范文一：机械结构优化设计

机械结构优化设计

机械结构优化设计

——周江琛 2013301390008

摘 要:机械优化设计是一门综合性的学科，非常有发展潜力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。

优化设计是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案,使期望的经济指标达到最优,它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题,优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法,因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下,在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立

目标函数和约束条件,并使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。优化设计是20世纪60年代初发展起来的，它是将最优化原理和计算机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。利用这种新方法，就可以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领域，它已广泛应用于各个工业部门。优化方法的发展经历了数值法、数值分析法和非数值分析法三个阶段。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机技术的发展为优化设计提供了强有力的手段，使工程技术人员把主要精力转到优化方案的选择上。最优化技术成功地运用于机械设计还是在20世纪60年代后期开始，近年来发展起来的计算机辅助设计(CAD)，在引入优化设计方法后，使得在设计工程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新日益所以今天，把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计工程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。

优化设计方法多种多样，主要有以下几种:1无约束优化设计法;无约束优化设计是没有约束函数的优化设计，无约束可以分为两类，一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目标函数值的无约束优化方法，如坐标轮换法、单形替换法及鲍威尔法等。此法具有计算

效率高、稳定性好等优点。2约束优化设计法:优化设计问题大多数是约束的优化问题，根据处理约束条件的方法的不同可分为直接法和间接法。直接法常见的方法有复合形法、约束坐标轮换法和网络法等。其内涵是构造一个迭代过程，使每次的迭代点都在可行域中，同时逐步降低目标函数值，直到求得最优解。遗传算法

遗传算法(Genetic Algorithm简称GA)，是20世纪70年代初期由美国密执根(Michigan)大学霍兰(Holland)教授提出的一种全新概率优化方法。GA是一种非确定性的拟自然算法，它仿造自然界生物进化的规律，对一个随机产生的群体进行繁殖演变和自然选择，适者生存，

不适者淘汰，如此循环往复，使群体素质和群体中个体的素质不断演化，最终收敛于全局最优解。遗传算法具有鲁棒性、自适应性、全局优化性和隐含并行性。主要应用领域有:函数优化方面、组合优化、机器学习、控制方面、图像处理、故障诊断、人工生命、神经网络等最近几年中遗传算法在机械工程领域也开展了多方面的应用，主要表现在:

(1)机械结构优化设计:针对简单遗传算法中的线性适应度、恒定交叉与变异概率等不能动态地适应整个寻优过程，提出采用非线性适应度与自适应交叉、变异概率的改进遗传算法，

此算法为解决工程结构优化设计、多峰值函数求极值等问题提供了参考。

(2)可靠性分析:以框架结构系统的可靠性分析为基础，提出框架结构系统可靠性优化的遗传算法。

(3)故障诊断:以网络权重和偏差的实数形式作为基因构成染色体向量，采用基因多点交叉和动态变异进行种群最优选择，提出了一种新的遗传

算法，并在此基础上设计出一种基于遗传算法和溶解气体分析的变压器故障在线诊断系统。

(4)参数辨识:在现有T-S模糊模型参数辨识方法的基础上，提出了一种先应用最小二乘法对结论参数进行粗略辨识，以确定参数的大致范围之后，再应用遗传算法对前提参数和结论参数同时优化的参数辨识方法。

(5)机械方案设计:通过把机械方案设计过程看作是一个状态空间的求解问题，用遗传算法控制其搜索过程，构建完善了新的遗传编码体系，为了适应新的编码体系重新构建了交叉和变异等遗传操作，并利用复制、交换和变异等操作进行一次次迭代，最终自动生成一组最优的设计方案。 此外，GA还应用在模糊逻辑控制器(FLC)、机器人运动学、反求工程、节能设计、复合材料优化、金属成形优化、数控加工误差自适应预报控制等方面。 遗传算法尽管已解决了许多难题，但还存在许多问题，如算法本身的参数优化问题、如何避免过早收敛、如何改进操作手段或引入新的操作来提高算法的效率、遗传算法与其它优化算法的结合问题等。用遗传算法求解约束优化问题时，一般采用惩罚函数法，如何合理的选择惩罚因子是算法的难点之所在。惩罚因子取得过小时，可能造成整个罚函数的极小解不是原目标函数的极小解;惩罚因子取得过大时，有可能在可行域外造成多个局部极值点，给搜索过程增加困难。但从检索情况看，对有关遗传算法应用时处理约束的通用、高效、稳健的方法研究，几乎无人涉及。所以，为了确保GA在求解约束优化问题时能发挥所长，对遗传算法解约束优化问题的方法仍需进一步的研究。

