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第1篇

1.1《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》課程理論教學(xué)研究與改革

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》課程理論教學(xué)體系的建設(shè)主要包括優(yōu)化課程內(nèi)容、制定課程教學(xué)大綱、編寫課程教案幾個方面。如前所述，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計課程教學(xué)需要克服“四個脫節(jié)”。因此在課程體系研究方面主要解決實(shí)現(xiàn)理論基礎(chǔ)教學(xué)和應(yīng)用能力培養(yǎng)相結(jié)合，以及課程內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展相結(jié)合兩個問題。

（1）實(shí)現(xiàn)理論基礎(chǔ)教學(xué)和應(yīng)用能力培養(yǎng)相結(jié)合針對因該課程數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較多導(dǎo)致工科學(xué)生畏難情緒大，學(xué)習(xí)熱情不高等問題，在課程數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)等知識點(diǎn)方面，側(cè)重算法原理的講解而非算法過程的介紹；側(cè)重使學(xué)生掌握使用現(xiàn)有數(shù)學(xué)工具解決工程問題，而非自行編制算法程序求解數(shù)值問題。從而使學(xué)生從算法原理和理論基礎(chǔ)中跳出來，提升到知識的應(yīng)用的層次。

（2）課程內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展相結(jié)合機(jī)械設(shè)計問題已經(jīng)從求解小規(guī)模單一問題發(fā)展到求解大規(guī)模復(fù)雜性問題。因此優(yōu)化方法也從經(jīng)典的優(yōu)化方法發(fā)展到多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化、智能優(yōu)化方法、基于仿真的優(yōu)化等領(lǐng)域。因此課程內(nèi)容應(yīng)和技術(shù)發(fā)展相結(jié)合，適當(dāng)引入先進(jìn)優(yōu)化方法的介紹。為學(xué)生從解決簡單數(shù)值問題過渡到今后解決復(fù)雜工程問題提供知識儲備。適應(yīng)“卓越計劃”提出的培養(yǎng)學(xué)生工程能力的要求。

1.2《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》實(shí)驗(yàn)課程體系的建設(shè)

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》實(shí)驗(yàn)課程體系的建設(shè)主要包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置、制定實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書幾個方面。實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)的主要目的是使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置與工程問題相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與工程實(shí)踐所需的綜合性知識應(yīng)用相適應(yīng)。

（1）首先在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置時，根據(jù)“卓越計劃”的要求，以培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和知識的綜合運(yùn)用能力為目標(biāo)。通過建立知識-能力-實(shí)驗(yàn)內(nèi)容關(guān)系矩陣。將各個知識點(diǎn)的能力培養(yǎng)落實(shí)到各個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目環(huán)節(jié)。并且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置突出和其他相關(guān)課程內(nèi)容、工程問題相結(jié)合。避免知識點(diǎn)與工程應(yīng)用脫節(jié)，從而達(dá)到工程技術(shù)人才的具備知識的綜合運(yùn)用能力的培養(yǎng)要求。

（2）其次在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置時，對不同類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，優(yōu)化其實(shí)驗(yàn)方法及其目的。主要改革體系現(xiàn)在以下三個方面：算法原理類實(shí)驗(yàn)，避免要求學(xué)生采用通用語言編寫成熟優(yōu)化算法的實(shí)驗(yàn)。而采用數(shù)值計算軟件驗(yàn)證，并要求主要對比分析不同算法的求解過程的特點(diǎn)。工程問題類實(shí)驗(yàn)。側(cè)重于工程優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，如何選擇合適的優(yōu)化方法求解。綜合類實(shí)驗(yàn)，和考核環(huán)節(jié)的課程project相結(jié)合，采取開放式的實(shí)驗(yàn)方式。側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對知識的綜合運(yùn)用能力、工程素質(zhì)和合作意識。

1.3《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》教學(xué)方法研究

教學(xué)方法有多種，不同的方法有不同的特點(diǎn)和其適應(yīng)性。本項(xiàng)目研究的一個重要內(nèi)容之一是擬比較幾種方法的特點(diǎn)，將其融入到不同實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中。

（1）對于基礎(chǔ)理論的介紹，以板書教學(xué)為主，多媒體教學(xué)為輔。這樣有利于學(xué)生理解理論基礎(chǔ)，克服學(xué)生對數(shù)學(xué)推導(dǎo)的畏懼心理。

（2）對于各種算法的介紹，在簡單介紹其原理的基礎(chǔ)上，采用對比教學(xué)的方法，側(cè)重于各種算法特點(diǎn)和適用性的比較。并應(yīng)用結(jié)合成熟的數(shù)值計算軟件，采取現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法進(jìn)行講解。

（3）在考核形式方面。除日常的考核和實(shí)驗(yàn)成績考核以外，結(jié)合課程項(xiàng)目教學(xué)的方法，讓學(xué)生以組為單位完成一個自選的項(xiàng)目（Project），并以組為單位做一個展示（Presentation）。一方面鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識綜合解決問題的能力，另一方面培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和工程素質(zhì)。

2改革特色及成效

“卓越計劃”強(qiáng)調(diào)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此結(jié)合“卓越計劃”的實(shí)施契機(jī)，在對課程建設(shè)中存在的問題進(jìn)行系統(tǒng)深入地分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷的教學(xué)研究與實(shí)踐，我校《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》實(shí)驗(yàn)教學(xué)已初步形成了特色。并取得了一定的成效。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）在理論教學(xué)建設(shè)方面實(shí)現(xiàn)理論基礎(chǔ)教學(xué)和應(yīng)用能力培養(yǎng)相結(jié)合；課程內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展相結(jié)合。從而使學(xué)生從算法原理和理論基礎(chǔ)中跳出來，提升到知識的應(yīng)用的層次。適應(yīng)“卓越計劃”提出的培養(yǎng)學(xué)生工程能力的要求。

（2）在實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)方面根據(jù)“卓越計劃”的要求，以培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和知識的綜合運(yùn)用能力為目標(biāo)。通過建立知識-能力-實(shí)驗(yàn)內(nèi)容關(guān)系矩陣。將各個知識點(diǎn)的能力培養(yǎng)落實(shí)到各個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目環(huán)節(jié)。并針對不同類型實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化其實(shí)驗(yàn)方法。

第2篇

模型采用笛卡爾網(wǎng)格系統(tǒng)，I方向兩端網(wǎng)格步長為300m，中間網(wǎng)格步長為100m，J方向網(wǎng)格步長為200m，K方向網(wǎng)格步長為5m，總共31層，模型總網(wǎng)格數(shù)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(shù)設(shè)置是否正確，對研究區(qū)大斜度井進(jìn)行實(shí)際測壓資料歷史擬合，即選擇該井處于穩(wěn)定生產(chǎn)期的測壓數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其誤差小于5%，吻合效果較好。

2單參數(shù)對大斜度井開發(fā)效果的影響

為準(zhǔn)確分析各參數(shù)對底水氣藏水淹規(guī)律及采出程度的影響，利用數(shù)值模擬多段井模型研究了井筒內(nèi)的能量損失。井筒直徑為89mm，示蹤劑質(zhì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持原井軌跡，且擁有獨(dú)立的壓力、流體密度和相速度。考慮井筒內(nèi)的能量損失，包括摩擦阻力損失、加速度損失及水靜力學(xué)壓降損失，進(jìn)而可對井筒內(nèi)的流體進(jìn)行詳細(xì)描述。采用上述模型以某一測試產(chǎn)量模擬生產(chǎn)，通過對每個射孔網(wǎng)格流壓和流量的統(tǒng)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(fā)過程中底水逐漸上升，氣井避水高度和產(chǎn)量設(shè)計不合理，將導(dǎo)致過早見水，進(jìn)而降低無水采出程度。目前，氣藏底水錐進(jìn)研究中，見水時間通常采用經(jīng)驗(yàn)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(chǎn)出底水的準(zhǔn)確時間，在底水中加入不同的示蹤劑，通過模擬判斷氣井產(chǎn)水的來源，進(jìn)而確定底水錐進(jìn)的時間，為相關(guān)指標(biāo)的優(yōu)化提供依據(jù)。

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(guī)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(chǎn)制度為穩(wěn)定生產(chǎn)（55萬m3/d）情況下的水淹規(guī)律及開發(fā)效果。數(shù)值模擬結(jié)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(yù)測期末采出程度也逐漸增大；當(dāng)長度超過600m后，增長速度放緩，受長度增加的影響變?nèi)酢?/p>

