序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇優化設計與優化方法范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創作。

篇(1)

關鍵詞：離心泵；數值分析；優化設計；文丘里自吸系統

引言

隨著我國社會經濟的快速發展，我國各行各業對大型自吸離心泵的需求不斷增加，大型自吸離心泵應用廣泛，在城市給排水、灌溉工程以及工業循環水等方面發揮著重要的作用，所以，研究大型自吸離心泵的設計方法、完善大型自吸離心泵的設計理論，能夠有效提高泵的工作效率，對提高自吸離心泵的性能有重要的現實意義。

1 大型自吸離心泵存在的問題

從上世紀60年代開始我國就開始了對大型自吸離心泵的研究，到90年代提出了應用彈性橡膠閥來實現回流孔自動關閉的理論，在此基礎上研制出了外混式結構的自吸離心泵，提高了泵的可靠性，這種離心泵得到了廣泛的使用。隨著時代的發展，對大型自吸離心泵的要求也在不斷提高，文章針對大型自吸離心泵的結構、參數以及成本等方面對其進行了廣泛的調查，總結出了目前大型自吸離心泵存在的主要問題：（1）自吸結構設計方法有待完善。在國內離心泵生產企業中，大多數還是生產內混式和外混式自吸離心泵，缺乏創新，離心泵的工作效率和自吸性能有待提高；（2）自吸原理比較單一。大多數自吸離心泵采用的是上世紀90年代提出的通過彈性橡膠閥壓縮來控制回流孔自動關閉從而實現自吸的理論，這種自吸原理雖然得到了廣泛的應用，但隨著科學技術的進步，這種自吸原理逐漸變得單一、落后；（3）大型自吸離心泵的材料單一。我國生產大型自吸離心泵的主要材料是鑄鐵，這會導致大型自吸離心泵比較重，也會一定程度上增大工作人員的工作強度。

2 大型自吸離心泵結構及參數設計

2.1 大型自吸離心泵結構設計

大型自吸離心泵通過自吸系統將泵的進口管內空氣排凈并實現快速自吸，保證了泵的工作效率，提高了泵的自吸性能。大型自吸離心泵的主要結構由吸入段、泵體、冷卻油箱、軸承以及自吸系統等組成，泵與自吸系統采用螺栓連接，密封形式為油冷卻，保證泵工作效率和可靠性，大型自吸離心泵的結構如圖1所示。

圖1 大型自吸離心泵三維結構圖

2.2 大型自吸離心泵的設計參數

設計流量為Q=500m3/h，揚程H=45m，泵的轉速n=2200r/min，柴油機的功率為P=100kW，泵的效率ηh=83.5%，泵及裝置效率ηm%=65.5%。

2.3 葉輪水利設計

大型自吸離心泵內部水的流動非常復雜，在自吸系統工作時涉及到氣液的混合，葉輪是非常重要的過流部分，葉輪的設計關系到泵的流量和抗氣蝕性能等，對于大型自吸離心泵的正常工作起著重要的作用。本裝置葉輪的結構采用閉式結構，葉輪的設計首先需要確定泵的比轉速，比轉速可以采用以下公式來計算：

n■=■=188

其次，需要確定泵的進出口直徑，泵的進口直徑是指進口管法蘭處內徑，常用泵的進口直徑、流速以及流量之間的關系表1所示。

表1

根據圖表再加上實際情況選擇泵的進口直徑為200mm，大型自吸離心泵的出口直徑選擇與進口直徑相同，也為200mm；最后要確定葉輪的主要尺寸，葉輪直徑也叫做葉輪頸部直徑，本裝置使用的是懸臂式葉輪。通過一系列計算可得，葉輪進口直徑為200mm，葉輪出口寬度為200mm，葉片包角為120°，進口安放角為25°，出口安放角為30°，葉片厚度為8mm，葉片數為6片。

3 大型自吸離心泵自吸系統工作原理

本大型自吸離心泵采用了文丘里自吸系統，文丘里自吸系統是一種以壓縮空氣作為動力的排氣裝置，主要由噴嘴、逆止濾網以及排氣裝置外殼等組成。文丘里自吸系統的排氣裝置和進口管采用螺栓連接，中間安裝金屬濾網，用來過濾固體顆粒，文丘里自吸系統內部沒有運動部件，所以不需要設置裝置，而且密封性能良好，結構相對簡單，系統工作可靠性也大幅提升。文丘里自吸系統通過壓縮空氣產生射流，這時逆止閥會被打開，射流會不斷地卷吸泵體內的空氣，然后排出。與此同時，逆止閥會組織外部的氣體進入泵體內部，經過這樣的反復排氣會使泵體產生真空，這時水流進入葉輪，水流的作用力會將逆止閥關閉，這時離心泵開始了正常工作，實現了大型離心泵的自吸功能。

