关键词:结构优化;产品设计;创新方法
一、结构优化的层次与分类
不同的结构优化的方法是在研究对象、目标函数、约束对象、变量和寻优策略的不同要求上派生出来的日。由优化目标的深浅将结构优化划分为三个不同层次:尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化和结构选型优化。以上各层次按顺序难度依次增加,收益依次增大。
(一)尺寸优化
在保持组件原有的结构形状与拓扑结构不变的情况下,通过对设计变量的分析重组,寻求最佳的性能组合关系的优化方法。
(二)形状优化
形状的优化设计是指在设计域内的拓扑关系保持不变的情况下求得结构的边界,使得这些边界构成的结构组件达到理想的几何形状,并实现某种性能的最佳表现。
(三)拓扑优化
结构拓扑优化包括了连续结构和离散结构的拓扑优化。连续体结构拓扑优化,包括孔洞个数及形状分布的优化,以及结构的边界形状的优化:离散结构的拓扑优化,就是在给定节点位置情况下,确定各节点的最佳联结关系Ⅲ。
二、产品生命周期的设计制造环节
产品生命周期(Product Ljfecycle,PLC)的概念源于生产管理领域的产品的市场战略。经过半个多世纪的发展,产品生命周期的概念和内涵也在不断发展变化H。并行工程概念提出促使产品生命周期的概念逐渐从经济管理领域扩展到了工程制造领域,将产品命周期的范围从市场阶段扩展到了研制阶段,覆盖了包括需求分析、产品设计、原料采购、制造装配以及销售维护阶段。20世纪90年代以来,全球机械产品市场进入了大规模定制与个性化需求并举的时代。在这种情况下,规模化的生产能力与机械产品的可靠性固然重要,而能否根据潜在客户需求做出快速响应,已经成为未来装备制造企业在激烈竞争中取胜的关键。这里我们将规模化机械产品的设计与生产过程加以分离,重点研究在结构优化的基础上寻求创新产品的设计的思路,以期快速响应客户需求。
三、基于结构优化的产品创新设计方法
产品的创新设计方法是指设计人员根据创造性思维的发展规律,在优化产品结构的基础上总结的一系列的原理、技巧以及方法。这些方法或技巧,可以在各种创造、创新过程中得到借鉴,同时提高人们的创造、创新思维的能力和促进产品设计创新成果的实现效率。产品设计创新的方法对创新有十分重要的作用,它既能产生直接的创新成果提高创新概念到产品实现的效率,同时也可启发设计人员的创新思维,提高创新的能力。机械产品的市场需求是进行产品设计创新的基础,要把产品需求转化为产品的创新设计成果,必须经过在原有的外形、尺寸及拓扑结构的基础上通过创新设计方法来实现产品的创新功能。机械产品的设计创新分为两个层次:一是运用工业设计的技术以及方法,以产品需求为基础,开发出全新的产品,成为原创型设计创新:二是运用现代工业的设计方法对原有产品进行外观以及内部结构的优化与改进,实现局部改进创新,称为次生型设计创新。实际上,人类数百年的工业发展史中,开创性的原创型设计创新产品所占的比例微乎其微,大量实用性高的创新产品都是次生型设计创新的产物。同时,由于无需进行原创型设计创新所需要进行的大量原型设计,因而能够有效提高机械产品的设计效率,减少设计环节所占用的时间。本文所介绍的基于结构优化的产品创新设计方法属于次生型设计创新的范畴。
四、机械产品的次生型优化创新方法
针对机械产品的次生型优化设计创新是指以在原有产品设计的结构基础上,在保留原有产品设计的核心功能与产品优点的同时,对该产品外形、拓扑结构等进行优化和再设计,使得新产品具备原有产品所不具备的 新功能和特征。产品的次生型优化设计创新是建立在产品的结构优化层次分类基础上的创新活动,机械结构的布局包括尺寸、形状、拓扑三个方面的信息,而尺寸优化、形状优化和拓扑优化体现了结构优化中三个不同层次的问题月。针对机械产品尺寸、形状、拓扑结构的优化创新设计,以产品基本架构组成零件之间的装配关 系为前提,结构优化的关注点是有待改进或者进一步开发的结构要素。通常,这些结构要素在设计之初并不明确,隐藏在复杂的形状、色彩以及结构形态之中,只有通过对多变的市场需求、多方面的用户期望以及现有同类产品的优缺点进行深入分析,才能找出最具创新价值的结构优化要素。成功地选择结构优化关注要素,为机械产品的创新思考确定清晰的方向。对机械产品的创新问题包含了优化问题的三个要素,即设计变量、目标函数以及约束条件,机械产品的次生型优化创新方法是TRJz。
发明解决理论中最常用的创新工具,也是全工程化的解决问题方式,对于创新思考的要素与方向难于把握的产品形态创新设计而言,这种高效率的创新解决方法不仅能够提供明确的创新方向,而且能够使创新设计人员准确把握创新要素,从而降低了创新思考的盲目性。
关键词：机械；结构；动态设计
0引言