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(guī)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(chǎn)制度為穩(wěn)定生產(chǎn)（55萬m3/d）情況下的水淹規(guī)律及開發(fā)效果。數(shù)值模擬結(jié)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(yù)測期末采出程度逐漸減小；當(dāng)斜井段避水高度超過40m時，對采出程度的影響變大。

3復(fù)合參數(shù)對大斜度井開發(fā)效果影響

單參數(shù)對大斜度井開發(fā)效果的影響在油氣田開發(fā)方案優(yōu)化中常常被采用，該方法通過固定部分參數(shù)，逐個對其余參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)參數(shù)之間沒有交互作用時，得出的結(jié)論是正確的。在實(shí)際生產(chǎn)中，不同參數(shù)的取值互相影響，即開發(fā)指標(biāo)之間存在交互作用。因此，采用多次單參數(shù)優(yōu)化往往只能得到局部最優(yōu)結(jié)果。復(fù)合參數(shù)對大斜度井開發(fā)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(chǎn)量的綜合作用。若對各參數(shù)不同水平組合進(jìn)行模擬，全面實(shí)驗(yàn)則需要模擬較多方案，雖然能得到全局最優(yōu)結(jié)果，但在網(wǎng)格精細(xì)劃分或者參數(shù)較多的情況下，將會耗費(fèi)大量的機(jī)時，甚至難以實(shí)現(xiàn)。為此提出將正交設(shè)計極差分析法與數(shù)值模擬方案相結(jié)合，根據(jù)正交準(zhǔn)則挑選典型代表點(diǎn)，并設(shè)計正交表，以提高方案的合理性，減少工作量。

4結(jié)論

（1）多段井描述技術(shù)將井筒劈分為多個段，每段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持原井軌跡，可實(shí)現(xiàn)對大斜度井井筒損失的模擬，以及準(zhǔn)確表征斜井段上的壓力變化和氣量差異。靠近井筒趾端，壓力相對較高，靠近跟端壓降變化較大。

（2）在實(shí)際生產(chǎn)中，各參數(shù)對開發(fā)效果的影響往往是綜合作用的結(jié)果，極差分析法可作為優(yōu)化開發(fā)指標(biāo)的輔助手段，實(shí)現(xiàn)開發(fā)指標(biāo)的全局最優(yōu)。

第3篇

關(guān)鍵詞：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計；雙語教學(xué)；教學(xué)實(shí)踐

作者簡介：王林軍（1982-），男，湖北黃岡人，三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院，講師；吳海華（1970-），男，湖北黃岡人，三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院，教授。（湖北 宜昌 443002）

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）04-0104-01

雙語教學(xué)不僅在美國、加拿大、盧森堡、新西蘭等雙語國家或多語國家獲得了成功，而且在俄羅斯、日本、澳大利亞、保加利亞、匈牙利等單語國家實(shí)施也獲得了良好的效果。反思國內(nèi)的雙語教學(xué)情況，雖然英語教師非常努力地教，學(xué)生也非常認(rèn)真地學(xué)，但所取得的效果十分不理想。[1-2]國內(nèi)一些211和985重點(diǎn)院校（如浙江大學(xué)、北京大學(xué)等）的雙語教學(xué)工作開展順利，已在雙語教學(xué)教材、師資隊(duì)伍建設(shè)以及教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法方面取得許多研究成果。但地方本科院校的機(jī)械工程類雙語教學(xué)工作進(jìn)展十分緩慢，尤其是針對本科生開設(shè)的“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容與體系、英語教學(xué)環(huán)境、教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)、考核方式等方面嚴(yán)重不足，其主要原因是學(xué)生英語基礎(chǔ)差、自學(xué)能力較弱，“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學(xué)師資也相對薄弱。[3]上述差異決定了地方本科院校難以照搬重點(diǎn)院校的機(jī)械工程類雙語教學(xué)模式，因此探索一條適合于地方本科院校的“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學(xué)模式極為重要。

一、“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”雙語課程現(xiàn)狀

“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”是一門把機(jī)械設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計理論及方法相結(jié)合、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，而雙語教學(xué)主要是指教師采用英語或第二語言進(jìn)行課堂教學(xué)。但如何有系統(tǒng)有組織地開展符合三峽大學(xué)（以下簡稱“我校”）特點(diǎn)的“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學(xué)，如何處理教材的問題、如何在學(xué)時數(shù)原本緊張的前提下開展雙語教學(xué)、雙語教學(xué)方法和教學(xué)手段該如何改進(jìn)、如何建立雙語教學(xué)考核體系、如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣等等，這些都是在開展“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學(xué)時所需要研究的問題。雖然目前不少地方本科院校已經(jīng)開設(shè)了機(jī)械優(yōu)化設(shè)計雙語課程教學(xué)，但大學(xué)生英語水平良莠不齊，不少教師的英語水平同樣還沒有達(dá)到能真正像漢語一樣熟練地運(yùn)用英語教學(xué)的地步，這使得雙語教學(xué)在“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”課程中的研究與實(shí)踐中碰到以下問題：[4-6]

1.雙語教學(xué)效果差

目前國內(nèi)英語教育主要以應(yīng)試為目標(biāo)，大學(xué)生的英語聽說能力普遍較弱。“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學(xué)中涉及許多專業(yè)詞匯和復(fù)雜的句型，如果采用比較單一的授課方式，學(xué)生既無興趣，又感到難以接受，無法準(zhǔn)確理解該課程專業(yè)知識。

2.教學(xué)內(nèi)容單一

我校該課程雙語教學(xué)的對象是機(jī)械制造及其自動化專業(yè)三年級學(xué)生，他們雖然已具備一定的數(shù)理基礎(chǔ)，但許多同學(xué)依然對機(jī)械優(yōu)化設(shè)計過程和內(nèi)容無法真正理解，甚至產(chǎn)生厭學(xué)情緒。這就要求雙語教師在進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計時應(yīng)更加豐富多彩。

3.教學(xué)方法問題

在進(jìn)行“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學(xué)時，若還是采用傳統(tǒng)的滿堂灌教學(xué)模式，課程本身的難度和英語的聽力障礙將會導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。而國際上知名大學(xué)多數(shù)采取的是引導(dǎo)式、啟發(fā)式、互動式相結(jié)合的教學(xué)方法，后者更為有效，與“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”雙語課程教學(xué)相適應(yīng)。

二、雙語教學(xué)方法的改革與實(shí)踐

依據(jù)機(jī)械工程類專業(yè)的特殊性，應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行改革和實(shí)踐：

1.科學(xué)合理選擇教學(xué)內(nèi)容

考慮到我校機(jī)械制造及其自動化專業(yè)本科教學(xué)培養(yǎng)方案的特點(diǎn)及人才培養(yǎng)需要，對“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”雙語教學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，主要包括以下教學(xué)內(nèi)容：緒論（介紹機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的基本概念與發(fā)展趨勢）；優(yōu)化設(shè)計方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（介紹矩陣運(yùn)算和微積分的基礎(chǔ)知識，凸集、凸函數(shù)與凸規(guī)劃的基本理論）；常用的優(yōu)化設(shè)計方法（介紹一維搜索方法、基于導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化方法和非導(dǎo)數(shù)優(yōu)化方法等，包括智能優(yōu)化方法）；約束優(yōu)化問題的處理；多目標(biāo)優(yōu)化方法和優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的靈敏度分析技術(shù)；MATLAB在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計實(shí)例中的應(yīng)用。這要求學(xué)生一方面掌握優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)理論，另一方面應(yīng)學(xué)會運(yùn)用大型通用優(yōu)化設(shè)計工具軟件解決實(shí)際工程問題，真正做到學(xué)以致用。此外，在雙語教學(xué)過程中，應(yīng)安排大學(xué)生講述自己完成機(jī)械優(yōu)化設(shè)計過程，以提高大學(xué)生英語表達(dá)能力，并達(dá)到相互啟發(fā)的作用。

