發展。同時,模具CAD/CAM技術、模具激光快速成型技術(RPM)等,幾乎覆蓋了整個現代制造技術。
一個完整的CAD/CAM軟件系統是由多個功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數控加工、有限元分析、動態顯示等。這些模塊應以工程數據庫為基礎,進行統一管理,而實體造型是工程數據的主要來源之一。
3.3機械CAE軟件的應用
機械CAE系統的主要功能是:工程數值分析、結構優化設計、強度設計評價與壽命預估、動力學/運動學仿真等。CAD技術在解決造型問題后,才能由CAE解決設計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態特性等。
4CAD前沿技術與發展趨勢
4.1圖形交互技術
CAD軟件是產品創新的工具,務求易學好用,得心應手。一個友好的、智能化的工作環境可以開拓設計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創造性的工作中。因此,智能化圖標菜單、“拖放式”造型、動態導航器等一系列人性化的功能，為設計師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術也正在研究之中。
4.2智能CAD技術
CAD/CAM系統應用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設計是一個含有高度智能的人類創造性活動。智能CAD/CAM是發展的必然方向。智能設計在運用知識化、信息化的基礎上，建立基于知識的設計倉庫,及時準確地向設計師提品開發所需的知識和幫助,智能地支持設計人員，同時捕獲和理解設計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能,使設計新手也能做出好的設計來,現代設計的核心是創新設計,人們正試圖把創新技法和人工智能技術相結合應用到CAD技術中,用智能設計、智能制造系統去創造性指導解決新產品、新工程和新系統的設計制造,這樣才能使我們的產品、工程和系統有創造性。
4.3虛擬現實技術
虛擬現實技術在CAD中已開始應用,設計人員在虛擬世界中創造新產品,可以從人機工程學角度檢查設計效果,可直接操作模擬對象,檢驗操作是否舒適、方便,及早發現產品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題,及早看到新產品的外形,從多方面評價所設計的產品.虛擬產品建模就是指建立產品虛擬原理或虛擬樣機的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進行加工、測試、仿真和分析,以評價其性能,可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等,基于虛擬樣機的試驗仿真分析,可以在真實產品制造之前發現并解決問題,從而降低產品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態企業聯盟將成為CAD技術在電子商務時代繼續發展的一個重要方向.另外,隨著協同技術、網絡技術、概念設計面向產品的整個生命周期設計理論和技術的成熟和發展,利用基于網絡的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術,實現真正的全數字化設計和制造,已成為機械設計制造業的發展趨勢。
參考文獻
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篇12
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篇13
一、多目模糊優化背景與發展歷史
1. 模糊優化設計的背景