机械优化设计与产品开发 :生产是企业的中心任务,而产品的竞争

力影响着企业的生存与发展。产品的竞争力主要在于它的性能和质量,也取决于经济性,而这些因素都与设计密切相关,可以说产品的水平主要取决于设计水平。随着生产的日益增长,要求机器向着高速、高效、低消耗方向发展,并且由于商品的竞争,要求不断缩短设计周期,因而对产品的设计已不是仅考虑产品本身,还要考虑对系统和环境的影响;不仅要考虑技术领域,还要考虑经济、社会效益;不仅考虑当前,还要考虑长远发展。在这种情况下,所谓传统的设计方法已越来越显得适应不了发展的需要。由于科学技术的迅速发展,对客观世界的认识不断深入,设计工作所需的理论基础和手段有了很大进步,使产品的设计发生了很大的变化,特别是电子计算机的发展及应用,对设计工作产生了革命性的突变,为设计工作提供了实现设计自动化和精密计算的条件。因此,用理论设计代替经验设计、用精确设计代替近似设计、用优化设计代替一般设计将成为设计的必然发展趋势。 机械优化设计实际过程:

1)建立优化设计的数学模型;

2)选择适当的优化方法;

3)编写计算机程序;

4)准备必要的初始数据并上机计算;

5)对计算机求得的结果进行必要的分析

建立数学模型的基本原则:1)设计变量的选择:尽量减少设计变量数目，设计变量应当相互独立2)目标函数的确定: 选择最重要指标作为设计追求目标3)约束条件的确定:性能约束和边界约束

范文二：机械结构优化设计分析

机械结构优化设计分析

摘要：机械结构优化设计具有综合性和专业性的特点，在设计过程中涉及方面很多，对设计人员的综合素质很高。因此，本文就结合实际情况，如何做好机械结构优化设计展开论述。

关键词：机械结构；设计流程；优化设计

一、机械设计的流程

机械的设计是开发和研究重要组成部分。设计人员在设计过程中，要提高自身设计水平，加快技术创新，为社会发展设计出质量优良的生产和机械。第一，要确立良好的设计目标。机械设计与开发要满足实际需要，能够发挥其自身的功能。第二，要严格遵守设计标准和要求，对具体的内容进行提炼，从而有效的设计任务和目标。第三，在承接设计任务书以后，要坚持合适的原则，明确设计责任；还要组织设计方案，对设计方案进行讨论，重视设计样品机械的关键环节和重要步骤，从而形成最初的设计。第四，要组建优秀的项目团队，对方案进行深入讨论，不断优化设计方案，控制方案变更。第五，要组织专家对设计图纸进行严格的审核，保证设计质量，在图纸完成交付以后，要针对存在的问题做好记录，为以后设计提供借鉴和帮助。第六，在机械创建完成后，要做好机械的验收，设计师要对机械进行检查，保证在发现问题能够及时有效的解决，只有在质量验收合格后，才能进行最后的交付使用。第七，在进行机械安装过程中，设计人员要在安装现场进行全程的监督和控制，做好技术指导。第八，为了保证机电和安装质量，要进行生产鉴定和调试，根据机械使用的效果进行合理的评价和鉴定。在以上设计流程中，缺一不可，需要设计人员不断提高自身设计水平，采用先进的设计理念，保证设计质量。

二、机械设计过程中需要注意的问题

为了保证机械设计质量，设计人员要不断总结经验教训，根据实际情况，树立质量第一的理念，实现机械结构的优化设计。

（一）在机械制造阶段，设计水平直接影响到预期的效果，甚至导致机械不能正常投入使用。因此，在设计过程中，设计人员要与制造人员进行协调，多深入生产现场，认真听取制造工人和设计人员的意见、建议，不断优化机械结构，提高机械的精密度。

（二）在机械安装和调试阶段，设计人员必须到施工现场，技术指导和监督安装，调试的全过程，及时发现和处理出现的各种技术问题。设计者要根据机械运行情况，获得第一手资料，对机械设计的合理性进行验证。同时设计师要提高自身处理现场问题的能力，能够对机械和机械使用后的效果、质量进行合理评价。另外，还要重视知识产权的保护，提高自身的专业技术，保证技术数据的完整。

三、做好机械结构优化设计的措施

在进行机械设计过程中，为了保证设计质量，要严格遵守设计标准，不断创新设计思路，为机械制造打下良好的基础。下面就如何做好机械设计展开论述。

（一）明确设计思路

设计思路是做好机械设计的重要基础。为了提高设计质量，设计人员要根据相关要求和目标进行初步设计，模拟多种设计草图，同时进行全面的分析和讨论，提高设计方案的合理性和可行性，不断增加草案修改的意见和建议，最后确定设计的相关方案。在设计图纸完成以后，设计师要与机械加工生产的单位进行沟通和交流，明确机械产品的设计思路，为下一环节的设计做好铺垫，打好基础。设计人员还要与生产经营单位进行互动交流，对设计过程中产生的纰漏或者问题进行记录，为以后机械产品的设计、开发提供借鉴和帮助。

（二）机械的安全设计

为了保证操作人员和作业人员的安全，在优化设计过程中，设计人员要遵守国家有关设计安全的表标准，坚持安全、卫生以及环保等相关标准，根据机械的性质和特点，确定不同的安全指标。另外，在机械优化设计过程中，可能涉及金属切割、锻压以及电气等危险工序，稍有疏忽，就会出现安全事故。因此，设计人员要做好程序设计、人机对话、机械故障处理以及机械安全等问题，协调好工作人员与机械之间的关系，做好机械安全性人性化设计，为操作人员和作业人员创造安全的工作环境。