2.努力營造英文教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生英語水平

作為教師，應(yīng)認(rèn)真?zhèn)浜妹恳惶谜n，板書、考試和作業(yè)批改中都要使用英語，采取全英語對學(xué)生進(jìn)行提問，要求學(xué)生用英語回答，這樣有助于鍛煉學(xué)生的專業(yè)口語能力。同時，教師在給學(xué)生布置作業(yè)時，最好也是英語的，嚴(yán)格要求學(xué)生用英語完成，這樣有助于鍛煉學(xué)生的專業(yè)寫作能力，為將來可能地進(jìn)一步深造學(xué)習(xí)奠定了堅實(shí)的論文撰寫基礎(chǔ)。實(shí)際上，教師在雙語教學(xué)活動中，除了布置一些該課程的課后英語作業(yè)外，還應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生查找和閱讀與該課程相關(guān)的專業(yè)英語讀物，比如英文論文等，這樣有助于增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)英語使用能力，而且還能培養(yǎng)該專業(yè)大三學(xué)生用英語思考的良好習(xí)慣，為將來的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和深造打下一定的基礎(chǔ)。

3.努力加強(qiáng)我校雙語師資隊(duì)伍建設(shè)

為了提高教師的英語水平，每年安排教師參加由我校國際交流學(xué)院主辦的暑期雅思培訓(xùn)班，取得雅思6.0分及以上成績的教師才能擔(dān)任雙語教學(xué)課程。為了促進(jìn)教師英文水平的穩(wěn)步提高，以提升本校教師科研業(yè)務(wù)水平，學(xué)校定期派中青年教師出國交流學(xué)習(xí)，這勢必將會對雙語教學(xué)和師資隊(duì)伍建設(shè)有一個很大的促進(jìn)和提升作用。

4.充分利用本校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

三峽大學(xué)求索學(xué)堂為全校提供網(wǎng)絡(luò)教學(xué)服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺包括公共教學(xué)平臺、多媒體課件制作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時交互答疑系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)公共教學(xué)平臺包括學(xué)生工作區(qū)、教師工作區(qū)、管理工作區(qū)三大部分，主要功能模塊有公告欄、答疑、討論區(qū)、在線自測、在線作業(yè)、下載區(qū)、資源等。多媒體課件制作系統(tǒng)提供輔助教師教學(xué)的多媒體課件制作平臺；網(wǎng)絡(luò)實(shí)時交互答疑系統(tǒng)是一個可以在網(wǎng)上傳遞五種不同模式的電子教學(xué)、實(shí)時協(xié)作和通信的平臺，提供網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的教學(xué)雙邊多媒體交互環(huán)境。充分利用本校求索學(xué)堂，可以促使教師和學(xué)生的溝通，同時還可以培養(yǎng)學(xué)生的知識獲取能力和自主學(xué)習(xí)能力。

5.對本校傳統(tǒng)的考核方式進(jìn)行科學(xué)合理的改革

“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”課程是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，屬于專業(yè)必修課程，該課程考核方式過去經(jīng)常是采取閉卷形式。這種考核方式有很大的不足，例如學(xué)生死記硬背優(yōu)化公式，而忽略了利用該課程核心內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計方法理論從工程上解決實(shí)際問題的能力，從而不能體現(xiàn)本校人才培養(yǎng)的要求。針對以上這些弊端，對該門課程的傳統(tǒng)考核方式進(jìn)行了改革，主要分為以下三個部分：閉卷考試成績（占40%）：主要是考查學(xué)生對優(yōu)化理論方法的理解和掌握程度；上機(jī)實(shí)驗(yàn)考試成績（占40%）：重點(diǎn)考核學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)對優(yōu)化方法的編程和實(shí)現(xiàn)能力；平時成績（占20%）：主要是考核學(xué)生平時表現(xiàn)和出勤情況。

該課程考核方式的改革，勢必將會促使學(xué)生更好地理解和掌握該課程的重難點(diǎn)內(nèi)容，也會提高學(xué)生利用計算機(jī)編寫優(yōu)化程序解決工程實(shí)際問題的能力，同時將會提高機(jī)械工程類本科生的綜合素質(zhì)和能力，這也非常符合本校這種“高素質(zhì)、強(qiáng)能力、應(yīng)用型”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

三、結(jié)論

雙語教學(xué)不但能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且還可以提高教師和學(xué)生的雙語應(yīng)用能力，對復(fù)合型人才的培養(yǎng)具有非常重要的意義。同時，在進(jìn)行雙語教學(xué)的過程中，要根據(jù)本校教師的英文水平和學(xué)生的認(rèn)知和接受程度，精心準(zhǔn)備和設(shè)計教學(xué)手段，科學(xué)合理安排教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)而有效地使用評價方法，這樣不僅有助于學(xué)生及時了解和掌握本專業(yè)的前沿動態(tài)，還可以培養(yǎng)其直接閱讀經(jīng)典、前沿外文資料的能力。本文在對“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”課程雙語教學(xué)進(jìn)行了多輪教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對該課程雙語教學(xué)的背景、教學(xué)內(nèi)容與體系、英語教學(xué)環(huán)境、師資隊(duì)伍建設(shè)、考核方式等問題進(jìn)行了總結(jié)和改革，以期望對二本院校機(jī)械工程類“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計”課程雙語教學(xué)與改革有一定的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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第4篇

關(guān)鍵詞：超大型平頭塔式起重機(jī)；平衡臂；優(yōu)化設(shè)計；有限元

中圖分類號：TH2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Taking the counterjib of T3000160 super large flattop tower crane as the research object，the structure is optimized. Firstly，the finite element simulation model of the counterjib is established. Then，the APDL algorithm language and parametric technique in Ansys are used to parameterize the design dimensions of the counterjib structure. Through the structural optimization，the optimal crosssectional dimension of the main structure of the counterjib is obtained，The results show that the overall strength and rigidity of the counterjib meet the design requirements，and the parametric design can improve the design quality of the construction machinery.

Key words：super large flattop tower crane，counterjib，optimized design，finite element

1引言

S著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)輔助設(shè)計在塔式起重機(jī)關(guān)鍵組成部件的優(yōu)化分析設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。計算機(jī)輔助設(shè)計及有限元分析技術(shù)的引進(jìn)使用，使得塔機(jī)產(chǎn)品使用起來更加安全和高效。超大型平頭塔式起重機(jī)作為塔機(jī)發(fā)展的方向，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況多樣，僅僅對其進(jìn)行整體的綜合系統(tǒng)設(shè)計是不夠的，更應(yīng)該關(guān)注其細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，關(guān)注計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計。

本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)作為研究對象，利用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)對平衡臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析，使用APDL算法完成平衡臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到降本增效的目的。

2Ansys有限元分析優(yōu)化設(shè)計的有關(guān)概念121設(shè)計變量設(shè)計方案完成后，其中的設(shè)計元素可以用一組基本參數(shù)數(shù)值來表示，這一組參數(shù)數(shù)值就是所謂的設(shè)計變量。

22目標(biāo)函數(shù)

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以利用一些設(shè)計指標(biāo)衡量一項(xiàng)設(shè)計方案的好壞，通過把設(shè)計指標(biāo)參數(shù)化得到相關(guān)函數(shù)來表示這些指標(biāo)，這些相關(guān)函數(shù)即是優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)。

計算技術(shù)與自動化2017年6月第36卷第2期郭紀(jì)斌等：基于Ansys的超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂優(yōu)化設(shè)計23約束性條件

所謂約束性條件是在對與目標(biāo)函數(shù)相關(guān)的設(shè)計變量進(jìn)行取值時加入的限制性條件。約束類型按照目標(biāo)函數(shù)中設(shè)計變量的不同性質(zhì)可分為邊界性約束和性能性約束。

24合理性設(shè)計

所謂合理性設(shè)計是指滿足設(shè)計方案所有給定約束條件（包括設(shè)計變量的約束和狀態(tài)變量的約束）的設(shè)計。倘若給定約束條件中的任一條未滿足，該設(shè)計就被認(rèn)為是不合理的。而最優(yōu)設(shè)計就是既能滿足所有約束條件同時目標(biāo)函數(shù)值又是最小的設(shè)計。

3超大型平頭塔機(jī)平衡臂優(yōu)化設(shè)計的步驟

在Ansys軟件中可以用兩種方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計：圖形交互式或者數(shù)據(jù)批處理來完成。在本論文中，選用數(shù)據(jù)批處理方式來進(jìn)行平衡臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以期提高優(yōu)化設(shè)計效率。

由于用戶采用優(yōu)化方式的差異（批處理或GUI方式），Ansys優(yōu)化設(shè)計步驟會有些許差別。本論文中平衡臂優(yōu)化設(shè)計步驟如下：

31分析文件的生成1311參數(shù)化建立模型通過Ansys軟件/PREP7命令把設(shè)計方案中的設(shè)計變量參數(shù)化建立數(shù)據(jù)模型的工作完成。對于本論文選定的T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂，設(shè)計變量是拉桿和臂架弦桿的尺寸，如表1所示。