机械结构动态设计优化，是机械领域市场发展的结果，打破传统设计方式的限制，提高动态设计的综合能力。目前，随着机械行业的进步，如何优化机械结构的动态设计，成为主要的问题，应该根据机械结构的需求，优化动态设计的过程，确保其具备充足的市场竞争力，体现动态设计的优势，最主要的是符合机械结构的设计要求。
1机械结构动态设计分析
机械结构动态设计是指根据机械产品的特性，构建动力选模型，应用到机床设计的流程内。动态化的机械结构设计，能够找出机械产品设计中的薄弱项目，根据模型的模拟状态，提出相关的改进措施。机械结构动态设计中需要选择有效的变量信息，完善初始参数和修改后参数的使用，促使结构动态设计达到优化的状态，强化机械产品的实践设计[1]。机械结构动态设计方法，符合现代机械产品精细化的设计要求，提供稳定的设计模型，为机械结构设计提供稳定的模型和设计方法，规范机械产品的设计。
2机械结构动态设计中的技术
机械结构动态设计中的技术，主要体现在两个方面，分别是有限元建模技术和ANSYS软件技术，对其做如下分析：
2.1有限元建模技术
机械结构动态设计是一项复杂、繁琐的工作，将有限元做为设计建模的理论基础，积极分析机械结构的动态设计。有限元建模技术，促使机械结构动态设计的结构，趋向于真实的求解区域，可以将机械动态设计的不同单元体，组合到同一个求解区域内，规划出机械产品所需的设计结构，有限元建模技术根据几类设计结构，模拟可能使用的几何形状，体现数值分析方法的优势。有限元建模技术在机械动态设计中，需要注重单元函数的求解过程，得出未知函数的准确表达。
2.2ANSYS软件技术
ANSYS软件降低了机械动态设计中的计算难度，提供可靠的操作和计算。ANSYS软件，能够根据机械产品动态设计的需求，规划出问题的范畴，在此基础上辅助构建有限元，优化机械产品动态设计的步骤[2]。ANSYS软件技术中，可以根据机械设计的优化需求，引入CAD软件，完善计算数据的使用。ANSYS软件技术，广泛应用在交通、家电等行业的机械产品设计中，清晰的反馈设计结果，表达机械产品的非线性动态变化，有利于提升动态设计的准确性，消除潜在的设计误差。
3机械结构动态设计的优化措施
结合机械结构动态设计的技术应用，分析优化措施，确保优化措施在机械结构动态设计中的落实效果。首先机械结构动态设计的类型多样，涉及到复杂的工艺技术，直接增加了动态设计的压力，需要在机械结构动态设计、结构修改等方面，实行相关的优化处理，提高动态设计的灵敏度。例如：机械结构动态设计的优化措施中，以特征向量为分析因素，全面完善与机械结构动态设计相关的数据计算，明确机械动态优化设计中潜在的影响因素，假如机械结构动态设计中的变量较小时，可以按照原有的理论基础，更改设计方法，充分模拟机械动态的设计特征，此类优化设计方法比较注重局部近似分析，其在变量较小的环境中比较实用，但是变量较大时，需要引入人工神经网络设计方式，特别是在机械动态设计的结构振动分析内，为优化设计提供稳定的基础。然后针对机械动态设计中的逆向问题，提出优化的措施，专门用于解决逆向型问题。机械动态设计的过程中，逆向问题是指设计过程中可以满足动态特征的需求，但结构机械的结构参数与刚度矩阵，无法实现有效的融合，因此，设计人员将系统结构中的设计参数，转为逆特征值，推理得出设计的对象信息，较为常见的是有限元逆特征值的求解，通过研究机械结构的设计参数，利用线性求解方法，求出机械结构的尺寸数值。目前，在逆向问题的优化中，设计人员汇总机械动态设计中出现的问题，将模糊理论等内容，引入到优化设计中，实际案例证实动态优化的可行性，进而完善构建有限元模型，辅助解决机械动态设计中的逆向问题，提高机械动态设计的准确性。最后在优化机械动态设计的过程中，强化计算机信息技术的应用，深入落实仿真技术的使用，同时配合信息化建模，体现机械动态设计中智能化、自动化的特性[3]。例如：设计人员在机械动态设计的有限元分析中，引入多项学科知识，如虚拟技术、机械动力技术等，提升机械动态设计的综合性，映射计算机环境中的机械动态设计方式，而且计算机信息技术，能够根据机械动态设计的需求，提供虚拟的环境状态，促进虚拟机械设备的开发发展，即使机械动态设计中出现误差，也能在虚拟环境中迅速更改，减轻设计中的计算量，一方面确保机械动态化设计的水平，另一方面提升真实机械产品设计的精确度。
4结束语
机械结构动态设计的优化过程中，融入了诸多科学领域的内容，如：电子、动力等，为优化设计提供有效的支持。根据机械结构动态设计和技术应用，全面落实优化措施的应用，改善机械结构动态设计的方式，促使其可跟上行业的发展速度，体现优化设计的价值和作用。
参考文献：
[1]韩俊平.试论机械结构动态优化设计及其相关技术[J].机电信息,2014(03):110-111.
[2]张志强,郭京波.机械动态优化设计综述[J].石家庄铁道学院学报,2011(01):74-76+95.