（三）机械上装配结构与装置

在进行机械安装过程中，要考虑设计合理性，避免出现相互干涉的情况，下面就针对实际机械装配结构与装置展开论述。

第一，在进行零件加工过程中，要适当减少接触面积，保证机械装配零件接触面稳定可靠。同时为了保证连接件与被连接件良好接触，设计人员就会设计出沉孔

和凸台。

沉孔 凸台

第二，要减少接触面，在实际设计过程中，两个零件在同一个方向上，只能有一对接触面，否则就会给安装操作工作带来不便。

正确 错误

正确 错误

（四）机械优化设计与开发

在企业发展发展过程中，生产是重中之重。而产品之间的竞争越来与激烈，对企业的生存和发展造成不小的威胁。因此，要提升产品的竞争力，保证产品的性能和质量。同时随着社会的发展，要求机器生产朝着高速、高效、低耗的方向发展，要重视设计对系统和周围环境的影响，提高机械设计的经济效益和社会效益。在进行机械优化设计过程中，要不断利用计算机技术，做好计算精密，实现机械设计的自动化，保证机械产品的质量。

参考文献：

[1]李小刚,程锦,刘振宇,吴震宇. 基于双层更新Kriging模型的机械结构动态特性稳健优化设计[J]. 机械工程学报,2014,03:165-173.

[2]史凤兰. 机械结构优化设计发展综述[J]. 中国科技信息,2010,22:134+129.

[3]李艳兵. 机械结构设计的方法和基本要求[J]. 黑龙江科技信息,2007,24:4.

[4]汪久根. 论机械结构的设计[J]. 教育教学论坛,2012,05:82-83.

老师您好，文章理论写的很好比较满意，只是感觉缺少点实际的内容，我希望在文章的后半部分加一些我工作中的或产品相关的内容，我们是做仓库货架，超市货架，可以加一些这方面的内容，有关于货架不清楚的结构或工艺我可以提供。谢谢！

范文三：机械结构优化设计作业

甘蔗收获机机械台架虚拟样机

结构优化设计

摘要：结构优化设计就是寻求满足约束条件下的最佳构建尺寸、结构形式以及材料配置方式。利用有限元方法对虚拟样机台架结构进行分析，并采用一阶方法对台架进行优化，预估出经验设计结构上的最危险点，并对结构进行改造和优化，可以保证结构综合应力在材料的许用应力范围内，对结构轻量化，合理分配材料，大大缩短研制周期，降低设计成本，为虚拟样机的创新设计可以提供一种新的设计及优化设计方法。

关键词：甘蔗收获机； 优化设计；模态分析；一阶方法 引言：甘蔗作为重要经济作物在全世界范围内广泛种植，中国的种植面积在世界位居第三位，成为我国制糖，轻工，化工和能源的重要原料，对整个国民经济的发展都有重要的地位和作用。甘蔗收获包括切梢、切割、清理和装运等工序，为甘蔗生产过程中劳动强度最大，费工费时，成本最高的一个环节。在我国，甘蔗成产机械化程度低，随着人工收获成本的逐年增加，我国糖业面临着巨大的竞争压力，实现甘蔗收获机械化的要求愈加迫切。随着设计理论与设计理念的发展，对虚拟样机进行优化设计能改进凭经验设计出现的缺陷以及预估结构或机构的最危险点，从而对其进行改造和优化，对设计结果及时进行审查，并及时反馈给设计人员，实现了设计过程中的快速反馈，按照优化后的设计方案进行物理样机研制，可以避开预估的缺陷和危险点，从而使结构更趋于合理，降低了制造成本，大大缩短了设计和产品研制周期，还可以保证将错误消灭在萌芽状态。 虚拟样机技术[ 1]为这类创新产品的开发提供了强有力的手段。甘蔗收割机在工作过程中, 要经历扶蔗、砍蔗、输送、断尾以及剥叶等动作, 承受的都是动态载荷, 而结构的固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数, 因此本文采用通用有限元分析软件ANSYS对甘蔗收割机机架结构部件进行模态分析, 根据机架结构的低阶模态和振型, 确定对机架结构是进行动力刚度优化还是静力强度优化。

1.机架结构模型建立

甘蔗收割机机架结构是收割机的关键集合部件, 它将扶蔗器、砍蔗刀盘、输送耙轮等功能部件集于一体, 可实现扶蔗、砍蔗、向后输送等一系列动作。在机架上有一水平放置的液压缸, 液压缸工作时能使机架抬起, 便于抬高扶蔗器和刀盘, 以便收割机在非工作状态下行走和在垄间拐弯1机架的运动、动力、动态特性对实现收获功能和优化部件性能, 保证甘蔗收获质量, 特别是降低甘蔗的破头率有较大的影响[ 2]。由初步的机架结构方案, 在三维建模软件Pro/E上建立机架模型各零件, 并通过自下而上的发散式部件的创新设计[ 3], 得到机架的三维模型如图1所示1通过mechpro接口模块将模型导入动力学分析软件ADAMS上, 对模型进行运动仿真分析[ 4], 分析样机的运动数据及动画结果, 力求使模型尽量接近实际状态, 正确表达设计要求[ 5]。对Pro/E三维图形进行形状合理性分析、结构尺寸是否合理、主要有哪些受力件、如何施加载荷和约束等。由于ANSYS参数化建模的严格性, 因而不允许有臆想的尺寸和结构, 而且还需对某些局部尺寸进行细化并对一些非重要部分结构进行简化。根据扶蔗辊工作时的受力情况简化了扶蔗辊上的螺旋, 代之以在扶蔗辊外表面加垂直于面上的梯度载荷。在ANSYS参数化建模中, 以结构尺寸发生改变但绝对不使结构产生干涉为原则, 定义这些可改变的尺寸作为设计参数。在绘制图形的过程中, 后台自动生成APDL数据流, 将有用的命令流记录下来作为log文件保存, 从而形成机架结构的参数化模型文件。机架结构的参数化模型在ANSYS前处理模块(PPREP7) 采用自底向上的方法建立并划分网格, 如图1所示。

图1.机架三维模型图

2.机架结构模态分析

模态分析可用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性, 它也是更详细动力学分析的起点, 用户可以通过模态分析确定结构部件的频率响应和模态。对于动力加载条件下的结构设计而言, 频率响应和模态是非常重要的参数。

2.1步骤

Step1. 建立模型1在前处理模块(PPREP7) 采用自底向上的方法进行参数化建模。在模态分析中, 只有线性行为是有效的。如果在分析中指定了非线性单元, 在计算中将被忽略并作为线性处理,而且必须指定杨氏模量EX( 或某种形式的刚度) 和密度DENS( 或某种形式的质量) , 材料的性质可以是线性的、各向同性的或正交各向异性的、恒定的或与温度有关的。

Step2.加载并求解 定义分析类型和分析选项、施加载荷、指定加载阶段选项, 并进行固有频率的有限元求解。如选择分析类型为模态分析(modal); 模态提取方法可选默认的兰索斯法, 它适用于大型对称特征值求解问题,比子空间法具有更快的收敛速度。模态分析中唯一有效的/ 载荷0是零位移约束, 如果在某个DOF处指定了一个非零位移约束或者加了其他类型载荷, 如力、压力、温度和加速度等,则以零位移约束替代该DOF处的设置并忽略载荷1加载完后便可以进行模态求解, 求解器的输出内容主要是固有频率,并将其写到输出文件crop1OUT和振型文件crop1MODE中。

Step3.扩展模态从严格意义上来说, 扩展意味着将缩解扩展到完整的DOF集上, 而缩减解常用主DOF表达。如果需要在后处理器POST1中观察计算结果, 则必须首先扩展振型1由模态扩展可看到各阶模态的相对位移图和相对应力图, 但模态分析中的应力并不代表结构中的实际应力,而只是给出一个各阶模态之间相对应力分布的概念。

Step4.查看结果和后处理扩展模态处理的结果写入结构分析crop1RST 文件中,其中包括固有频率、已扩展的振型、相对应力和力分布。可以在普通后处理器POST1中查看模态分析结果。

2.2结果

五阶模态分析, 图3中表示了五阶模态振型相对位移云图。从图中可以看出, 最低的一阶模态是耙轮绕耙轮轴旋转摆动, 它和耙轮工作时输送甘蔗的转动方向一致, 对甘蔗输送无不利影响; 二、三阶模态分别是机架左、右扶蔗辊以轴为中心沿直径方向的振动, 并且振幅小于2mm1由于扶蔗过程本身就是一个动态过程, 扶蔗辊沿直径方向的小振幅振动并不影响辊上的螺旋对甘蔗的支撑扶起作用;

四、五阶模态分别是左、右2个刀盘绕自己的轴旋转摆动, 和砍甘蔗的方向一致, 对砍蔗过程无不利影响。

综上所述, 机架结构各构件的低阶频率虽然较小, 但其振型并未对甘蔗收割这一工作过程产生消极影响, 因此无需对结构刚度进行优化, 而可以对结构强度进行整体性优化。

3.机架组件结构优化

3.1优化模型及方法

对机架组件整体优化的思想是: 在保证结构综合应力不大于材料许用屈服应力的前提下, 使机架整体的质量最轻。其相应的数学模型为

其中, x1, x..., xN 为结构优化设计变量, nai 表示角钢和槽钢梁的根数, nci 表示板的数目; 机架组件的结构主要是矩形截面梁单元、圆截面梁单元和板单元, 故设计变量取为矩形截面梁和板的厚度以及圆截面梁的半径, W(X)为结构总质量, Li 1是矩形截面梁的长度, Li2是圆截面梁的长度, B为矩形截面梁角钢和槽钢的腿高和腰高, Bxi 为梁的截面积,Ai 为板单元的面积; 190MPa为材料许用屈服应力R0, xi min和xi max分别为设计变量的下限和上限。R(X)为结构综合应力或特征应力, 一般取为k 次均方根包络函数。