表1設(shè)計變量

設(shè)計變量1初值（mm）1變量含義X112001平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X21361平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X31651平衡臂拉桿圓鋼Φ130的半徑

312計算求解

Ansys中的求解器主要是對分析類型和分析選項(xiàng)在優(yōu)化過程中進(jìn)行定義，并完成載荷的施加，及對載荷步的指定，最后進(jìn)行有限元分析計算，同時在分析過程中需要的數(shù)據(jù)都要在計算求解過程中指出。

在本論文平衡臂的優(yōu)化分析中，solution 部分輸入如下：

/SOLU

PREP7，

…

BEAM，P21X，5，PRES，-0.2c-5，…

Acc1，0，10000，0，

AUTO CP，0，0.65*2，

SOLVE，

FINISH。

313提取參數(shù)化分析結(jié)果

對分析結(jié)果進(jìn)行提取并給相應(yīng)的參數(shù)賦值，這些參數(shù)通常情況下包括目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量。完成本步操作使用POST1命令，尤其是與數(shù)據(jù)的存儲、加減或者其他操作相關(guān)時，而對數(shù)據(jù)的提取通常用*GET命令（Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data）來完成。

在本論文研究中，設(shè)置平衡臂總重量為目標(biāo)函數(shù)。因?yàn)橹亓亢腕w積成比例關(guān)系，對產(chǎn)品總體積的減小就相當(dāng)于總重量的減少，因此把總體積設(shè)計為目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)化研究中，把軸向應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移設(shè)置為狀態(tài)變量。這些參數(shù)的設(shè)定可以用下面的方法進(jìn)行定義：

/POST1

ETABLE，evolume，VOLU，

QR SSUM

*GET，VOLUME，SSUM，DEFORMED，EVOLUME

…

QR，SMAX_E，LS，0，1

CP，ETAB，SMAX_E，0，1，

*GET，SMAX_E，SORT，MAX

…

*GETT，DYMAX1，NODE，1528，Z，Y

…

32對計算結(jié)果優(yōu)化分析

建立完成分析文件之后，就可以利用計算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析。在優(yōu)化處理器中，這些相關(guān)參數(shù)的值被假定為一個設(shè)計序列，所有參數(shù)會在Ansys數(shù)據(jù)庫中被自動設(shè)置為設(shè)計序列1。

4超大型平頭塔機(jī)平衡臂優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

通過10次迭代計算完成對模型參數(shù)的優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計變量的變化如圖1―圖3所示。

圖1設(shè)計變量X1優(yōu)化示意圖圖2設(shè)計變量X2優(yōu)化示意圖圖3設(shè)計變量X3優(yōu)化示意圖通過上面的優(yōu)化示意圖可以看出，三個設(shè)計變量都是平衡臂主結(jié)構(gòu)件的截面尺寸，經(jīng)過優(yōu)化計算，截面尺寸都得以減小，而與其相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)（平衡臂總體積）有總體減小的趨勢。

在優(yōu)化計算時不僅要減少平衡臂體積，同時其結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度和剛度的設(shè)計要求也要滿足，所以本研究增設(shè)狀態(tài)變量1（平衡臂端部位移）和狀態(tài)變量2（截面危險節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值）為研究對象，其優(yōu)化過程如圖4―圖5所示。

圖4狀態(tài)變量1優(yōu)化示意圖圖5狀態(tài)變量2優(yōu)化示意圖從兩個狀態(tài)變量的優(yōu)化過程可以看出，在經(jīng)過多次迭代優(yōu)化后各狀態(tài)變量值變量均在設(shè)定值范圍內(nèi)變化，變化非常小。

目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解在Ansys優(yōu)化設(shè)計過程可以自動選出，在本論文中得出的最優(yōu)解見表2。

由優(yōu)化計算結(jié)果可以看出，平衡臂總質(zhì)量由18.87噸優(yōu)化到了17.13噸，p少了1.74噸，減重百分比為9.22%。與初始設(shè)計方案相對比，優(yōu)化后主體結(jié)構(gòu)件截面尺寸減小，從而降低了平衡臂總質(zhì)量，達(dá)到了減輕平衡臂總重量的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。通過對優(yōu)化模型有限元分析結(jié)果的檢查，其結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度均符合設(shè)計要求，如表2所示。

本論文選用Ansys一階優(yōu)化方法對以平衡臂總質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)的方案進(jìn)行計算優(yōu)化，優(yōu)化后平衡臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度均在設(shè)計允許值范圍內(nèi)。通過定義主要結(jié)構(gòu)件尺寸的優(yōu)化，平衡臂總重量減少1.74噸，降幅9.22%。

5結(jié)論

本論文以T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂的優(yōu)化設(shè)計為研究對象，采用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法，使用主流有限元分析軟件Ansys完成對平衡臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，其過程主要如下。

（1）建立T3000160塔機(jī)平衡臂有限元分析模型，選用BEAM188，MASS21等作為模型分析單元，確保有限元模型結(jié)構(gòu)、重量等參數(shù)的設(shè)置符合實(shí)際情況。

（2）各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計方案要求。通過優(yōu)化分析，得到平衡臂主體結(jié)構(gòu)件的最優(yōu)截面尺寸，同時有限元分析結(jié)果表明整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計方案需求。

（3）本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)的平衡臂進(jìn)行有限元分析優(yōu)化設(shè)計，為超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂及其他相關(guān)部件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和設(shè)計提供一個理論性的支撐，同時提高工程機(jī)械設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，促進(jìn)優(yōu)化設(shè)計法在起重機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用。

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第5篇

（1）過濾元件。過濾原件是凈化系統(tǒng)的最后屏障，是液壓系統(tǒng)污染的關(guān)鍵步驟，是主要的元器件，對環(huán)境起到一個保障作用，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。

（2）液壓凈化系統(tǒng)簡化模型。建立簡化的模型必須進(jìn)行推導(dǎo)，利用數(shù)學(xué)公式建立邏輯模型，通過邏輯模型建立實(shí)際應(yīng)用模型，模型的建立需要一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茖?dǎo)過程，液壓凈化系統(tǒng)簡化。

2液壓凈化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

本論文對液壓凈化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化選擇設(shè)計主要從元件級參數(shù)設(shè)置及系統(tǒng)布局兩方面進(jìn)行闡述，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化及升級提高環(huán)境保護(hù)，對機(jī)械設(shè)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(yōu)化設(shè)計

基于以上液壓污染動態(tài)平衡方程，對過濾元件過濾器進(jìn)行優(yōu)化選擇，主要從確定過濾時間、過濾比兩個方面進(jìn)行優(yōu)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(dú)立過濾系統(tǒng)而言，當(dāng)過濾時間達(dá)到，過濾系統(tǒng)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(yōu)化設(shè)計有一定的幫助，是對整個元件的優(yōu)化設(shè)計有一定指導(dǎo)作用，對元件級的優(yōu)化設(shè)計能順利進(jìn)行提供有力保障。

（2）基于Matlab的過濾比的優(yōu)化選擇。通過Matlab的過濾比進(jìn)行優(yōu)化選擇，對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)污染油液進(jìn)行過濾比較。

2.2系統(tǒng)級優(yōu)化與設(shè)計

根據(jù)液壓系統(tǒng)目標(biāo)污染度的要求，適當(dāng)選擇過濾管路及過濾器過濾精度，用于濾除系統(tǒng)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(nèi)。

（1）液壓凈化系統(tǒng)的布局。液壓凈化系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中必須進(jìn)行合理化地布局，布局采用多種方式，有時候多種方式進(jìn)行合理布局，可提高過濾效果，增大系統(tǒng)的納污量，減少清洗次數(shù)及延長液壓系統(tǒng)的壽命。

（2）不同組合方式的過濾效果。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，應(yīng)用一種過濾方式過濾效果一般，通過多種形式與方式進(jìn)行過濾能產(chǎn)生不同的效果，在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常選用多種組合方式進(jìn)行過濾，其過濾效果是非常理想的，應(yīng)用各種過濾方式的優(yōu)勢，達(dá)到一定效果。

3基于HyPneu的仿真驗(yàn)證

第6篇

關(guān)鍵詞：MATLAB 行星減速器 優(yōu)化設(shè)計

Abstract: this paper researched optimum tool of MATLAB. The paper solves optimum design for planet speed reducer of construction machinery. Through a practical example, it is concluded that using MATLAB can availably solve optimum design for planet speed reducer.