关键词：《机械优化设计》；课程设计；《机械设计》课程体系
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）08-0212-02
一、国内教学现状
《机械优化设计》是机械设计制造类本科专业的专业基础课，是数学规划与计算机技术高度结合的学科。本课程通常以理论教学为主，涉及的数学知识与优化算法较多，其内容理论性强，又很抽象，不易理解，导致学生学习该课程的热情普遍不高。江苏大学是国内较早开始《机械优化设计》课程的学校之一。马履中等[1]在教学改革中，将教材内容不断更新、注意优化软件建设，不断更新和自编新的优化软件，注意教学手段的改革，积极推行多媒体教学及双语教学；注意收集学生的优秀作业、应用实例、优化软件。长江大学汪建华等[2]重视对学生知识应用能力和实际操作能力的培养，以适应社会需要为目标，着重“应用”二字，以“应用”为主旨和特征构建教学内容，重视对学生的技术应用能力的培养。教学中引入Matlab优化工具箱，减少学生编程与调试的工作量，将课程教学重点放在数学模型的建立上，优化方法的选择，以及Matlab优化工具箱中优化函数的使用上，使学生既学到了优化的思想与理论方法，又能够把实际决策问题用数学建模的方法转化为优化模型。河南工业大学武照云等[3]加大实验环节的学时安排（10学时左右为宜），开发基于Matlab的算法程序库，运用面向对象的程序语言Visual Basic进行软件开发，采用算法可视化技术。何亚银[4]开展课堂板书、多媒体教学和网络教学相结合的授课方式，将《机械优化设计》与C语言相结合，通过C语言编程来实现相关算法。目前国内外的机械工程教育向着复合型人才和工程应用能力培养的趋势发展，学生不仅需要有坚实的数理科学知识，同时需要工程实践方面的训练，强调理解知识、掌握学习的方法、培养独立分析与解决工程实践问题的能力。机械设计类现行的且已延续了几十年的教学方式中，《机械原理》、《机械设计》的课程及课程设计四个教学环节孤立地完成，教学内容不连贯，学生接受《机械设计》的有关知识和技能缺乏系统性。传统的机械产品开发方法中，其设计、制造及检测环节相互独立，严重脱节，须反复进行产品样机的试制—检测—修改设计。即使这样，一些严重的结构缺陷及设计原理、基本参数的错误在设计阶段也往往不能及时被发现，有的到了产品开发的后期或正式生产时甚至在投入使用一段时间后才发现，有时产品还不得不返回到设计构造阶段以便进行必要的设计变更。这样的产品开发程序效率低，浪费了大量时间、人力和资金。目前，《机械优化设计》的教学方法仍然有很多值得探索的地方。如何提高学生的学习积极性，摆脱传统的以讲授数学原理为主的教学方法，对本课程的教学内容、教学模式、教学手段进行改革，已经势在必行。
二、我校开展《机械优化设计》的实践与总结
本课程所依托的《机械设计》课程为山东省精品课程，所在教学团队为省级团队。长期以来，青岛理工大学机械工程学院《机械设计》教研室在林晨老师和杨志强老师的领导和带动下，具有良好的教学研究基础和传统。《机械优化设计》课程教学的顺利执行，必需与《机械原理》和《机械设计》课程相结合。为了推进该课程的教学，我们在《机械原理》课程的教学中即引进优化设计的理论，即在平面连杆机构设计这部分教学时，初步讲授优化设计理论。2012年我们选用了清华大学出版社出版、李万祥老师主编的《工程优化设计与MATLAB实现》[5]这本书，笔者和同学普遍感觉挺好。该书的优点在于对应每一个算法，都附有相应的MATLAB程序。学生可以在掌握算法的基本知识点以后，利用这些程序上机操作。MATLAB语言简洁，代码灵活，具有极其丰富的库函数资源，并且对代码的书写形式没有很严格的限制，同时利用丰富的库函数简化了子程序的编写任务；具有功能强大的图形功能，可以将计算结果生成图形或进行运动仿真。传统教材仅介绍算法。程序需要学生自己编写。这对于我们仅有32学时的选修课来说，要求学生编写简单的程序是可能的，但是要书写较长的、本身就比较复杂的算法是不容易的。笔者长期从事数值模拟工作，在实践中发现，教给学生掌握编程技术最简单高效的方法，就是给学生现成的程序，然后在其基础上进行修改。在上课过程中，采用多媒体教学方法，并安排4～6学时的上机学时。在教学过程中，为了让同学对优化设计方法的应用有更深的认识，要求学生对机械产品的优化设计情况、先进的优化设计方法等方面进行调研，并通过图书馆“维普数据库”查阅文献资料，书写读书报告。课程进行过程中，结合平行进行的《机械设计》课程的内容，让同学们进行轴和带传动的优化设计等计算。在课程结束时，结合平行进行的减速器的课程设计，要求同学使用优化理论对减速器进行设计。同学们最开始都觉得比较难，经任课教师答疑，他们最终调试好程序，计算出优化后的结果，同学们普遍有豁然开朗之感。根据以上的教学思想，这样就可以简单方便地把《机械原理》、《机械设计》和《机械优化设计》这三门课程有序地结合起来。
三、思考
数学语言描述了机械工程中的各类现象，所以《机械优化设计》这门课给出了各种数值计算方法及相关数学模型。但学生在学习课本前面的数值方法时往往容易糊涂。所以我们在讲授这门课时，必须先提出工程实际问题，然后再根据实际问题提炼出数学模型，再进行求解。这门课的理念，应该不只局限于机械产品的优化设计本身。优化设计的教学目的并非只是教给学生如何建立数学模型，甚至是如何编程并上机，最终的目的应是为了解决实际工程问题，并在生活和工作中贯彻优化设计的理念，给生活和工作提供方便。优化设计的理念在《机械设计》中可以应用到各个方面，并且和其他先进设计方法如摩擦学设计、可靠性设计、系统设计相结合。比如，能源短缺问题已成为世界各国密切关注的重要问题。我国的能源形势十分紧张，能源供需矛盾突出。受技术水平制约，我国许多能耗设备效率较低，在能源紧张的同时还存在着比较严重的浪费现象。因此，节能是我国国民经济发展中的长期战略任务。那么如何能够设计出节能的机械，哪怕只节省1%，那么节省的能源数量也是惊人的。教学的目的是为了工程实际应用，而不是与工程实际脱节。所以在接下来的教学过程中，笔者设想，应该增加与工厂生产实际相关联的设计题目。而且作为教研室的教学储备，打算以本科生毕业设计的形式做一些优化设计的工程题目。这个难度要求虽然更高，但比较有意义。
参考文献：
[1]马履中，杨启志，尹小琴，等.“机械优化设计”课程教学改革[J].江苏大学学报，2003，25（4）：95-97.