是造價最低,或是達到某一專項目標,或是同時達到幾項目標但在設計過程中,時常會遇上大量的模糊概念,如/重量不超過...0!/體積不大于...0等等由于缺乏處理手段和方法而把這些概念當成確定性量來對待,這樣把設計的約束條件和目標函數人為簡單化,以至于設計結果不符合要求隨著設計學的發展,大量的模糊信息需要定量描述,使設計達到真正的優化目的"在普通優化的基礎上引入模糊數學,建立在模糊集理論基礎上的模糊優化設計方法產生了模糊優化設計為解決具有上述模糊概念的優化問題提供了可行的方法和有效的手段模糊優化設計的概念首先是別爾曼和扎德提出來的,提出的背景主要有以下幾個方面:(l)事物間的差異中介過渡給事物帶來模糊性;對事物研究的定量化會遇上大量模糊因素:所研究的事物涉及多方面的模糊因素;以及在計算機應用領域中會考慮對模糊信息的識別和處理等等"這些都會給優化設計帶來大量的模糊因素,導致模糊優化問題的出現(2)對于一項工程設計會發現設計比分析涉及的因素更多,尤其是人文因素例如,一種新產品的設計,不僅要滿足工作要求和技術性能指標,而且經濟!可靠!使用條件性也是不可忽視的因素其實,優化設計的發展也是向多方面發展,已經打破了原先只在物理!幾何性質上做文章的格局當今社會的發展以人為本,在理工科高等教育中加強人文知識教育也是為了使理工科研究不能脫離人文,所以人文因素已經滲透于整個設計過程"人文因素的模糊性是優化設計遇到的主要問題,必會產生模糊優化的問題顯然,模糊優化設計的產生是優化設計領域的一次革命,大大地促進了優化設計的發展,為解決優化設計中出現的問題提供了理想的方法。
2模糊優化設計的產生和發展歷史
隨著科學與科學研究的發展,從物理發展到事理,從物態進展到事態的研究,傳統的經典數學已顯得蒼白無力,或者說過去那些與數學毫無糊數學誕生于1965年,美國加利福尼亞大學控制論專家查德教授(LA.zdahe)發表了著名論文-下uzyzsets0(模糊集合),提出模糊集合的思想,給出模糊現象的模型!模糊問題的定量表示方法及數學處理方法"他指出,刻畫一個模型集合時,不必指明哪些元素屬于它,哪些元素不屬于它,只需對給定范圍內的各元素確定一個"到1之間的實數,用它表明這個元素以多大程度屬于這個集合,這個數就叫作該元素對這個集合的隸屬度"例如,30歲的人肯定不算老年,他對/老年人0這個概念的隸屬度為仇50歲的人屬于/老年人0的程度近于0.5;70歲的人為老年人,他對/老年人0的隸屬度為1"這說明/中年0和/老年0的概念是相互粘連的,它們之間沒有一條絕對分明的界限,而是有一個連續過渡的過程"查德正是用隸屬度這個概念表現處于中介過渡的事物對差異一方的傾向程度,這就是他創立模糊集合論時提出的新思想"模糊集合論把原來某元素對于集合要么/屬于0,要么/不屬于0的確定性關系,推廣到元素對于集合按/一定程度0/屬于0或/不屬于0的確定關系(即在一定程度上/屬于0或/不屬于,.)以此就標志了模糊理論的產生,模糊數學就是從數學上來刻畫和研究客觀世界中存在的模糊量,即從量上來描述模糊現象,并以之為突破點建立了研究模糊現象的基本理論模糊數學是研究和處理模糊性現象的數學所謂模糊性,是指客觀事物在中介過渡時呈現的概念劃分上的不確定性,即/亦此亦彼0性客觀世界中存在著大量的模糊性現象,它們很難找到明確的界限,這樣的概念叫做模糊概念模糊概念不是不科學的概念,它大量地存在于物理學!化學和生物學中,在經濟和人文科學中表現尤為突出,人腦的識別!判斷以及概念的形成過程都具有模糊性為了描述模糊概念,滿足各門學科的數學化!定量化要求,這就是模糊數學產生的思想基礎"隨著模糊數學的誕生,一種全新的模糊論方法學也就發展起來了"模糊論是建立在(l)事物的不確定性(隨機性和模糊性);(2)廣義設計中的模糊性,即定量地研究從狹義設計到廣義設計中,必然要遇到大量的模糊概念:(3)復雜化和精確化之間的矛盾"模糊數學由于打破了形而上學的束縛,即認識到事物的/非此即彼0的明晰性形態,又認識到事物的/亦此亦彼0的過渡性形態,因此模糊理論的產生就在數學領域本身以及許多的實用領域里得了廣泛迅速的發展和應用模糊理論是在模糊數學基礎上發展起來的一門新學科,經過近些年來的發展,己經形成為一門新的應用技術學科,到20世紀90年代,己經形成了具有完整體系和鮮明特點的模糊拓撲學!框架日趨成熟的模糊隨機數學!模糊分析學以及模糊邏輯理論,并滲透到各個學科領域,如:人工智能!管理信息!機械制造!自動化控制等等,應用相當廣泛。