4 大型自吸離心泵試驗研究

按照上述設計，在產品質量檢測水泵試驗臺上進行檢測，并按照國家標準GB/T3216-2005《回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級》進行實驗。預測性能曲線與實驗性能曲線重合度非常高，由于集合造型、湍流模型以及計算方法等都會對計算結果產生一定的影響，所以實驗結果產生的誤差在可以接受的范圍之內。同時對大型自吸離心泵自吸性能進行實驗，按照相關標準，當自吸離心泵自吸高度達到5米時，自吸時間應小于120s，本裝置進行自吸實驗時，自吸高度達到5米時自吸時間為75s，遠遠高于國家標準，通過實驗可以得出，大型自吸離心泵的性能參數滿足設計要求。

5 結束語

綜上所述，文章對離心泵優化設計理論與方法進行了分析，介紹了泵的結構、自吸系統以及葉輪等的設計，通過對大型自吸離心泵試驗研究可以得出其性能參數滿足設計要求，甚至一些參數遠遠超過了國家相關標準。對大型自吸離心泵進行研究，提高了泵的工作效率和性能，對促進我國社會經濟發展具有重要的現實意義。

參考文獻

[1]任靜，吳玉林，楊建明，等.水力機械轉輪內的CFD分析及優化設計[J].工程熱物理學報，2000，21（3）：31-32.

篇(2)

關鍵詞：門架；模態化；有限元分析；優化設計

基金項目:本項目為2014年省科技廳科技計劃項目承擔的“基于ANSYS的門式起重機金屬結構的力學性能分析及優化研究”的研究項目，（編號為：20142BBE50009）

集裝箱起重機中最為復雜的故障是門架變形，其中，門架的下撓變形，對起重機的正常運行危害最大。本文采用有限元分析軟件ANSYS建立了起重機的有限元模型，對其進行結構應力分析、模態分析，從應力分布和應力集中兩個方面對該起重機進行評價和校核。

1起重機門架結構有限元模型的建立

集裝箱起重機門架是由標準型鋼構成，結構對稱。首先建立起重機門架整體三維模型。

1.1起重機主要性能參數。該起重機主要性能參數為：額定載荷320T；跨度25m；桁高12m；起升速度9.5/19 m/min；最大起升高度10/12m；小車輪距3035mm；小車質量5t；吊鉤總重2T；材料全部采用Q235。門式起重機門架的主要結構與參數如圖1所示。

1-前端梁 2-道軌 3-后端梁 4-主梁 5-前上橫梁

6-后上橫梁7-門腿 8-底橫梁

1.2起重機有限元模型單元選擇

采用ANSYS中的三維梁單元，劃分單元建立有限元分析模型。門架結構有限元模型劃分后的單元95401個，節點數182120。圖2為該起重機劃分單元后的有限元網格模型。

2應力分布分析

2.1固定載荷

按圖1所示的工況位置，要求額定起門力：工況1（16T）、工況2（在門架中間帶運行吊重11T運行）工況3（10T）、工況4（9T）、工況5（（懸臂處5T）；規定起重機主梁方向為Z方向，垂直地面向上方向為Y方向，X向垂直于起重機平面。

2.2移動載荷

起升載荷16T，同時，取動力系數1.25；起重機自重，在建模過程中單位采用SI（MKS），取重力加速度g =10；抓斗和小車結構自重共為5T；水平慣性載荷：根據有關文獻，取加速度0.13 m/s2，取加速度放大倍數1.5。選擇對門架最危險的工況1、工況2和工況5載荷組合進行分析，如果這三工況沒有問題，其它工況也就沒有問題。

2.3計算結果分析

1）小車在工況1起吊16T額定載荷時，由圖3~6所示。

由上各工況的位移、等效應力數據分析可以看出：

（1）X方向最大位移為9.566，最大位移發生在小車位于工況2上，滿足規范要求的；

（2）Y方向最大位移為11.658，最大位移發生在小車位于工況5上，位移動載數值過大；（3）Z方向最大位移為13.98，最大位移發生在小車位于工況5上，最大位移13.98；

（4）最大等效應力為333MPa，最大等效應力發生在小車位于工況5上。

2.4方案優化設計比較

重新對圖2進行結構優化，在ansys中進行一系列的操作，得到有限元模型有95300個單元，181367個節點，稱為方案2，比較后發現，門架結構和受力上沒有什么變化，只是將主梁懸臂端變為一梯形結構，也就是說只進行小車工況5時（在懸臂端）的計算即可。

通過現場實際測量，如表4所示。數據表明，實際測量值與有限元分析計算結果比較吻合，有限元分析結果有較高的計算精度。

3結論

本文研究的對象為集裝箱門式起重機門架，采用有限元分析軟件ANSYS對門架進行分析，并在原來的基礎上進行優化設計，達到了以下目的：

起重機應力分布均勻，最危險工況應力

篇(3)

關鍵詞：污水管網；優化設計

Abstract: the sewage pipe network system is the lifeline of residents, it is to ensure that the area of other engineering facilities can be normal use one of the important facilities. This paper analyzes the significance of the sewage pipe network optimization design, mainly studies the main content and steps of the sewage pipe network optimization design, the hope can enhance and improve the sewage pipe network optimization design level in our country.