[2]汪建华.袁新梅.《机械优化设计》课程教学改革与探索[J].长江大学学报（自然科学版），2011，8（10）：119-121.
[3]武照云，刘晓霞，刘楠皤，李丽.《机械优化设计》课程教学研究与改革[J].机械管理开发，2011，（1）：190-191.
【关键词】机械；优化设计；方法特点
一、机械优化概述
机械优化设计是为了适应于不断发展的生产现代化而发展起来的。它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上，通过有效的实验数据和科学的评价体系来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。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。那就让我们关注机械优化设计中那些重要的量。
1.设计变量
设计变量是指在设计过程中我们必须全面考虑确定的各项独立参数，一旦这些设计参数全部确定了，设计方案也就完全确定了。他们在整个设计过程中相当于一个个变量，变量的多少与数值大小直接影响着优化工作的复杂程度。也就是说，设计变量数目越多，设计空间的维数越大，优化设计工作也就越复杂，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。
2.约束条件
约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件，而优化设计问题大多数是约束的优化问题。针对优化设计数学模型要素的不同情况，可将优化设计方法进行分类。约束条件的形式有显约束和隐约束两种，前者是对某个或某组设计变量的直接限制，后者则是对某个或某组变量的间接限制。等式约束对设计变量的约束严格，起着降低设计变量自由度的作用。优化设计的过程就是在设计变量的允许范围内，找出一组优化的设计变量值，使得目标函数达到最优值。
3.目标函数
在优化设计过程中，每一个变量之间都存在着一定的相互关系这就是用目标函数来反映。他可以直接用来评价方案的好坏。在优化设计中，可以根据变量的多寡将优化设计分为单目标优化问题和多目标优化问题，而我们最常见的就是多目标函数优化。
一般而言，目标函数越多，设计的综合效果越好，但问题求解越复杂。在实际的设计问题中，常常会遇到在多目标函数的某些目标之间存在矛盾的情况，这就要求设计者正确处理各目标函数之间的关系。对这类多目标函数的优化问题的研究，至今还没有单目标函数那样成熟。
二、机械优化设计的特点
在优化设计过程中，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域。优化设计是以建立数学模型进行设计的。它引用了一些新的概念和术语，如前面所述的设计变量、目标函数、约束条件等用来作为机械优化设计的理论依托。设计师可以将机械设计的具体要求构造成数学模型，将机械设计的问题转化为具体的数学问题，然后应用理论推理和验算来找到最优解决途径。优化设计改变了传统的设计方式，开创了应用新的有效的解决机械设计问题的途径。传统设计方法是被动地重复分析产品的性能，而现代的优化设计却能够主动设计产品的参数，从整体的大局出发找寻最优方案。优化设计的一般过程与传统设计方法有所不同。它是以计算机自动设计选优为其基本特征的。借助于计算机的高速高效率，我们可以可以从大量的方案中选出最优方案。
作为一项设计不仅要求方案可行、合理，而且应该是一些指标达到最优的理想方案，这样才能使机械产品为企业带来可观效益。
三、优化设计方法的评判指标
根据优化设计中所要解决问题的特点，选择适当的优化方案是非常关键的。因为解决同一个问题可能有多种方法，而每一种方法也有可能会导致不同的结果，而我们需要的是可以更加体现生产目标的最优方案。所以我们在选择方案时一定要考虑一下四个原则：（1）效率要高。（2）可靠性要高。（3）采用成熟的计算程序。（4）稳定性要好。另外选择适当的优化方法时要进行深入的分析优化模型的约束条件、约束函数及目标函数，根据复杂性、准确性等条件结合个人的经验进行选择。优化设计的选择取决于数学模型的特点，通常认为，对于目标函数和约束函数均为显函数且设计变量个数不太多的问题，采用惩罚函数法较好；对于只含线性约束的非线性规划问题，最适应采用梯度投影法；对于求导非常困难的问题应选用直接解法，例如复合形法；对于高度非线性的函数，则应选用计算稳定性较好的方法，例如BFGS变尺度法和内点惩罚函数相结合的方法。
四、结论
机械优化设计作为传统机械设计理论基础上结合现代设计方法而出现的一种更科学的优化设计方法，可使机械产品的质量达到更高的水平。近年来，随着数学规划理论的不断发展和工作站计算能力的不断挖掘，机械优化设计方法和手段都有非常大的突破。且优化设计思路不断的开阔。总之，每一种优化设计方法都是针对某一类问题而产生的，都有各自的特点，都有各自的应用领域，机械优化设计就是在给定的载荷和环境下，在对机械产品的性能、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设计方法，其方法多样依据不同情形选择合理的优化方法才能更简便高效的达到目标。当今的优化正逐步的发展到多学科优化设计，充分利用了先进计算机技术和科学的最新成果。所以机械优化设计的研究必须与工程实践、数学、力学理论、计算机紧密联系起来，才能具有更广阔的发展前景。
参考文献
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[3]周继惠，曹青松，宋京伟，钟建伟.传统机械优化设计方法和遗传算法的比较[J].华东交通大学学报，2002（12）.