Key word: MATLAB, planet speed reducer,optimum design

中圖分類號：S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

工程機(jī)械是一種運(yùn)行緩慢，體積大，承受的載荷也大的設(shè)備。它的行走驅(qū)動系統(tǒng)有兩種方案：一為高速方案，即用高速液壓馬達(dá)和齒輪減速器組合驅(qū)動；二是低速方案，即采用低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動。后者可省去減速裝置，使機(jī)構(gòu)大為簡化，但由于低速大扭矩液壓馬達(dá)的成本較高，維修困難，所以一般的工程機(jī)械都采用前者。又因行星減速器相對于其它類型的齒輪減速器具有較大減速比，所以工程機(jī)械的行駛系統(tǒng)驅(qū)動中多采用行星減速器實(shí)現(xiàn)減速增扭的目的。

1、MATLAB語言及優(yōu)化設(shè)計簡介

MATLAB語言是由美國Mathworks公司開發(fā)的集科學(xué)計算、數(shù)據(jù)可視化和程序設(shè)計為一體的工程應(yīng)用軟件，現(xiàn)已成為工程學(xué)科計算機(jī)輔助分析、設(shè)計、仿真以至教學(xué)等不可缺少的基礎(chǔ)軟件，它由MATLAB主包、Simulink組件以及功能各異的工具箱組成。MATLAB優(yōu)化工具箱的應(yīng)用包括：線性規(guī)劃和二次規(guī)劃，求函數(shù)的最大值和最小值，多目標(biāo)優(yōu)化，約束優(yōu)化，離散動態(tài)規(guī)劃等，其簡潔的表達(dá)式、多種優(yōu)化算法的任意選擇、對算法參數(shù)的自由設(shè)置，可使用戶方便地使用優(yōu)化方法。[1]

通常多目標(biāo)優(yōu)化問題在求解時應(yīng)作適當(dāng)?shù)奶幚恚环N方法是將多目標(biāo)優(yōu)化問題重新構(gòu)成一個新的函數(shù)，即評價函數(shù)，從而將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)榍笤u價函數(shù)的單目標(biāo)優(yōu)化問題，如線性加權(quán)和法，理想點(diǎn)法，目標(biāo)達(dá)到法等。另一種是將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為一系列單目標(biāo)優(yōu)化問題來求解，如分層序列法等。MATLAB優(yōu)化工具箱采用改進(jìn)的目標(biāo)達(dá)到法使目標(biāo)達(dá)到問題變?yōu)樽畲笞钚栴}來獲取合適的目標(biāo)函數(shù)值。

該論文中，行星減速器的設(shè)計就采用將多目標(biāo)的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)，多約束條件的優(yōu)化問題。

2、行星減速器模型的建立

工程機(jī)械使用行星減速器的設(shè)計是一項(xiàng)較復(fù)雜的工作，一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計不僅對于一個新的企業(yè)很難進(jìn)行設(shè)計，而且往往找到的不是最優(yōu)方案。

2.1確定優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)

工程機(jī)械的體積較大，對其靈活運(yùn)行帶來一定的影響，因此對行星減速器進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計時，取行星減速器最小重量為優(yōu)化目標(biāo)，不但可以減小行星減速器的重量，而且可以改善工程機(jī)械的靈活機(jī)動性、節(jié)約材料和降低成本。

行星減速器由太陽輪、行星輪、行星架和齒圈構(gòu)成。由于太陽輪和全部行星輪的重量之和能影響和決定齒圈和整個機(jī)構(gòu)的重量，由于太陽輪和全部行星輪的重量與它們的體積成正比，因此可選擇太陽輪和全部行星輪的體積為最優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)。

…………………（1）

式中： 為太陽輪的體積； 為行星輪的體積； 為行星輪的個數(shù)； 為太陽輪或行星輪模數(shù)； 為太陽輪或行星輪齒寬； 為太陽輪齒數(shù)； 為行星輪齒數(shù)。

2.2約束條件：

（1）傳動比條件[2]：

…………………（2）

式中： 為齒圈的齒數(shù)。

（2）為了使內(nèi)外嚙合齒輪副強(qiáng)度接近相等，并提高外嚙合承載能力，應(yīng)限制齒輪內(nèi)外嚙合角在給定的范圍內(nèi)，即：

…………………（3）

…………………（4）

式中： 、 為太陽輪和行星論、行星輪和齒圈的嚙合角。

（3）齒輪不發(fā)生根切的最少齒數(shù)為17，但太陽輪的齒數(shù)常小于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒輪不根切最小齒數(shù)17，為保證不根切，太陽輪變位系數(shù)應(yīng)滿足以下條件：

…………………（5）

式中： 太陽輪的最小變位系數(shù)

（4）各齒輪應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，即齒輪的齒面接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的安全系數(shù)均大于給定值，亦即

…………………（6）

…………………（7）

式中： 、 ——給定的齒輪接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)；

、 ——各齒輪的接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的安全系數(shù)。

（5）為了保證傳動連續(xù)和平穩(wěn)性，齒輪的重合度必須大于規(guī)定值，即

…………………（8）

…………………（9）

式中： 、 ——分別為太陽輪和行星輪、內(nèi)齒圈與行星輪的重合度

（6）行星輪根圓直徑 不宜過小，以保證在行星輪內(nèi)孔能安裝上符合壽命要求的滾動軸承，即

…………………（10）

式中： ——滾動軸承外徑 ;

m——齒輪的模數(shù)

（7）模數(shù)約束

…………………（11）

（8）齒寬約束

…………………（12）

（9）行星輪個數(shù)約束

…………………（13）

（10）變位系數(shù)的約束[3]

…………………（14）

…………………（15）

…………………（16）

式中： 、 、 分別為太陽輪、行星輪和齒圈的變位系數(shù)

通過以上分析，知以上建立的模型是一個具有7個設(shè)計變量，15個約束條件的單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。

3、應(yīng)用舉例：

某工程機(jī)械的輪邊減速器采用行星減速器，其具體要求為：轉(zhuǎn)速： ；功率： ；壽命：10a；工況：中等沖擊；日工作時間：14h；年工作天數(shù)300天；傳動比： ； ；精度：6級；太陽輪：材料為20CrMnTi，熱處理為滲氮滲碳；行星輪：材料為20CrMnTi，熱處理為滲碳淬碳；內(nèi)齒輪為40Cr，熱處理為調(diào)質(zhì)[4]。

經(jīng)使用MATLAB程序優(yōu)化設(shè)計后行星減速器的主要參數(shù)和采用常規(guī)設(shè)計的主要參數(shù)的比較，如表1。

表1使用MATLAB優(yōu)化設(shè)計和常規(guī)設(shè)計的參數(shù)比較

4、結(jié)論

（1）利用MATLAB優(yōu)化設(shè)計的行星減速器的體積比常規(guī)設(shè)計的少了12%。

（2）建立目標(biāo)函數(shù)時只考慮太陽輪和行星輪的體積，對內(nèi)齒圈和行星架的體積沒有考慮，這樣可以減小計算量和提高計算速度。但是也存在著相應(yīng)的問題，目標(biāo)函數(shù)中沒有將齒圈的強(qiáng)度考慮在內(nèi)，會對設(shè)計的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

參考文獻(xiàn)

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[2]徐灝.機(jī)械設(shè)計手冊.[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社

[3]王永樂.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ).[M]哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社

第7篇

【摘要】減速器是各類機(jī)械設(shè)備中廣泛應(yīng)用的傳動裝置。減速器設(shè)計的優(yōu)劣直接影響機(jī)械設(shè)備的傳動性能。本文通過對兩種減速器主要優(yōu)化設(shè)計方法的分析，提出了減速器設(shè)計中應(yīng)考慮的約束條件、目標(biāo)函數(shù)和變量等。

