机械工程的可靠性优化设计探讨危亚明
发表时间:2018-10-09T15:16:41.417Z 来源:《防护工程》2018年第12期作者:危亚明
[导读] 随着科学技术和社会经济的快速发展,人类对机械工程设计也提出了非常高的要求,使其设计结构趋于复杂化,无形之中增加了机械工程可靠性优化设计的难度,因此本文主要针对机械工程的可靠性优化设计给予介绍。
危亚明
湖南展通安全科技有限公司湖南 410300
摘要:机械工程在各行各业中得到了广泛的应用,要想更好的提高机械工程的生产效率,以实现经济效益的最大化,就需要对其可靠性优化设计给予高度的重视。如今,随着科学技术和社会经济的快速发展,人类对机械工程设计也提出了非常高的要求,使其设计结构趋于复杂化,无形之中增加了机械工程可靠性优化设计的难度,因此本文主要针对机械工程的可靠性优化设计给予介绍。
关键词:机械工程;可靠性;优化设计
1导言
基于科技技术的发展,越来越多的机械产品被广泛开发,在具体应用过程中,为保证产品的功能性,其优化与设计过程需要结合实际,深入研究,以此提高机械工程的可靠性优化设计能力。从实际发展看,关于机械工程领域的相关可靠性优化设计仍需要进一步提高。 2机械工程可靠性优化设计的意义
2.1满足市场发展需求
目前,在社会经济发展的过程中,市场上的机械产品如雨后春笋般涌现,但是人们对机械产品的质量也提出了较高的要求,不仅注重机械产品的外观设计,同时也注重其产品的使用性能。因此,机械工程企业要想获得发展,就需要对机械工程可靠性优化设计工作给予重视,以更好的提高机械产品的可靠性,更好的满足市场发展需求。
2.2产品越来越复杂化
目前,随着人类生活水平的提高和我国科学技术的发展,使机械技术进行了较快的更新换代,使产品越来越复杂化,只有这样才可以更好的满足市场多元化的发展需求,这样一来就需要在机械工程可靠性优化设计工作上花费大量的人力、物力和财力,以此来实现高质量的机械工程产品。
3机械工程可靠性优化设计研究背景及设计不足
在我国科学技术水平不断发展的形势下,不仅产品更新换代的速度很大程度上得到了提升,产品的种类也得到了更新。而广大消费者在产品的选择上,越发倾向于可靠性更强的产品,故而各机械产品的制造商与开放商,需要将创新可靠性产品,作为整个制造的核心理念。尽管随着科技力量的不断发展,产品的走向也更趋于多元化和复杂化,但并非一味的复杂设计就能受到广大消费者的需求。产品开发商在研发完产品后,不能第一时间投入市场,应当做好一系列的实验与检测后,确保产品的各类指标符合要求,才能更好投入市场,获得更高的经济效益。
此外,我国现阶段机械工程可靠性设计还存在很多不足,如下:
第一,缺少专业人才。众所周知,机械项目的可靠性设计工作非常繁琐,而且系统性明显,因此设计工作必须由高水平的设计工作者来完成,但是实际情况是此类人才非常紧缺。之所以会出现这种人才匮乏的现象,究其原因主要在于高等院校的教育工作开展的不到位。目前许多的高等院校在培养人才的时候将重点放到大众型的人才方面。没有做好高技术能力的人才培养工作,特别是有关机械设计的人才更是匮乏。虽说个别高校开设了对应的课程,但是仅仅停留在浅表。所以,无法培养出社会发展所需的优秀的人才,严重制约了机械制造行业发展,从大的层面上来看制约了国家经济的进步。
第二,领导人的重视力度不够。目前很多的企业领导人未真正意识到该项工作的存在意义和价值。此设计工作本身非常繁琐,而且系统性很强,它关乎到产品品质的提升,关乎到单位效益的增加。当今行业竞争非常激烈,企业要想在竞争中获取稳定的发展,就要高度关注可靠性设计工作。相反的如果忽略了设计工作的话,就会导致产品的品质变差,导致企业不具备竞争能力,最终只能被市场所淘汰。 4机械工程的可靠性优化设计控制要点分析
4.1机械工程产品设计环节的可靠性优化设计