关键词：机械优化设计 智能CAD 优化模型
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0013-01
在机械优化设计中需要对参数模型进行求解和优化，特别是在大型的复杂的设计项目中，需要重复建模、重复优化模型。除了遗传算法等数学方法使用外，CAD技术应用对复杂的机械设计优化问题取得了较好的效果并产生了很好的经济效果。
1 机械优化设计中的CAD技术
单体机械机构的优化对象主要是零件的结构优化，涉及的学科少、优化的功能单一，优化的过程只限于结构设计和机构构成之间的关系。对于复杂的机械设计，优化的对象对体现整体优化思维，即整体优化大于局部优化。在这个过程中就需要采用合理的手段和方法优化的范围综合起来。计算机辅助手段日臻完善，在优化设计中把原理方案、功能，结构方案、总体参数以及结构性状的全部设计包含在内，真正的做到全局优化。
复杂的结构设计计算复杂、方法多变，涉及多学科多目标，而优化更要在这些方法找到更有效的方案更为困难。因此单一的方法来解决整体的优化问题肯定不行，但是采用CAD进行整体的优化和分解协调优化，通过模型建立，减少计算缩短优化时间。在结构优化中器件多，耦合度高，利用CAD技术可以在结构优化中应用网状分解的方法，将其分解，这种分解方法除了提高CAD利用效率之外还可以解决优化过程中的交叉学科问题，例如利用CAD机械设计的协同优化。在整体优化中目前的CAD技术还没有形成普遍使用的分解方法，因此分解的正确性并不是可以控制的，这成为CAD的在机械优化设计中应用的瓶颈。但是优化设计分层优化取得比较好的效果，由此建立起来的CAD优化发展。
2 CAD机械优化设计建模应用
机械产品设计优化技术就是设计者借助CAD技术将设计形体可视化、模拟化、可修改、可分析优化，进一步通过计算机辅助优化实体模型。产品的优化可以在CAD中进行三维几何重现，优化设计通过三维虚拟优化，采用几何模型描述对象的位置、结构、大小和性状，并寻求最高效的组合途径，通过优化的赋值可以将对象的颜色、纹理等信息进行详细描述，优化产品的原型，在这个过程中CAD的建模优化是最常见的优化方法。
2.1 参数建模优化
这种优化是通过工程关系以及几何方法在CAD中给予产品的性状特征，从而可以在产品功能上和设计方法上寻求类似的模型，通过模型的优化达到设计优化。在CAD中建立产品与参数之间的关系，而参数作为变量形成变量集合。在优化过程中通过参数的变化影响设计对象的变化，参数优化模型采用修改和定义的几何建模。参数建模优化包含工程优化、拓补结构优化、尺寸优化等，这些都是CAD参数建模优化中需要考虑的因素。
2.2 特征建模优化
这种优化是在CAD环境下从整个设计的各个阶段来优化设计，可表述为集成优化。进行集成优化需要在CAD条件下建立系统的、完整的、全面的描述需要优化的信息，使得各种特征能够从设计中显现优化的策略。特征建模优化可以明确的表示优化逻辑关系、互动关系以及关联特征方面进行表述和描述。特征建模优化能够在CAD环境中建立高层次的产品功能要素，对优化的信息进行联动管理，体现设计优化中，对形状、结构等复杂产品优化建模是思想，将产品的多特征进行特征分解，根据分解的特征相互建立优化途径，通过特征之间的运算达到优化整个设计的目的。
3 具备知识库智能CAD在机械优化设计中的发展
优化设计是一个高度智慧的创新的活动。CAD技术系统引入知识库，产生智能的计算机辅助设计系统，这成为ACD机械优化设计的发展方向之一。知识库智能CAD能够在信息优化、知识优化的基础上建立基于优化思维的知识库。它能够及时对优化设计的方向进行评估，利用知识库的评价机制，实现信息的交换和共享，解决优化设计中对信息和知识和需求。机械设计问题是模糊的，而优化的方式和途径也多样，对复杂产品进行优化，建立知识库信息获取、组织和表达。因此具备知识库智能CAD快速发展，为CAD在机械优化设计领域提供了新的途径。在机械优化设计中，设计不仅具有创意，而且优化应具备整体性和科学性。优化设计可以根据优化的途径分为优化搜索和优化创新。优化搜索可以根据各种方案选择一种最好的组合达到优化目的。在知识库智能CAD中具备的专家系统，采用参数匹配、信息匹配、结构匹配的方法将优化的产品进行搜索，选择最优的设计方案，遍历知识库中相似结构的模型。如果知识库建立的足够大，足够科学则搜索优化的优化度更高；优化创新是直接通过知识库得到最佳的优化结果。这种优化方法可以通过CAD的知识库，将设计的参数、模型、结构导入直接产生优化结果。但是不论是那种优化方法都要依据设计的原始信息，根据实际情况综合分析智能CAD优化结果，得出优化设计的方案。
4 神经网络智能CAD在机械优化设计中的发展
在优化设计中如果将优化的任务进行分解，形成各阶段优化的方案过多，而后面的的优化组成数量也迅速增加，这样就容易形成优化组合爆炸。在优化设计中面临如此大的优化结构时，往往需要更高层次的归纳和综合，对综合的信息进行少量分析即可找到优化的决策。一般CAD的优化只能在参数、简单结构等方面进行优化，而在如此复杂的框架优化、整体优化中显然不能满足优化要求。因此具备神经网络的智能CAD能够将设计的信息通过人工网络结构进行优化决策方式进行模拟。将优化的各层次和任务进行网络串联，共同完成阶段的优化工作。
5 结论
计算机辅助设计是机械优化设计的必要的工具。在知识库研究、神经网络研究、以及模糊控制研究方面已经取得了很多经验并发挥了巨大的经济效益。在优化设计中需要借助CAD这个途径将这些研究的思维移植并实现将大大提高CAD机械优化设计的效率，产生很大的经济效益。
