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機械優化設計論文范文1
模型采用笛卡爾網格系統，I方向兩端網格步長為300m，中間網格步長為100m，J方向網格步長為200m，K方向網格步長為5m，總共31層，模型總網格數為19×7×31=4123。在氣藏底部采用Fetchovich水體模擬底水，中部布置大斜度井，井斜角為80°。同時，為判斷模型壓降參數設置是否正確，對研究區大斜度井進行實際測壓資料歷史擬合，即選擇該井處于穩定生產期的測壓數據進行擬合，其誤差小于5%，吻合效果較好。
2單參數對大斜度井開發效果的影響
為準確分析各參數對底水氣藏水淹規律及采出程度的影響，利用數值模擬多段井模型研究了井筒內的能量損失。井筒直徑為89mm，示蹤劑質量濃度為1.0mg/L，采用示蹤劑追蹤精確模擬底水見水時間。多段井模型將井筒劈分為多個段，每段拓撲結構保持原井軌跡，且擁有獨立的壓力、流體密度和相速度?？紤]井筒內的能量損失，包括摩擦阻力損失、加速度損失及水靜力學壓降損失，進而可對井筒內的流體進行詳細描述。采用上述模型以某一測試產量模擬生產，通過對每個射孔網格流壓和流量的統計，可定量描述大斜度井不同長度的壓力變化和氣量差異。對于底水氣藏而言，若開發過程中底水逐漸上升，氣井避水高度和產量設計不合理，將導致過早見水，進而降低無水采出程度。目前，氣藏底水錐進研究中，見水時間通常采用經驗公式法或利用含水率來間接確定，這樣會存在一定的誤差。因此，筆者提出利用示蹤劑追蹤的方法來確定氣井產出底水的準確時間，在底水中加入不同的示蹤劑，通過模擬判斷氣井產水的來源，進而確定底水錐進的時間，為相關指標的優化提供依據。
2.1大斜度井的斜井段長度
為對比不同斜井段長度對底水氣藏水淹規律的影響，模擬研究大斜度井的斜井段長度分別為200m，400m，600m和800m，斜井趾端避水高度為60m，生產制度為穩定生產（55萬m3/d）情況下的水淹規律及開發效果。數值模擬結果表明：隨著斜井井段長度的增加，見水時間和無水采出程度均隨之增加，但增幅逐漸減小，預測期末采出程度也逐漸增大；當長度超過600m后，增長速度放緩，受長度增加的影響變弱。
2.2斜井段趾端避水高度
為對比不同斜井段避水高度對底水氣藏水淹規律的影響，模擬研究大斜度井的趾端避水高度分別為30m，40m，50m和60m，斜井段長度為600m，生產制度為穩定生產（55萬m3/d）情況下的水淹規律及開發效果。數值模擬結果表明：隨著斜井井段避水高度的增加，見水時間和無水采出程度均隨之增加，且增幅逐漸變大，預測期末采出程度逐漸減?。划斝本伪芩叨瘸^40m時，對采出程度的影響變大。
3復合參數對大斜度井開發效果影響
單參數對大斜度井開發效果的影響在油氣田開發方案優化中常常被采用，該方法通過固定部分參數，逐個對其余參數進行優化，當參數之間沒有交互作用時，得出的結論是正確的。在實際生產中，不同參數的取值互相影響，即開發指標之間存在交互作用。因此，采用多次單參數優化往往只能得到局部最優結果。復合參數對大斜度井開發效果的影響是指斜井段長度、斜井段趾端避水高度和合理產量的綜合作用。若對各參數不同水平組合進行模擬，全面實驗則需要模擬較多方案，雖然能得到全局最優結果，但在網格精細劃分或者參數較多的情況下，將會耗費大量的機時，甚至難以實現。為此提出將正交設計極差分析法與數值模擬方案相結合，根據正交準則挑選典型代表點，并設計正交表，以提高方案的合理性，減少工作量。
4結論
（1）多段井描述技術將井筒劈分為多個段，每段拓撲結構保持原井軌跡，可實現對大斜度井井筒損失的模擬，以及準確表征斜井段上的壓力變化和氣量差異?？拷仓憾耍瑝毫ο鄬^高，靠近跟端壓降變化較大。
（2）在實際生產中，各參數對開發效果的影響往往是綜合作用的結果，極差分析法可作為優化開發指標的輔助手段，實現開發指標的全局最優。
機械優化設計論文范文2
（1）過濾元件。過濾原件是凈化系統的最后屏障，是液壓系統污染的關鍵步驟，是主要的元器件，對環境起到一個保障作用，具有一定的實際應用價值。
（2）液壓凈化系統簡化模型。建立簡化的模型必須進行推導，利用數學公式建立邏輯模型，通過邏輯模型建立實際應用模型，模型的建立需要一個嚴謹的推導過程，液壓凈化系統簡化。
2液壓凈化系統的優化設計
本論文對液壓凈化系統進行優化選擇設計主要從元件級參數設置及系統布局兩方面進行闡述，對液壓系統進行優化及升級提高環境保護，對機械設備的使用壽命等有一定的延長，提高其工作效率有一定使用價值。
2.1元件級的優化設計
基于以上液壓污染動態平衡方程，對過濾元件過濾器進行優化選擇，主要從確定過濾時間、過濾比兩個方面進行優化選擇。
（1）臨界時間的確定。臨界時間是針對一定污染度油液的獨立過濾系統而言，當過濾時間達到，過濾系統的固體顆粒濃度不會隨時間的改變而改變，這個時間就稱為臨界時間。臨界時間對元件級的優化設計有一定的幫助，是對整個元件的優化設計有一定指導作用，對元件級的優化設計能順利進行提供有力保障。
（2）基于Matlab的過濾比的優化選擇。通過Matlab的過濾比進行優化選擇，對液壓系統產生的標準污染油液進行過濾比較。
2.2系統級優化與設計
根據液壓系統目標污染度的要求，適當選擇過濾管路及過濾器過濾精度，用于濾除系統自身形成的污染和外部侵入的污染，使油液的污染度控制在組件能耐受的污染限度之內。
（1）液壓凈化系統的布局。液壓凈化系統在實際使用過程中必須進行合理化地布局，布局采用多種方式，有時候多種方式進行合理布局，可提高過濾效果，增大系統的納污量，減少清洗次數及延長液壓系統的壽命。
（2）不同組合方式的過濾效果。通過實驗進行驗證，應用一種過濾方式過濾效果一般，通過多種形式與方式進行過濾能產生不同的效果，在工業實際生產過程中，經常選用多種組合方式進行過濾，其過濾效果是非常理想的，應用各種過濾方式的優勢，達到一定效果。
3基于HyPneu的仿真驗證
機械優化設計論文范文3
關鍵詞：上肢康復訓練機器人 青島大學碩士開題報告范文 青島論文 開題報告
一、 選題的目的和意義
據統計,我國60 歲以上的老年人已有1.12 億。伴隨老齡化過程中明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進而對日常的生活產生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運動性障礙的病人也在顯著增加，與之相對的是通過人工或簡單的醫療設備進行的康復理療已經遠不能滿足患者的要求。隨著國民經濟的發展，這個特殊群體已得到更多人的關注，治療康復和服務于他們的產品技術和質量也在相應地提高，因此服務于四肢的康復機器人的研究和應用有著廣闊的發展前景。
目前世界上手功能康復機器人的研究出于剛起步狀態，各種機器人產品更是少之又少，在國內該領域中尚處于空白狀態，臨床應用任重而道遠，因此對手功能康復機器人的研究有廣闊的應用前景和重要的科學意義。
目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題：康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。本課題針對以上問題，采用氣動人工肌肉驅動的手指康復訓練機器人實現手指康復訓練的多自由度運動，不僅降低了設備成本，更重要的是提高了系統對人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運動的強度和速度易調整等特點。
課題的研究思想符合實際國情和康復機器人對系統柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機器人技術應用于患者的手部運動功能康復，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復機器人，輔助患者完成手部運動功能的重復訓練，其輕便經濟、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復訓練，又不增加臨床醫療人員的負擔和衛生保健。
綜上所述，氣動人工肌肉驅動手指康復訓練機器人的設計是氣壓驅動與機器人技術相結合在康復醫學領域內的新應用，具有重要的科學意義。
二、 國內外研究動態
2.1 國外研究動態
美國是研究氣動肌肉機構最多的國家，主要集中在大學。
華盛頓大學的生物機器人實驗室從生物學角度對氣動肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進行失效機理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運動控制研究。
vanderbilt 大學認知機器人實驗室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個采用氣動肌肉驅動的爬墻機器人，并應用于驅動智能機器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。
伊利諾伊大學香檳分校的貝克曼研究所對圖像定位的5自由度soft arm 機械手采用神經網絡進行高精度位置控制和軌跡規劃。亞利桑那州立大學設計了并聯彈簧的新結構氣動肌肉驅動器，可以同時得到收縮力和推力，并與工業界合作開發了多種用于不同部位肌肉康復訓練的小型醫療設備。
英國salford 大學高級機器人研究中心對氣動肌肉的應用作了長期的系統研究，開發了用于核工業的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠程控制。
法國國立應用科學學院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了氣動肌肉的動靜態性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅動源的人工肌肉以及在遠程醫療上的應用。
比利時布魯塞爾自由大學制作了新型的折疊式氣動肌肉用于驅動兩足步行機器人，實現了運動控制。
日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發明了多種不同結構的氣動肌肉。德國festoon 公司發明了適合工業應用的氣動肌腱fluidic muscle，壽命可達1000萬次以上，同時還對氣動肌肉的應用作了許多令人耳目一新的工作。英國shadow 公司研制了目前世界上最先進的仿人手。美國的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學合作開發了多種用于肌肉康復訓練的小型醫療設備。
lilly采用基于滑動模的參數自適應控制策略，實現了單氣動肌肉驅動的關節位置控制。
2.2 國內研究動態
自20 世紀90 年代以來，我國陸續開始了氣動肌肉的研究。
北京航空航天大學的宗光華較早開始氣動肌肉的研究，分析了其非線性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅動模型的影響，并應用于五連桿并聯機構，通過剛度調節實現柔順控制。
上海交通大學的田社平等運用零極點配置自適應預測控制、非線性逆系統控制以及基于神經網絡方法，實現單自由度關節的快速、高精度位置控制。
哈爾濱工業大學的王祖溫等分析了氣動肌肉結構參數對性能的影響、氣動肌肉的靜動態剛度特性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動肌肉等效為變剛度彈簧，設計了氣動肌肉驅動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數據手套和6 足機器人，采用輸入整形法解決關節階躍響應殘余震蕩問題。
北京理工大學的彭光正等先后進行了單根人工肌肉、單個運動關節以及3 自由度球面并聯機器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經網絡等多種智能控制算法，并設計了6 足爬行機器人和17 自由度仿人五指靈巧手。
哈爾濱工業大學氣動中心的隋立明博士也通過實驗得到了氣動人工肌肉的一個更簡潔的修正模型和經驗公式并對兩根氣動人工肌肉組成的一個簡單關節系統進行實驗建模和采用位置閉環的控制方法進一步驗證氣動人工肌肉的模型。
上海交通大學的林良明也對氣動人工肌肉的軌跡學習控制進行了仿真研究給出了學習的收斂性的初步結論為下一步的學習控制奠定了基礎。其中田社平通過對氣動人工肌肉收縮在頻率域上的數學模型并對它的結構及其靜動態特性進行了理論分析建立了相應的靜態力學方程。
2003年付大鵬等，以機械手抓取物體為分析對象，采用矩陣法來描述機械手的運動學和動力學問題，以四階方陣變換三維空間點的齊次坐標為基礎，將運動、變換和映射與矩陣計算聯系起來建立了機械手的運動數學模型，并提出了機械手運動系統優化設計的新方法，這種方法對機械手的精密設計和計算具有普遍適用意義。
2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對5自由度的康復機械手進行了動力學分析，將等效有限元的方法應用到開式的5自由度的康復機械手的動力分析中，這種方法比傳統的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現代計算機的發展，的除了機械臂的動力響應曲線，為機械手的優化設計及控制提供理論依據。
2008年北京聯合大學張麗霞，楊成志根據拿取非規則物品的任務要求，采用轉動機構和連桿機構相結合，設計了五指型機器手，手指彎曲電機與指間平衡電機耦合驅動，實現了機器手的多角度張開、抓握運動方式,對實用型仿人機器手的機構設計有參考意義。
2009年楊玉維等人對輪式懸架移動2連桿柔性機械手進行了動力學研究與仿真，。采用經典瑞利.里茲法和浮動坐標法描述機械手彈性變形與參考運動間的動力學耦合問題， 綜合利用拉格朗日原理和牛頓.歐拉方程并在笛卡爾坐標系下，以矩陣、矢量簡潔的形式構建了該移動柔性機械手系統的完整動力學模型并進行仿真。
2009年羅志增，顧培民研究設計了一種單電機驅動多指多關節機械手，能夠很好的實現靈巧、穩妥的抓取物體，這個機械手共有4指12個關節。每個手指有3個指節，由兩個平行四邊形的指節結構確保手指末端做平移運動，這種設計方案很好的實現了控制簡單、抓握可靠的目的。
從目前來看，國內對氣動人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關氣動人工肌肉的研究與國外還有相當的差距對氣動人工肌肉中的許多問題，還沒有進行深入的研究。此外，采用氣動人工肌肉作為機器人驅動器的研究還不成熟。
三、 主要研究內容和解決的主要問題
目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題:康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。為此，課題主要研究內容：設計一種結構簡單，易于穿戴，并且安全、柔順、低成本，使用方便的氣動手功能康復設備。對氣動手指康復系統進行機構運動學分析、用mat lab軟件對康復訓練機器人的康復治療過程的力位信息進行仿真分析。
要實現上述的目標，系統中需要著重解決的關鍵技術有：
(1)基于已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分的設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。 主要包括：人手部的手指彎曲抓握動作分析，氣壓驅動關節機構自由度的優化配置。使機械手能夠實現手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實現的動作。
(2)對機器人機械機構的運動學分析。主要包括：氣壓驅動的手指關節外骨骼機械機構的運動學分析。
(3)機器人機構的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進行機器人氣壓驅動終端的力位信息 仿真。
根據總體方案設計以及工作量的要求，外附骨骼機械手系統是上肢康復訓練機器人的一部分，本文主要是研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。
四、論文工作計劃與方案
論文工作計劃安排：
2010年9月——2011年6月準備課題階段：
主要工作：學習當今最先進的機器人設計技術;學習用matlab軟件進行計算仿真及優化，查閱國內外的資料，對康復機械手作初步了解。
2011年7月——2011年9月課題前期階段
主要工作：課題方案設計，擬寫開題報告，開題。
2011年10月——2012年7月課題中期階段
主要工作：開始具體課題研究工作，根據已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。
2012年8月——2012年12月課題后期階段
主要工作：對手指康復機器人進行模擬仿真，對設計進行優化，并在此基礎上進一步完善課題。
2013年1月——2013年4月結束課題階段
主要工作：整理相關資料，撰寫論文，準備進行畢業論文答辯。
2013年5月——2013年6月論文答辯階段
主要工作方案：
1. 完成學位課與非學位課學習的同時，進行市場調研，對手指康復機械手作初步了解。
2. 查閱資料，了解氣動手指康復機器人的國內外發展現狀。
3. 分析已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構的部分設計。
4. 對現有手指康復訓練方法設計進行分析和提煉，分析其優缺點。
5. 開始具體設計工作。
機械優化設計論文范文4
[關鍵詞]農業 深松技術 參數化設計
中圖分類號：TH 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0025-01
土壤深松作業是指運用大型拖拉機牽引深松機具進行行間（行間距為40～60cm）或全方位深層土壤耕作的機械化整地技術。土壤深松作業是農業耕作技術領域的一種全新的耕作模式，深松機是保護性耕作機具之一， 深松后的土壤具有明顯的蓄水保墑和增產增收效果。采用深松技術是我國旱作地區農業持續發展的重要途徑， 但國內現有的深松機工作阻力和能耗都較大。
1.研究的背景和意義
1.1 我國耕作現狀
我國是人口眾多的農業大國，傳統的耕作方式越來越不適應現代農業的發展需要。在傳統農業的耕作制度下，旱作農業耕地的土壤侵蝕嚴重，耕地退化、沙化嚴重，從而造成土壤蓄水、儲肥等能力降低，進而造成農作物產量的大幅度降低。特別是近年來，伴隨著氣候的變化、反常，如沙塵暴、厄爾尼諾現象、拉尼娜現象等，在很大程度上限制了我國旱作農業的發展以及該地區農作物的產量，造成了巨大的損失。另外，由于受不同地區土壤濕度、容重、硬度等土質因素及地表植物的影響，造成土壤比阻不同，而且犁底層深度也不盡相同，這就使得同一種機具無法在不同地區通用。
1.2 深松機研究現狀
相比較發達國家而言，國內深松機具的研制起步較晚，主要研究領域為振動式深松機振動機理及應用效果的研究、深松鏟鏟形的設計與優化、對于深松機纏繞堵塞問題的解決、深松機工作狀態與受力分析等。目前，國內的深松技術也取得了很大進展。全方位深松技術是在傳統耕作技術基礎上改進形成的一種新的耕作方法，它能夠增加土壤的孔隙度，加快土壤空氣和大氣的交換，使土壤微生物活動旺盛，達到作物增產的顯著效果。在設計方面，國內也開始采用現代優化手段對深松整地作業機械進行優化，并取得了較好的效果。但這些設計大多是針對某一部件（如深松鏟）或某些運動參數的設計與優化，沒有一種針對保護性耕作的深松整地機械的整體設計，也沒有形成系列化和參數化，應用范圍較窄。
1.3 研究內容及方法
本研究采用理論分析與試驗相結合、傳統設計與現代設計相結合的方法，設計了一種加裝碎土輥和圓盤刀的振動式深松整地聯合作業機。借助于CAD和Pro/E技術完成二維圖形的繪制和三維建模，運用有限元理論，借助有限元分析軟件對設計進行模擬和仿真，并利用Pro/E軟件的二次開發技術完成關鍵部件的參數化設計。隨著現代設計方法的廣泛應用與軟件的迅猛發展，可以直接進行三維建模，然后對實體模型進行仿真、虛擬裝配、形態和模態分析等，確定設計是否滿足要求。然后，再通過三維建模軟件直接生成二維平面視圖。
2.深松部件總體方案設計與優化
2.1 需求分析
隨著國家對深松作業的扶持政策力度不斷加大。深松技術越來越得到國家的重視，深松機械將有著廣闊的市場。傳統鏵式犁翻耕使得土壤結構和地表植被遭到破壞，從而使其缺乏抵抗災害的能力。深松是傳統翻耕的替代技術。傳統的鏵式犁翻耕作業后土壤，地表無覆蓋物，在遇到雨水沖刷時會形成地表徑流，造成水土流失，遇到大風時會形成揚沙等環境危害。而深松作業則很好地避免了上述缺點，深松后地表覆蓋良好，犁底層被打破，在耕層和犁底層形成了虛實相間的土壤構造，能起到“通水通氣”的作用，有利于作物根部向下生長，促進作物早熟高產。但與深松機不斷增長的市場需求相比，國內深松機種類較少，機型較為陳舊。深松由于存在上述需求，設計一種高效節能，符合保護性農業作業要求的深松整地聯合作業機，既是現實生產發展的需要，也是生態環境保護的需要。
2.2 深松機鏟柄的優化設計
鏟柄存在的主要問題是下端螺孔處受力較大，有失效的可能性，所以優化的目的是在螺孔處的受力突然增大時，不會對深松鏟柄造成破壞。
優化方案1：考慮到螺栓組聯接將減少單個螺栓的受力，決定增加固定孔個數，將深松鏟柄固定孔個數有兩個增加到六個。這種改進方法部分減少了深松鏟柄最下端螺栓孔的受力，但距離鏟柄旋轉中心最遠的兩個螺栓受力依然很大，較多的螺栓孔也降低了深松鏟柄的強度，無法有效保證鏟柄的失效。
優化方案2：為了避免鏟柄上某處應力出現遠大于其他區域的情況，將深松鏟柄采：用無孔固定的方式。這種固定方式下深松鏟柄的受力會有所減小，最大應力為下端 U 型螺栓處所受到的壓應力，其大小為 194MPa，這種受力方式仍然不能保證鏟柄在受到較大沖擊載荷的情況下不發生變形、斷裂等破壞。
優化方案3：這種方案改變了前兩種改進設計的思路，將改進的重點脫離了鏟柄本身，即將原設計的深松鏟柄下端的緊固螺栓改為安全銷。同時為了保證深松機在工作過程中不會因機座對鏟柄的夾持不牢而產生橫向晃動，可將機座護板與鏟柄的重合面積適當增大。綜合比較以上三種優化形式，可以發現優化方案3對深松鏟的結構改變不大，卻能夠有效的避免深松鏟柄因受到載荷過大而損壞。
3.深松機機架的優化設計
對機架的優化主要體現在以下兩個方面：增加斜拉桿的厚度，以減小接觸點的拉應力。將斜拉桿厚度由30mm增加到50mm，使得斜拉桿與上懸掛點之間的接觸面積有較大的增加，從而增加受力最大點的強度。適當減小機架前后橫梁的管壁厚度。機架管壁厚度過大，不僅使得機械笨重，而且造成一定的資源浪費，再考慮到載荷的情況下，將原機架管壁厚度由10mm減小到8mm。優化后機架的受力更加均勻，最大應力點應力由 226MPa減小為136MPa，有效地避免了在載荷增大的情況下危險點斷裂的可能性。
4.結論
論文以深松機關鍵部件――深松鏟鏟頭、鏟柱和連接裝置為研究對象，運用現代設計方法，將經驗設計、三維造型與有限元方法有機結合?；谙嚓P經驗和理論，通過多方案比較，確定了整機方案：深松類型為行間深松，減阻方案為自激振動;防堵方案：安裝破茬裝置，深松鏟均勻安裝在單梁上。確定了關鍵部件的設計方案。依據有限元分析結果，對深松鏟柄和機架的結構尺寸進行了結構優化，縮小鏟柄下端固定孔徑，增加機架斜拉桿強度。并針對實際生產中鏟柄易損壞、入土角不可調節等問題，對深松鏟固定裝置進行重新設計，使其具有了入土角調節和過載保護功能。
參考文獻
[1]柏雪源，程衛東.1998.國外幾種新型深松機具的研究.農機與食品機械，4： 34-35.
機械優化設計論文范文5
拓撲優化 形狀優化 精密鑄造 后懸置支架 有限元分析
論文摘要: 本文主要闡述借助于Alatir公司的Hyperworks結構優化軟件，對精密鑄造產品進行結構優化設計，且以對某汽車駕駛室后懸置支架的結構優化為例，著重介紹了拓撲優化和形狀優化在精密鑄造產品結構設計上的應用方法及功能。事實表明拓撲優化和形狀優化的聯合應用，對精密鑄造產品的結構設計起到非常關鍵的幫助作用，最后通過此軟件對優化后的產品結構進行有限元分析，驗證優化后產品結構的強度和剛度。
HyperWorks在精密鑄造產品優化設計中的應用
一、引言
在當前的汽車工業中，減輕設計重量和縮短設計周期是兩個突出的問題，在傳統的設計中，由于機械產品機構的復雜性，長期以來主要應用經驗類比設計，對產品結構作定性分析和經驗類比估算，在決定實際結構時，一般都取較大的安全系數，結果使得產品都是“傻”、“大”、“粗”，使材料的潛力得不到充分發揮，產品的性能也得不到充分的把握。所以傳統的汽車設計思路已經不能滿足當前設計的需要。汽車輕量化設計開始占據了汽車發展中的主要地位，它既可以提高車輛的動力性，降低成本，減少能源消耗又能減少污染。但是，簡單的汽車輕量化設計卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車重量的同時，也犧牲了車輛的強度和剛度，甚至對產品的結構壽命也產生影響，在此情況下，有限元分析方法在汽車設計中的合理應用就得到了充分體現，經過近幾年的實踐證明，Altair公司的有限元分析技術以及拓撲優化技術在汽車行業獲得了非常成功的應用。特別是對于一些結構復雜的汽車鑄造結構件，Hyperworks 的有限元分析技術、拓撲優化和形狀優化技術的推廣使得材料的潛能及鑄造的優勢得到了充分的發揮。
本文將詳細介紹利用Hyperworks的拓撲優化和形狀優化技術對東風商用車駕駛室后懸置支架進行減重優化設計的應用過程。以及如何應用Hyperworks驗證改進結構后的應力和應變情況，使該后懸置支架減重優化后的結構能夠滿足產品的使用性能和鑄造工藝性要求。
二、有限元法的概念和優化設計流程確立
2.1有限元法和有限單元的概念
有限元法又稱有限單元法，是結構分析的一種數值計算方法，它隨著計算機的發展而應運而生，并得到了廣泛應用，目前已成為工程數值分析的有力工具。在實際工程應用中，我們首先把CAD模型分割成有限個實體或者殼單元。一般作為實體單元所適合的結構，是具有三維形狀變化的物體，不太適合棒狀、平板狀的物體。實體單元是利用3D-CAD所作好的實體模型，能夠拿來就能作有限元模型處理，這一點非常方便。 但是用實體單元制成的模型，因為節點數往往較多在分析時務必注意計算機磁盤用量和計算時間。
另外從實體單元能夠把三維圖形原封不動地適用于結構分析的模型上這一點來說，對于結構復雜的零件，采用實體單元是很好用的單元。實體單元有六面體、五面體、四面體，在用自動生成的情況下使用四面體較多。從分析精度而言，使用六面體為好，自動生成的三維形狀也有必須限制用于六面體的等等，五面體單元在評價應力時盡量不使用此方法為好。殼單元有三角形和四邊形單元，對于板單元盡量使用四邊形單元，對于實體單元盡量使用六面體單元。使用三角形或四面體單元與使用四邊形或六面體單元時相比有使結構增加剛性的模型化傾向。在本文我們所做的駕駛室后懸置支架的優化計算中，由于結構和受力狀況的復雜性，我們采用實體單元與殼單元相結合的劃分方法。
2.2 確立優化設計流程
在利用Hyperworks軟件做優化分析時，通常的流程是首先讀入CAD模型，然后劃分網格，添加邊界條件，設置優化分析模型參數。優化分析模型一般是由目標函數、約束條件、優化設計變量三個方面組成，借助于Hyperworks軟件的OptiStruct模塊，對于后懸置支架的輕量化設計，在現有的計算機條件下可以很方便的實現。首先，在輕量化分析過程中，一般選取優化設計變量為支架的體積的減少量，然后采用傳統的拓撲優化方法，將總體的應變能作為目標函數。在本次后懸置支架的優化分析中，主要采用OptiStruct模塊的拓撲優化和形狀優化。首先，拓撲優化可以獲得一個最佳的結構布局——即最佳的材料分布；然后在這個最優結構布局的基礎上按照實際設計需求形成一個新的設計方案，并反饋到CAD軟件中，形成新的CAD模型，最后應用更仔細的形狀優化工具，同時添加適合鑄造的約束條件，得到最有效的細節設計方案。
圖(1)代表了該后懸置支架的簡單優化設計流程，從最初的模型導入，以及之后的約束條件與目標函數的設定，同時包括制造工藝參數的設定，最后通過形狀優化得到的最終設計方案。
根據優化需求，將三維模型
進行非安裝部位的材料填充
導入三維模型
圖（1）拓撲與形狀優化流程圖
三、 有限元模型建立和邊界條件確定
3.1有限元模型建立
3.1.1后懸置支架原始結構分析
由于駕駛室后懸置系統布置方式比較復雜，整個駕駛室后懸置系統由安裝于浮動橫梁上的左右各一個橡膠緩沖塊支撐，兩個懸置支架對稱的垂直立于車架大梁上，中間用一弧型橫梁連接，在懸置支架的兩側對稱的布置兩個筒式減震器，而本文所要優化分析的后懸置支架是整個系統中受力最為復雜的關鍵零件。該零件在原始設計中，由于整個機構的復雜性，對產品的性能未能充分把握，在進行設計時只能作定性分析和類比估算，確定實際結構時，選擇的安全系數過大，致使設計出來的產品結構過于笨重，粗大，缺乏美觀。另外，由于對實際的受力點未能牢牢把握，導致結構材料分布不夠均勻，鑄造工藝性較差。原始結構見圖（2）
圖（2）原始結構模型圖
3.1.2 有限元網格劃分
有限元網格劃分是進行有限元優化分析至關重要的一步，有限元分析的精度和效率與網格單元的密度和幾何形狀有著密切的關系，并且有限元網格劃分的好壞，對后續數值計算結果的精確性有著直接的影響，它不但涉及單元的形狀及其拓撲類型、單元類型還有選擇什么樣的網格生成器、網格密度的定義、單元的編號以及幾何體元素等等。所以在實際應用中，選擇合理的網格單元對整體模型的分析有重要的影響。根據上述介紹，結合后懸置支架結構的復雜程度以及優化分析的要求，對其采用實體單元網格劃分，同時，在非干涉和裝配部位進行必要的材料填充；另外，對分析過程中涉及到的弧形橫梁因結構簡單，屬于簡化梁結構，故采用殼單元的劃分方式。
具體網格劃分見圖（3）
后懸置支架
弧型橫梁
圖（3）有限元網格模型
其節點數和單元數見表（1）
表（1）后懸置支架及橫梁的節點與單元數
3.2 確定邊界條件及設置優化參數
3.2.1 確定邊界條件
由于駕駛室后懸置系統是以垂直方式布置，在車輛高速行使時，路面通過懸掛系統傳遞到駕駛室的沖擊，發動機、傳動系傳遞到駕駛室上的振動，以及側向減振器所帶來的瞬時沖擊，是我們分析時主要考慮的因素。
計算時考慮駕駛室受垂知方向4G（瞬時），側向2.5G（穩態）的沖擊，同時對支架底端與車架大梁連接處用螺栓固定，該產品受力工況及約束條件如下圖（4）所示
圖（4）后懸置支架受力工況
3.2.2材料屬性及性能參數
該后懸置支架采用ZGD410-700制成，其材料參數如表（2）所示。
表（2） 車身后懸置支架材料參數
四、拓撲優化和形狀優化
4.1車身后懸置支架的拓撲優化
拓撲優化就是在產品初時設計階段，利用優化計算得到滿足設計要求的結構外形，并且可以返回到CAD，進行詳細的結構設計，然后再利用形狀或尺寸優化調整細節，最終得到滿足要求的設計方案。對于這個后懸置支架的拓撲優化，主要問題是怎樣使支架結構合理布置，以及如何最好的模擬支架所受的垂直載荷和側向載荷。
在本次拓撲優化過程中，采用后懸置支架與橫梁整體分析，但對后懸置支架單獨優化的方式，這樣獲得的結果更趨近于真實的情況。由于拓撲優化對加強筋及凸緣剛度的敏感性較高，因此在采用傳統的拓撲優化方法，定義設計變量時，將體積和應變能作為目標響應，設計空間的體積減少量作為優化的約束條件，總體的應變能作為最終的目標函數，這里的總體應變能不僅包括設計空間的應變能，同時也包括非設計空間的應變能。 最后，根據拓撲優化結果云圖，返回CAD模型，結合精密鑄造工藝，盡可能的凸出筋骨，減少大平面，在遵循實體最小原則下重新進行三維設計造型。優化云圖及結構優化方案見圖（5）
拓撲優化云圖（一）
拓撲優化云圖（二）
結構優化方案
圖（5）拓撲優化云圖和結構優化方案
4.2 車身后懸置支架的形狀優化
根據以上拓撲優化結果，確定了一個在給定載荷條件下滿足設計要求的最佳結構布置方案，在此方案的基礎上，對后懸置支架進行細節優化——形狀優化，在形狀優化中，同時要考慮結構應力和屈曲變形。理論上為了突出筋骨，保持整個結構布置的均勻化，同時減少局部應力的集中，我們只對該有限元模型做局部形狀優化，如圖（7）所示，這樣就避免整體優化時間上的浪費。
圖（7）
為形狀優化建立了有限元模型之后，我們要將適合鑄造的工藝參數、應力標準和屈曲要求作為形狀優化的設計約束，將質量最小化設為設計目標函數，對于應力約束，設計約束不允許該處的最大應力超出材料的屈服極限，同時在實際優化過程中，該處結構的厚度只能要求向內側移動，高度只能向上移動。最終經過形狀優化后結構見圖（8）所示：
圖（8）形狀優化后最終結構圖
五、結構驗證與對比分析
經過拓撲優化和形狀優化，我們最終得到了較為理想的設計方案，為了驗證該優化方案的可靠性，特對此機構進行有限元分析計算，同時對用傳統的經驗類比方法設計的優化方案進行分析對比。用傳統經驗類比方法設計的方案如圖（9）
圖（9）傳統優化設計方案
結合實際受力情況對傳統優化設計方案和拓撲優化方案分別做有限元驗證分析，應力云圖見圖（10）
傳統優化設計方案應力云圖
拓撲優化方案應力云圖
圖（10）方案驗證應力云圖
由以上分析可知，傳統優化設計方案最大應力高達726MPa，出現在臺肩處，而拓撲優化方案的最大應力雖然達到576MPa，但是位置出現在弧型橫梁上，與傳統優化設計方案相比，相同位置的最大應力由710MPa減少到216MPa。其對比參數見表（3）：
表（3）優化前后結構性能對比
六、結束語
經過上述優化方案的對比，我們可以很清楚的看到，利用傳統的優化方式和利用Hyperworks的拓撲和形狀優化方式的差別，雖然重量相差不多，分別下降了35%和35.5%，但是在同種工況作用下，傳統方式優化的產品結構多處應力超出材質屈服極限，且最大應力達到了726MPa，遠遠超出了材料的屈服極限，在使用過程中很容易就發生斷裂；而采用Hyperworks的拓撲和形狀優化方式優化的產品結構最大應力只有230MPa，低于所使用材質的屈服極限410MPa，且同一部位由傳統優化結構的710MPa減少到218MPa，同比強度增加了2.65倍，剛度增加了1.27倍，并且優化后的產品結構更適合于鑄造工藝。
由上述可知，車身后懸置支架的優化設計驗證了HyperWorks軟件的OptiStruct模塊在精密鑄造產品的成功應用，說明了此技術在工業制造中具有非常優秀的特點，打破了生產單位不能獨立改善產品結構的歷史。隨著工業產業的發展，OptiStruct的優化概念將會被越來越多的人接受并有效運用，屆時它將真正成為產品結構設計工程師的左膀右臂。
參考文獻
1、張國瑞 有限元法 北京 機械工業出版社 1991
2、劉惟信 機械最優化設計（第二版） 北京 清華大學出版社 1994
機械優化設計論文范文6
（廈門理工學院 機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024）
摘 要：為了培養卓越人才的創新創業能力，以項目為主線、教師為主導、學生為主體，通過項目驅動能力培養，同時為產品衍生項目。讓學生在工程實踐項目的研發過程中培養發現問題、分析問題、解決問題的能力。實踐證明，項目驅動方式更容易激發學生的創新創業能力。
關鍵詞 ：創新創業；實踐教學；項目驅動
中圖分類號：G644文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2015）08-0244-02
基金項目：福建省教育科學“十二五”規劃項目重點課題（No。 FJJKCGZ14-066）； 廈門市教育科學“十二五”規劃2014年度立項重點課題（14003）
1 引言
作為一所親產業大學，我校一直注重學生創新能力的培養，強化“關產業痛癢、應產業所求、納產業精華、為產業服務”的親產業辦學理念，樹立“面向工業界、面向未來、面向世界”的工程教育宗旨，以海西工業企業的發展需求為導向，通過與先進企業開展“互利雙贏”的校企合作，共建以實際工程為背景、以工程技術為主線的卓越工程師聯合培養體系，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力。
特別是我校作為卓越工程師試點培養高校，堅持以學生為本，知識、能力、素質協調發展的理念，緊密結合地方經濟發展的實際需要，秉承我?！爸泻弦?工學結合”人才培養模式，構建以就業為導向的實踐性、創新型、應用型人才培養體系，為機械行業培養定位清晰、特色鮮明、創新素質高、動手能力強、勤勞務實的高級專門人才。
2 學科競賽與創新實驗項目結合，創新創業有機結合的教學體系
建立了與地方業界共建多贏的長效機制。各專業組建了有業界精英和外校專家參與的專業建設指導委員會，每年還聘請企業技術、管理骨干來校兼課、指導實習和畢業設計（論文）。如圖1所示項目驅動下創新創業能力的培養體系，形成多種校企合作模式。學?，F已形成三種校企合作模式：一是共建實驗實訓場所，如PLC控制實驗室、全自動機械手研發實驗室、數控技術實驗室等。二是項目帶動人才培養，如全液壓干冰成型機、威盛叉裝車工作裝置研制等，人才培養；三是共建校外實踐基地，如松霖科技、廈工機械、東風汽車股份有限公司、冠捷科技有限公司、路達科技有限公司、林德叉車等一批知名企業，在實踐環境、工程項目和指導力量等方面，為學生開展實踐活動提供條件。
3 創新創業實踐教育
為了把創新創業教育落到實處，在實踐教學中，為學生開辟設計型和綜合型的實驗，在項目的帶動下進行實驗教學；充分結合學科競賽，鍛煉和培養學生的獨立的創新創業能力。
實踐教學目標并結合自己的研究方向和課題引入項目的內容并將項目合理地分成若干教學模塊（子項目、任務），以“項目為主線、以完成任務為‘驅動’、教師為主導、學生為主體”，充分利用各種先進的教學手段和方法，創設任務情境，為學生提出由表及里、循序漸進的學習途徑，充分調動學生學習的積極性，讓學生在完成任務的同時掌握最新的、實用的專業知識并充分利用課程設計、生產實習、畢業設計等環節，讓學生連貫起來獲得實際工程項目的從分析、設計到實現的完整過程的訓練給學生提供參與科研項目的機會，劃分部分任務讓學生完成，使學生能夠理論聯系實際，激發學習興趣，提高學生動手能力。如圖2所示。
讓學生參與各項機械創新設計大賽、無碳小車比賽、挑戰杯、方程式賽車等具體項目中來。它以學生主動性學習為基礎，要求學生當主角、由學生通過實際動手操作、解決實際工程問題的實踐來學習優化設計知識和技能。它給學生的主動性更大，使學生通過自身的經歷了解優化過程的行進，在設計具體實例的過程中主動地去學習優化知識，從而學會運用優化知識。鼓勵學生參加各種競賽如挑戰杯賽，機械創新設計大賽，無碳小車比賽、挑戰杯、方程式賽車比賽、電子創新設計大賽和機器人大賽等，強化、培養學生的創新意識、創新能力、工程意識以及科研開發能力。向學生開放實驗室，提供良好的實驗條件，讓學生動手實踐，達到理論與實踐交融的教學目的。
4 效果與特色
學生在創新實驗項目中，根據自己的興趣愛好制作小型產品。在機械創新設計大賽中學生的工程實踐能力得到了很大的提升，如圖3所示在機械創新設計大賽中設計的教學用箱式全息投影儀及自動伸縮桌子。特別是學生在參與實踐項目的設計研發過程中，把所學的知識應用到工程實踐中解決問題，跟著工程師和老師學到了很多書本上或課堂中老師沒講的知識，如圖4、5所示學生在現場進行工程實際項目的研發及產品的調試工作；同時從實踐工程中檢驗自己所學的理論知識。學生發現在學校所學的理論知識要應用到實踐問題中，有很大的差距，如何靈活應用自己所學的專業理論知識來分析和解決實踐問題，那才是最關鍵的。在這些實踐過程中，同學們體會到了收獲了成功的喜悅和自信，進一步激勵他們參與到實踐課題的研究中，這樣不斷的形成良性循環，激發學生的創新創業能力的培養。畢業跟蹤調研發現：參與這類實踐項目的學生，在工作中實踐中發現問題、分析問題、解決問題的能力較強。所以很多用人單位提前主動聯系高校，預定創新創業能力強的學生。圖所示是學生根據自己在機械創新設計大賽中的產品，申請授權了相應的實用新型專利。
5 結論
創新創業教育需要高校的建立起長效的培養機制，并把每個教學實踐過程落到實處，那學生的創新創業能力才得以激發和培養。讓學生主動帶著問題去學習，在解決問題的實踐過程中挖掘和梳理理論知識。不到形成良性互動循環過程。
參考文獻：
（1）林桂娟?！稒C械優化設計》課程的項目驅動式教學方法探討[J]。赤峰學校學報（自然科學版），2014，（20）：256-257.
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