【關(guān)鍵詞】減速器優(yōu)化設(shè)計

傳統(tǒng)的減速器設(shè)計一般通過反復(fù)的試湊、校核確定設(shè)計方案，雖然也能獲得滿足給定條件的設(shè)計效果，但一般不是最佳的。為了使減速器發(fā)揮最佳性能，必須對減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減速器的優(yōu)化設(shè)計可以在不同的優(yōu)化目標(biāo)下進(jìn)行。除了一些極為特殊的場合外，通常可以分為從結(jié)構(gòu)形式上追求最小的體積(重量)、從使用性能方面追求最大的承載能力、從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮追求最低費(fèi)用等三大類目標(biāo)。第一類目標(biāo)與第二類目標(biāo)體現(xiàn)著減速器設(shè)計中的一對矛盾，即體積(重量)與承載能力的矛盾。在一定體積下，減速器的承載能力是有限的；在承載能力一定時，減速器體積(重量)的減小是有限的。由此看來，這兩類目標(biāo)所體現(xiàn)的本質(zhì)是一樣的。只是前一類把一定的承載能力作為設(shè)計條件，把體積(重量)作為優(yōu)化目標(biāo)；后一類反之，把一定的體積(重量)作為設(shè)計條件，把承載能力作為優(yōu)化目標(biāo)。第三類目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，將涉及相當(dāng)多的因素，除減速器設(shè)計方案的合理性外，還取決于企業(yè)的勞動組織、管理水平、設(shè)備構(gòu)成、人員素質(zhì)和材料價格等因素。但對于設(shè)計人員而言，該目標(biāo)最終還是歸結(jié)為第一類或第二類目標(biāo)，即減小減速器的體積或增大其承載能力。

一、單級圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計

單級主減速器可由一對圓錐齒輪、一對圓柱齒輪或由蝸輪蝸桿組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、成本低、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。但是其主傳動比i0不能太大，一般i0≤7，進(jìn)一步提高i0將增大從動齒輪直徑，從而減小離地間隙，且使從動齒輪熱處理困難。單級主減速器廣泛應(yīng)用于轎車和輕、中型貨車的驅(qū)動橋中。單級圓柱齒輪減速器以體積最小為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計問題，是一個具有16個不等式約束的6維優(yōu)化問題，其數(shù)學(xué)模型可簡記為：

minf(x)x=[x1x2x3x4x5x6]T∈R6

S.t.gj(x)≤0(j=1，2，3∧，16)

采用優(yōu)化設(shè)計方法后，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，減速器的尺寸大大地降低，減少了用材及成本，提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計法與傳統(tǒng)設(shè)計密切相關(guān)，優(yōu)化設(shè)計是以傳統(tǒng)設(shè)計為基礎(chǔ)，沿用了傳統(tǒng)設(shè)計中積累的大量資料，同時考慮了傳統(tǒng)設(shè)計所涉及的有關(guān)因素。優(yōu)化設(shè)計雖然彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計的某些不足，但該設(shè)計法仍有其局限性，因此可在優(yōu)化設(shè)計中引入可靠性技術(shù)、模糊技術(shù)，形成可靠性優(yōu)化設(shè)計或模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計法，使工程設(shè)計技術(shù)由“硬”向“軟”發(fā)展。

二、混凝土攪拌運(yùn)輸車減速器的優(yōu)化設(shè)計

1.主要參數(shù)

混凝土攪拌運(yùn)輸車攪拌筒(罐)的設(shè)計容積為8～10m3，最大安裝角度12°，工作轉(zhuǎn)速2～4r/min和10～12r/min(卸料時的反向轉(zhuǎn)速)；減速器設(shè)計傳動比131∶1，最大輸出轉(zhuǎn)矩60kN·m，要求傳動效率高、密封性好、噪聲低、互換性強(qiáng)。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括前蓋組件、被動輪組件、第一級行星輪總成、第二級行星輪總成、機(jī)體中部組件和法蘭盤組件6大部分。機(jī)體間采用螺栓和銷釘連接與定位，機(jī)體與內(nèi)齒圈之間采用彈性套銷的均載機(jī)構(gòu)。為便于用戶在使用時裝配與拆卸，減速器主軸線與安裝面設(shè)計有15°的傾角，法蘭盤軸線可以向X、Y和Z方向擺動±6°，并選用專用球面軸承作為支承。軸承裝入行星輪中，彈簧擋圈裝在軸承外側(cè)且軸向間隙≤0.2mm，減速器最大外形尺寸467mm×460mm×530mm，總質(zhì)量(不含油)為290kg。

2.傳動系統(tǒng)設(shè)計

該減速器采用3級減速方案：第一級為高速圓柱齒輪傳動，其余兩級為NGW型行星齒輪傳動。其中，第二、三級分別有3個和4個中空式行星輪，行星輪安裝在單臂式行星架上，行星架浮動且采用滾動軸承作為支承；第二級行星架與法蘭盤之間采用鼓形齒雙聯(lián)齒輪聯(lián)軸器連接，混凝土攪拌運(yùn)輸車減速器對齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面磨損等要求十分苛刻，因此合理地選擇變位系數(shù)和進(jìn)行修形計算十分重要。

三、減速器優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型

1.目標(biāo)函數(shù)

對于C型問題，目標(biāo)函數(shù)是A=min{f(x)}=min{f(x1，x2，…，xn)}式中：A——減速器總中心距，即各級中心距之和；x——各設(shè)計變量(包括各級中心距、模數(shù)、螺旋角、齒數(shù)、齒寬和變位系數(shù)等)；n——設(shè)計變量的個數(shù)。對于P型問題，目標(biāo)函數(shù)是P=max{f(x)}=max{f(x1，x2，…，xn)}。式中：P——減速器的許可承載功率；x——同C型；n——同C型。

2.約束條件

約束條件是判斷目標(biāo)函數(shù)中設(shè)計變量的取值是否可行的一些規(guī)定，因此減速器優(yōu)化設(shè)計過程中提出的每一個供選擇的設(shè)計方案；都應(yīng)當(dāng)由滿足全部約束條件的優(yōu)化變量所構(gòu)成。對于減速器來說，在列出優(yōu)化設(shè)計的約束條件時，應(yīng)當(dāng)從各個方面細(xì)致周全的予以考慮。例如，設(shè)計變量本身的取值規(guī)則，齒輪與其它零件之間應(yīng)有的關(guān)系等等。減速器優(yōu)化設(shè)計應(yīng)考慮以下約束條件：

（1）設(shè)計變量取值的離散性約束

齒數(shù)：每個齒輪的齒數(shù)應(yīng)當(dāng)是整數(shù)；模數(shù)：齒輪模數(shù)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列(GB1357-78)；中心距：為避免制造和維護(hù)中的各種麻煩，中心距以10mm為單位步長。

（2）設(shè)計變量取值的上下界約束

螺旋角：對直齒輪為零，斜齒輪按工程上的使用范圍取8°~15°；總變位系數(shù)：由于總變位系數(shù)將影響齒輪的承載能力，常取為0~0.8。

（3）齒輪的強(qiáng)度約束

齒輪強(qiáng)度約束是指齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度與輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度，這兩項(xiàng)計算根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB3480-83中的方法進(jìn)行。強(qiáng)度是否夠，根據(jù)實(shí)際安全系數(shù)是否達(dá)到或超出預(yù)定的安全系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

（4）齒輪的根切約束

為避免發(fā)生根切，規(guī)定最小齒數(shù)，直齒輪為17，斜齒輪為14~16。

（5）零件的干涉約束

要求中心距、齒頂圓和軸徑這三者之間滿足無干涉的幾何關(guān)系。對于三級傳動的減速器(如圖1)，干涉約束相當(dāng)于兩個約束：第二級中心距應(yīng)大于第一級大齒輪齒頂圓半徑與第三級小齒輪頂圓半徑之和；第三級中心距應(yīng)大于第二級大齒輪頂圓半徑與第4軸半徑之和。而二級齒輪傳動類推。

第8篇

關(guān)鍵詞：上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 青島大學(xué)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(jù)統(tǒng)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(jìn)而對日常的生活產(chǎn)生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運(yùn)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(yī)療設(shè)備進(jìn)行的康復(fù)理療已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足患者的要求。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個特殊群體已得到更多人的關(guān)注，治療康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量也在相應(yīng)地提高，因此服務(wù)于四肢的康復(fù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。

目前世界上手功能康復(fù)機(jī)器人的研究出于剛起步狀態(tài)，各種機(jī)器人產(chǎn)品更是少之又少，在國內(nèi)該領(lǐng)域中尚處于空白狀態(tài)，臨床應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)，因此對手功能康復(fù)機(jī)器人的研究有廣闊的應(yīng)用前景和重要的科學(xué)意義。