参考文献
【关键词】机械工程；可靠性；优化设计
引言：随着社会经济和科学技术的高速发展，人们对于多功能产品的需求日益强烈，与此同时，对于多功能产品的功能也有着更高更苛刻的的要求。可优化设计对于产品来说有着很大的影响，它能够使产品有着更加可靠的性能，并且可优化设计的发展十分迅速，它的应用也非常广泛。在进行机械工程的设计时，应当应用可靠性强的理论与技术，在满足需要的同时，应当首先考虑到产品的可靠性。与此同时，还应该尽量满足在时间、费用和性能等方面的要求，从而使最终的机械工程产品能和可靠性要求相吻合。
一、 产品可靠性设计的现实情况
我们无法否认的是，与发达国家相比，我国的机械制造业在发展过程中有着明显的差距，在可靠性方面更是如此。从客观角度来讲，我国进行机械工程可靠性深入的研究落后于发达国家。尽管如此，我国十分重视对于机械工程可靠性的研究。很多企业为此成立了专门的研究部门，并培养了相关专业的技术人才，并制定了机械工程的可靠性标准。但是我们难以忽略的是。在研究过程中很大一部分都是理论研究，实际应用比较少，这就难免导致机械制造在设计方面进展缓慢，这对工业生产有着不可忽视的影响。
二、 产品可靠性设计的研究背景
现如今，科学技术发挥中迅猛，市场竞争也日益激烈，一个企业若想要更好的发展下去，就必须重视产品的更新换代。而随着时代的变化，人们的意识也在不断地变化，人们不再过于注重产品的外观，而是更加重视产品的功能。因此，企业应在机械化水平和可靠性这两个方面来提高产品的质量，只有如此，机械性制造业才能更好的发展下去。产品结构随着科学技术的迅猛发展变得愈来愈复杂，功能也愈来愈新颖，如果在产品制造过程中应用到高新技术，那么产品的复杂性将得到提高，并且产品更新换代的速度也会有较大的提升。产品设计是一个不断深化的过程，产品能够在设计过程中得到不断的改进和完善。在投入市场之前，产品应当进行初步的试验。这个过程是为了保证产品能更好的满足市场需求，在这之后产品才能进行大批量的生产。在生产过程中，我们能够发现产品的很多问题，对其使用功能有着最大影响的是它的设计和可靠性。在产品生产的初期，企业应十分重视产品的初期设计和工艺可靠性。在问题发生的萌芽阶段，就应该消除问题，这样才能更好的提高产品的可靠性。与此同时，这样也能够实现产品的生产目标。可靠性设计涉及的范围是非常广，除去一些比较传统的设计技术，它还涉及到多种学科的内容，包括计算机工程和环境工程的很多内容。因此，在进行可靠性设计的同时，应重视各个学科的内容。我们不仅仅可以在工业中应用到可靠性设计，在航空领域和军事领域也可以应用到可靠性设计。
三、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。
（一）机械工程产品设计环节可靠性优化设计
装配整体设计和零件组装是机械工程产品的主要内容。在进行可靠性优化设计时，应当将其看做一个整体。具体方法是先大致熟悉机械的完整系统，并对其构成整体的零部件有多大程度进行分析，依照这个推理出整体系统的可靠性。并这种方法即为预测整体设计可靠性的手段，预测 的结果必须与设计指标相符合。在进行单个零件的设计时，应当采用在生产中大量投入使用的比不过符合国家规定的常规零件，并需要根据具体情况对重要程度不同的零件进行优化设计。进行先行的可靠性的设计对于设计关键部件是十分必要的。除此之外，对于修改机械工程产品设计的可靠性时，应当进行反复验证，一直到能够满足产品可靠性优化设计的标准。人机系统对于设计机械工程也起着十分重要的作用，这方面的设计应当包括适应性及操作的舒适性设计。
（二）对机械工程产品制造进行可靠性优化设计
要想确保一个产品的质量，关键是在制造环节进行质量控制，因此，在制造过程中对机械产品进行可靠性优化设计是至关重要的。要想保证加工设备的可靠性，在加工工艺与工艺流程的选择上，要注重其技术水平，尽量将制造水平保持在最优化。机械产品制造的工艺流程是一个相对完整的系统，而各个方案与工序则是工艺流程系统中的子系统，在对各个子系统进行可靠性优化设计时，要综合考虑工艺装备、加工设备、加工材料与工作人员素质等各方面因素，只有这样才能设计出各个子系统的可靠性与合理指标；最后，整合并分析各个子系统的指标，并通过科学的方法将系统总的可靠性及优化指标整理出来。
（三）对机械工程产品使用与维修进行可靠性优化设计
科学合理地维修机械产品，能有效延长产品的使用寿命；而良好的售后服务 水平是一个公司持续发展的必备条件。因此，机械设备的生产厂家要对产品的售后服务与维修的问题认真对待，运用科学先进的逻辑分析法，制定出合理有效的维修内容与维修方式，规划如何合理使用机械产品的寿命。机械工程产品的可维修性和可靠性，两者存在很大程度的相似，可靠性的具体指标之一就是可维修性。在设计机械工程产品时就应该首先考虑产品的可靠性指标，以便在发生故障时，设计出的机械产品，能够易于检查与维修。在对机械产品维修进行可靠性优化设计时，要将维修费用的问题充分考虑进去，设计人员在进行机械工程可靠性优化设计时，要将利用最少的费用得到最大程度的可靠性作为设计原则，便于能够尽可能缩短发现故障的时间。因此维修设计以可靠性优化设计理论作为基础，是十分合理的，也是十分重要的；制定经济科学的维修设计方案在现代化与科学化的进程中具有重大意义。采用符合标准的维修设备进行维修，增强维修人员的技术水准，让机械产品的维修工作发展得更加现代化与科学化。
四、结语