在机械产品的设计阶段,最为重要的两个环节即为整体装配与零部件组装设计。故而各设计工程师必须将其作为重点工作,力争高质量地做好设计工作。目前可靠性机械产品主要从以下两个方面具体展开。首先,预测整体设计可靠性法。其原理在于对整个机械产品进行部分的考量工作,从而从部分连接推测出整个产品的可靠性是否符合标准。借助从零部件推测整体的方法,能够更好帮助设计人员从细节出发,从而更好优化调整整个产品。可以利用现有的多种设计软件,实现整体产品的预测,达到实现机械机构预设动作的有效完成。其次,分配整体设计可靠性法。该方法的原理是,并非第一时间开展设计工作,而是根据产品的各项指标要求,进行总体上零部件分配工作,从而更好提升产品的可靠性质量。目前我国常用的产品分配法包括,二次分配、均等分配、据要求比例分配等多类方法。在实际设计的过程中,设计人员应当结合生产技术与产品需求,合理选择最为适合的分配方法,高效完成设计任务。
4.2要加强机械工程制造工艺可靠性优化设计
机械工程的高质量是离不开机械工程制造工艺的可靠性优化设计的,因而需要企业工艺设计人员在进行工艺设计时,根据产品设计的需要,要保证所用的加工设备能够达到相关的加工要求,选择正确的工艺流程及工艺数据。机械工程在制造这一环节中往往涉及很多工艺,所以该系统是比较复杂的。在进行机械工程制造工艺的可靠性优化设计的时候,要全面考虑相关的因素,从材料的选择、设备加工能力的确定、设备操作人员的素质到最后计量设备的选用及计量人员的能力,都是影响机械工程制造工艺可靠性的关键因素。只有做好了机械工程制造工艺的可靠性优化设计,才能真正有利于确保整个机械工程的可靠性。
4.3积极开展机械工程的使用与维修过程中的可靠性优化设计
机械工程可靠性优化设计离不开维修过程中的可靠性优化设计。有关的工作者要结合实际的工作情况,采取逻辑分析措施来明确维修事项和具体的维修措施,以此来明确产品使用时间,以及在使用及维修过程中的安全方面的可靠性。对于机械工程来讲,其维修性能会对
可靠性与优化设计 【摘要】 改革开放为我国的机械工程制造业带来了良好的发展机遇,经过三多年的努力,机械工程制造业已经取得了很大的发展成果,成为国民经济中重要的支柱。在机械工程制造业当中,对其进行的可靠性优化设计具有非常重要的作用。本文就机械工程中的可靠性优化设计问题进行了探讨,以供参考。 【关键词】 机械工程;可靠性;优化设计 1、前言 当今社会,科学技术飞速发展,人们不仅对多功能产品有强烈的需求,也需要多功能产品可以实现其应具备的功能。产品的可靠性优化设计是以产品功能的可靠性使用为目的而应运而生的产物,从产生开始到现在,已经得到了迅速的发展与广泛地使用[1]。在进行机械工程的产品设计时,将可靠性理论与技术应用于其中,并根据需要与可能,将产品的可靠性使用作为优先考虑的设计准则;在满足时间、费用及性能的基础上,让设计出的机械工程产品符合可靠性的要求。可靠性的设计问题在涉及传统的设计技术的同时,也与价值工程、系统工程、环境工程及质量控制工程等有着密切的关系。因此,可靠性设计是多学科与多技术相互交叉融合的一种新兴技术。
2、机械工程产品的可靠性优化设计现状分析 由于我国的特殊历史原因,机械工程制造业与西方发达国家机械制造业相比,显得相对落后,尤其是在可靠性设计的研究方面更是显得滞后。直到二世纪八年代,我国在机械工程的可靠性研究才取得了一些初步的成效,在某些个别的行业还成立了专门从事可靠性优化设计研究的组织与团体,并为社会培养了大批的可靠性优化设计研究的技术人才,制定出了整套可靠性优化设计的规范标准[2]。从总体上来看,过去的可靠性优化设计研究比较偏重于理论,但在生产实践中,对于理论的应用则是比较少,就这一点而言,与制造业相对较为发达的国家相比较,存在着许多不足之处。 3、可靠性优化设计在机械工程中的应用 机械工程产品的可靠性优化设计在产品的生产与使用周期的各环节都起着重要作用。这些环节主要有产品的设计、制造、使用及售后维修等。以下就机械工程产品的设计、制造及使用三个环节展开讨论可靠性优化设计问题。 机械工程产品设计环节可靠性优化设计 机械工程产品的设计主要包括装配整体设计与零件组装设计。对机械产品进行可靠性优化设计时,可以将其当作一个整体,设计的方法主要有两种,第一种方法为:先大致了解机械的完整系统,并分析组成整体的零部件具有多大程度的可靠性,据此推断出整体具有多大程度的可靠性;这种方法即为预测整体设
