机械优化设计总结

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机械优化设计总结范文第1篇

关键词：社会经济；结构设计；机械生产

中图分类号：F407 文献标识码： A

引言

机械制造业的不断发展，随之而来的是对机械结构设计要求的不断提高，因此，对于机械结构的设计需要在满足机械设计原则的基础上不断创新，改变原来的设计方法，根据机械产品的功能充分发挥创造力，综合运用先进的技术，借鉴优秀的研究成果，在全新的设计理念和基本设计原则的指导下，创造出更具有价值的机械结构。

1、机械结构设计概述

对于机械结构而言，根据不同的设计方法生产出来的结构也不尽相同，比如在材料、毛坯选择上，应当根据材料价值和特性进行选择，充分利用机械结构材料自身的性能；同时，还要注意利用代用材料。如果只是制造毛坯，则制造难度就会明显降低；切削加工过程中，选用切削加工费用低的方法；机械结构设计过程中，要求结构应当便于装夹和定位，并且适用于标准刀具以及量具，适合标注尺寸等

2、机械结构设计原则

2.1应当满足机械结构的应用要求

在结构设计过程中，机械结构应当可以有效实现预定的指标；同时，还要确保设计出来的机械结构可有效完成任务，满足强度、刚度、精确度以及使用寿命的要求，同时还要确保该机械结构在使用过程中的安全可靠性。

2.2应当有效满足经济性要求

对于机械结构设计而言，其经济性实际上是一个综合性的指标，全面体现在设计、制造和应用全过程。其中，设计与制造经济性，主要体现在设计、制造过程中的成本有效控制；应用过程中的经济性，主要表现在高生产率、高效率等方面，同时还要求维护费用较低。这些都是设计过程中应当充分考虑的问题。

2.3应当关注机械设备操作人员的安全

机械结构设计过程中，应当注意技术安全问题，最大限度地去改善操作人员的劳动条件、强度；同时，还要注意机械结构外形的美观度，并能有效满足特殊要求，比如机床在长期应用中的精度、大型机械的运输方便性等。

2.4与质量技术指标相适应

由于机械结构是机器产品的基本组成要素，因此对结构质量的要求十分严格，但质量技术指标越高，用在结构设计和制造上的成本和时间也越多，当质量技术指标达到要求时，再添加其它的要求势必会导致工时和成本急剧增加，生产效率明显下降。在这样的条件下，生产出来的结构将无法实现最理想的经济效益。因此，在对机械结构的结构进行设计时，结构的结构工艺性必须在满足使用条件的前提下与质量技术指标相适应，实现机械结构最高的实用性和最大的经济效益。

3、机械结构设计方法

3.1理论设计

理论设计主要以人们已掌握的合乎规律的理论和实践知识为基础，结合理论力学、材料力学、机械原理、金属学等理论知识进行机械结构的结构设计。根据结构的整体载荷情况，运用理论计算公式确定结构的几何尺寸。结构的尺寸计算必须满足载荷情况、材料性能、结构工作情况和应力分布规律等方面的条件。运用计算公式初步确定机械结构的尺寸及形状后，再利用校核计算对结构危险剖面的安全系数计算值进行校核。这个过程多用于应力分布规律复杂，但又能用材料力学公式表示出来的结构设计，同时也适用于应力分布规律简单但必须已知结构尺寸的情况，如轴和弹簧的设计。在进行机械结构的结构设计时，一些具有足够实践经验的设计工作者也常为了简化计算过程，在粗略的估算和相关资料的基础上直接进行结构设计，然后采用校核计算。理论设计的基础是熟知机械结构的材料性能和应力分布规律，是经过大量感性知识而总结出来的设计规律，因此是一种具有一定科学性和先进性的设计方法，值得广泛采用。但是任何一种理论都存在不完善的地方，所以不应把理论设计当作完美的机械结构机构设计方法。