在机械工程设计的过程中，一般的工程设计不会考虑可靠性指标，因此，无法在机械工程中体现出产品的真实可靠性，在设计中基本上忽略了成本和体积。为了达到可靠性设计要求，往往无法达到机械制造的效果，因此，应当全方位地考虑，将可靠性和性能相结合。现代经济快速发展，工业机械化程度也在不断提升，机械制造业在蓬勃发展过程中不断提高着生产水平，但同时也面临着很多的困难和挑战，因此，提高机械工程设计的可靠性，可以更好的促进工业的发展，同时也在不断提高着机械制造业的市场竞争力。
参考文献
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结构设计作为机械设计过程中至关重要的组成部分，所完成的工作是按照的机械原理进行机械图纸的设计。变元法是由德国科学家发明的方法，主要应用于机械相关设备的结构图纸的设计，其特点是具有创新性。本文针对变元法作出了一定的修改和完善，目的是让这种方法更容易被应用和理解。变元法在机械行业及相关领域有较为广泛的应用。我们在使用变元法的完成结构设计的过程中，是以完成这种产品的基本结构为前提，再进行其他新型设计思路的研发。变元法的含义主要包含两个方面：一方面，机械结构方面，这方面的变元法主要包括七个种类；另一方面，针对这部分的变元进行改变，创新性的实现不同种类的结构设计。以下是对7个变元的阐述：
1.1数量变元
数量变元指的是研究机械设备的所有的零部件或构件的全部的外形、工作面以及生产的点、线、面等都看做是构成零部件的基本元素，对这些基本元素的数据进行修改，完成针对机械设备构件的优化的目标。例如：为了实现简化的目的，在设计铸件零件的外形时，多使用直线设计的外形轮廓。
1.2形状变元
形状变元指的是从机械的形状方面对机械结构的外形和重要轮廓、加工表面以及所使用零部件的种类和尺寸进行优化调整，进而得出多种结构的创新设计，从而对整个机械进行优化调整。机械设计过程中这类因素的创新是把机械设备的运行原理转化为设计图纸的过程。例如，火力发电厂的冷渣机，为了能够把高温炉渣以最快的速度降低温度，技术人员采用了形状变元的方法对冷渣机进行优化设计，改变原有的单腔体为多腔体，提高了降低温度速率这一难题。
1.3材料变元
零部件选取多种类型的材料一般会改变这种零件的尺寸，进而生产工艺也会相应的变化，以至于改变了整体机械的外形和构造。我们可以针对材料的改变而设计出多种类型的构造方案。
1.4位置变元
位置变元指的是按照机械设备的构造位置的改变，实现多种类型设计方案的形成。例如，在针对焊缝零部件的焊接方法时，选择焊缝的位置非常重要，当我们选择在中心轴附近时，避免了零件由于收缩造成的弯曲变形。
1.5联接变元
联接变元指的是在设计过程中应该注意元素的两个方面：一方面，我们需要确定元素联接方法的改变。例如，工作中常见的焊接、热熔连接等；另一方面，我们需要研究针对任意一种联接方式的不同类型的联接结构的创新，进而得到不同类型的方案。例如，儿童玩具在设计过程中要尽量做到安全联接，我们可以设计成卡扣联接方式，这样不容易出现小孩误食螺丝的现象。
1.6尺寸变元
尺寸变元指的是高度、宽度、直线度、弯曲度等方面的内容。技术人员在针对这些元素进行创新设计时，一般侧重于改变零件的尺寸。完成对机械系统构件完善的目的。例如，技术人员想提升粉碎机的物料目数，针对动力副在整体机构上的相对位置做出了改变，进而完成了粉碎目数的提升，效果是原来的2倍。
1.7工艺变元
设计和工艺的关系是相互衔接和相辅相成的。每种零部件的加工方法和制造工艺各不相同，各类零部件与设备的加工和制造质量、生产周期、成本和使用年限也千差万别，进而制约着设备产品的构造。按照相应产品的工艺特性，结合使用以上7类变元，按照进行根据所设计机械产品的特点,灵活地运用上述7个变元,同时设计者依据所具备的知识、经验,运用创造性思维方法,如类比、推理、归纳、模拟、想象、直觉及灵感等,可构思出很多种结构方案。
2精密仪器与精密机械结构创新的必要性
当今社会是科技高速发展的时代，测量设备和机械构造的设计理念和方式都进行着完善和提升。如何让青年人可以快速的适应企业对适应性和才能的要求，成为我们大家亟待思考的问题。因此，在进行实习设计的课程教学过程中，引入前沿的、适应企业需求的人才培养方法和相应的实习方式和装备变成了必须考虑的问题。所有的测量设备或控制装置都具有相应的适应所在系统需求的系统或构造，那么在测量设备、控制装置确定的机械结构设计需求的基础上，如何使用先进的设计思路和多种类型的机械构造构件进行优化整合，建造适应系统需求的高端机械构件，是我们当前工程设计的重要方法。根据企业对人员的需求，按照建造机械系统和构造的整个阶段，依据以往的经验，侧重对机械设计的基础内容、方式、理念的研究；注重对系统构造的探索；注重研究、分析问题的方式方法和创新水平的提升。建立一整套面向企业所需求的能够操作精密设备和高科技仪器人才的培养方式非常重要。
3结构方案的评价与优化
现有工程机械一体化监测系统常见的问题