基于MATLAB工具箱的机械优化设计 长江大学机械工程学院机械11005班刘刚 摘要:机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法,能从众多的设计方案中找出最佳方案,从而大大提高设计效率和质量。本文系统介绍了机械优化设计的研究内容及常规数学模型建立的方法,同时本文通过应用实例列举出了MATLAB 在工程上的应用。 关键词:机械优化设计;应用实例;MATLAB工具箱;优化目标 优化设计是20世纪60年代随计算机技术发展起来的一门新学科, 是构成和推进现代设计方法产生与发展的重要内容。机械优化设计是综合性和实用性都很强的理论和技术, 为机械设计提供了一种可靠、高效的科学设计方法, 使设计者由被动地分析、校核进入主动设计, 能节约原材料, 降低成本, 缩短设计周期, 提高设计效率和水平, 提升企业竞争力、经济效益与社会效益。国内外相关学者和科研人员对优化设计理论方法及其应用研究十分重视, 并开展了大量工作, 其基本理论和求解手段已逐渐成熟。 国内优化设计起步较晚, 但在众多学者和科研人员的不懈努力下, 机械优化设计发展迅猛, 在理论上和工程应用中都取得了很大进步和丰硕成果, 但与国外先进优化技术相比还存在一定差距, 在实际工程中发挥效益的优化设计方案或设计结果所占比例不大。计算机等辅助设备性能的提高、科技与市场的双重驱动, 使得优化技术在机械设计和制造中的应用得到了长足发展, 遗传算法、神经网络、粒子群法等智能优化方法也在优化设计中得到了成功应用。目前, 优化设计已成为航空航天、汽车制造等很多行业生产过程的一个必须且至关重要的环节。 一、机械优化设计研究内容概述 机械优化设计是一种现代、科学的设计方法, 集思考、绘图、计算、实验于一体, 其结果不仅“可行”, 而且“最优”。该“最优”是相对的, 随着科技的发展以及设计条件的改变, 最优标准也将发生变化。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化, 要求人们根据事物的客观规律, 在一定的物质基和技术条件下充分发挥人的主观能动性, 得出最优的设计方案。 优化设计的思想是最优设计, 利用数学手段建立满足设计要求优化模型; 方法是优化方法, 使方案参数沿着方案更好的方向自动调整, 以从众多可行设计方案中选出最优方案; 手段是计算机, 计算机运算速度极快, 能够从大量方案中选出“最优方案“。尽管建模时需作适当简化, 可能使结果不一定完全可行或实际最优, 但其基于客观规律和数据, 又不需要太多费用, 因此具有经验类比或试验手段无可比拟的优点, 如果再辅之以适当经验和试验, 就能得到一个较圆满的优化设计结果。 传统设计也追求最优结果, 通常在调查分析基础上, 根据设计要求和实践