本文采用一阶方法进行优化, 该方法基于目标函数对设计变量的敏感程度, 较适合于精确的优化分析。对于有约束的优化问题, 一阶方法通过对目标函数逼近加罚函数的方法计入所加约束, 而将约束问题转化为无约束的优化问题, 它将真实的有限元结果最小化, 而不是对逼近数值进行操作。阶方法使用因变量对设计变量的偏导数, 在每次迭代中, 用最大斜度法或共轭方向法计算梯度而确定搜索方向, 并用线性搜索法对无约束问题进行最小化。因此, 每次迭代都由一系列的包括搜索方向和梯度计算的子迭代组成, 如此使得一次优化迭代有多次分析循环, 所以一阶方法消耗的机时较多。对于收敛检查, 当目标函数值由最佳合理设计到当前设计的变化小于目标函数的允差时, 则停止迭代, 得到最优解; 同时要求最后的迭代使用最大斜度搜索,否则要进行附加的迭代。

3.2优化结果分析

本文取14个参数作为设计变量, 设计变量x1~x14分别对应结构的上三角架槽钢厚度、水平角钢厚度、耙轮撑板厚度、扶蔗辊下撑板厚度、悬挂刀盘槽钢厚度、竖直角钢厚度、扶蔗辊上撑板厚度、刀盘厚度、刀盘凸台厚度、刀片厚度、耙轮叶片厚度、耙轮轴直径、扶蔗辊上轴直径以及刀杆直径等。要求满足结构综合应力不大于材料的许用屈服应力190MPa,机架结构初始质量为275.168kg, 初始综合应力230.112MPa1图4所示为迭代26次后结构综合应力和重量的变化曲线。从图2中可以看出, 质量在前面5次迭代中有增加的趋势, 从初始的275.168kg增加到301.137kg。这是因为应力约束在前5次迭代中迅速进入约束界, 满足约束条件, 而目标和约束在某种情况下是互为对偶的条件; 为满足约束, 目标函数需适当作出让步, 因此目标函数有所增加1当约束已经满足的条件下, 再使目标函数下降逐步接近最优解。因此从第6次迭代开始目标函数有所回落, 逐步下降直到收敛,

质量降为256.129kg, 降低约7%; 而应力始终在约束界内, 直至最后收敛都小于190Mpa, 达到了设计要求。

图2.综合应力与质量变化曲线

4 结语

甘蔗收割机在工作过程中主要承受动载荷, 本文首次对机架结构部件进行模态分析, 发现其低阶模态振型对甘蔗收割过程并未产生不良影响, 因此在不超过材料许用屈服应力条件下, 以降低结构质量为目标, 对机架结构作静力强度优化。优化效果令人满意, 材料分配趋于合理。优化后构件尺寸的改变并没有影响机构的运动仿真, 因此在进行物理样机的研制时完全可作为可靠的参考尺寸, 从而大大减少了产品重复设计时间, 降低了成本, 提升了产品设计的一次成功率和产品质量，为虚拟样机提供一种新的设计及优化设计方法。

参考文献

1.熊光楞, 李伯虎, 柴旭东1 虚拟样机技术[J]1 系统仿真学

报, 2001, 13(1): 114-117

2.蒋占四, 李尚平, 邓劲莲1 甘蔗收割机械智能设计系统研 究开发[J]1 计算机辅助设计与图形学学报, 2004, 16(12): 1754-1757

3.邓劲莲, 李尚平, 梁 式1 甘蔗收获机扶蔗机构的概念计 与创新设计[J]1 农业机械学报, 2003, 34(6): 58-61

4.郑建荣1 ADAMS))) 虚拟样机技术入门与提高[M]1 北京: 机械工业出版社, 2003: 93-104

5.陈树勋, 裴少帅1 一种简明易用的结构优化的包络函[J]1 现代制造工程, 2004 (7): 89-92

范文四：机械手臂结构优化设计

第$期%&&_年$月

文章编号：$&&$5W^^#!%&&_’&$5&&$W5&W

机械设计与制造

J?U1-3,@GX,C-43DJ?3>9?UA>@,

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机械手臂结构优化设计

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杨中平

赵荣飞

薛娟萍!西北农林科技大学

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【摘要】机械手臂的设计是目前机器人科学研究的一个热点。这里考虑手臂的抓重、材料和运动速度，对其进行优化设计。建立了优化设计的数学模型，使用J)KL)M软件分析目标函数的性态并设计变量的可行域，求得机械手臂最优尺寸。在满足条件的情况下，使手臂质量最小，证明了该设计可以满足预设动作要求。

关键词：机械手臂；优化设计；强度条件；刚度条件；J)KL)M；软件

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中图分类号：K7$%%文献标识码：)

机械手臂作为机器人的一个重要组成部分，一直是机器人

科学研究的热点之一。机械手臂的结构设计通常是一多解问题Y$[。目前，还未形成完备的设计方案。这里针对具体实例，运用目前较为流行的结构优化计算来调整截面尺寸和手臂长度，使其在满足强度、刚度和尺寸要求的前提下，得到最优尺寸和最小质量，实现结构优化设计。