现有的工程机械一体化监测系统和设备由于不具有通用性,因此经常出现各种问题,导致工程机械一体化监测系统的功能得不到良好的发挥,效率得不到提升。因此有必要认识到目前监测系统存在的各种问题,然后采取针对性的措施加以解决,目前工程机械监测系统及设备存在的问题主要表现在以下几个方面。系统监测项目不够齐全由于应用到工程机械一体化监测系统的各种配件不够齐全,型号不一,类型不同,因此各种测量型的仪表组合并不能完全满足工程机械的监测要求,从而造成对工程机械的一体化监测无法发挥拥有的功能,存在诸多问题,其中一个突出表现就是监测的项目不齐全。工程机械一体化监测项目涉及的范围和领域非常丰富,常见的监测项目包含了电流、气压、电流、气压、油压、油温、水温、转速等,而对于这些项目仅仅依靠一个设备或者不同类型的设备组合是不行的,因此在系统监测项目不够齐全,直接影响了工程机械一体化监测的效果和质量,例如关于电压的监测设备就一般具有对油压的监测功能,无法计算相应的流量和工作时间数等。监测设备质量不过关,无法实现系统的正常化多数用于工程机械一体化监测的设备在质量上由于无法匹配工程机械的性能和操作系统,因此其监测的仪表过多而且比较复杂,其面板的布置也相当不方便。现有的监测仪表大多是很多厂家外购的产品,其种类型号都是不同的,因此用于工程机械一体化监测的仪表种类繁多,质量上无法完全达到工程机械一体化工作的要求,而且由于大小,样式存在差异,导致工程机械一体化的仪盘表看起来十分混乱,不容易观察和监测到数据,直接影响到了工程机械系统运行的正常化,影响工程机械一体化的工作效率和质量。工程机械一体化监测设备容易损坏而出现故障在工程机械一体化监测设备运行过程中,由于种类、型号繁多,生产厂家不同导致其在工作中无法正常运行。再加上在运行中,如果工程机械的操作使用人员对于某个型号的设备的工作原理不能理解,或者理解不透,都会带来种种问题。此外受到生产厂家技术水平的影响,监测设备由于工作环境不合理,不恰当,导致这些设备容易损坏和失效。如果工程机械在使用与操作过程中,一些监测系统的设备不能经常性的使用,就会导致这些设备在工程机械操作过程中失去作用,而操作人员只能在工程机械监测设备出现故障的情况下,完全依靠自身的经验去判断和操作,直接影响了工程机械的使用效率和质量。2.4工程机械一体化监测系统复杂不容易操作对于工程机械一体化的监测来说,提高其系统的操作性将是一个关键环节。目前很多机械上的监测系统都是安装比较复杂的设备,在信息的传递上效率不高,传递所使用的方式也比较落后。例如有些监测设备的信息传递主要依靠管路传递,这些管路的使用不但增强了监测系统难度而且对于安全性以及信息传递的可靠性也造成影响。因此优化工程机械一体化的监测系统是十分必要的。
工程机械一体化监测系统的优化设计的内容
中央处理器可采用目前比较成熟的单片机处理种功能的软、硬件技术。以日本东芝公司生产的单片机TMP87CH46N/47U为例,其ROM为16kB,RAM为512kB,有8个8位A/D转换器,2个8位计时器和2个16位计时器等,且具有功能强大的指令系统,其RAM可实时采集并存贮机械在一定时间内的测量参数,需要时可通过处理器的输出接口输入到计算机内进行处理。显示装置可采用目前较为流行的彩色图文液晶显示屏,由于采用全固体器件,工作可靠,便于适应工程机械的使用要求。目前常见的此种显示屏可具有内置国标汉字库、串行通讯速率20k/s、指令代码编程、16种颜色、单一电源供电等功能,而且可以以模拟与数字共同显示方式显示所测数据,即直观,又准确,完全可以适应工程机械监测的显示之用。控制装置可随时控制显示模式,选定显示参数,各测量参数即可固定显示,也可按控制装置的设定自动轮流显示。系统开始工作后,各个传感器直接将收集的信号进行转换然后发送至处理器,处理器通过专家系统来进行数据分析并进行判断,如果经过分析判断系统为正常状态,那么则继续监测工作,如果判断系统为异常,则开始报警。然后系统会自行开始对出现的故障和问题进行诊断,以发现其故障原因,并提示出可以采取的维修方式和方法。如果通过诊断发现不了原因,则需要将发生故障时的各种技术参数记录下来,然后借助专家系统数据库将这些故障记录下来,从而形成知识库。系统软件设计系统软件利用中央处理器自身的控制指令,用汇编语言编写,通过编程器输入CPU,机械启动后,该系统自动加电启动,经对各端口及寄存器进行初始化后,开始接收各传感器传来的数据,并对各数据进行处理,经端口检验,将接收到的数据与该端口测量参数的故障极限数据进行比较,若超出正常数据值,则经声光方式给予报警,若所测数据在正常范围内,则不予报警,并将数据存入RAM,然后将数据送入显示模块进行显示。为有效利用该系统的功能,各测量数据由软件设计自动存入其RAM内,需要时可通过系统的输出接口输入到外部计算机内,在计算机上对数据进行详细分析,以进一步了解其工作状况及故障发生时的情况。从以上分析来看,关于工程机械一体化监测系统的优化与设计应该根据工程机械自身的特点来进行,系统的优化设计的一个基本目标是要注重监测系统的可靠性有稳定性,要在注重经济性的同时,采取一些相对简单而又能应付恶劣工作环境的设备,从而提高监测系统的整体性能。
加强工程机械一体化的监测系统的优化设计,已经成为改善工程机械一体化作业精确度和效率的重要途径。针对目前监测设备容易出现各种问题的实际情况,本文对于工程机械一体化监测系统的设计与优化,可以在某种程度上解决当前工程机械一体化操作带来的问题,从而提高工程机械一体化运行的效率和质量。总之,随着现代信息技术的发展,尤其是计算机技术的发展,将微电子控制技术作为核心的机电一体化监测技术必将在工程机械使用以及操作、改造中发挥重要的作用,极大推动工程机械自身性能的改进和技术的创新,这对于推动工程机械技术的发展,提高工程机械的使用效率,将产生重要的影响和价值。相信未来机电一体化技术在工程机械应用的领域和范围将会更加的广泛和深入,因此工程机械一体化监测系统的优化与设计作为一个理论与实践相结合的研究课题具有深远的意义。