二、多目模糊優化設計優點:
(1)優化設計方法能夠加速設計進度,節省工程造價優化設計與傳統的結構設計相比較,一般情況下,對簡單的構件可節省工程造價的3一5%,對較復雜的結構可達10%,對新型結構可望達2000/(2)結構優化設計有較大的伸縮性作為優化設計中的設計變量,可以從一兩個到幾十,上百個"作為優化設計的工程對象,可以是單個的構件,整個建筑物甚至建筑群設計者可以根據需要和本人的經驗加以選擇0的大小,為設計者進一步改進結構設計指出方向"(4)某些優化設計方法(如網格法)能夠提供一系列可行設計直至優化設計,為設計者決策時提供方便(5)設計者能夠利用優化設計方法進一步貫徹設計意圖"例如在鋼筋混凝土結構的優化設計中,若設計者在設計中想相對的少用些鋼筋,多用些水泥,只要修改一下目標函數就可以了"
三、多目模糊優化設計
1.多目模糊優化設計
具體說來,就是給出該問題的數學模型"模糊優化的數學模型和普通優化的數學模型一樣,也是從設計變量,目標函數和約束條件這三方面給出的模糊優化的設計變量,仍然是決定設計方案的!可由設計人員調整的!獨立變化的參數它們或者是決定形狀大小的幾何參數,或者是決定結構性能的物理參數"這些參數,過去都視為確定性的,但嚴格說來,大多具有不同程度的模糊性"如結構設計中的動載系數,抗震設計中的地震烈度,動態設計中的阻尼參數等它們很難由一個確定的值來給出,都有一個從完全是到完全非的中介過渡過程,都具有不同程度的模糊性模糊優化的目標函數,仍然是衡量設計方案優劣的某一個指標(單目標函數)或某幾個指標(多目標函數)/優0和/劣0本身就是個模糊概念,沒有一個確定的界限和標準通常,我們說:要使某項指標達到某個值附近,或達到某一范圍,或越小越好等等實際上,都說的是目標函數的模糊性另外,由于目標函數是設計變量的函數,當考慮了設計變量的模糊性時,目標函數也必然是模糊的"模糊優化的約束條件,仍然是限制設計變量取值的條件,也即是設計方案所必須滿足的條件"這些約束條件.
2. 拓撲優化方法
拓撲優化設計是現代創新設計領域中的重要核心技術與定量設計方法,是傳統的尺寸設計和形狀設計的擴展與延伸它的基本原理是在給定材料重量的條件下,通過優化設計與數值求解過程獲得具有最大剛度的結構布局形式及構件尺寸自1988年丹麥學者Bnedsoe與美國學者Kikuhci提出結構拓撲優化設計基本理論以來可以說近二十年間結構設計領域發生了革命性的變化"基于結構設計要求的剛度一重量一振動多準則優化,研究使用保凸近似與凸規劃建立快速有效極大極小值優化算法以及通用非線性廣義加權法隊將凸規劃對偶求解算法與結構多目標優化設計相結合并應用于拓撲優化設計該研究方向目前已成為國際工程結構與產品創新設計領域的研究熱點"目前拓撲優化設計方法作為一項關鍵技術已應用于衛星!飛機!汽車的關鍵承力結構,薄壁件結構的加強筋,布局設計以及微機械系統(MEMs}!柔性機構布局設計等多個領域因此從軍事應用及國防需求前景上講,拓撲優化設計方法具有直接而廣泛的應用價值
3.多目標協調優化
1994年,Kroo與Balling!sobieski等人提出了協調優化(eo),1997年,工甲peta和Rneuad將該方法修正后用于解決多目標優化問題并對該方法的三種不同的版木做了比較"這種方法的中心思想是:把多目標問題劃分成一個個的次問題,然后逐步優化,直到最終得到優化解"
4.模糊優化方法
1992年,Allne探討了一種能夠非常有效地求解分層設計問題的模糊優化方法,顯示了該方法解決綜合優化設計問題的優點該方法就是利用模糊集理論,構造目標函數!約束函數和設計變量的隸屬函數,進而轉化為單目標函數進行優化考慮模糊因素的設計問題有以下好處:1使用模糊關系描述某此問題比確定性描述更準確;o考慮問題的模糊性能有效地拓展求解空間;