#来稿日期：%&&]5&\5&W

耦合集：N弧面分度凸轮机构〈弧面分度凸轮

P从动盘O;%〉O;$，

端口：N轴线垂直Q弧面分度凸轮O;$R轴线

E;

属性参数：

N中心距I，弧面分度凸轮R许用压力角，弧

面分度凸轮R凸轮节圆半径，从动盘R转盘节圆半径，从动盘R滚子半从动盘与凸轮在分度期的角速比，凸轮角位移P径，从动盘R滚子宽度，规则集：

N凸轮与滚子的共轭接触方程：凸轮工作轮廓在动坐标系的方程：

B$SB%U2C!U2C

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$问题描述

机械手臂种类较多，各类型手臂结构也有相当差异。这里中手臂因其内部要按放电子线路的特殊使用要求而设计为圆环（即各截截面的直杆

W结论

在虚拟制造中的弧面分度凸轮建模，不仅要求模型的数据完整一直和可靠，同时更重要是要求模型的可重用性。基于JX;元建模方法对弧面分度凸轮进行建模可以对传统模型的开发与分析产生积极重大的影响。重要表现于：

（$）增加模型数据的可交换性，减少虚拟设计中代码冗余。

（%）保证模型间的数据一致性，加强数据的互操作与模型间的无缝集成。

这里在对元建模及其建模技术的分析基础上，提出了基于JX;元建模理论的弧面分度凸轮模型虚拟设计方法，将对进一步基于JX;方法的参数约束、拓扑约束对弧面分度凸轮的参数化设计有着积极作用，也将成为弧面分度凸轮建模发展趋势。

参考文献

$张玲等R虚拟制造中的产品建模技术研究R基于产品定义单元和元建模的产品模型YZ[R机械科学与技术第六期，%&&&R$$R清华大学出版社，%&&\R%肖田元R虚拟制造YJ[R北京：

万方数据

P

G%/.高微等：机械手臂结构优化设计

第%期

件，其作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定位置!

实例：机械手的主参数为最大抓重（目前，该值通常为%&公斤左右，故设重物!%为%&’(）。影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度，设机械手最大移动速度为%)

选用合金钢管作为手臂的原始材料；钢管的厚度1取为

许用剪切应力!

手臂运动由提升重物的竖直运动与带动重物旋转的水平回转运动组成。手臂自重相对于重物来说.对手臂强度计算的影响较小，可不作考略，故设计时仅考虑重物:的作用。手臂受力如图%所示。

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,（

下同）.计算整理得：

%

手臂D点处所受剪应力最大。因圆环截面壁厚1远小于外径M，故最大剪应力为：

-据抗剪强度条件有：

万方数据

,-

7［

HLI

将已知数据代入式（L），计算整理得：+)&)

如图%所示，受力分析得，(点处挠度$最大。据刚度条件$*7B’

$$#5［$］2%&&&

H9I

式中，#为材料的弹性模量（:67）；5为截面惯性矩（0*/），52!

L/

+/.F/）H8I

将式（8）及已知数据代入式（9），计算整理得：$&+$G%8+

+6N

$建立数学模型

优化设计追求的目标是机械手臂的质量!

!

%

/

!+

HJI

式中，设计变量72!7%.7

由第二步设计分析计算得M的值约$)40*，

故式（J）可简化为：!

显然，

*

/

$9:9%

$&+$G%8+

此数学模型是一个单目标非线性二维约束优化问题。

/优化计算

我们将用于求解优化设计数学模型的方法或寻优的方法称为优化计算方法。对于机械优化设计问题，求解常常需要经过多步迭代，最终收敛得到最优解!/#。这里运用数学规划方法的理论，根据数学模型的特点，利用5P1OPQL)4软件进行辅助优化计算与设计，以求得机械手臂的最佳设计参数!4#!L#!9#。

/)%函数的性态分析

应用5P1OPQL)4编程：

!E.R#2*>,A(=H&.L.$&I.CH&.4&.$&IIT

U根据函数的定义划分网格区域

52&)&&/L#R#ETU目标函数

*>,AHE.R.5IT

U通过三维网格模拟目标函数图形

在5P1OPQL)4下运行程序可画出目标函数的三维图形，如图

!

机械设计与制造

+$,+

目标函数图像,/!.)#))/*10

/)I)!

()$)),)

*/)

I)/

&

()

$)

I

%

)

)

图(函数-.)#))/*01的图像234#(56789’:;3

同样，通过编程，-@50@A*#,可绘出各约束函数的图形。程序如下：

7BCD

N)?$)?)?,)OPQ抗拉强度条件的图形，

6

6

7BCD

Q刚度条件的图形

6

6

6

;3;D7EF各个约束函数图像FPQ标注图形名称;7G;E/?/,?F可行域FP

Q注明F可行域F区域

6

各个约束函数图像

,)

/,可行域

$./)

/)I,#.)#/

$I)#.)#(I)GI+$UG(+)#*/M(.)

(,()$()GI+JKG(LI/G+*#/MG.)