3.2模型实验设计

模型实验设计主要针对一些尚无法运用理论知识进行详细分析的大型的、结构复杂且具有一定重要性的机械结构进行结构设计。具体来说，就是对结构作出初步设计，形成模型，对模型进行反复试验，再根据实验结果加以修改。这种设计方法同样也是对理论不足的一种弥补，同时也有效地避免了经验设计中缺乏科学性的成分。模型实验设计决定了大型复杂结构中的工作应力分布情况和结构的极限承受能力，是将经验设计转化为理论设计的途径之一。

3.3经验设计法

即实际设计过程中，根据某类机械结构现有设计、应用经验，总结出经验公式，根据设计人员自身的设计经验，选一类比法进行设计。虽然该种方法没有较为详尽的理论科学分析依据，但也具有科学统计性特点，因此应用价值也比较大。实践中可以看到，因该种方法是基于通过实践总结出来的经验，所以它经得起实践检验。比如，机架以及变速箱设计过程中，经验设计法便可在理论设计的基础上加以应用和实现，实际上它是理论设计的初级方法。

4、机械结构优化的发展展望

结构优化设计随着最优化方法的不断发展和改善，已逐渐得以发展。近些年来，在结构优化算法方面，结构优化设计趋向于采用接近实际的复杂结构模型模拟大型结构系统，由于设计变量数目大，研究新的有效的准则优化方法受到重视，但仍有如何去解决针对各种特殊的结构优化问题建立相应的公式，解决解析推导和数值计算的实现问题；再是使用大型系统的分解优化方法，对于大型结构优化，可以按子结构分解或者进行多级分解优化，对于多学科的复杂系统可以按学科分解优化。分解算法的关键在于建立各个子问题之间的稿合关系，比如通过使用最优解对参数的灵敏度和采用线性分解等法建立起稿合关系，使得子问题的解相容，从而保证迭代收敛，问题是如何保证一定能求解。并行计算技术引入结构优化设计是一个较新的方向。像遗传算法，人工神经网络的方法，在近十年来被引入结构优化设计并发展很快。它们对离散与连续混合变量的全局优化，对发展结构近似重分析的专家系统有其独到之处。现在的问题是怎样提高优化质量、精度、加快收敛，增加方法的通用性。

拓扑优化、材料优化和形状优化的集成在机械结构和部件设计中具有重要的实用价值，是近年来出现的并行设计的重要组成部分，仍将是下一步研究工作的重点。拓扑优化能够为结构的方案设计提供科学的依据，使复杂结构和部件在概念设计阶段即可灵活地、理性地优选方案，有望用于大型实际结构优化设计求解。但是要处理庞大的有限元和优化模型计算量增大，应力约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失可能会对计算模型造成病态等问题。

从近几年来国家自然科学基金所资助的内容来看，单就机械学科涉及优化设计的项目就有近20项，有广义优化设计，全性能优化设计，模糊优化，可靠性优化，分解优化设计，光机电一体化与人机一体化设计，有基于人工神经网络的复杂结构优化研究及机械传动系统性能优化，复杂机电系统解稿与稿合设计理论与方法研究，机电产品的绿色设计理论与方法等，以及今年提出的面向产品的创新的概念设计，轧制件模具的现代设计方法等课题，反映我国已经注意追踪或跨入世界领先领域的研究工作。另外，优化新方法的研究，形状优化和拓扑优化，多学科优化，结构优化建模，可靠性问题，结构重分析与灵敏度分析，遗传算法，神经网络，人工智能，大规模问题求解，因特网应用等都是继续深入研究的热门课题。

结束语

机械结构优化设计是提高产品性能、节约生产成本的有效方法。其直接关系着整个机械产品的性能和质量，因此在机械结构机构设计过程中，应当加强思想重视和设计思路创新，只有这样才能确保设计质量。

参考文献

[1]王丽敏，计小辈，李颖芝.机械结构优化设计应用与趋势研究[J].邢台职业技术学院学报，2008，03：46-48.