Key words: sewage pipe network; The optimization design

中圖分類號：U664.9+2文獻標識碼：A文章編號：2095-2104(2013)

1. 污水管網優化設計的意義

對于傳統的污水管網優化設計而言，首先，在設計人員掌握了系統、全面、完整的設計基礎資料的前提下，遵照系統布置和管道定線的原則，憑借設計人員長期積累的設計經驗，參照工程實際確定一種比較合理的管網系統布置圖；其次，根據工程實際選擇合適的方法，計算污水管道各管段的設計流量和水對管壁的壓力，并求出各管段的坡度和管徑；最后，組織多位專家及設計人員，根據他們的工作經驗，對設計的管徑和坡度進行檢驗和修正，通過不斷調整設計方案使之滿足設計要求。傳統的污水管網優化設計存在很多問題，其一，污水管網優化方案的質量直接受限于設計人員的工作經驗和個人能力；其二，傳統設計方法的工作效率低，耗費時間長，不利于優化設計方案；其三，傳統設計方法可能導致不必要的資金浪費，還可能對污水管道的后期管理與維護帶來困難。

隨著科學技術的大力發展和計算機技術的不斷進步，計算機對各行各業的發展起到了巨大的推動作用，并且提高了工作效率，降低了投入成本。由于計算機技術、最優化理論以及系統分析方法的逐步成熟與完善，為污水管網優化設計研究提供了必要的理論基礎，并為污水管網優化設計的實現提供了保證，逐漸使污水管網的優化設計工作向著智能化方向發展。

在污水管網的優化設計過程中，通過對各種理論、技術、工具的整合與利用，在一定的條件下使污水管網趨于最優化，最大限度的降低工程造價。污水管網優化設計研究具有明顯的經濟效益、社會效益、實用效益和現實意義。

2. 污水管網優化設計的內容

污水管網優化設計的內容主要有兩方面；一方面是管線平面布置的優化選擇；另一方面是在確定了管線平面布置的前提下對管道參數進行優化設計。

1）污水管線平面布局的優化設計。正確的定線是污水管網優化設計的先決條件，對不同定線方案的優化選擇更具有實用價值。已定管線下的優化設計是平面優化布置的基礎。污水管線平面布置優化設計的原則是：管道工程量趨于最小化，管線趨于最短化，水流通暢且節省能量；

2）管道參數的優化設計。管道參數的優化設計是指已定管線下污水管網優化設計計算，主要是埋深、坡度和管徑以及不同管段間的設計參數優化問題。設計一段污水管道，確定流量后，可能有多種管徑和埋深組合符合設計要求，這時我們要選擇投資最小的組合。

在確定了管線平面布置的前提下對管道參數進行優化設計時，最優化方法主要有兩種：直接優化法和間接優化法。直接優化法根據性能指標的變化，直接對影響參數或方案進行計算、比較，得到滿意解和最優解，該方法比較簡單，但計算量比較大；間接優化法又稱為解析優化法，它用數學模型表示工程實際，通過優化計算得到滿意解和最優解。

3. 污水管網優化設計的基本步驟

利用數值方法進行污水管網優化設計的基本步驟如下：

3.1 系統的概念化

污水管網是一個復雜系統，在污水管網優化設計過程中，如何科學、簡單的用一個替代系統來表示復雜的污水管網系統，并且該替代系統能夠反映該污水管網系統的基本特征和關鍵要素，這是優化設計中最為關鍵的一步。替代系統的科學性和合理性對優化結果的有效性影響極大，因此在污水管網優化設計的初期一定要重視污水管網系統的概念化。

3.2 確定目標

確定目標是污水管網系統優化設計的評價依據，也是污水管網系統概念化的重要內容。確定目標主要是探明污水管網系統的綜合目標以及各個分目標，建立替代系統中基本變量（污水管網系統中需要考慮的關鍵因素）與各目標函數關系。

3.3 數學模型的建立

數學建模是將現實問題抽象為數學問題的過程，數學模型通過數學關系反映設計問題中各主要因素間的內在聯系。數學模型有三要素，分別是設計變量、約束條件和目標函數。

1）設計變量。通常情況下用一組基本參量的數值來表示一個設計方案。在設計過程中，有些參數可以根據設計要求等預先給定，還有一部分參數需要在設計過程中進行選擇，因此這部分參數都可以當作變量來處理，稱為設計變量。設計變量分為離散型設計變量和連續型設計變量，但是在現實條件下，利用離散型設計變量進行優化設計難度很大，因此，大多數工程實際問題都是采用連續型設計變量進行處理；

2） 約束條件。在優化設計過程中，我們必須根據實際設計要求，限制設計變量的取值。這種限制稱為約束條件，約束條件一般用等式約束函數和不等式約束函數來表示；

3）目標函數。選定完設計變量后，設計所要達到的指標可以用設計變量的函數來表示，該設計函數稱為目標函數，即G(x)=G(x1,x2,…，xn)。在污水管網優化設計的過程中，被優化的目標函數有兩種表述方式：目標函數的極大化，即G(x）MAX；目標函數的極小化，即G(x）MIN。

3.4 優化模型的求解與檢驗

在工程實際中求解污水管網的最優解可能有以下幾種情況：

1）只有一個定量指標作為評價目標，該定量指標通常是工程造價，除此而外有很多可變的方案，這時需要通過最優設計方法求得最優解；

2）只有一個定量指標作為評價目標，并且備選方案不多，這時可以對所有方案進行模擬計算，逐一進行比較，擇優選擇方案；

3）有多個評價目標且評價目標之間有沖突，這時要用多目標最優化方法，通過在各目標函數之間進行協調與權衡，最終選擇最優方案。

4. 總結

隨著科學技術的發展和經濟水平的提高，我國城市化進行不斷加快，與此同時國家投入了大量的人力、物力和財力設計并優化污水管網，使我國污水管網系統得到極大提高和改善，但與西方發達國家相比仍有很大差距。本文通過對污水管網優化設計的研究，提出了污水管網優化設計的內容和步驟，希望可以不斷提高我國污水管網優化設計水平，為居民營造一個美好的居住環境。

參考文獻：

[1] 田奇有,彭盡暉,龔雯.城市排水系統優化的探討.山西建筑,2011,(10):110-112.

[2] 桑源.城市污水管網系統優化之我見.中國新技術新產品,2010,(19):79.

篇(4)

關鍵詞：ANSYS參數化語言； APDL ；鋼結構 ；優化設計Abstract: At present, more and more extensive application of steel structure, but the current design method of steel structure is relatively complex, the optimization design of the research is not thorough; at the same time, promotion of steel structure greatly limited because of its high cost is generally the people. This paper discusses the research on Optimization of steel frame structure, introduces the optimization algorithm (complex) and ANSYS in the APDL language. And combined with the practical engineering, and by using the complex method and the finite element software ANSYS optimization module, and at the same time, the lowest for optimization purposes, the beam column section size of a plane steel structure has been optimized and analyzed. Through the comparative analysis of the theoretical analysis and the results, confirmed that the optimization method is feasible, can not only significantly reduce the project cost, promote the popularization and promotion of steel structure. By the design example shows that, based on the two development language APDL ANSYS to establish the optimization of steel structure design module has the advantages of convenient operation, optimization program can be customized to optimize the process and control variables, to adapt to different types of structure and load combination, flexible strong. Optimization of the design idea, can be extended to other forms of structure, can be used for reference to other types of structure optimization.

Keywords: ANSYS parametric language; APDL; steel structure; optimization design

中圖分類號：TU391文獻標識碼：文章編號:

1.引言

隨著我國建筑業的迅速發展，工業與民用建筑中大量采用鋼結構，使得建筑用鋼量逐年增加。因此，目前結構優化設計越來越受到重視，并引起了社會日趨密切的關注，這不單單是因為要如何響應國家提出建設“節約型社會”的政策，更是因為要如何使得建筑鋼材得到節約與合理利用。通用有限元軟件ANSYS 以其強大的分析功能、友好的人機交互界面和可開發性，在國內外工程建設和科學研究中得到了廣泛的應用。本文通過ANSYS 的二次開發語言APDL 定義了符合鋼結構設計規范的優化設計程序，使之得出的計算結果對工程設計有一定的參考價值。同時由文中設計實例可知，基于ANSYS 的二次開發語言APDL 語言建立的鋼結構優化設計模塊操作方便，優化程序可自定義優化過程和控制性變量，適應了不同的結構類型和荷載組合，具有很強的靈活性。本文的優化設計思想，可以推廣到其它結構形式，可對其它類型結構優化起到借鑒作用。

2.結構優化設計的基本理論

2.1結構優化設計概念

假定分析搜索最優設計一般被歸納為結構優化分析過程的流程。而這其中優化分析的核心部分為搜索過程。在包括滿足各種給定條件的前提下，是否達到最優是結構優化設計最先對設計方案進行的判斷。如果沒能達到，但又為了使得預定的最優指標能逐步達到，就需要遵循某一設定的規則進行修改。而以數學規劃為基礎，進行數學模型建立，并對計算方法進行選擇，使得工程結構設計問題轉化為數學問題，然后在多種可行性設計中運用計算機選擇出相對屬于最優設計的方案，這也正是結構優化設計的主要任務。

2.2結構優化設計的數學模型

設計變量、目標函數和約束條件是結構優化設計的主要要素：。其數學模型的一般表達式為

求設計變量

使目標函數

滿足約束條件

3.基于APDL的鋼結構優化設計

3.1APDL語言簡介和使用

APDL是指ANSYS 參數化設計語言，是使得某些功能或建模可以自動完成的腳本語言之一。它提供如參數、宏、標量、向量及矩陣運算、分支、循環、重復以及訪問ANSYS 有限元數據庫等一般程序語言的功能，同時其可以實現參數交互輸入、消息機制、界面驅動和運行應用程序等，因此它也提供簡單界面定制功能。為了擴展了傳統有限元分析范圍以外的能力，它可以根據指定的函數、變量設定程序的輸入，同時選它使用戶對任何設計和分析屬性有控制權，也就是說其為了為用戶提供了自動完成繁瑣循環的功能而運用了建立智能分析的手段，從而為優化設計運行繁瑣的迭代提供了可能和高效率，具體為參數、函數、分支與循環、重復、宏等功能。

3.2優化基本原理

優化方法采用復形法。復形法優化是一個運用較多且較為成熟的非線性數學規劃方法，其基本思路來源于無約束優化算法的單純形法。而無約束優化算法的單純形法就是復合形法的基本思路的來源。

3.3優化設計流程

為了將有限元法與優化方法結合起來，可以采用基于APDL語言的ANSYS優化設計模塊（OPT）來實現。基本流程圖如圖1所示。

圖1ANSYS軟件優化設計程序流程圖

3.4APDL優化程序關鍵技術

首先建立鋼框架結構參數化有限模型。參數是指APDL中的變量與數組。參數化模型的建立，便于模型的修改，也便于設置優化設計變量。

其次建立鋼框架結構優化設計模型。下面是部分優化命令：

/POST1！進入后處理器

*GET,V,SSUM,,ITEM,EVOL！提取結構體積，賦予參數V

……

/OPT！進入優化設計器

OPANL,1.LGW!指定分析文件

OPVAR,W1,DV,.1,.4!定義設計變量

OPVAR,TW1,DV,0.005,0.02

OPVAR,TY1,DV,0.005,0.02

……

OPVAR,MS1,SV,0,225750!定義狀態變量

OPVAR,SS1,SV,0,125000

……

OPVAR,V,OBJ,,,.01!定義目標函數

OPKEEP,ON!要求保留最優設計序列時的數據庫和結果文件

OPTYPE,SUBP!使用零階方法

OPFRST,40!最大40次迭代

OPEXE!運行優化

4.優化設計實例分析

本文以單跨單層鋼框架結構廠房為例，跨度為 12m，層高為4.5m，框架梁、柱均采用焊接H 型鋼截面且翼緣采用焰切邊，材質均為Q235 鋼。為簡便起見，取恒荷載為0.5kN/m2，活荷載為2.0kN/m2。通過APDL 優化程序，得出用鋼量約為18.2kg/m2。優化前后的結果對比分析見表1。

表1 優化前后結果分析

5.結語

本文首先論述了進行鋼框架結構優化研究的意義，介紹了優化算法（復形法）和ANSYS 中的APDL語言。并通過與實際工程相結合，并分別采用復形法和有限元軟件ANSYS優化模塊，同時以最低化用為優化的目的，使一平面鋼結構的梁柱截面尺寸得到優化并進行相應的分析。通過理論分析與結果的分析比較，證實了該優化方法是可行的，不僅能明顯降低工程造價，促進鋼結構的普及和推廣。而由設計實例可知，基于ANSYS 的二次開發語言APDL 語言建立的鋼結構優化設計模塊操作方便，優化程序可自定義優化過程和控制性變量，適應了不同的結構類型和荷載組合，具有很強的靈活性。本文的優化設計思想，可以推廣到其它結構形式，可對其它類型結構優化起到借鑒作用。

參考文獻：

[1]桂樹國.基于ANSYS參數化設計語言APDL的產品結構優化設計[J].組合機床與自動化加工技術,2010,(7):91-96.

[2]孫惠娟,殷國富,尹洋等.基于ANSYS APDL語言的高速主軸參數化有限元分析方法[J].制造技術與機床,2011,(10):53-57.

[3]張歡,徐長生.基于MATLAB及參數化建模的起重機桁架式臂架結構優化設計[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版）,2011,35(1):201-204.

篇(5)

【關鍵詞】結構設計；優化設計技術；應用

結構設計優化方法和技術的應用具體體現在房屋工程結構總體的優化設計和房屋工程分部結構的優化設計兩方面。其中房屋工程分部結構的優化設計包括：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。對以上幾個方面的優化設計還包含選型、布置、受力分析、造價分析等內容，并應在滿足設計規范和使用要求的前提下，結合具體工程的實際情況，圍繞其綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。

1.結構設計優化方法

建筑結構設計追求適用、安全、經濟、美觀和便于施工五種效果，而建筑設計優化設計技術方法的應用不但滿足了建筑美觀、造型優美的要求又能使房屋結構安全、經濟、合理，成為實際意義上的"經濟適用"房。從建筑上分析結構設計優化方法，它主要體現在房屋工程分部結構的優化設計和房屋工程結構總體的優化設計量方面。 進行結構設計時，應在滿足設計意圖后，盡量使平面布置規則，縮小剛度和質量中心的差異，這樣水平荷載就不會使建筑物有太大的扭轉作用。豎直方向上應避開使用轉換層，減少應力集中現象。

1.1結構優化設計模型

結構設計優化就是在各種影響變量中選擇主要參數，并建立函數模型，運用科學合理的方法得出最優解。結構總體的優化建立模型的大致步驟如下：一是設計變量的合理選擇。通常的設計變量選擇對設計要求影響較大的參數，將所涉及的參數按照各自的重要性區分，將對變化影響不大的參數定為預定參數，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。二、目標函數的確定。使用函數找出滿足既定條件的最優解。最后，約束條件的確定。房屋結構可靠度優化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態下彈性約束到終極狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。設計中，要保證各約束條件必須符合現行規范的要求。

1.2結構優化計算方案

結構設計優化設計多個變量、多個約束條件，屬于一個非線性的優化問題，設定計算方案時，常將有約束條件轉變為無約束條件來計算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成計算方案的設定后只需編制相應適用的運算程序即可得到我們的最終優化結果。

2.結構設計優化技術的實踐應用

結構設計優化方法應用于實踐之中，是目前一個比較廣泛的課題，利用結構優化的方法在不改變適用性能的前提下達到降低工程造價的目的。結構設計優化設計應用于項目的整體設計、前期設計，舊房改造，抗震設計等設計的各分部環節，發揮著巨大的效益。在按照結構設計優化的方法及模型進行實踐的過程中，要注意下面的幾個問題。

2.1結構設計優化應注意前期參與

因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現在存在的普遍問題就是前期方案階段結構設計并不進行參與，建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結構的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結構優化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。

2.2概念設計結合細部結構設計優化

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，例如地震設防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現實有較大的差異，在進行設計的時候就要采用概念設計的方法，把數值作為輔助和參考的依據。設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效果。

與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優化，比如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規范要求即可，達到既安全又經濟的目的。

2.3下部地基基礎結構設計優化

地基基礎的結構設計優化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據現場地質條件選擇樁基類型，盡量節省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。

3.結構設計優化技術在建筑結構設計中的應用

（1）直覺優化（概念設計優化）技術與建筑結構設計對于同一建筑方案，可以有許多不同的結構布置設計；確定了結構布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過程中設計參數、材料、荷載的取值也不是惟一的：建筑物細部的處理更是不盡相同，這些問題是計算機無法完全解決的，都需要設計人員自己作出判斷。而判斷只能在結構設計的一般規律指導下，根據工程實踐經驗進行，這便是前面所說的概念設計。因此，概念設計存在于設計師對多種備選方案進行選擇的過程中。

（2）概念設計處理的實際建筑設計問題概念設計所要處理的問題多種多樣。但可以肯定的是希望通過概念設計，建筑結構能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或將破壞程度降至最低。因此，分析如何應付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設計的重要內容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而，建筑設計過程中就應該未雨綢繆，從計算及構造等各個方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應盡量避免。剛度均勻、對稱是減小地震在結構中產生不利影響的重要手段；延性設計則能有效地防止結構在地震作用下發生脆性破壞；多道設防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設防思想在整個設計過程中都應該作為概念設計的重要指導思想。

【參考文獻】

[1]談建筑結構的優化設計[J].建筑科學，2009（4）.

[2]張紅友.優化結構設計減少建筑投資成本[J].陜西建筑，2008（11）.

[3]馬臣杰，張良平，范重.優化技術在深圳京基金融中心中的應用[J].建筑結構，2009（4）.

篇(6)

關鍵詞 項目教學 CDIO 機械優化設計

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.11.061

Teaching Practice of Optimal Design of Machinery Course Based on CDIO

LI Keqin

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Higher engineering education is experiencing the huge changes， CDIO education concept is gradually accepted by people. And optimal design of machinery is a professional elective course of mechanical engineering， CDIO education concept， introduced in the teaching， make students take the initiative to explore the essence of optimization algorithm， practical optimization algorithm， combined with the practical problems in mechanical engineering and application. To select two project instruction teaching and achieved good teaching effect.

Key words project instruction; CDIO; optimal design of machinery

1 CDIO概述

CDIO①②③代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，大綱要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定目標。

2 機械優化設計課程體系架構

隨著設計過程的計算機化，自然就要為設計過程能自動選取最優的設計方案建立一種迅速而行之有效的方法。機械優化設計④應運而生。優化設計借助計算機能進行大量的分析計算，從眾多的設計方案中選出一個既滿足設計要求又使設計指標最好的最優設計方案。

機械優化設計課程體系大致有四部分：一是優化設計數學基礎;二是無約束優化方法;三是約束優化方法與工程應用;四是現代的優化方法與工程應用。當然部分教材只有三部分：優化設計基礎;基于導數的優化方法;非導數的優化方法;而現代的優化設計方法的內容極其豐富并在進一步發展完善中。目前的教材以介紹優化基本理論占相當大的篇幅，而缺乏結合優化商品化軟件包運用來介紹優化設計的內容，導致學和用的脫節。

3 CDIO和項目教學在機械優化設計課程中的教學實踐

MATLAB④⑤是當前最優秀的科學計算軟件之一，也是許多科學領域中分析、應用和開發的基本工具。MATLAB經過多年的發展，已經成為一種功能全面的軟件，幾乎可以解決科學計算中的所有問題，使得MATLAB在機械工程、通信、控制和信號處理等領域得到了廣泛應用。

3.1 CDIO項目教學案例之一

CDIO教育理念別強調項目教學和實踐。案例一的優化數學模型如式（1）。

（） = + + 4

（） = + 2 ≥ 2 （1）

（） = + 1≥ 0

（） = ≥ 0

（） = ≥ 0

在MATLAB軟件環境的CDIO求解過程為：（1）構思，先將優化數學模型的約束條件轉化為適宜MATLAB求解的標準形式;（2）設計，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實現，編寫MATLAB程序;（4）運作，調試MATLAB程序并分析優化設計的結論。

優化數學模型的約束條件轉化為適宜MATLAB求解的標準形式如式（2）。

（） = + 2 ≤ 0 （2）

（） = + 1≤ 0

（） = ≤ 0

（） = ≤ 0

在MATLAB軟件環境中求解過程略。

表1給出了求解運行的結果;圖1為優化案例中的目標函數值與循環次數的關系變化趨勢示意圖。

3.2 CDIO項目教學案例之二

二級圓柱齒輪減速器的優化設計⑥及其MATLAB實現。

如何讓其設計的二級圓柱齒輪減速器在現有的條件下實現輸出最大、重量最輕或其它目標？這些疑問，可以在機械優化設計課程中得到滿意的解決。

案例二的具體要求：二級圓柱齒輪減速器的優化設計問題。要求在滿足強度的條件下，使其體積最小，以達到其結構緊湊、質量最小的目的。其輸入參數：給定傳遞的功率 = 6.3kW、總傳動比 = 31.5、輸入轉速（高速軸） = 1450rpm，齒寬系數 = 0.4。大齒輪：45鋼正火187～207HBS;小齒輪：45鋼調質228～255HBS。總工作時間不少于10年。圖2為二級圓柱齒輪減速器傳動簡圖。

案例二是一個機械工程實際問題，在MATLAB軟件環境的CDIO求解過程為：（1）構思，利用先修課程，將二級圓柱齒輪減速器問題轉化為優化數學模型，即轉化為適宜MATLAB求解的標準形式;（2）設計，如何利用MATLAB軟件工具;（3）實現，編寫MATLAB程序;（4）運作，調試MATLAB程序并分析優化設計的結論。

MATLAB的求解程序和優化結果略。

優化設計結果分析與處理是很重要的一環，也是CDIO和項目教學取得成效的關鍵環節。

4 結束語

CDIO工程教育的最大特點是項目教學和動手能力的培養。在最近幾屆的機械優化設計課程教學中，嘗試引入MATLAB軟件包，貫徹CDIO和項目教學教育理念，讓學生在做中學，通過項目帶動，設計應用的技能得到強化。教學實踐表明，學生的工程實際運用能力有較大的提升。

注釋

① The CDIO Syllabus v2.0.An Updated Statement of Goals for Engineering Education [C].Proceedings of the 7th International CDIO Conference，Technical University of Denmark，Copenhagen，2011.June ：20-23.

② 顧佩華，李N平，沈民奮，等.以設計為導向的EIP-CDIO創新型工程人才培養模式[J].中國高等教育，2009（3，4）：47-49.

③ 查建中.論“做中學”戰略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：1-6，9.

④ 王國強，趙凱軍，崔國華.機械優化設計[M].北京：機械工業出版社，2009.

篇(7)

【關鍵詞】機械工程；優化；設計

在進行機械工程的產品設計時，將可靠性理論與技術應用于其中，并根據需要與可能，將產品的可靠性使用作為優先考慮的設計準則；在滿足時間、費用及性能的基礎上，讓設計出的機械工程產品符合可靠性的要求。設計問題在涉及傳統的設計技術的同時，也與價值工程、系統工程、環境工程及質量控制工程等有著密切的關系。因此，可靠性設計是多學科與多技術相互交叉融合的一種新興技術。

一、機械工程產品的優化設計現狀分析

由于我國的特殊歷史原因，機械工程制造業與西方發達國家機械制造業相比，顯得相對落后，尤其是在可靠性設計的研究方面更是顯得滯后。直到二十世紀八十年代，我國在機械工程的可靠性研究才取得了一些初步的成效，在某些個別的行業還成立了專門從事優化設計研究的組織與團體，并為社會培養了大批的優化設計研究的技術人才，制定出了整套優化設計的規范標準。從總體上來看，過去的優化設計研究比較偏重于理論，但在生產實踐中，對于理論的應用則是比較少，就這一點而言，與制造業相對較為發達的國家相比較，存在著許多不足之處。

二、優化設計在機械工程中的應用

機械工程產品的優化設計在產品的生產與使用周期的各環節都起著重要作用。這些環節主要有產品的設計、制造、使用及售后維修等。以下就機械工程產品的設計、制造及使用三個環節展開討論優化設計問題。

1.機械工程產品設計環節的優化設計

機械工程產品的設計主要包括裝配整體設計與零件組裝設計。對機械產品進行優化設計時，可以將其當作一個整體，設計的方法主要有兩種，第一種方法為：先大致了解機械的完整系統，并分析組成整體的零部件具有多大程度的可靠性，據此推斷出整體具有多大程度的可靠性；這種方法即為預測整體設計可靠性的手段，預測的結果必須與設計指標相符合。第二種方法為：將整體機械工程優化設計所要求的指標分配到其零部件的設計上，要求零部件必須滿足各自的可靠性指標要求；常用的可靠性的分配方法有：再分配、等分配、比例分配及綜合評分的分配方法。設計單個零件時，盡量采用符合國家規定且已經在生產中大量投入使用的常規零件，并用不同設計方法對重要程度不相同的零件進行優化設計，設計關鍵部件之前，要先行可靠性的試驗。除此之外，要反復驗證及修改機械工程產品設計的可靠性，直到其能夠滿足于優化設計所要求的標準為止。設計機械工程的人機系統也很重要，這方面的設計包括適應性及操作的舒適性設計。

2.機械工程產品制造中的優化設計

要保證一個產品的質量，在制造環節的質量控制是最關鍵的部分，因此，機械產品在制造的過程中進行優化設計是非常重要的。加工的設備可靠性要得到保證，在選擇加工工藝與工藝流程時，要注意其技術水平，保證制造水平盡量達到最優化。產品制造工藝流程是一個完整的系統，其中的各個方案與工序是工藝流程系統中的子系統，對每個子系統進行優化設計時，都要綜合考慮各方面的因素，如工藝裝備、加工設備、加工材料與工作人員素質等；只有這樣才能為各個子系統設計出可靠性與合理的指標；最后，整合分析各個子系統的指標，并通過合理的方法將總系統的可靠性及優化指標整理出來。

3.機械工程產品的使用與維修的優化設計

對機械產品進行維修，能有效延長其使用壽命；良好的售后服務水平是一個公司獲得發展的必備條件。因此，生產機械設備的廠家要認真對待售后服務與維修的問題，運用先進的邏輯分析法，制定出科學的維修內容與維修方式，對機械產品的合理使用壽命作出規劃。機械工程產品具有可維修性及可靠性，兩者在很大程度上是相似的，可維修性是可靠性的具體指標之一。對機械工程產品進行設計時就應當首先考慮到可靠性指標，以便能使設計出的機械產品在發生故障的情況下，易于檢查與維修。進行機械產品維修的優化設計時，要充分考慮維修費用的問題，負責設計工作的人員在進行機械工程優化設計時，要以最少的費用獲得最高程度可靠性作為設計的原則，以便能夠盡量減少發現故障的時間。因此，以優化設計理論作為維修設計的基礎，是非常合理的，也是非常重要的；制定經濟合理的維修設計在現代化與科學化的進程中意義重大。使用符合標準的維修設備進行維修，提高維修工作人員的技能水平，使機械產品的維修工作能夠朝現代化與科學化的方向發展。