目前大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備存在以下一些問題：康復(fù)訓(xùn)練過程中，缺乏對關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度的觀測和康復(fù)力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復(fù)治療過程的力位信息和康復(fù)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(qū)動的手指康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手指康復(fù)訓(xùn)練的多自由度運(yùn)動，不僅降低了設(shè)備成本，更重要的是提高了系統(tǒng)對人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運(yùn)動的強(qiáng)度和速度易調(diào)整等特點(diǎn)。

課題的研究思想符合實(shí)際國情和康復(fù)機(jī)器人對系統(tǒng)柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于患者的手部運(yùn)動功能康復(fù)，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復(fù)機(jī)器人，輔助患者完成手部運(yùn)動功能的重復(fù)訓(xùn)練，其輕便經(jīng)濟(jì)、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復(fù)訓(xùn)練，又不增加臨床醫(yī)療人員的負(fù)擔(dān)和衛(wèi)生保健。

綜上所述，氣動人工肌肉驅(qū)動手指康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計是氣壓驅(qū)動與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的新應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義。

二、 國內(nèi)外研究動態(tài)

2.1 國外研究動態(tài)

美國是研究氣動肌肉機(jī)構(gòu)最多的國家，主要集中在大學(xué)。

華盛頓大學(xué)的生物機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室從生物學(xué)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(jìn)行失效機(jī)理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運(yùn)動控制研究。

vanderbilt 大學(xué)認(rèn)知機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個采用氣動肌肉驅(qū)動的爬墻機(jī)器人，并應(yīng)用于驅(qū)動智能機(jī)器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。

伊利諾伊大學(xué)香檳分校的貝克曼研究所對圖像定位的5自由度soft arm 機(jī)械手采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高精度位置控制和軌跡規(guī)劃。亞利桑那州立大學(xué)設(shè)計了并聯(lián)彈簧的新結(jié)構(gòu)氣動肌肉驅(qū)動器，可以同時得到收縮力和推力，并與工業(yè)界合作開發(fā)了多種用于不同部位肌肉康復(fù)訓(xùn)練的小型醫(yī)療設(shè)備。

英國salford 大學(xué)高級機(jī)器人研究中心對氣動肌肉的應(yīng)用作了長期的系統(tǒng)研究，開發(fā)了用于核工業(yè)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(yuǎn)程控制。

法國國立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了氣動肌肉的動靜態(tài)性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅(qū)動源的人工肌肉以及在遠(yuǎn)程醫(yī)療上的應(yīng)用。

比利時布魯塞爾自由大學(xué)制作了新型的折疊式氣動肌肉用于驅(qū)動兩足步行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動控制。

日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發(fā)明了多種不同結(jié)構(gòu)的氣動肌肉。德國festoon 公司發(fā)明了適合工業(yè)應(yīng)用的氣動肌腱fluidic muscle，壽命可達(dá)1000萬次以上，同時還對氣動肌肉的應(yīng)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(jìn)的仿人手。美國的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學(xué)合作開發(fā)了多種用于肌肉康復(fù)訓(xùn)練的小型醫(yī)療設(shè)備。

lilly采用基于滑動模的參數(shù)自適應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了單氣動肌肉驅(qū)動的關(guān)節(jié)位置控制。

2.2 國內(nèi)研究動態(tài)

自20 世紀(jì)90 年代以來，我國陸續(xù)開始了氣動肌肉的研究。

北京航空航天大學(xué)的宗光華較早開始?xì)鈩蛹∪獾难芯浚治隽似浞蔷€性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅(qū)動模型的影響，并應(yīng)用于五連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過剛度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)柔順控制。

上海交通大學(xué)的田社平等運(yùn)用零極點(diǎn)配置自適應(yīng)預(yù)測控制、非線性逆系統(tǒng)控制以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，實(shí)現(xiàn)單自由度關(guān)節(jié)的快速、高精度位置控制。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王祖溫等分析了氣動肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響、氣動肌肉的靜動態(tài)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(shè)計了氣動肌肉驅(qū)動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數(shù)據(jù)手套和6 足機(jī)器人，采用輸入整形法解決關(guān)節(jié)階躍響應(yīng)殘余震蕩問題。

北京理工大學(xué)的彭光正等先后進(jìn)行了單根人工肌肉、單個運(yùn)動關(guān)節(jié)以及3 自由度球面并聯(lián)機(jī)器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種智能控制算法，并設(shè)計了6 足爬行機(jī)器人和17 自由度仿人五指靈巧手。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)氣動中心的隋立明博士也通過實(shí)驗(yàn)得到了氣動人工肌肉的一個更簡潔的修正模型和經(jīng)驗(yàn)公式并對兩根氣動人工肌肉組成的一個簡單關(guān)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模和采用位置閉環(huán)的控制方法進(jìn)一步驗(yàn)證氣動人工肌肉的模型。

上海交通大學(xué)的林良明也對氣動人工肌肉的軌跡學(xué)習(xí)控制進(jìn)行了仿真研究給出了學(xué)習(xí)的收斂性的初步結(jié)論為下一步的學(xué)習(xí)控制奠定了基礎(chǔ)。其中田社平通過對氣動人工肌肉收縮在頻率域上的數(shù)學(xué)模型并對它的結(jié)構(gòu)及其靜動態(tài)特性進(jìn)行了理論分析建立了相應(yīng)的靜態(tài)力學(xué)方程。

2003年付大鵬等，以機(jī)械手抓取物體為分析對象，采用矩陣法來描述機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題，以四階方陣變換三維空間點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)，將運(yùn)動、變換和映射與矩陣計算聯(lián)系起來建立了機(jī)械手的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，并提出了機(jī)械手運(yùn)動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的新方法，這種方法對機(jī)械手的精密設(shè)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(fù)機(jī)械手進(jìn)行了動力學(xué)分析，將等效有限元的方法應(yīng)用到開式的5自由度的康復(fù)機(jī)械手的動力分析中，這種方法比傳統(tǒng)的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現(xiàn)代計算機(jī)的發(fā)展，的除了機(jī)械臂的動力響應(yīng)曲線，為機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計及控制提供理論依據(jù)。

2008年北京聯(lián)合大學(xué)張麗霞，楊成志根據(jù)拿取非規(guī)則物品的任務(wù)要求，采用轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計了五指型機(jī)器手，手指彎曲電機(jī)與指間平衡電機(jī)耦合驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器手的多角度張開、抓握運(yùn)動方式,對實(shí)用型仿人機(jī)器手的機(jī)構(gòu)設(shè)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(jī)械手進(jìn)行了動力學(xué)研究與仿真，。采用經(jīng)典瑞利.里茲法和浮動坐標(biāo)法描述機(jī)械手彈性變形與參考運(yùn)動間的動力學(xué)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(biāo)系下，以矩陣、矢量簡潔的形式構(gòu)建了該移動柔性機(jī)械手系統(tǒng)的完整動力學(xué)模型并進(jìn)行仿真。

2009年羅志增，顧培民研究設(shè)計了一種單電機(jī)驅(qū)動多指多關(guān)節(jié)機(jī)械手，能夠很好的實(shí)現(xiàn)靈巧、穩(wěn)妥的抓取物體，這個機(jī)械手共有4指12個關(guān)節(jié)。每個手指有3個指節(jié)，由兩個平行四邊形的指節(jié)結(jié)構(gòu)確保手指末端做平移運(yùn)動，這種設(shè)計方案很好的實(shí)現(xiàn)了控制簡單、抓握可靠的目的。

從目前來看，國內(nèi)對氣動人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關(guān)氣動人工肌肉的研究與國外還有相當(dāng)?shù)牟罹鄬鈩尤斯ぜ∪庵械脑S多問題，還沒有進(jìn)行深入的研究。此外，采用氣動人工肌肉作為機(jī)器人驅(qū)動器的研究還不成熟。

三、 主要研究內(nèi)容和解決的主要問題

目前大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備存在以下一些問題:康復(fù)訓(xùn)練過程中，缺乏對關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度的觀測和康復(fù)力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復(fù)治療過程的力位信息和康復(fù)效果不能建立起有效地評價。為此，課題主要研究內(nèi)容：設(shè)計一種結(jié)構(gòu)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(fù)設(shè)備。對氣動手指康復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析、用mat lab軟件對康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的康復(fù)治療過程的力位信息進(jìn)行仿真分析。

要實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)，系統(tǒng)中需要著重解決的關(guān)鍵技術(shù)有：

(1)基于已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，對手指康復(fù)訓(xùn)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(qū)動關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的優(yōu)化配置。使機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實(shí)現(xiàn)的動作。

(2)對機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析。主要包括：氣壓驅(qū)動的手指關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析。