机械优化设计总结范文第2篇

【关键词】机械工程 可靠性优化分析研究

中图分类号：E271文献标识码： A

一、前言

创建机械工程产品设计的过程中，同时要将可靠性原理和技术有效的结在一起，并按照相关的标准需求，可以把产品的可靠性放在首要位置，在延长设计时长，提高成本和功能的基础下，尽量是机械工程产品达到一定的可靠性标准。因为可靠性设计属于多领域学科范围的现代化设计，所以可靠性设计会包括很多方面的技术应用。

二、机械工程设计的可靠性常用方法

1.鲁棒设计方法

鲁棒设计方法着重强调减弱产品的敏感度。保证产品的各项功能在应用条件改变的情况下依然稳定运行，同时确保产品在规定的使用时长期间，不会因为产品内部组成产生改变，系统陈旧或者参数不稳定等原因影响产品正常运行的设计方法。此方法是以综合分析处理为前提由日本著名机械设计师田口玄一首先提出来的，主要是依据产品的使用对使用者产生的经济损失程度的大小作为设计可靠性的评价标准，可以说是它的基础理论，所说的损失程度大体是说用户经济流失与产品目的和功能的正比大小，简而化之就是损失越大证明偏差越大，客观的区分出产品质量的优劣，降低偏差程度会使产品质量得到有效的提升，绝大部分经过严格筛选的材料和产品技术，都是把最大程度降低错误的出现率作为最终目标。

2.降额设计

降额设计方法是指产拼运行过程中零部件受到的应力大小没有超过其规定的应力范围，为了有效的减少部件所受应力，可以提高质量或者在选材上加以深究。大量的机械工程实践记录显示，机械工程零部件在低于它额定的使用压力下进行工作的时候机械工程事故率是十分低的，也就是说可靠性是十分高的。因此反复的进行研究和设计就成为了降额的有效途径，可以通过降低平均应力，提高零件使用强度等方法改变应力、降低强度，达到提升可靠性的目的。

三、可靠性优化设计在机械工程中的应用

1.工程机械产品的使用和维护的可靠性优化设计

对机械类的相关产品进行定期的维护和检修，这种措施能够很大程度上延长产品的工作寿命，公司的发展和扩大始终需要一个强大的售后服务系统，所以，售后维修系统的运行关系到所有机械设备生产厂家的生死存亡，通过现代化的数据分析，根据人们需求和使用环境的不同，制定全面的维护和检修方案，再依照机械使用程度和参数规定合适使用寿命。机械工程产品的可维护性也可以看成是可靠性，二者没有什么本质的区别，工程机械产品设计最开始的时候要最先考虑产品的可维护性，产品结构越是不复杂，出现故障需要对其进行维修时的处理速度就会越快，切实的减少了经济损失。机械工程产品维修可靠性的优化设计时，维护费用则是需要讨论的重中之重，要尽量用最少的资金达到最大限度的可靠标准，努力降低维修的时长，设计职工要以此作为设计基准实现机械工程可靠性优化设计。所以，把维修设计作为可靠性优化设计的前提是切实可行的。由此可以看出，设计和创建既保证经济性有保证合理性的维修方案是非常重要的。进行维修的过程中，必须使用规范的维修机械设备，工作人员也要不断提高自身的技术能力，使维修工作得到进一步的提升。

2.机械工程产品设计环节可靠性优化设计

零件安装设计和整体规划设计是机械工程设计的两个主体设计。而进行产品可靠性优化设计的过程中可以将它们视为一个整体，主要分为以下两种设计方法，一种是：首先对整体的机械体系进行综合分析，同时估算并掌握零部件的最大可靠性，通过对零部件结构组成的可靠性分析，估测出得到的结果必须要强于设计目标或者与设计目标持平。另一种是：在优化可靠性设计过程中将所有参数平均分配到各个零部件上，每个零部件都一定要符合这些参数的标准要求，按比例、综合分配以及等参数分配是经常用的可靠性分配方法，在设计机械结构时，零部件的选取首先考虑的必须是达到国家标准的同时已经大批生产的零部件，这样能够适当且合理的节省资金和生产时间，对于关键结构的部件要试着改变零件的使用方式并对其进行优化设计，与可靠性有关的实验要在设计之前就完成，另外，机械工程产品设计的可靠性要不断重复检验，直到所有参数都达到设计指为止，机械工程设计的人机设计也具有重要的意义，其中包括机械的可操作性和零部件适应性。