$,$),)

)$(I/

,

*KUJ$)#

图I设计变量的可行域

234#I27&V3WD7=743

由图(可以看出R目标函数的图像规则?即性态好?对于多数优化方法均适用。对图I可行域分析可知，

实际起约束作用有：（$）刚度条件：

I)%I+$U%(+)#*/&())（(）结构尺寸限制条件：&+/)6)

所以?计算时只须考虑这两个条件。这样就大大简化了计

万方数据

算过程。

/#(应用-@50@A软件求解

E$P编写目标函数的>文件R

8.)#))/*#GE$P#GE(P；

E(P因设计约束含非线性约束?故需编写一个描述非线性

约束的>文件R

!

89’:;3

:.+I)#GE$PHIL$U#GE$PH(L)#*/#GE(PH(S:7\.NOS

EIP给定变量的初值，并调用优化函数：

G).N//)OFS@.N)+$OSW.N+/)OSDW.B7=

NG?8X&D?7G3;8D&4?

E/P计算结果R

G.

I#U$*)Q最后的优化结果/)#))))Q1.I#U$*):>?0./):>8X&D.Q优化后的最小质量)#K)($

Q>(>3’.)#K)($T47G3;8D&4.

Q算法退出处条件

$

3;7=3

Q函数调用次数89’:[

D3’7+V7&=:6F

Q算法

83=V;

经$$次迭代计算后?求得最优方案为R1.I#U$*):>?0./):>?>(.)#K)($T4。

,结束语

这里对实例中机械手臂运动受力进行分析，求得满足强度、刚度和结构尺寸的方程，并建立了优化设计的数学模型，在此基础上编制程序求得手臂的最小质量，实现了手臂的结构优化设计。本设计的主要特点是运用-@50@A算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握?从而避免编写各

种复杂的运算程序，提高了设计效率。设计值与所求近似值很接近，说明其具有相当的可信度，并且优化结果可以明显降低加工成本?具有较高的经济价值。对目前的机械手臂结构设计方法进行了创新，为今后的设计提供了新的思路。

参考文献

$王承义#机械手及其应用N-O#北京R机械工业出版社?$JU$#(龙立新#工业机械手的设计分析N%O#焊工之友?$JJJ?I#I孙靖民#机械优化设计N-O#北京R机械工业出版社?()))#/刘惟信#机械最优化设计E第二版PN-O#北京R清华大学出版社?$JJK#

机械手臂结构优化设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

高微， 杨中平， 赵荣飞， 薛娟萍， GAO Wei， YANG Zhong-ping， ZHAO Rong-fei， XUEJuan-ping

西北农林科技大学,杨凌,712100机械设计与制造

MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE2006(1)5次

参考文献(4条)

1.王承义 机械手及其应用 19812.龙立新 工业机械手的设计分析 19993.孙靖民 机械优化设计 20004.刘惟信 机械最优化设计 1997

引证文献(5条)

1.阮学云.王永生.张军.王光生 基于MATLAB煤液钻空心传动轴的优化设计[期刊论文]-煤矿机械 2008(3)2.梁喜凤.王永维.苗香雯 番茄收获机械手机构尺寸优化设计[期刊论文]-机械设计与研究 2008(1)3.方学红.李延富.张竺英 供排气管对接机械手的机构研究与参数优化[期刊论文]-机械设计与制造 2008(1)

4.肖丽萍.魏文军.宋建农.靳桂萍 可控变杆长空间机构在农机部件工作轨迹上的设计与应用[期刊论文]-农业工程学报2007(7)

5.梁胜龙.徐忠兰 平压模切机执行机构的节能优化设计[期刊论文]-机械传动 2010(11)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxsjyzz200601006.aspx

范文五：机械结构优化设计分析_王永胜

3下? 2016年? 第 9期(总第 527期)

Quality and Safety 【质量与安全】

一、机械设计的流程

机械设计是开发和研究的重要组成部分。设计人员在设计 过程中,要提高自身设计水平,加快技术创新,为社会发展设 计出质量优良的生产和机械。第一,要确立良好的设计目标。 机械设计与开发要满足实际需要, 能够发挥其自身功能。 第二, 要严格遵守设计标准和要求,对具体的内容进行提炼,从而有 效设计任务和目标。第三,在承接设计任务书以后,要坚持合 适的原则,明确设计责任;还要组织设计方案,对设计方案进 行讨论,重视设计样品机械的关键环节和重要步骤,从而形成 最初的设计。第四,要组建优秀的项目团队,对方案进行深入 讨论,不断优化设计方案,控制方案变更。第五,要组织专家 对设计图纸进行严格的审核,保证设计质量,在图纸完成交付 以后,要针对存在的问题做好记录,为以后设计提供借鉴和帮 助。第六,在机械创建完成后,要做好机械的验收,设计师要 对机械进行检查,保证在发现问题时能够及时有效地解决,只 有在质量验收合格后,才能进行最后的交付使用。第七,在机 械安装过程中, 设计人员要在安装现场进行全程的监督和控制, 做好技术指导。第八,为保证机电和安装质量,要进行生产鉴 定和调试,根据机械使用的效果进行合理的评价和鉴定。以上 设计流程,缺一不可,需要设计人员不断提高自身设计水平, 采用先进的设计理念,保证设计质量。