可靠性设计的主要内容 1、研究产品的故障物理和故障模型 搜集、分析与掌握该类产品在使用过程中零件材料的老化、损伤和故障失效等(均为受许多复杂随机因素影响的随机过程)的有关数据及材料的初始性能(强度、冲击韧性等)对其平均值的偏离数据,揭示影响老化、损伤这一复杂物理化学过程最本质的因素,追寻故障的真正原因。研究以时间函数形式表达的材料老化、损伤的规律,从而较确切的估计产品在使用条件下的状态和寿命。用统计分析的方法使故障(失效)机理模型化,建立计算用的可靠度模型或故障模型,为可靠性设计奠定物理数学基础,故障模型的建立,往往以可靠性试验结果为依据。 2、确定产品的可靠性指标及其等级 选取何种可靠性指标取决于产品的类型、设计要求以及习惯和方便性等。而产品可靠性指标的等级或量值,则应依据设计要求或已有的试验,使用和修理的统计数据、设计经验、产品的重要程度、技术发展趋势及市场需求等来确定。例如,对于汽车,可选用可靠度、首次故障里程、平局故障间隔里程等作为可靠性指标,对于工程机械则常采用有效度。 3、合理分配产品的可靠性指标值
将确定的产品可靠性指标的量值合理分配给零部件,以确定每个零部件的可靠性指标值,后者与该零部件的功能、重要性、复杂程度、体积、重量、设计要求与经验、已有的可靠性数据及费用等有关,这些构成对可靠性指标值的约束条件。采用优化设计方法将产品(系统、设备)的可靠性指标值分配给各个零部件,以求得最大经济效益下的各零部件可靠性指标值最合理的匹配。 4、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠性设计 即把规定的可靠性指标值直接设计到零件中去,使它们能够保证可靠性指标值的实现。
题目:机械零件的可靠性优化设计 课程名称:现代设计理论与方法 机械零件 自从出现机械,就有了相应的机械零件。随着机械工业的发展,新的设计理论和方法、新材料、新工艺的出现,机械零件进入了新的发展阶段。有限元法、断裂力学、弹性流体动压润滑、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计(CAD)、系统分析和设计方法学等理论,已逐渐用于机械零件的研究和设计。更好地实现多种学科的综合,实现宏观与微观相结合,探求新的原理和结构,更多地采用动态设计和精确设计,更有效地利用电子计算机,进一步发展设计理论和方法,是这一学科发展的重要趋向。 机械零件是指直接加工而不经过装配的机器组成单元。机械零件是机械产品或系统的基础,机械产品由若干零件和部件组成。按照零件的应用范围,可将零件分为通用零件和专用零件二类。通用的机械零件包括齿轮、弹簧、轴、滚动轴承、滑动轴承、联轴器、离合器等。 机械零件设计就是确定零件的材料、结构和尺寸参数,使零件满足有关设计和性能方面的要求。机械零件除一般要满足强度、刚度、寿命、稳定性、公差等级等方面的设计性能要求,还要满足材料成本、加工费用等方面的经济性要求。 机械零件优化设计概述 进行机械零件的设计,一般需要确定零件的计算载荷、计算准则及零件尺寸参数。零件计算载荷和计算准则的确定,应当依据机械产品的总体设计方案对零件的工作要求进行载荷等方面的详细分析,在此基础上建立零件的力学模型,考虑影响载荷的各项因素和必要的安全系数,确定零件的计算载荷;对零件工作过程可能出现的失效形式进行分析,确定零件设计或校核计算准则。零件材料和参数的确定,应当依据零件的工作性质和要求,选准适合于零件工作状况的材料;分析零件的应力或变形,根据有关计算准则,计算确定零件的主要尺寸参数,并进行参数的标准化。 所谓机械零件优化设计是将零件设计问题描述为数学优化模型,采用优化方法求解一组零件设计参数。机械零件设计中包含了许多优化问题,例如零件设计方案的优选问题、零件尺寸参数优化问题、零件设计性能优化问题等。国内机械设计领域技术人员针对齿轮、弹簧、滚动轴承、滑动轴承、联轴器、离合器等零件优化设计问题开展了大量的工作,解决了齿轮传动比优化分配、各种齿轮参数优化、各种齿轮减速器优化设计、各种齿轮传动的可靠性优化、齿轮传动和减速