3.工程机械产品在可靠性优化设计制造

为了保证产品的质量，企业必须对生产过程中的所有环节都进行严格的掌控，所以机械工程的可靠性优化设计就显得尤为重要。因此要加强对工艺流程的选择以及对技术操作水平的提升，工艺流程包含许多分系统，在设计的最后要将所有分系统的数据进行整合分析，并通过有效的措施和手段进行可靠性优化。

四、总结

总而言之，机械工程产品所涉及的技术研究随着时代的进步变得更加复杂化，因此机械工程产品的可靠性优化设计就成为了产品设计的主要研究对象，前景十分广阔，其可靠性优化设计会越来越得到更多人的使用和肯定。

参考文献：

[1]万耀青。机电工程现代设计方法[M ] 。北京理工大学出版社，2009 （ 03 ） ： 183 -184

机械优化设计总结范文第3篇

【关键词】机械设计；现代设计；传统设计

机械设计是根据产品的使用要求对机械产品的结构、运动形式、工作原理、方式等进行分析、计算和设计并将这些方法应用到具体的设计过程的方法。传统的机械设计方法也称常规机械设计方法，是需要设计人员去检索资料、手工计算和绘图，设计周期长，设计质量不高的产品设计方法。随着科学科学技术的发展，产品迅速的更新换代，传统的机械设计方法已不能满足机械设计人员的设计要求，这就提出了现代机械设计方法。现代机械设计方法是对传统机械设计方法的完善和改变，它以发展并完善设计理论、改进产品的设计方法、提高设计产品的质量和缩短设计周期为目标为宗旨，包含了创造性设计方法、系统分析设计方法、优化设计方法、有限元分析方法、反求工程设计等。

1.传统机械设计方法与现代机械设计方法

传统机械设计的方法是以设计人员对于所设计产品的理论认知和工作经验为基础而进行静态、直觉的设计。（1）产品的理论认知来自于长期的设计经验和实验结果，是固定不变的。但现实社会往往是复杂多变的，这就存在设计出的产品考虑不全面，存在安全隐患，我们用安全系数来概述。如果选择的安全系数过大，则投入产品的资金就会增加，成本增加；如果选择的安全系数过小，则在保证产品的安全性方面很难做到。（2）工作经验是设计人员根据所设计产品已经存在的设计过程和经验公式，或设计人员本身的设计思路与同类或者相似产品的设计方法进行类比。随着不断提高的产品技术含量，设计体系变的越来越复杂，传统的机械设计方法已不能满足产品的更新速度和市场的需求。

以思维科学、设计理论系统工程为基础，计算机为工具的现代机械设计方法出现了。与传统机械设计方法相比，现代机械设计方法是动态，科学的。现代机械设计方法设计出的产品比传统机械设计方法所设计出的产品在质量上更可靠、更安全，在外观上更自然、更吸引人，在总体功能上更人性化。显然，现代机械设计方法具有很多传统机械设计方法不能比的特点：（1）随着社会的发展，产品的更新换代很快，设计人员要不断的改善旧产品推出新产品。而在新产品的开发过程中，被动的传统机械设计方法已不能满足要求，需要主动性比较强的现代机械设计方法来适应。（2）现代社会的消费群体在追求先进产品的同时还要求产品的绿色环保性。传统的机械设计方法追求的是产品本身的质量和预定功能，而现代机械设计方法在追求产品预定性能的基础上还要考虑产品在原料的选取、工件的加工、产品的装配、产品的使用到产品的报废回收都需要考虑和环境的关系，保证产品的绿色性。（3）传统机械设计方法一般先根据设计思路制定出第一套方案并做出样机，然后对样机进行试验、评定并且不断的修改直到满意而形成第二套方案，期间耗费高、时间周期长。现代机械设计方法依据各种既定的条件，综合运用优化设计的方法，借助计算机软件设计仿真出产品，设计周期短，耗资低。

2.现代机械设计方法

现代机械设计方法实际上是把科学方法论运用到机械设计当中，它是以设计出的产品为目标的一系列设计方法和先进技术手段的完美结合。现代机械设计方法在不断的完善和改变中，但它以发展并完善设计理论、改进产品的设计方法、提高设计产品的质量和缩短设计周期为目标的宗旨是不会改变的。经归纳总结现代机械设计方法有创造性设计方法、系统分析设计方法、优化设计方法、有限元分析方法、反求工程设计等。

2.1系统分析设计方法

传统的分析设计方法一般是把要设计的对象分成独立的几部分来分别进行研究。因为各个部分的研究人员不能及时交流，导致所设计对象的各个部分是独立的，所以得出的结论往往是片面的、不完整的。现代系统分析设计方法把所设计的对象看成是一个完整的系统，用系统工程的方法来进行研究，并且在寻求最佳的设计方案时还要考虑产品或系统的制造过程和运行情况。即系统分析设计应同时考虑系统的开发、系统的制造和系统的运行这三个部分，只有这样才能验证出产品的设计效果。

2.2优化设计方法

现代化的优化设计方法已不再是传统的那种根据设计人员的经验或直观想法来确定结构方案，也不是再满足所设计产品要求的前提下，先确定设计方案再根据安全准则对产品的强度、刚度和寿命等分析计算，然后确定产品的尺寸等；而是不仅要考虑产品结构设计还要同时考虑产品的运输和产品的流通等各个方面。现代机械优化设计方法包含建立优化设计的数学模型和选择恰当的优化设计的方法。因为优化设计方法是根据在寻求数学模型的解决方法时得到产品解决的最优方案，所以设计人员要根据所设计产品的要求建立相应的数学模型，而数学模型一旦建立后，机械问题就变成了一个数学问题。设计人员根据数学模型的特点选择合适的优化设计方法，然后借助计算机软件等工具求出数学解，然后把求出的解应用到机械产品中，满足产品设计的要求。

2.3有限元分析方法

有限元分析方法是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代化设计计算方法，它首先是应用在连续力学领域的数值分析方法，随后随着计算机的快速发展而扩展到热、磁等连续性分析领域。有限元分析方法的原理是将要分析的产品划分为有限的、独立而又相互联结的部分，这些部分一般都是常见的形状，比如在有限元分析软件ANSYS中，被分析的产品如果是平面则最好划分为四边形，如果是立体则最好划分为六面体。划分好单元后设计人员需要确定所分析产品的各个变量，然后建立单元函数进行单元求解，最后联立单元方程求解。概括起来说有限元分析方法可以分为三个阶段：前处理阶段是建立有限元模型并进行网格划分；处理阶段是进行参数的确定和单元的计算；后处理阶段是提取分析结果，得出结论。

2.4反求工程设计

反求工程也称为逆向工程，它是以先进的产品为研究对象，通过现代设计方法进行研究分析，探索并掌握产品应用的先进技术，然后设计出同类的先进产品的一系列方法和技术的总称。我国是制造业大国而非制造业强国，要想达到制造业强国关键是人才和技术，外国有很多机械设计方法和技术领先于我们，但他们对我国采取封锁的政策。研究表明运用反求工程设计掌握先进产品的关键技术可以使设计人员的研究周期缩短百分a之四十以上，极大的提高了设计速度。可见研究反求工程设计对我国的技术发展有很重要的意义。一个先进成熟的产品，要在了解掌握原设计的基础上设计出同类有竞争性的新产品也是有一定的难度的，所以反求工程是一种先被动后主动的创造性活动，并非产品设计的逆过程。

机械优化设计总结范文第4篇

关键词：液压支架；强度；可靠性优化；设计

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.03.013

随着液压支架在煤矿工程中得到广泛的应用，对液压支架的要求也逐渐增多，其要求主要体现在可靠性、耐久性等方面。为了使液压支架在建筑结构中发挥其重要作用，首先应当对液压支架有一个充分了解，再对其进行强度可靠性设计方案进行研究。

1 我国液压支架发展概况

在煤矿开采的过程中，液压支架在综采工作面中是必不可缺的设备之一，液压支架与输送机及采煤机一同工作，实现了煤矿开采的机械化建设。液压支架在煤矿开采的过程中发挥着关键性作用，其所发挥的作用主要是支撑矿井里的顶板，保障煤矿开采过程的安全性。有无液压支架成为普通机械化采煤与高档普通机械化采煤之间的最大差异。液压支架能够让高档普通机械化采煤中的顶板一直处于良好的状态，使煤矿开采过程中的劳动强度得到极大地降低，并使开采的工作效率得到提高。

随着社会的不断发展，人们对能源的需求也越来越多，相应的对煤矿的需求量也逐渐增多，这就使得煤矿企业必须提高开采煤矿的工作效率，而液压支架的应用不仅能使煤矿的开采工作达到机械化，还能让煤矿的开采效率得到提高。除此以外，目前我国实现机械化的煤矿企业只占少数，这就使得液压支架在煤矿企业未来的发展过程中逐渐得到应用。在进行煤矿长壁开采工作面中液压支架是必不可缺的机械设备，液压支架的技术水平能够反映出一个国家煤矿企业的机械化建设程度。

2 基于最大应力约束的强度可靠性优化设计

为了使液压支架在煤矿开采过程中发挥最大的作用，应当对其最大应力进行约束，其最大应力约束的要求是将掩护梁所承受的最大应力不应超过梁的屈服极限状态。在对最大应力约束的强度进行可靠性设计的时候，一般是在掩护梁的最大承受应力部分取两个点进行对比分析，根据其分析结果使设计方案得到优化。

2.1 优化变量设定

液压支架在对掩护梁的设计方案进行优化的过程中，液压支架所需要的参数及空间尺寸都是已经经过明确的，并不能对其进行随意改变。为了使液压支架强度的设计方案得到优化，一般都会将优化变量设定为支架所对用的钢板厚度，通过对钢板厚度的优化使液压支架强度方案得到进一步的优化。

在对掩护梁进行优化的过程中，假定液压支架主要部件所对应的钢板厚度分别是T1，T2，T3，这三个数字都是设计变量，假设T1、T2、T3的厚度均取25.0mm，但其所用的地方是不一样的，T1是用于掩护梁的竖筋板，T2是用于掩护梁的上顶板，T3是用于掩护梁的下腹板。其掩护梁的整体质量为3345.0g。

2.2 有限元优化分析

当对液压支架进行有限元优化分析的时候，一般选取掩护梁上受力条件相对差的部分作为研究对象，其加载方式也是整个掩护梁中偏载工况最为恶劣的部分，液压支架在实验的过程中一般所取的高度都在2400.0mm作用，应力极限值不超过460.0MPa，在这样的情况下可以选择掩护梁的质量为最小的时候作为液压支架强度可靠性设计方案的目标来完成。单单有这些是远远不够的，还应当严格按照相关规定对设计变量以及参数进行要求。

2.3 有限元优化结果分析

通过以上对有限元的优化方案进行分析，并对分析结果来进行下一步的分析。在对有限元的优化结果进行分析的过程中应当严格按照相关要求，确保液压支架掩护梁的最大受力不超过屈服极限水平。因此，液压支架应当选取最小的质量，并将T1，T2，T3的板厚度从25.0mm变为20.0mm，从而使其满足相关要求。

3 基于疲劳寿命约束的强度可靠性优化设计

随着对煤矿的需求逐渐增多，我国对煤矿企业的开采技术进行严格要求，特别是液压支架的强度。在分析液压支架强度的可靠性的时候，不必只考虑疲劳寿命对液压支架强度可靠性的影响，应当将液压支架满足循环寿命的要求，这样才能从疲劳寿命约束的强度入手，σ貉怪Ъ芮慷冉行可靠性优化设计。

3.1 设定负载水平

在对液压支架的负载水平进行设定的过程中，应当严格按照国家所要求的液压支架型式实验规范来完成。笔者通过对相关规范了解，从而确定其加载周期为20000次。

3.2 有限元优化分析

在对有限元进行分析时，其结构所用的材料为Q460，该材料的弹性模量的取值范围大致在2.1×106MPa作用。并根据相关参数及公式对以上取的两个探测点的寿命进行计算。

4 液压支架疲劳寿命研究

局部应力-应变法、名义应力法及应力场强法为目前主要研究液压支架疲劳寿命的主要方法。以下主要对局部应力-应变法进行分析。

4.1 耐久性实验荷载

在对耐久性荷载进行实验的过程中，一般所用是内加载的方式。对整个液压支架的主体结构中，耐久性实验荷载与强度基本是相同的，通过耐久性实验得出额定压力的1.05倍才是试验压力。

4.2 疲劳寿命分析

假定液压支架的设计寿命为1×106次，从实际液压支架使用情况来看，其顶梁内主筋及主筋板是使用寿命最短的部位，而依据相关公式得出1×106次为使用的最短寿命值，该寿命值是符合相关规定的。在这样的情况下液压支架在耐久性实验中也符合相关要求，在实际使用的过程中为了使液压支架的耐久性提高，一般可以在液压耐久性相对较小的部位所采用的材料相对较好。

5 总结

本文主要通过最大应力约束及疲劳寿命约束两个方面对液压支架强度可靠性的优化设计方案进行分析，并完善液压支架的各项性能。

参考文献：

[1]陈静，赵丽萍，范迅等.基于有限元法的ZY6400/21/45型液压支架强度分析[J].中国煤炭，2014（04）：70-72，92.

机械优化设计总结范文第5篇

关键词：正铲液压挖掘机；工作范围；优化

0 引言

挖掘机传统设计方法不是去主动地设计产品的参数，而仅仅是被动地重复分析产品的性能。作为设计，不仅要使方案有较高的可行性与合理性，而且应该是某些性能指标达到最优的理想方案。随着计算机的广泛应用，己经可以运用现代化的设计方法和手段对大型的工程机械进行各种设计，来满足对工程机械产品提出的各种要求。人们可以利用优化设计方法，运用计算机软件辅助，从多如牛毛的设计方案中寻找出最优设计方案，从而极大的提高了设计的质量和效率[1-5]。

本文所采用的原始设计方案来源于国内某大型挖掘机企业，企业要求为正铲液压挖掘机工作装置的工作范围进行优化。本文利用虚拟样机ADAMS的view模块构建了正铲液压挖掘机工作装置的运动学仿真模型，通过对其模型进行运动学仿真获得工作范围性能指标，采用了通过调整关键铰接点位置以重组工作装置结构方案的方法分别对工作范围进行了优化改进。优化结果表明，优化后改进方案的理论性能水平略优于国外同级产品，可使实机性能接近国外同级产品。

1 工作装置运动学模型的建立与仿真

衡量挖掘机工作装置运动学性能最重要的指标，就是工作装置的工作范围性能指标，所以在设计方案制定之初，必须首先优化评价工作装置工作范围。

本文以某企业正在研发的某量级正铲液压挖掘机的初始参数为基础，通过虚拟样机设计法建立三维模型，通过优化设计法对工作装置几何铰接点进行调整，对工作装置工作范围的各项设计目标进行最大限度的改进。

首先根据厂方所给的初始数据，在UG三维建模软件中对正铲液压挖掘的铲斗、斗杆、动臂及液压缸进行建模，并完成相应装配。利用UG软件将三维装配模型导出成parasolid文件并导入MSC.ADAMS中，并对其施加相应的约束与运动副，得到挖掘机工作装置运动学模型。

1.1 建立约束条件

工作装置运动学模型中有9个关键铰接点，因其各部件间只是平面转动关系，所以这9个关键铰接点的约束均设为转动副；动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸与各自活塞杆之间为活塞运动，故其约束设为圆柱副。

值得注意的是，在添加液压缸与活塞杆之间的圆柱副时，会在两个部件各自生成一个MAREKER点，需要对这两个MARKER点的位置与方向统一进行参数化设置，否则会出现两部件错位等不可预见的错误。

1.2 施加运动驱动并绘制挖掘包络图

为使工作装置仿真运动起来，需要给工作装置添加动力源，而挖掘机实际工作中动力来自于液压缸，且为活塞运动，因此选择滑移驱动Motion施加于三个液压缸之上，通过设置滑移驱动的阶跃STEP函数，来控制各液压缸的伸长量，各液压缸的工作伸长范围由企业提供具体数据为准。

根据工作装置挖掘包络图圆弧的绘制方法，根据原厂原始设计方案数据设置相应的Motion函数，运行运动学包络仿真，完成初始设计方案的挖掘包络线绘制。

为进一步优化改进原始设计方案的工作范围性能指标，就需要通过调整铰接点位置的方法来进行，那么首先就要对模型及变量进行参数化。

2 工作装置工作范围优化分析

挖掘机必须适应各种各样的环境场合，满足足够多的使用范围是挖掘机设计的目标，而其关键就在于工作装置的优化设计。一般而言，挖掘机工作装置需要能够挖的够深，从而满足要求坑挖作业及开沟作业等；同时若需要与平台较高载货汽车联合作业时，还需要挖掘机的卸载高度足够高，总而言之，挖掘机工作范围的大小，工作范围性能指标直接影响到挖掘机的性能高低。本文就是通过对工作装置参数化，改变铰接点位置，形成多组不同方案各自仿真得出工作范围的主要作业参数，从中寻优，让工作装置工作范围的主要作业参数达到理论最大值。

2.1 确定工作范围的设计目标

液压挖掘机在任意正常位置进行工作时，其铲斗齿尖所能达到的极限范围称为挖掘轨迹包络图，即工作装置的运动包络图。它能够直观地反映工作装置的作业范围和主要作业参数。挖掘机的主要作业参数主要有

（1）最大挖掘半径；

（2）最大挖掘深度；

（3）最大挖掘高度；

将这三项指标确定为工作装置工作范围的设计目标。

2.2 优化设计方法

首先采用DOE方法，考察工作装置每个设计变量的取值范围，确定每个设计变量的变化区间，确保形成的所有虚拟实验方案，工作装置机构无干涉。

然后在ADAMS/Insight实验设计模块中按照Monte Carlo法，最终确定各设计变量的取值区间，对18个设计变量值进行排列组合，生成5120组不同的工作装置铰接点方案，在ADAMS/Insight中对模型逐一仿真求解，得出各组方案的设计目标仿真结果

2.3 优化结果对比分析

从结果中筛选出工作范围相对较大的一组方案作为改进方案，与初始方案进行对比，并将改进方案的工作范围指标与国外同级产品RH 340-B进行对比。

对比结果表明，改进方案工作装置的工作范围理论性能略优于与国外同级产品，达到了工作装置工作范围的优化目标。

3 总结

本文以某液压挖掘机原始设计参数为基础，运用参数化分析方法对工作装置运动学模型的工作范围性能进行了仿真优化分析，研究结果表明，优化后工作装置的工作范围理论性能略优于国外同级产品。

参考文献：

[1] 许玉明. 大型液压正铲挖掘机工作装置的优化设计[D]. 沈阳：东北大学， 2008..

[2] 林慕义，史青录. 单斗液压挖掘机构造与设计[M]. 北京：冶金工业出版社，2011.

[3] 白玉琳，陈进，李世六等. 大型正铲液压挖掘机工作装置虚拟样机研究[J]. 建筑机械（上半月）， 2008， （7）.

[4] 李瑞涛，方泥，张文明等. 虚拟样机技术及其在矿山机械领域的应用展望[J]. 矿山机械， 2000， （5）： 11-14.

[5] 鲍俊瑶，王爽，李志远. 液压挖掘机虚拟样机技术研究[J]. 机械设计与制造， 2006，（4）： 39-41