二、机械设计过程中需要注意的问题

第一,在机械制造阶段,设计水平直接影响到预期效果,甚 至导致机械不能正常投入使用。因此,在设计过程中,设计人员 要与制造人员协调,多深入生产现场,认真听取制造工人和设计 人员的意见、建议,不断优化机械结构,提高机械的精密度。

第二, 在机械安装和调试阶段, 设计人员必须到施工现场, 技术指导和监督安装,调试的全过程,及时发现和处理出现 的各种技术问题。设计者要根据机械运行情况,获得第一手 资料,验证机械设计的合理性。同时,设计师要提高自身处 理现场问题的能力, 合理评价机械和机械使用后的效果、 质量。

三、做好机械结构优化设计的措施

1. 明确设计思路。设计思路是做好机械设计的重要基础。 为提高设计质量,设计人员要根据相关要求和目标进行初步设 计,模拟多种设计草图,同时进行全面的分析和讨论,提高设 计方案的合理性和可行性,不断增加草案修改的意见和建议, 最后确定设计的相关方案。在设计图纸完成以后,设计师要与 机械加工生产的单位进行沟通和交流,明确机械产品的设计思 路,为下一环节的设计做好铺垫,打好基础。设计人员还要与 生产经营单位进行互动交流,对设计过程中产生的纰漏或者问 题进行记录,为以后机械产品的设计、开发提供借鉴和帮助。

2. 机械优化设计与开发。在企业发展发展过程中,生产

是重中之重。而产品之间的竞争越来越激烈,对企业的生存 和发展造成不小的威胁。因此,要提升产品的竞争力,保证 产品的性能和质量。同时随着社会的发展,要求机器生产朝 着高速、高效、低耗的方向发展,要重视设计对系统和周围 环境的影响,提高机械设计的经济效益和社会效益。在机械 优化设计过程中,要不断利用计算机技术,计算精密,实现 机械设计的自动化,保证机械产品的质量。

四、仓储货架的设计

仓储货架是为了节省货物存放空间,增加库房利用率,由 立柱、横梁、层板及其他附件组成的立体存储货物的设施。在货 架设计中,首先,根据货物的重量、体积及库房的空间、搬运设 备的尺寸、存取的便利性来选用货架。中型货架主要用于层载 200~800kg, 单件货物重量较轻, 人工取货或使用登高车存取货, 通道尺寸预留小。重型货架用于层载 800~3000kg,货物较重, 使用托盘由叉车或堆高车等搬运设备存取货物,通道尺寸预留较 大。其次,确定货架的尺寸、层数、层载,通过这些参数计算确 认立柱、 横梁、 层板的尺寸。 立柱采用薄壁钢板经冲孔辊轧制而成, 外形截面如图 1所示,据其受载状态的不同,需分别按轴压构件 和压弯构件进行计算,计算采用《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 (GB50018—2002) 的相关公式。 横梁为 P 型梁 (图 2) 或抱焊梁, 首先计算横梁的截面形心,然后计算各惯性矩,计算弯曲中心的 位置,梁的扭矩在两端最大,弯矩在跨中最大,所以分别在最大 值处计算弯曲强度和扭转强度。取两者最大值计算出极限载荷, 最后乘以安全系数得出横梁的最大承载载荷。横梁长度越长它的 承载能力越差,所计算的数值在实际运用中要不断修改和完善。 层板用于中型货架, 重型货架不用层板, 需将货物码放到托盘上, 通过托盘放在货架上存取。

图 1　立柱外形截面 图 2 P 型梁外形截面

参考文献:

[1]李 小 刚 , 程 锦 , 刘 振 宇 , 等 . 基 于 双 层 更 新 Kriging 模 型 的 机 械 结 构 动 态 特 性 稳 健 优 化 设 计 [J].机 械 工 程 学 报 ,2014(3):165-173.

[2]史 凤 兰 . 机 械 结 构 优 化 设 计 发 展 综 述 [J].中 国 科 技 信 息 ,2010(22):134.

[3]李艳兵 . 机械结构设计的方法和基本要求 [J].黑龙江科技 信息 ,2007(24):4.

[4]汪久根. 论机械结构的设计 [J].教育教学论坛 ,2012(5):82-83.

(责任编辑:袁凌云)

机械结构优化设计分析

王永胜

(河北地龙仓储搬运设备制造有限公司,河北 石家庄　050021)

摘　要:机械结构优化设计具有综合性和专业性的特点,在设计过程中涉及方面很多,对设计人员的综合素质要 求很高。因此,本文就结合实际情况,对如何做好机械结构优化设计展开论述。

关键词:机械结构;设计流程;优化设计

中图分类号 :F293.3　　文献标志码 :A 　　文章编号 :1000-8772(2016) 09-0181-01

收稿日期:2016-01-23

作者简介:王永胜(1983-),男,河北鹿泉人,大专,助理工程师。研究方向:仓储货架的设计。

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