浅析机械优化设计方法基本理论 【摘要】在机械优化设计的实践中,机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法,能从众多的设计方案中找出最佳方案,从而大大提高设计的效率和质量。每一种优化方法都是针对某一种问题而产生的,都有各自的特点和各自的应用领城。在综合大量文献的基础上,总结机械优化设计的特点,着重分析常用的机械优化设计方法,包括无约束优化设计方法、约束优化设计方法、基因遗传算方法等并提出评判的主 要性能指标。 【关键词】机械;优化设计;方法特点;评价指标 一、机械优化概述 机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的一门科学,它包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状的优化设计等诸多内容。该领域的研究和应用进展非常迅速,并且取得了可观的经济效益,在科技发达国家已将优化设计列为科技人员的基本职业训练项目。随着科技的发展,现代化机械优化设计方法主要以数学规划为核心,以计算机为工具,向着多变量、多目标、高效率、高精度方向发展。]1[ 优化设计方法的分类优化设计的类别很多,从不同的角度出发,可以做出各种不同的分类。按目标函数的多少,可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法按维数,可分为一维优化设计方法和多维优化设计方法按约束情况,可分为无约束优化设计方法和约束优化设计方法按寻优途径,可分为数值法、解析法、图解法、实验法和情况研究法按优化设计问题能否用数学模型表达,可分为能用数学模型表达的优化设计问题其寻优途径为数学方法,如数学规划法、最优控制法等。 1.1 设计变量 设计变量是指在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数,在优化过程中,这些参数就是自变量,一旦设计变量全部确定,设计方案也就完全确定了。设计变量的数目确定优化设计的维数,设计变量数目越多,设计空间的维数越大。优化设计工作越复杂,同时效益也越显著,因此在选择设计变量时。必须兼顾优化效果的显著性和优化过程的复杂性。
机械优化设计——复合形方法及源程序 (一) 题目:用复合形法求约束优化问题 ()()()2221645min -+-=x x x f ;0642 2211≤--=x x g ;01013≤-=x g 的最优解。 基本思路:在可行域中构造一个具有K 个顶点的初始复合形。对该复合形各顶点的目标函数值进行比较,找到目标函数值最大的顶点(即最坏点),然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行的新点,并用此点代替最坏点,构成新的复合形,复合形的形状每改变一次,就向最优点移动一步,直至逼近最优点。 (二) 复合形法的计算步骤 1)选择复合形的顶点数k ,一般取n k n 21≤≤+,在可行域内构成具有k 个顶点的初始复合形。 2)计算复合形个顶点的目标函数值,比较其大小,找出最好点x L 、最坏点x H 、及此坏点x G .. 3)计算除去最坏点x H 以外的(k-1)个顶点的中心x C 。判别x C 是否可行,若x C 为可行点,则转步骤4);若x C 为非可行点,则重新确定设计变量的下限和上限值,即令C L x b x a ==,,然后转步骤1),重新构造初始复合形。 4)按式()H C C R x x x x -+=α计算反射点x R,必要时改变反射系数α的值,直至反射成功,即满足式()()()()H R R j x f x f m j x g ?=≤;,2,1,0,。然后x R以取代x H,构成新的复合形。 5)若收敛条件()()[] ε≤?? ? ?????--∑=2 1 1211k j L j x f x f k 得到满足,计算终止。约束最优解为:() ()L L x f x f x x ==*,*。 (三) 复合形法程序框图见下图: