引 言
机械优化设计，所涉及的学科众多。其中包含物理学、材料学、应用数学及化学、应用力学以及计算机程序设计等，系处理较为复杂的设计的有效工具之一。此次研究除去阐述优化设计方法，还总结出归纳出无约束优化设计法、有约束优化设计法、基因遗传算法三类优化设计手段，并对三者的特点进行论述，最后，对选取优化设计手段的几大要素进行阐述。
一、优化设计手段的论述
机械优化领域的设计灵魂即是优化设计方法，伴随计算机技术及数学科学迅速发展，解析法、数值分析法及非数值分析法为其所发展经历的三个阶段。
20世纪的50年代初，解决最优化问题的两种最主要的数学方法是，古典的变分法与微分法。此两种手段具计算精准及概念清晰的主要特征，可是，不足之处是仅限于解决一些小型或是特殊问题，于处理大型的实际问题之时，因过大的计算量，无形中增加了计算的难度。
20世纪50年代末，于优化设计中，其求优方法的理论基础即是数学规划手段。该方法是以数值分析为前提，结合已知的信息及条件，最后通过一连串的迭代过程得出问题最优解。但是其相关的理论还是比较简单的，计算的过程亦相对容易，只是计算的量极其大，可是此亦正是计算机所有工作中最为擅长的一项，当然，计算机也就归为了数值优化措施工具中最关键的那一类。
20世纪80年代末，如模拟退火、进化规划、混沌、人工神经网络、遗传算法及禁忌搜索等一些优化方法层出不穷，上述算法经模拟自然现象及规律而获得某些结论，一步步产生具有特点的优化方法，它的内容涉及到物理学、统计力学、数学、生物学、神经学、人工智能等。
二、设计方法
该设计方法被大量的应用到机械工程中，主要是因为它可以在特定的背景中确保方案最为合理，而且不需要使用太多的人力物力。该方法从最初的数值法到后来的数值分析，最后过渡到非数值分析。最近几年由于电脑技术的广泛应用，在设计的时候可以通过合理的选取设计数值进而得到最为优秀的方案，而且还能够大大的缩短用时。将该方法和电脑科技有效的融会到一起，是时展的产物，必将得到发扬。
三、类型和特征简介
1、无约束优化设计法
具体的说分成两个类型，一种是像共轭梯度法、最速下降法、牛顿法等方法，它是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法。另一种是像单形替换法、坐标轮换法等，利用目标函数值的无约束优化方法。
2、遗传算法
该方法是对随机群体不断的演变选择，进而获取最为合理的方法。它非常的类似于自然界的淘汰法则，适应社会发展的必然得到发展，而落后的必然会被遗弃。该方法有两大特点，即能够起到优化整体的作用，同时还有很好的适应能力。它被应用到很多领域中，比如问题诊断等等。最近几年它在工程方面也体现出了自身的巨大价值。接下来就具体的展开论述。第一是它能够论述可靠性问题。第二是能够辨别参数。它能够大体的分辨结论数值，明确了大体的区间之后，再通过遗传措施对设定的数值以及结论数值一起优化处理。第三，能够设计机械方案。为了和目前的编码体系保持一致，其设置了一系列的遗传方法，通过这些方法掌控它的搜索活动，而且通过复制等活动不断的迭代，进而得到最为优秀的方案。除此之外，它还可以应用到很多的其他行业中，比如节能设计以及数控加工误差等。上文讲述了很多它的优点，不过它也并非是完美的。比如目前还无法优化其自身的数值，无法通过新的设置来提升效率，目前的操作方法还不是很完善等等的一些问题。一般采用惩罚函数法求解约束优化问题时，其难点是如何选择合适的惩罚因子。该因子太大的话，会使得搜索工作变得困难，但是如果设置得太小的话，可能造成整个惩罚函数的极小解不是原目标函数的极小解。
3、约束优化设计法
根据处理约束条件的方法不同可分为间接法和直接法。间接法常见的有增广乘子法、惩罚函数法。它是将非线性优化问题转化成线性规划问题或是将约束优化问题转化成无约束优化问题来求解。直接法常见的方法有复合形法、网络法和约束坐标轮换法等。它的本质是创造一个迭代的步骤，确保所有的迭代点都能够在可行区间之中，进而不断的降低数值，一直到最为合理为止。
4、蚁群算法
是通过人工模拟蚂蚁搜索食物的过程来求解旅行商问题，在1991年由意大利学者M.Dorigo等人提出。蚁群算法适合非线性问题的求解，避免了导数等数学信息，对系统优化问题的数学模型没有很高的要求。主要应用在：交通建模及规划电信路由控制、集成电路布线设计、有序排列问题、二次分配、车间任务调度等问题的求解。虽然蚁群算法具有并行计算、正反馈选择和群体合作等优点，但也存在着容易出现“停滞”现象和需要较长的搜索时间两个缺陷。吴庆洪等提出了应用改进型蚁群算法解决有序排列问题，运用新的状态转移规则，讨论不同的轨迹更新规则对仿真结果的影响的一种具有变异特征的蚁群算法，并通过统计数据验证了相对于标准的蚁群优化算法中，改进型蚁群算法的优势所在。
5、模拟退火算法
模拟退火算法，最早在1953年由Metropolis提出，1983年Kirkpatrick成功地应用在组合最优化问题。模拟退火算法是一种通用的优化算法，用以求解不同的非线性问题；能够发挥出良好的收敛性特征，而且适应能力很是强大；对不可微甚至不连续的函数优化，能以较大概率求得全局优化解；能处理不同类型的优化设计变量；并且对目标函数和约束函数没有任何要求；不需要任何的辅助信息。目前已经广泛的应用于：神经网络、图像处理、控制工程、数值分析和生产调度等。这个方法虽然有很多的优点，不过它也存在一些缺点，比如它的效果不是很好，而且整个运算活动耗费的时间非常久。通过上文的分析我们得知了这几种算法本身的优点和缺陷，应该尽量的避免其缺陷，将优势结合到一起，对其进行完善。
四、合理选取方法
通过上文中对设计特征的分析，我们得知要想保证设计合理，就要正确的选取优化方法。这主要是因为即使是一个完全相同的内容它也会存在很多不一样的解决措施。然而并非是并存的这几个措施都能够将问题解决得天衣无缝。比如一些措施会使得设计的最终结果和我们当初的设置不符。要想避免这种现象，就需要我们牢牢此遵守四个基础原则。第一，要保证可靠性好，第二要保证使用的计算程序是合理的，第三要确保其稳定，最后要保证效率。除此之外，还需要工作者的工作经验丰富，只有这样才可以分析相关的函数值，结合复杂性等要素对其进行合理的选取判断。优化设计的选择取决于数学模型的特点，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；对于约束函数和目标函数均为显函数且设计变量个数较少的问题，采用惩罚函数法较好；针对那些求导有难度的要使用直接解法；对于高度非线性的函数，就要选取那些较为稳定的措施。
结束语
从机械产品设计的全局来看，目前比较先进的优化设计，大多数还停留在设计方案后参数优化方面，面向产品设计，应将优化设计拓宽到机械设计产品的全生命周期过程，是适应机械产品设计。随着机械技术不断地发展，在现代科学技术支持下，现代机械先进优化设计技术将进行新一轮的发展。
参考文献
机械原理与机械设计课程开设历史悠久，两门课程始终作为全国各工科院校机械类专业主干技术基础课程。近年来，随着机械学科的飞速发展、我国高等学校机械类专业人才培养实施宽口径化、21 世纪人才综合能力培养的需求，再次审视两门课程的教学体系、课程内容和教学方法，认为依旧存在问题需要探究与改革。
一、存在的问题
（一）内容有交叉与重复现象。机械原理和机械设计两门课程的教学内容基本变化不大，课程内容自成体系，相互之间缺少衔接，存在内容交叉和重复的问题。
（二）缺少系统性。两门课程缺少对机械系统的介绍，学生学完了两门课程，仍对机械没有整体的认识，对机械的设计过程缺少了解，两门课程的总体效能未能充分显现。
（三）实践环节不足。两门课程的实践环节难以适应对学生工程意识和实践能力培养的需求，缺少主动性实践的环境。
二、理论教学体系的整合与优化
机械产品的设计一般要经过产品的规划、方案设计、技术设计等环节，通过机械原理和机械设计课程的学习，学生不仅应掌握一般机械产品设计所需的基本理论知识，还应对机械系统有一个整体的认识，并应了解机械产品设计的基本过程。为此笔者尝试突破“机械原理”和“机械设计”两课程的界线，将教学内容和教学环节进行了重组、融合及整体优化，合并为“机械设计课程。
（一）课程目标。通过本课程理论教学、实验及课程设计等环节，实现总体教学目标：培养学生的工程意识和创新精神；使学生对机械产品具有整体的概念和正确的设计思想；掌握机械系统设计的基础知识，初步具备一般机械方案设计和分析的能力；掌握常用机构及其传动的运动学设计和工作能力设计的基本知识，掌握通用零部件设计计算和选用的基本知识，初步具备一般通用机械的设计能力；培养学生查阅和运用机械设计相关标准、手册及网络息等技术资料的能力。
（二）理论教学体系。在有限的学时内，合理取舍课堂教学内容，是关系到能否真正实现课程目标的关键。经过多年的仔细斟酌、反复探究，提出精、宽、新的授课原则：精——精选重点和难点的内容进行详解与指点，避免烦琐公式的推导和易于自学的内容占用过多的学时；宽——拓宽学生的知识面，注重工程应用，启发学生举一反三；新——注重机械学科发展、将机械学科的科研成果融入教学，让学生了解机械学科的新技术、新方法。
三、实践教学体系的构建
实践教学体系由实验教学、机械实例分析与设计（大作业）、典型机械设计（课程设计）三部分组成。三个模块均以加强自学能力、研究能力、动手能力及工程意识与创新精神为培养目标。
（一）实验教学。在实验教学中将计算机技术和网络技术与现代实技术相结合，加强实验内容的综合性与设计性，如增开了典型机器与机构分析、机构系统创意组合、机械系统创意组合等综合性实验，对启迪学生的创新意识和培养学生的设计能力起到非常积极的作用。
（二）机械实例分析与设计。本课程传统的课外作业内容虽然对一些基本概念、定义的理解起到一定的作用，但是由于各章相对独立、就题论题、解题方法千人一面等问题，让学生感到枯燥无味，抄袭现象严重。为了解决此问题，将“书本习题”大大减少，增加数个综合性、实践性很强的机械实例分析大作业。
（三）课程设计。课程设计是很重要的一个教学环节，课程设计的性质决定了它在对学生进行素质教育，培养学生工程意识和设计能力等方面具有独特的优势。原来的机械原理和机械设计的课程设计是分开的，相互之间没有联系，机械原理的课程设计是以机构的分析为主，机械设计是以零件的强度分析和绘制图纸为主，教师不仅限定了设计题目和方案，还给学生提供了非常齐全的参考资料，学生的创新意识得不到发挥。将两门课程的课程设计进行了优化整合，从题目的选择到实施过程，更加符合现代机械的设计思路，即把过去仅进行机构和零部件的尺度综合、运动分析和动力分析，改变为进行机械系统的综合设计。使学生的创新潜能得到了发挥，提高了设计的能力、计算机运用能力、形象思维的能力。
四、教学方法与手段的改革
近年来，随着两门课程体系的改革和深化，课程内容不断更新和增加，但教学学时相对减少，学时与内容成了突出矛盾。如何激发学生兴趣、启迪学生的潜能, 提高学习的自主性和能动性,使学生在较短的时间内掌握机械设计的基本理论与方法；如何培养学生的工程意识、创新精神和设计能力，是教学方法和教学手段研究的重要课题。
（一）从培养兴趣入手。兴趣是成才的起点，是成就事业的沃土。学习兴趣能激励学生充分发挥学习潜能，提高学习效率和质量。
（二）开放式教学。开放式的教学方法，一是要打破传统的“一本书”，大力提倡课外阅读，让学生了解教科书之外相关领域的知识，更要让学生了解新理论、新方法和新技术。二是打破“一言堂”，给学生适当的“自由”，鼓励学生向老师提出问题，帮助学生树立“不唯书、不唯师、只唯实”的实事求是精神；三是教师不要把所有的知识点得“完美无缺”，要给学生的自学留有余地和空间。
（三）倡导主动实践。被动实践是指实践的对象、方法、程序等关键要素都是由老师制定的, 学生在老师规定的框架中, 沿着老师制定的路线去完成实践任务。
参考文献：
中图分类号TH122 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）89-0169-02
0 引言
机械结构的优化是机械设计中的一个重要环节和内容。为了寻找机械结构的最优设计方案，多年来许多学者从不同的角度提出了遗传算法、极大熵法以及模拟退火法等。但是，这些方法的求解过程繁琐复杂，在实践中往往难以实现。而随着计算机技术的飞速发展，各种仿真分析软件功能日渐成熟和完善，使得结构优化设计的过程程序化，分析结果可视化，给机械设计中的结构优化设计注入了新的力量。基于有限元分析的ANSYS软优化软件正是这其中的佼佼者。利用ANSYS的APDL语言，结合结构优化设计常用的优化准则法，可以方便快捷的编制程序进行数值分析，提高了结构优化设计的效率和准确性。
1 ANSYS结构优化设计
作为大型通用有限元分析软件，ANSYS可以用来分析结构、流体以及电、磁场和声场，可以实现与较多CAD软件的接口，是目前常用的高级CAE软件。软件可以分为前处理模块、分析计算模块和后处理模块三个功能模块。前处理模块用于方便用户建立待分析实体模型并将模型进行网格划分，生成有限元模型。分析计算模块则主要是用来模拟分析结构的各物理量之间的耦合作用。分析计算的结构可以利用后处理模块以用户希望看到的方式显示出来。利用ANSYS的APDL语言对于有限元模型的各种参数进行修改和调整，可以快捷地对于不同参数条件下的模型进行分析，大大提高了结构优化分析和设计的效率。
1）结构优化设计的模型建立。解决实际工程中的结构优化问题的首要步骤就是建立相应的数学模型。也就是选择合适的设计变量，使得目标函数在现有约束条件下取得最优值。
其中，即为所求目标函数，是设计变量，而和则是约束条件。
利用ANSYS进行结构优化设计也必须要先建立数学模型，但与传统优化设计过程不同的是，ANSYS采用参数设定的方式来表述其数学模型。传统数学模型的三要素（设计变量、约束条件和目标函数）体现在ANSYS中则分别是设计变量、状态变量和目标函数。在一次分析中，ANSYS所允许的设计变量上限为60个，状态变量的上限则是100个，以及一个目标函数。对于多目标函数的结构优化设计问题，可以采用统一目标函数法将其转化一个，再进行求解；
2）ANSYS优化设计分析方法。基于用户对于软件熟悉程度的不同，ANSYS提供批处理和图形交互式两种方法来生成分析文件。批处理方式适用于熟悉ANSYS软件命令的专业人士，或者较为复杂的结构分析设计中，可以有效的提高优化设计的效率。对于一般的用户来说，可以采用图形交互式。另外，ANSYS给用户提供了多种优化工具和优化方法，分别使用不同的优化设计问题。用户在应用ANSYS进行优化设计时，必须要充分了解待分析问题的特点，采用相应的工具和方法进行优化分析。其中常用的优化方法是零阶方法和一阶方法。对于大多数的工程优化设计问题，采用零阶方法即可实现优化分析。其分析的原理是直接采用曲线拟合的方式，在调整了设计变量的前提下，去逼近目标函数和状态变量，以求得最优值。而一阶方法则相对复杂，采用了迭代法在梯度方向进行搜索最优解。由于产生了一系列的迭代，其分析计算的过程相对繁琐，但求解的精度也随之提高。
2 优化设计实例分析
由于有限元分析上 的极大优势，ANSYS已经在机械设计中的结构优化设计领域得到了广泛的应用。下面以机械中常用接头的结构分析为例，讨论ANSYS在机械设计中的应用。
如图所示接头在实际机械中随处可见，其结构需要满足实际工况条件下的强度和刚度等要求，同时也要达到实际生产中的成本最低的要求。
接头材料的弹性模量为210GPa，泊松比0.3。合理设置接触对以实现对于接头实际装配的真实模拟。在条件允许的情况下，尽量采用映射划分网格的方式以提高模拟精度。其余不规则区域则采用自然网格的形式进行划分。在ANSYS中采用参数化设计语言建立接头结构的有限元模型。在设定初始条件和各参数后，得出的接头应力分布如图2所示。
在本例中，由于结构优化设计的目标是追求成本最低。由于结构的形式基本确定，成本最低就体现在接头用料最少，即结构的提价最小。于是笔者选取耳片的厚度T和半径R作为设计变量，设定初值R=20，T=10。状态变量则是选用接头内部的最大应力，以保证接头具有足够的强度。目标函数即是追求接头结构的体积最小，采用零阶方法进行优化分析，可得如下优化结果。
3 结论
机械结构的优化设计是现代机械设计过程中必不可少的重要部分，对于整个机械结构的性能有着极大的影响。传统的优化设计方法计算繁琐，求解复杂，优化设计的效率低，精度也难以满足要求。基于有限元分析法的ANSYS给从事机械设计的科研人员提供了一个有力的工具，将人们从繁琐的数学计算中解脱出来。充分利用ANSYS在复杂结构的有限元分析上的优势，有助于提高结构优化设计的效率，缩短产品研发周期，是未来机械设计中结构优化设计的必然趋势。
表1 目标函数优化曲线
市场经济拓宽了发展规模，人们生活水平得到改善，促进了食品包装机械包装技术的发展[1]。包装工业支撑了国民经济的发展，包装机械是包装工业不可缺少的一部分，在开发及完善包装产品方面扮演了重要的作用。设计的合理性与制造中的金属材料用量、生产效率有很大关系。模块化设计开发出各种功能的产品，无需单独设计各种产品，仅需设计各模块即可，按照各种方式把这些模块组合在一起，处理产品规格与产品制造期间、成本间的问题。 优化包装机械的性能，高效生产包装机械。基于此，研究了模块化包装机械的设计仿真与优化。
一、模块化下的典型包装机运动机理分析与优化
（一）Adams下的包装机械运动仿真
Adams具备了多种模型的数据接口，用来植入CAD软件模型，Parasolid就是其中一种格式，其扩展名为*.X_T。该格式的应用，实现数据模型的交换。使用Parasolid格式，把简化的纸箱成型模块模型存入Adams工作目录中，以英文字母命名，当名称中还有汉字抑或特殊字符，植入的Adams 会不正确[2]。为确保植入的Adams模型协调坐标轴，便于进行移动与添加约束，需要将斜齿轮中的2条轴线加入Pro/E中，相应平行匹配相应的坐标轴。影响斜齿轮传动机构动力学性能的因素，包括制造误差、接触变形、轴受力变形。为更容易研究，假如齿轮传动刚体模型如下所示：①机构均为刚性，温度与机构变形不会产生影响；②机构间装配误差零时，可不考虑零件制造误差。
仿真分析输入的齿轮传动虚拟样机模型时，零部件质量、转动惯量是分析的对象。转换几何模型数据时，但数据文件中有体积信息，将Adams植入零部件后，自动计算零部件的转动惯量与质量。抑或使用手工定义零部件的材料类型，由Adams结合不同零部件的几何尺寸，自动求解出零部件转动惯量与质量。模型数据被植入Adams后，在Pro/E中，已经构建起来的所有零件中的物理属性参数与装配约束关系等全部不见，考虑到实际情况，在Adams中还要手动加入零件属性与约束关系。假设定斜齿轮属性与其余零件属性如下表：
下面将对应约束添加到模型中，完零件属性、约束与载荷添加完毕后，仿真分析模块，包装机纸箱成型模块在斜齿轮的传动下促使上升机构做上下运动，2种不同的纸箱成型机构采用Adams，实施分析。构件运动分析结果得知，不同的螺距，上升件质心位移与质心受力大小也不一样。也就是螺距选择影响上升件运动的平稳性。
（二）模块化包装机的仿真与优化
参照包装机纸箱成型模块动力学分析，分析了下面五种方案结果，如下表所示：
从上表中能够看出，螺距增大的同时，上升件质心的相对位移波动变大，上升件质心的相对速度波动变大；方案1，位移、速度短时间内达至最小值，快速使机构平稳。下面对螺距为 5mm，转速为 240mm/min 纸箱成型模块进行进一步的分析，上升件受力和角加速度，无大范围变化，受力均匀，提示，结构参数选择是合理的。
二、模块化包装机静动态特性优化分析
ANSYS结构动力主要用于两方面问题的解决：一是分析结构动力响应特征，对结构振动中动力响应与动位移大小、变化规律进行计算；二是找到结构固有频率与主振型，深入了解了结构振动特性，以更好地使用。
（一）模块化包装机静动态优化方案
前期对包装机机架模块进行分析，尤其动态分析，机架模块的性能还有提升空间。先要保障机架模块正常工作，提出了两种完善方案：方案1，直接对机架结构进行调整；方案2，基于既有结构，增加衡量与斜梁。
（二）模块化包装机静动态优化
加固处理机架，具体操作步骤是，将横梁添加在机架上端，主要是为了提升机架静态性能，如刚度与强度等。方案一前五阶频率图、方案二前五阶频率图分别如下：
结束语：
研究了装机纸箱成型模块，采用Adams软件，实施了动力学仿真分析。基于此，分析了模块运动主要影响因素，然后对其进行参数化仿真，最终确定了模块参数优化的方案，分析了影响模块的其他因素，结果证明这种方案是正确的，最终得出，使用适合的机构参数，使包装机模块机构具有较高的可靠性与运行平稳性。ANSYS软件应用于包装机的机架模块动静态分析中。有限元分析下，获得了机架模块机构的不足之处，对机架静动态性能，给出了2种优化方案，增加了结构衡梁与斜梁的方案，明显提升了机架强度与刚度的静态性能，产生了良好的动态性能。通过重新设计的方案有助于提升机架动态性能。 本研究有有一定局限性，后续模块化包装机械的设计仿真与优化的研究还需深入。
近年来,农村市场的发展非常快，在市场发展趋势下，我国农业机械生产企业也在变化着，现阶段的农机产品更加多元化、动态化。随着农机产品功能的日益完善、容量和参数的不断增大、机电一体化的发展，农机产品的机构也变得复杂了，操作条件也变高了，同时生产时产品发生故障和实效的潜在可能性也变大了，因此农机产品的可靠性问题日益突出。很多发达国家对农机产品设立了安全性指标，指标的高低决定着产品的价格和销售量，这样表明农机产品必须重视其安全可靠性。
1农机设计平台
1.1农业机械设计平台建立困难的原因
农业机械季节的时效性要求太高，农业机械设计的如何需要进行田间作业试验，通过试验判断，但是因为时效性的问题导致如果实验中农机产品发生了问题，那么往往是在下一个季节我们才可以验证修正效果，这一点对于需要不断试验的农机设计来说影响很大。同时农业机械设计会受到农机工作环境的影响，不同种子的效果不相同、农机工作环境恶劣与好、土壤与水分都会影响。另外，农机设计上要求尽量节省成本。近年来多有外国公司在中国的工厂进行农机设计，他们有资金和技术，国内产品的竞争力主要是为了适应中国的农产品的需求和成本，与国外产品竞争是很明显的。
1.2农业机械现代化设计方法
现代农业机械设计研究和设计工作主要在室内通过电脑和银行测试的季节性农业研究解决的问题。原型的现场性能测试的研究结果，分配单成功，从而大大缩短了开发周期。原型开发的最大的投资基金之一，因为原型的高成功率，强大的研发成本降低。农业机械现代化设计采用先进的优化方法，精度高，设计和开发接近目标计算机的理想值。
2农机安全设计
2.1减少事故发生概率
在农业机械的设计和制造中，需要考虑材料的使用性能和工艺性能，并且还需要考虑材料的经济价值、环境原则，农机性能的实用性主要体现在选择材料是成本低的金属和非金属材料且可以满足农机安全性。其中比较常用的材料是钢管、冷弯型刚、合金钢和低合金钢、特种铸铁等，现阶段农机设计观念需要更新，为了提高农机产品安全可靠性，要本着以人为本、安全为核心、环保节能高效的设计理念，以可靠性设计技术为农机产品提供最大限度的安全保障。
2.2改善操作环境
在农机设计中要注意一些人体常常接触的机械外形地方，要把这部分尽量弄平整、光滑，去除容易造成人体伤害的突出的、尖锐的刺和角，且要注意不要影响正常使用。同时对于连接固件的长度，在设计中也要保证符合人体工程学原理，方便人员操作、保养等。农机部件间的距离，主工作和其他工作间的距离，必须严格遵守安全规定进行设计，尽量限制操作，运动部件的质量和速度、往复运动部件的行程和加速，尽可能的降低农机工作时的噪声、震动和表面温度等。
2.3提高机械化程度
农机设计上要提高机械化程度，让人工操作做到最少，对于无法消除的危险因素，要采用合适的安全防护措施，如加个防护装置来做到人机隔离，以此来规避风险。有些位置的安全保护需要一定的自我保护功能，在需要的时候和被保护部件的动力传输连接，如果为了进行有必要的维修或误操作打开了安全保护装置，这个时候农机也会自动切断动力传输，尽可能的发挥安全保护装置的作用。安全保护装置设计上要考虑到使用者的实际情况，考虑到使用者的使用习惯，尽可能便于操作者对农机的操作，避免人为拆除安装保护装置的现象。
3如何提高农机产品的安全性
3.1成型上市产品如何提高安全性
对于已经开始投入使用的农机产品，如果要提高其可靠性，需要看看农机的使用情况，也就是成本的问题，如果把已经成型的产品进行重新设计修改，成本是相当的高，这也就违背了进行安全可靠设计，降低成本延长农机使用寿命的目的。可以加强农机厂方和使用方的沟通，厂方通过收集用户的使用信息反馈，可以寻找产品的不足之处，并进行修正。用户在使用农机的过程中可以多多进行使用记录，如运行情况和维修情况记录，同时对于实际操作中所产生问题进行简单说明和分析，对于如何处理也进行记录一并反馈给厂方。通过相应的信息分析，相关设计人员可以在生产过程中做出可靠性的监控和相应的分析,找出发生问题的地方，并进行产品设计的修正和改进，并在此基础上总结出可靠性的设计规范。通过不断的收集用户反馈信息，设计人员把这些问题进行汇总，从而形成产品设计的可靠性规范。这样企业在设计出的农机产品，就是高质量、高可靠性的产品了。
3.2未上市的农机产品如何提高安全性
在生产定型阶段，要对批量生产的农机产品进行可靠性保证的评审和鉴定；生产阶段保障农机产品的安全性，主要在控制相关工序，相关部件的安全性。在农机装备的设计阶段就要提出农业装备可靠性和定量的需求，并设立相关的方案和改进的措施，并明确的提出农机产品安全可靠性的指标和如何进行审核；研制的过程中必须严格按照计划开展安全可靠性的设计、分析和相关试验工作；产品设计定型阶段，要加强相关的安全可靠性试验，及时发现问题，及时进行修正。同时，为了提高农机产品的安全可靠性，必须加强农机产品的相关配套件的管理，以此来减少企业进行可靠性研究的工作量,提高农机产品的质量。由于产品在整个研制阶段可靠性是一个增长的过程,如果一个环节失控,可靠性就会达不到要求,为此必须对其采取全程监控加强可靠性管理工作。
2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贯穿于机械产品的整个生命周期，以下我们就从机械产品的设计、制造和使用三个环节对机械产品的可靠性优化设计进行一下详细的分析：
2.1机械工程产品设计环节的可靠性优化设计
装配整体设计和零件组装设计是机械工程产品设计的两个重要方面，在对机械产品进行可靠性优化设计时，可以作为一个整体来设计它们，其具体的设计方法主要有两种：
1）预测整体设计可靠性法，其具体主要是通过对组成机械各零部件的可靠性进行分析，据此推断出机械整体的可靠性程度有多大。
2）分配整体设计可靠性法，其具体主要是将整体机械工程可靠性优化设计所要求的指标分配到其零部件的设计上，这些零部件必须能够满足各自的可靠性指标要求。其中再分配、等分配、比例分配和综合评分分配法是经常用到的一些可靠性分配方法。无论运用哪种方法进行机械设计，都可以提高机械工程的可靠性。
2.2机械工程产品制造中的可靠性优化设计
严格控制制造环节的质量，是保证一个产品质量的基础。因此在产品制造的过程中可靠性优化设计机械产品十分必要。要想在产品加工制造的过程中对机械产品进行可靠性优化设计，这就要求在选择加工工艺以及工艺流程时，要保证其技术水平能够达标，并且进行加工的设备的可靠性要有足够的保证。产品的制造工艺流程是一个完整的系统，要想使整个工艺流程的可靠性得到提高，就必须对工艺流程中的各个子系统进行可靠性优化设计，只有做好每个子系统的优化设计工作，才能应用科学，合理的方法，整理出总系统的可靠性，以及找到对整个机械工程可靠性进行优化的方法。
2.3机械工程产品的使用与维修的可靠性优化设计
科学，合理的维修机械产品，是有效延长其使用寿命的一项重要措施，一个机械公司要想获得长期的发展，必须要有良好的售后服务。所以对售后服务与维修问题生产机械设备的厂家必须要认真对待，要运用先进的逻辑分析法，对机械设备的维修内容以及维修方式进行科学、合理的制定。合理的规划出机械产品的使用寿命，可维修性和可靠性是机械产品的两大重要指标，两者的相似性比较大，可维修性在一定程度上可以说是可靠性指标的具体体现。在设计机械工程产品时，为了使设计出的机械产品在发生故障后便于检查和维修，就应该充分考虑到机械产品的可靠性指标。
引言
近年来，各国对机械设备振动过程中造成的损害以及事故越来越重视。农业机械作为农业技术路线选择的重点，体现了农业生产水平的基础，也受到了广泛重视。在传统的农业机械设计中，科研人员和生产制造商通常对农业机械采用数学模型的方法进行设计，并且利用模拟优化的方法对结构进行优化设计。这通常造成的误差较大，不能很好地适应市场，且生产的农业机械质量较差。动态优化方法是近几十年来新兴的一种消除以及减少机械有害振动和噪声的方法。它基于农业机械的动力学性能对农业机械进行结构改造，以达到最优结构设计的一种方法。一般来说，它是基于数学建模的方法，对模型结构进行研究和分析得出其动态特性。即在合理条件下对机械结构进行修改或者重新设计，得出农业机械最合理的机构。在农业机械设计中采用动态优化方法，可以有效提高农业机械的质量，并提升和培养其市场竞争力，因此得到了广大专业人士的响应。
1动态优化方法的概述
目前，机械产品越来越高速，其精度也越来越高，质量越来越轻。对机械机构的动态特性进行分析，可以对机械结构的优化提供可靠的依据。机械结构的动态特性指的是基于机构的弹性变形、运动副的变形、原动机的输入速度波动等因素，对机械机构本身的频率、阻尼以及机械在动载荷作用下产生的响应进行分析，得出响应结果。随着社会的进步和科技的发展，动态优化设计在机械设计方面的运用越来越广泛。现代动态优化设计指的是在产品的研发过程中，对机械产品的运动学和动力学进行求解，并且分析和计算与之相关的动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题，从而确保所研发的产品满足实际生产、生活所需要的结构性能。而现代农业机械在现今科技化的社会中，其所要求的速度越来越高、结构越来越复杂、精度越来越高、功能也越来越齐全。在这样的要求下，对产品的动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题的研究成了必不可少的一环。因此，产品的动态优化方法也越来越重要，它可将问题解决在设计阶段，从而大大减少生产成本，在激烈的市场竞争中相对传统机械设计有更强的适应能力，对实际生产有十分重要的意义。农业机械设计中，动态优化方法的研究与应用可分为狭义动态优化方法和广义动态优化方法。狭义的动态优化方法主要通过对农业机械零部件进行研究，采用理论研究结合模型试验的方法，从而找出产品设计中的缺陷，进而对零部件的结构进行修改。而现代农业机械中，越来越向广义动态优化方法过渡，其大大扩展了狭义动态优化方法的内容。它研究的是有关机械运动过程中的动力学、运动学以及动态特性等问题。简单来说，农业机械中的动态优化方法是对系统参数的数值进行优化，结合数学规划理论、机械振动理论以及数值计算，以计算机为工具，建立一套对产品的动态可靠性、安全性、疲劳强度问题的优化方法。它主要分为两步，第一是建立符合实际情况的数学模型，第二是选择合适的动态优化设计方法。它与传统的机械设计方法不同的是，它将产品的动态特性首先考虑到产品的设计中，解决了传统机械设计需要制作出样品且不断对样品进行修改的问题，在一定程度上节省了生产制造成本。但在我国的农业机械设计中，仍然是一门发展中的技术。它涉及到计算机技术、产品结构动力学运动学理论以及现代动态优化分析方法等多个学科的内容，具有一定的复杂性。
2建立农业机械数学模型
2.1农业机械作用特征
与传统农业相比，现代农业对农机的应用越来越广泛，机械化发展越来越强。其中，高新技术在农业机械中应用更加广泛，因此对农业机械使用过程中的方便性、自动化、舒适性以及智能化要求越来越高。为使农业生产中的新技术与新装备有新的突破，结合动态优化方法，可以更好地在设计阶段发现问题并且解决问题。另外，也可以相对准确地预测产品的性能和寿命。因而，动态优化方法的应用必不可少。农业机械相对其他机械设计有着复杂性和随机性两个特点。复杂性指的是农业机械有着若干变量的多维系统，其一个输入可影响到几个输出变量。另外，农业机械状态也容易因零件的磨损和变形导致机构尺寸的变化，而这也在一定程度上影响数学模型的精准。比如，高速的农业机械结构会产生较大的惯性力，较大的惯性力会降低机械系统的固有频率，而高速运转也同时会增加激振频率，随着激振频率和固有频率的接近，机械运转会产生较大的振动和噪声。随机性是模型的本质特征。在对模型进行动态分析中，它可分为两种类型：一种是随机但并非本质的，这种可以通过设定一定的范围进行精确预测从而忽略；另一种在模型建立分析中起到很重要的作用，只能采用概率统计分析和随机过程理论建立数学模型。
2.2农业机械数学模型
目前，农业机械设计的动态优化方法主要对机械的各个结构进行分解，对农业机械的功能、结构、操作以及系统各个部分进行分析，建立相关的数学模型。这对农业机械设计的质量提高有很大帮助。总体来说，农业机械设计的动态优化方法主要通过以下三个方法进行建模。2.2.1有限元法有限元法在农业机械设计的动态优化方法中广泛应用，基本原理是将农业机械结构进行离散，然后采用弹性力学中的变分原理，将机械结构的几何、材料、载荷、约束等各个特性条件进行约束，把机械结构分为多个小单元，从而建立机械结构的动力学运动学方程，对机械结构进行求解，输出需要的计算结果。最后，对输入结果进行评估和分析，以帮助农业机械设计进行相关的优化以及改进设计。但是，有限元法产生的结果容易产生误差，如边界条件、几何模型和机构模型的关系不准确，都会对模型的动态响应产生一定的影响。因此，在进行有限元数学模型建立的过程中，要对有限元数学模型进行修正。2.2.2传递矩阵法传递矩阵法相对于有限元法简单，其主要针对具有集中质量的离散系统模型和具有分布质量的连续系统模型，且具有易于编写计算机程序的特点，计算规模也不会随着模型自由度数的增加而剧增。它主要应用在轴类组件中，对结构的弯曲振动和扭转振动进行研究。它的基本原理是将轴以及轴上的各个结构按照相应的理论分别写出各自的传递矩阵，并将各元件的传递矩阵按一定顺序进行相乘，最后得到轴类组件的传递矩阵，从而建立整个机械结构的数学模型。2.2.3实验模态法实验模态法是将复杂的实际结构简化成模态模型进行系统的参数识别，其简化了系统的数学运算。实验模态分析法主要应用于测量振动和对农业机械结构进行动力学分析，可得到比较精准的机械结构的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量以及模态刚度。同时，实验模态法可以与有限元法相结合，用其结果对有限元理论模型进行修正，使机械结构的设计更趋完善和合理。另外，它也可以对农业机械设计进行动力学修改、灵敏度分析以及载荷识别。总的来说，这种方法对农业机械的系统特性分析有很大帮助，现今已在农业机械设计中得到了广泛应用。
3农业机械设计动态优化方法
农业机械设计动态优化方法指的是对机械结构设计问题进行动态优化，其涉及到多个学科，特别是机械设计、现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论。对农业机械设计的优化，简单来说，指的就是在指定的运动参数的条件下，求得相对理想的工艺指标，从而确定机械设计中最佳或次佳的运动学参数。它一般可有两种方法对农业机械设计进行优化。
3.1通过农业机械设计的约束条件进行优化
该方法可根据农业机械设计的核心工作和主导思想，确定机械结构各个特性参数的变化范围。例如：可在农业机械结构充分考虑动载荷和满足约束条件的情况下，确定结构的质量、刚度和阻尼的最优分布参数，从而使结构具有更加优良的动态性。目前，业界主要通过三种方法对农业机械设计的约束进行优化：第一，基于变分原理，即将泛函数作为目标函数，求满足在约束条件下的泛函数的极值；第二，基于极小值原理，即确定一个影响机械结构动态性能的形状函数，求解在约束条件下机械的最优形状；第三，基于模态柔度以及能量平衡，这种方法将机械结构的质量、刚度等作为约束条件，以动柔度最为优化目标，求出抗振性能最好的机械结构。例如，要提高农业机械结构抗振性能，就要让机械结构中的各个零部件避免共振，并减小各阶模态柔度，增大模态阻尼。这种情况下，可首先在无阻尼情况下，优化机械结构的质量和刚度，并在此基础上再优化阻尼配置，从而使整个机械结构满足特性要求。
3.2在农业机械设计的数字变量上进行优化
根据数字变量的设置对农业机械设计进行动态优化，可以提高农业机械的质量。一般，对农业机械设计的数字变量进行优化，应该根据行业规范、传统的设计经验以及相关的标准来确定农业机械结构中的强度、规格。这对农业机械在实际工作中的规范、效率、安全等有重要的影响。提高数字变量的准确性，对整个农业机械的设计有很重要的意义。就目前来说，很多农业机械都在连续大振动情况下进行工作。因此，与其他机械设计相比，对农业机械的设计既要考虑到对有利振动的利用，又要考虑对有害振动的消除。总体过程来说，可由如图1所示的流程图简单表示。
可靠性、稳定性是衡量机械产品的重要指标，也是工业生产中机械正常运行的可靠性保障。工业的发达是依靠科技推动的，科技推动工业发展的承载点则表现在机械产品中。因此，在科技高速发展的今天，对于机械产品的可靠性要求变得越来越高，那么在实际工作中要想提升机械产品的可靠性与稳定性则必须加入机械可靠性优化设计。将机械产品与日常工作环境联系起来，然后展开优化设计，并及时更新机械零部件的性能配置，实现机械产品可靠性提升。本文针对机械优化设计相关问题进行研究，以实际机械产品优化案例进行分析，为实现机械可靠性优化提供相应指导。
1 机械可靠性优化设计的重要性
机械可靠性设计时以成品的可靠性作为基准，将外载力、零部件尺寸、承受能力等各项参数融合起来考虑。然后应用力学理论、概率理论、数据统计学等做出机械可靠性保障方案。传统机械设计方法又被称为安全系数法，其在机械可靠性优化设计的时候只要确保安全设计系数大于规定的数值即可，但是在实际应用中机械可靠性设计往往忽略了设计参数的随机性。因此在实际研究中应注意将力学作为随机变量，机械可靠性设计中认为各个受力因素会受到环境的影响，因为环境因素也是一个变量，还存在着一定的规律性可循[1]。机械强度受到材料的性能、加工精度、工艺环节的波动等影响，也呈现出一种波动性规律变化。机械可靠性设计的时候，应根据设计的不同的要求选取不同的特征函数，注意在计算的时候应考虑其离散性，使用概率统计方法进行计算求解。机械可靠性设计的时候应考虑到各个参数的随机分布，还应据此来分析出机械的实际工作状况。
2机械可靠性优化设计案例
本次机械可靠性优化设计研究选取蜗杆减速器优化设计作为研究的主要内容，一级蜗杆减速器的主要失效形式有：涡轮齿面点蚀、涡轮齿折断、键压溃、轴折断、轴承实效等几类。针对蜗杆进行可靠性优化设计的时候，其优化模型为：Rs=Rcf・Rch・Rz・Rj・Rg。其中Rcf表示蜗轮齿根弯曲疲劳的可靠度；Rch表示涡轮齿面接触疲劳可靠度；Rz表示轮轴的可靠度；Rg表示滚动轮轴可靠度；Rj表示键可靠度。蜗杆减速器进行变量设计的时候，将蜗杆的模数定为m，蜗杆直径系数为q、蜗杆轴直径ds、蜗杆头数zl、传动比i、涡轮轴长度L。可靠性设计变量表示如图1所示，其中X={m，z1、q、L、i、ds}。
图1 蜗杆减速器变量优化设计图
蜗杆减速器的体积主要受到蜗轮、蜗轮轴、蜗杆等因素的影响，因此取三者的体积作为目标函数：
Minf1（x）=π/4{B2（mz2）2+L1（mq）2+m?（q-2.4）2（0.9mz2-L1）+ds2[L-（1.5ds-B2）]}。其中蜗轮齿宽度为B2=[m（q+2）-0.5m]sina+0.8m。a=50°，a表示蜗轮齿宽度。则根据蜗杆可靠性优化设计相关计算，必须建立相应的约束条件，其中 ，其中式子中的 表示蜗杆允许的接触应力。蜗轮轴的强度为 。其中式子中的MD表示危险截面积的弯矩均值。
3 机械可靠性设计建议
3.1 权衡和耐环境设计
针对机械进行耐环境和权衡和设计，有利于设计者找出机械相对可靠的设计方案，并对机械的质量、成本、体积以及可靠性等完成优化。耐环境设计主要是基于综合考虑的一种设计方式，从机械的零部件出发，将零部件的寿命周期内的各种环境考虑进去[2]。
3.2 预防故障设计法
机械设备正常运行与否关系到机械设备的整体运作功能是否在完整的串联中各自发挥出自身的作用。整体功能大于部分功能将成为机械可靠性设计的重要目标，机械优化设计中首先要重视机械设备的可靠性，并对零部件进行严格的需求控制和选择控制。预防故障法设计中应对选用的零部件和通用不见进行验证分析，最大限度对故障进行分析。
3.3 简化以及余度设计优化
机械优化设计中，简化设计作为一种基础设计，其设计思路明确，即零部件的数量应尽可能避免冗余，减少故障出现。机械的可靠性优化设计中必须对其错误故障进行统计分析，从小故障处理做起尽可能保障机械的可靠性。通过简化和余度设计优化可以有效提升可靠性生产以及避开故障的能力[5]。简化优化设计即对机械生产中的一些不必要方式进行优化，减少一些超标负荷承载工作，调整机械各个部件的生产情况。
4 结语
机械可靠性关系着机械日常生产的安全稳定运行，因此其重要性不言而喻，那么在实际工作中必须对机械可靠性进行优化。通过优化机械可靠性运行模式，使得机械在日常工作中发挥出其主要功用，为保持机械稳定生产做出努力。本文针对机械可靠性优化设计相关问题进行研究，针对蜗杆减速器优化设计案例进行分析，最后提出了一些建设性意见与相关研究同仁共同学习和交流。
参考文献：
随着现代科学技术的发展，市场产品竞争也越来越激烈，产品品种的换代速度加快，产品的复杂性在不断增加。所以产品生产正在以小批量、多品种的生产方式取代过去的单一品种大批量生产方式[1]。而这种生产方式，肯定会缩短产品的生产周期，产品的成本也会降低，产品提高市场的占有率和竞争力也会提高。所以在机械结构设计中采用优化设计是满足市场竞争的需要。
1 机械结构优化设计方法
目前，机械结构优化设计的应用已经应用到各个领域，很多的机械产品在设计中都会采用优化设计，才用优化设计能解决结构重量扩展到降低应力水平，还还能改进结构性能以及提高产品安全寿命等问题。
对机械结构的尺寸优化设计的应用方法有：用遗传算法对空间杆桁架的杆截面进行尺寸优化，从而得到空间桁架较好的结构。对一些结构的形状优化设计方法有：用数值解法计算机械产品的形状优化，并采用数学规划的方法进行形状优化设计。下面介绍下在振动机械优化设计中的对比分析 ：
筋板在连接结构的内壁，能提高其抗弯和抗扭刚度；对开式截面的结构，作用很明显；而对闭式结构作用影响不大。筋板作为壁板加强时，刚度作用增强，能抵抗局部变形。
无论采用何种优化方法，在迭代过程中求解目标函数和约束函数的值是必不可少的，在一些方法中，需要求解目标函数和约束函数的1阶甚至2阶偏导数。这些约束函数往往是结构的性能要求，如结构的应力、位移、频率、稳定性、可靠性等，这些性能经常是设计变量的高阶非线性函数。如果采用经典的力学公式能获得满足工程要求的结果，则在优化过程中，不断调用这些公式计算当前函数值或导数值，就可以完成优化迭代。在这样的方法中，由于函数最终表达为显式，因而计算所化的时间和存储量以当前的计算机技术看来是不难做到的。但是，对于复杂的机械结构来说，采用力学公式求解往往就不能胜任了。在有限元等数值方法快速发展的今天，自然被用在机械结构优化的分析中。由于这些数值方法应用广泛，可以求解结构的各类问题，包括静力、动力、弹塑性、热传导等，因此，随着计算机的软件和硬件技术快速发展，在过去经常被视作瓶颈的计算速度和存储量，对于一般的机械结构优化已经不是太大的问题时，机械结构优化中越来越多地采用数学规划+数值计算的模式。这种模式最大的优点是适应性好，使用方便，适合各类机械结构优化问题，包括大型杆系结构、三维连续体和板壳结构以及各种载荷和约束条件下的优化设计。但是，随着优化迭代次数的增加，重分析次数也大幅度上升，尤其对于大规模的结构问题，特别是涉及动力、可靠性问题，如果单次有限元分析的时间就很长，再加上求偏导数时的重分析时间将可能使求解变得过于耗时，以致不可行。
2 机械结构优化的应用趋势
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， 在结构优化结构算法的方面，结构优化设计偏向于采用接近实际的复杂结构模型来模拟一些大型结构系统， 由于设计的变量数目比较大，所以研究新的准则优化方法非常受到重视，但是如何去针对一些特殊的结构才设计相应的公式，解决在数值计算与推导实现的相关问题，同时还可以使用一些机械系统的分解与优化方法， 在机械结构优化中，可以按优化多级分解或进行子结构分解，对于一些多学科的较为复杂的系统可以采用学科分解优化的方法。分解的算法关键在于如何去建立各个子问题之间的耦合关系，比如可以通过采用线性分解和使用最优解对参数的灵敏度等方法来建立起耦合关系，让一些子问题的解相容，从而确保迭代收敛，但是问题是怎样保证一定能求解。并采用计算技术应用到结构优化设计中去。像人工神经网络， 遗传算法等方法， 在最近十余年来被机械结构优化设计的发展很快。它们对连续混合与离散变量的全局优化， 这对发展结构近似重分析的专家系统有重要的作用。现在的问题就是该如何去提高优化精度、质量、加快收敛， 增加方法的通用性[2]。形状优化、拓扑优化和材料优化的集成在机械结构优化中具有非常重要的价值，是并行结构优化的重要组成部分，也是以后的研究重点。
拓扑优化在结构优化中是重要的参考依据， 让复杂部件和结构在概念设计阶段即可理性地、灵活地优选方案，并有可能解决一些大型实际结构优化设计。拓扑优化在研究中所提出的均匀化等方法，可以将形状优化、布局优化和材料选择集成一体，为机械设计结构、工艺和材料提供科学的手段。但是如果要处理一些庞大的优化模型和有限元的计算量非常大，应力需要约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失有可能会引起计算模型病态等问题。
机械结构优化技术在工程机械设计中的具有非常重要的实用价值，如要解决优化设计中有限元模型的庞大性问题、多学科设计与解决结构优化问题交叉问题。对于机械设备、结构和机构的健壮性与可靠性是机械设计时非常关心的问题， 综合考虑健壮性、可靠性及成本的全性能优化设计方法、理论及其应用，则会给出更加接近实际的结果，应当应予重视[3]。在研究这类问题中，对包括随机性和模糊性的不确定因素也应当应予注意。为增强优化设计尽可能的为工程实际所服务， 进一步开展设计的实用性。所以开发和完善通用性的结构化设计软件已经变得十分迫切。
从近几年来国家自然科学基金所资助的项目来看，单就机械学科相关的优化设计的项目就有将近20项，其中包括广义优化设计，模糊优化，全性能优化设计，分解优化设计，可靠性优化，人机一体化设计与光机电一体化，有机械传动系统性能优化也有基于人工神经网络的复杂结构优化研究，复杂机电耦合设计理论与方法与系统解耦研究以及机电产品的绿色设计方法与理论等，在今年还提出的轧制件模具的现代设计方法， 面向产品的创新的概念设计等课题， 这些方面的研究充分反映出我国已经非常重视机械设计的研究工作和机械机构优化设计的发展方向[4]。
参考文献
[1] 张红友.优化结构设计减少建筑投资成本[J].陕西建筑，2008（11）.
机械产品设计过程中需要以传统方法为基础，在其调查分析的基础上通过经验类比、估算分析、试验比较形成初步设计方案，通过对各种产品进行对比分析，保证产品的设计参数更加稳定，通过对各种刚度、强度进行性能测算分析，检查各种设备是否满足系统功能性能要求，提升整个产品的设计水平。
2.机械产品设计优化改进策略
通过对产品设计的具体分析，可以把各种功能和性能指标要求结合在一起，具体设计过程中需要在一定的约束条件下进行，通过对设计变量的改变与分析，可以对产品的性能和指标进行优化，保证其处于最优的状态，这将是机械设计过程中的最优方法。优化需要运用数学理论知识，同时还需要把其与机械功能结合在一起，从而能够设计出各种解析函数，通过相关计算可以得到相应的数值。
机械产品优化设计过程中需要对各种参数进行建模，从而能够通过软件对其模型进行修正，最终能够按照结构化的要求对数学模型进行加载和求解，最后能够对各种状态变量和目标函数进行优化，从而能够形成最优的参数评价。机械产品优化设计过程中需要对参数进行评价，根据优化处理器对循环提出的设计变量、优化参数、目标函数、状态变量进行分析，最终能够实现各种参数的最优循环。机械设计过程中需要把理论和实践结合在一起，对传统设计方法进行全面的分析和研究，从感性、经验、类比等角度进行传统设计方法进行分析，把传统设计方法转变成理性、科学的现代计算和设计方法，保证机械产品设计模式逐步向智能化、集成化、自动化方向转变。
0引言
伴随着社会经济的快速发展，科学技术也在快速进步，传统的机械工程设计工作无法继续为当前机械生产服务，更无法适应当前快速发展的经济需要的机械产品，所以要对机械设计的方式以及手段进行更加合理的修改与优化。其中，对于机械各零部件的形状设计的优化工作能更好的改善机械产品受力的情况以及结构特征，逐渐变成目前机械工程设计工作当中需要关注的问题。
1建立形状优化模型
机械工程设计的过程，是漫长的、要经过多次重复计算、求解并进行验证的过程，所以为了提升机械工程设计的工作效率，并保证计算结构具有科学的准确性，就需要在常规设计的基础上再次进行形状的优化设计工作，这个过程被称为尺寸优化，也即机械工程的形状优化。形状设计优化是依照机械产品所规定的设计准则与使用规范标准作为基础，进而明确对应的目标函数的。其中包含机械工程中零部件的体积、使用寿命、重量、产品设计的成本、可靠性、运动误差等。对于机械工程设计的过程，变量指数一般都利用常规设计中的独立参数作为参考，参数包含：梁侧面的面积与角度、杆件的长度。函数的约束条件是依照机械产品实际的设计需求以及使用功能作为规范进行确定的，起重包含各类工艺、装配、性能（强度要求、刚度要求、稳定性要求）、费用等几个方面内容。机械工程形状优化所使用的目标函数一般都使用下面的公式表示。MinimizeF（X）X=[x1，x2…xm]Ts1t1gt（X）=0hj（X）≤0（i=1，2，…，qc＜m，j=1，2，…，qe≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤这个公式内，F是表示目标函数的数值，m则是用来表示设计中会出现变量的个数，利用qc与qe表示其中的约束条件中不等式与等式的个数。机械工程设计中的形状优化设计工作，大都是对区域的各个边界的几何形状作出改变，进而减少机械产品结构所展示的特性，以及应力集中的状况。所以在进行形状优化设计的过程中，要依照设计目标和机械产品实际需求使用情况来确定结构的体积、疲劳使命、面积、应力集中系数等各项因素是最大值或是最小值。在对于机械工程设计形状优化的过程中，约束条件一般包含：材料许用的应力、结构振动的限制条件、边界位移的范围以及设计变量的变化数据等。在进行设计的过程中，设计人员要保证区域边界的相对连续性，保证产品能够满足产品生产与使用的要求。
2形状优化设计程序
机械工程设计中的形状优化设计的过程当中，设计人员要依照结构应力的有关分析技术，使用有限单元分析法对所优化的机械结构中应力集中情况作出全面的、准确的、详细的分析。之后依照机械设计中涉及的设计变量与目标函数之间所产生的隐式函数的详细情况，加强设计变量与目标函数中非线性关系的控制与约束。科学技术在不断进步与发展的过程中，当前的机械工程设计形状优化设计的工作当中，也要用商业性的软件，比如NASTRAN、MSC等软件，对以上的重点问题侧重的分析与计算，进而保证机械工程设计形状优化工作朝着信息化、现代化发展。机械工程设计形状优化迭代设计：在进行机械工程设计形状优化的工作当中，迭代程序主要表现为：其一，迭代次数需要进行设定，即k=2，并使用G作为当前机械产品所产生的形状作为替代展示。其二，在改变与移动边界形状产生的曲线时，要对敏感的系数计算出来。对于机械产品形状优化的工作当中，要利用需要约束函数与目标函数之间产品的偏导数。这类函数的变量基本都是因为位移数据与面力数据结合组成的，所以在明确其应力的发展情况下，就要对有关的位移数据与面力数据做分析与计算。设计人员要利用机械形状应力的计算公式，计算出形状设计变量中所包含了敏感性系统。其中，形状设计中所包含的敏感系数即设计人员要结合有关的非线性数学规划的方法，依照各部分得出的敏感性系数对各项数据进行对比分析。最后分析结果要能满足可行性条件与下降性条件时方可继续进行实施，如果结果无法满足可行性条件与下降性条件，则要返回第二个公式继续分析与计算。设计人员依照分析结果，利用有关的计算设计方式就会形成新的机械产品的具体形状优化结构。最后计算出满意的形状结构数据，就可以对机械产品的设计步骤进行终止，退出软件。如果计算出形状结构数据无法满足有关机械产品的需求，就要利用K+1，再次利用第二个公式进行计算。
3机械工程形状优化的发展趋势
机械工程形状优化影响着机械工程界的经济效益，有限元研究与应用都在不断进步，计算机进一步普及与完善，都推动人们对于机械工程形状优化设计的进一步研究，国内外对于机械工程形状优化的需求越来越高。随着科学技术的不断发展，机械设计技术也在不断更新，产品的竞争环境越来越激烈，机械工程形状优化设计发展前景更广阔。机械工程形状设计需要具备几项解决问题的能力。其一，建模能力，可以利用数学法进行描述的、不可用数学法进行描述只能利用经验与知识进行描述的、介于两者之间的三种能力。其二，求解能力，要具有各类设计模型的求解能力，例如随机变量的优化设计，需要考虑实际机械工程形状优化设计过程中无法避免的随机因素，进而采用随机变量法进行优化设计。随机变量的优化设计包含确定性随机设计变量、建立起随机性目标函数、对随机模型求解等。多学科协同对机械工程形状优化进行设计，这种方法是将算法、数据分析、寻优搜索策略、管理等各项因素整合起来，利用互相左右或者耦合形成的子系统进行组合的系统优化设计方案。其中包含，其一分解与分析。工程系统是利用哪些子系统进行构成的、可以分解为哪些子系统，每个子系统中存在的变量、设计函数的详细构成，子系统之间进行求解的顺序，耦合程度以及相互输出与输入的灵敏程度等等。其二综合和协调。依照各个子系统之间的相互关系以及计算情况，利用人工参与的方式对系统进行求解的进程实施调控。
4结束语
机械工程形状优化是新型的设计方式，为机械形状优化设计提供了广阔的发展空间以及上升空间，使得机械产品具有更高的市场竞争力。此外，机械工程所使用的各种零部件都是各种几何形状要不同尺寸进行组成的，这就导致形状的设计与优化设计更加的重要。传统的机械设计过程中，缺少对于机械零部件形状的优化设计工作，也没有认真将其影响因素加入设计工作当中去，导致设计出的各种机械零部件都存在某些问题或者缺陷。所以，未来的机械设计过程，要重点将机械零部件的形状进行优化和设计工作，利用对零部件局部形状的调整与完善，完善机械沿边界的整体应力分布的情况，进而使得沿边界的应力能力更均匀，减少零件应力的居中问题，推动机械设计工作更科学、更现代化、更合理。
参考文献：