(3)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進(jìn)行機(jī)器人氣壓驅(qū)動終端的力位信息 仿真。

根據(jù)總體方案設(shè)計以及工作量的要求，外附骨骼機(jī)械手系統(tǒng)是上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的一部分，本文主要是研究手指康復(fù)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)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(zhǔn)備課題階段：

主要工作：學(xué)習(xí)當(dāng)今最先進(jìn)的機(jī)器人設(shè)計技術(shù);學(xué)習(xí)用matlab軟件進(jìn)行計算仿真及優(yōu)化，查閱國內(nèi)外的資料，對康復(fù)機(jī)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(shè)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(jù)已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計，對手指康復(fù)訓(xùn)練方法分析和提煉。研究手指康復(fù)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)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(fù)機(jī)器人進(jìn)行模擬仿真，對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善課題。

2013年1月——2013年4月結(jié)束課題階段

主要工作：整理相關(guān)資料，撰寫論文，準(zhǔn)備進(jìn)行畢業(yè)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(xué)位課與非學(xué)位課學(xué)習(xí)的同時，進(jìn)行市場調(diào)研，對手指康復(fù)機(jī)械手作初步了解。

2. 查閱資料，了解氣動手指康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

3. 分析已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計。

4. 對現(xiàn)有手指康復(fù)訓(xùn)練方法設(shè)計進(jìn)行分析和提煉，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

5. 開始具體設(shè)計工作。

第9篇

關(guān)鍵詞：種分槽，IMIG槳葉，優(yōu)化設(shè)計

 

1前言

拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵工序之一就是晶種分解，在種分槽內(nèi)將鋁酸鈉溶液降溫并加入氫氧化鋁作為晶種進(jìn)行攪拌，使其析出氫氧化鋁[1]。晶種分解過程對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及全廠的技術(shù)指標(biāo)有著重大的影響。畢業(yè)論文，種分槽。

2槳葉簡介

晶種分解溶液為固液懸浮溶液，需借助攪拌器的作用，使固體顆粒均勻懸浮在液體中，要求懸浮物完全離開罐底并均勻懸浮起來，由于不能破壞晶種，所以攪拌轉(zhuǎn)速不能太大。目前分解槽的攪拌一般采用IMIG型多層攪拌的結(jié)構(gòu)。IMIG槳葉內(nèi)外漿在攪拌轉(zhuǎn)動時所形成內(nèi)揚(yáng)、外壓的作用，能讓晶種均勻懸浮在液體中且長時間不會沉淀[2]。畢業(yè)論文，種分槽。目前國內(nèi)大部分氧化鋁分解槽攪拌都采用IMIG型攪拌。

3 優(yōu)化改造

槳葉主要由輪轂、內(nèi)漿和外漿三部分組成。以前采用的輪轂為鑄件，由于結(jié)構(gòu)的不對稱性經(jīng)常有鑄造缺陷。2006年以來通過對中鋁河南分公司九組種分槽現(xiàn)場運(yùn)行情況的分析和對IMIG槳葉結(jié)構(gòu)的不斷分析，得出一套適合該槳葉強(qiáng)度計算的方法。通過該方法分別對內(nèi)槳葉和外槳葉進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，節(jié)省了材料，并對輪轂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的全面的改進(jìn)，不僅縮短了制造工期，也大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。

4槳葉強(qiáng)度的計算

為了保證攪拌過程能正常地運(yùn)行，攪拌器必須有足夠的強(qiáng)度。攪拌器強(qiáng)度的計算主要是用來確定攪拌器槳葉的厚度。為了簡化計算首先對運(yùn)行情況進(jìn)行假設(shè)

a 外槳葉承擔(dān)該整層槳葉彎矩

b 設(shè)計過程中不考慮加強(qiáng)筋的作用，其造成的截面數(shù)據(jù)也不予以考慮

c 雙槳葉攪拌具有兩個完全一樣的對稱槳葉，其槳葉計算功率可看作均勻分配于兩個槳葉上，而作用在槳葉上的液體阻力使槳葉產(chǎn)生彎矩，其最大彎矩出現(xiàn)在內(nèi)槳葉和輪轂的連接處。

4.1外槳葉筋板厚度的確定[3]

圖1為IMIG槳葉的受力簡圖。

圖1：IMIG槳葉的受力圖

公式中

在計算該斷面彎矩時需要找到槳葉上液體阻力的合力作用點(diǎn)。液體阻力合力的作用點(diǎn)x0大小可由下式計算。畢業(yè)論文，種分槽。

公式中

M1即是作用于x01處合力對槳葉根部的彎矩。外槳葉端部處斷面的彎矩計算應(yīng)當(dāng)是由下式求得。

θ是外漿葉和水平面的夾角

外槳葉的抗彎截面系數(shù)

外槳葉斷面處的彎曲應(yīng)力，計算應(yīng)力值應(yīng)小于許用應(yīng)力值。

4.2內(nèi)槳葉管子壁厚的確定

內(nèi)槳葉管軸抗彎截面模量

內(nèi)槳葉所受的最大彎矩

內(nèi)槳葉斷面處的彎曲應(yīng)力，計算應(yīng)力值應(yīng)小于許用應(yīng)力值。

4.3槳葉強(qiáng)度計算中的安全系數(shù)

在上述槳葉的強(qiáng)度計算中，沒有涉及到的因素還有不少，如液體的阻力的不均衡性、液體對槳葉的沖擊，槳葉后表面所受到的氣蝕作用等，這些因素都要影響槳葉的強(qiáng)度，所以單從彎曲應(yīng)力來計算槳葉厚度可能還不夠安全。另外制造過程中出現(xiàn)的缺陷也應(yīng)加以考慮。為了保證槳葉在操作中的安全，采用安全系數(shù)的辦法來處理這些問題。畢業(yè)論文，種分槽。根據(jù)槳葉的材料不同，制造工藝不同，槳葉強(qiáng)度計算的安全系數(shù)也不同，碳素鋼一般取n=3。畢業(yè)論文，種分槽。對于底層槳葉，考慮到底層槳葉對整個攪拌的重要性，以及生產(chǎn)過程一旦出現(xiàn)沉槽現(xiàn)象，因此設(shè)計底層槳葉時的彎矩應(yīng)按照電機(jī)功率的50%作為液體阻力合力產(chǎn)生的彎矩。

在一般的產(chǎn)能大于40萬噸氧化鋁的設(shè)備中，種分槽直徑為14m。電機(jī)功率75KW，攪拌轉(zhuǎn)速4.8r/min.槳葉的直徑為8400mm。代入公式求得外槳葉的壁厚為16mm時完全滿足強(qiáng)度要求，內(nèi)槳葉管軸壁厚為20也滿足強(qiáng)度要求。這樣從原來外槳葉24mm的壁厚，內(nèi)槳葉管壁厚28mm變?yōu)楝F(xiàn)在的壁厚，一臺種分槽節(jié)省材料約3000Kg。

5連接槳葉用螺栓的計算

機(jī)械攪拌中槳葉和軸的聯(lián)接大部分都是通過螺栓連接的方式來滿足結(jié)構(gòu)、制造、運(yùn)輸、檢修維護(hù)、安裝等方面的要求。通過對IMIG在攪拌過程中流體作用的觀察得出槳葉的受力情況，以此來計算螺栓的強(qiáng)度。

將槳葉和軸的連接簡化為下面結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖2：載荷與螺栓的布置

5.1受力分析

5.2初定螺栓直徑

由上述公式計算出來的螺栓直徑大于16就滿足要求。考慮剛度及疲勞強(qiáng)度選用M24的螺栓連接。而原來槳葉和軸的連接采用的是M36的雙頭螺柱，一臺種分槽用在槳葉連接上的螺栓數(shù)量約為60個，所以僅此一項(xiàng)的優(yōu)化就節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)件上千元的費(fèi)用。畢業(yè)論文，種分槽。

6.結(jié)束語

改造后的IMIG槳葉較改造前重量減輕，節(jié)約了設(shè)備的成本；結(jié)構(gòu)更加合理、簡單化，使加工更容易，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，同時縮短了加工時間，提高了生產(chǎn)效率，為公司創(chuàng)造了更大的效益。

參考文獻(xiàn)

[1]楊重愚.氧化鋁生產(chǎn)工藝學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1982.

[2]陳聰.氧化鋁生產(chǎn)設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[3]陳志平,章序文,林興華等.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計選用手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.