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【關(guān)鍵詞】機械；優(yōu)化設(shè)計；方法特點

一、機械優(yōu)化概述

機械優(yōu)化設(shè)計是為了適應于不斷發(fā)展的生產(chǎn)現(xiàn)代化而發(fā)展起來的。它建立在數(shù)學規(guī)劃理論和計算機程序設(shè)計基礎(chǔ)上，通過有效的實驗數(shù)據(jù)和科學的評價體系來從眾多的設(shè)計方案中尋到盡可能完善的或最適宜的設(shè)計方案。該領(lǐng)域的研究和應用進展非常迅速，并且取得了可觀的經(jīng)濟效益。那就讓我們關(guān)注機械優(yōu)化設(shè)計中那些重要的量。

1.設(shè)計變量

設(shè)計變量是指在設(shè)計過程中我們必須全面考慮確定的各項獨立參數(shù)，一旦這些設(shè)計參數(shù)全部確定了，設(shè)計方案也就完全確定了。他們在整個設(shè)計過程中相當于一個個變量，變量的多少與數(shù)值大小直接影響著優(yōu)化工作的復雜程度。也就是說，設(shè)計變量數(shù)目越多，設(shè)計空間的維數(shù)越大，優(yōu)化設(shè)計工作也就越復雜，同時效益也越顯著。因此在選擇設(shè)計變量時。必須兼顧優(yōu)化效果的顯著性和優(yōu)化過程的復雜性。

2.約束條件

約束條件是設(shè)計變量間或設(shè)計變量本身應該遵循的限制條件，而優(yōu)化設(shè)計問題大多數(shù)是約束的優(yōu)化問題。針對優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型要素的不同情況，可將優(yōu)化設(shè)計方法進行分類。約束條件的形式有顯約束和隱約束兩種，前者是對某個或某組設(shè)計變量的直接限制，后者則是對某個或某組變量的間接限制。等式約束對設(shè)計變量的約束嚴格，起著降低設(shè)計變量自由度的作用。優(yōu)化設(shè)計的過程就是在設(shè)計變量的允許范圍內(nèi)，找出一組優(yōu)化的設(shè)計變量值，使得目標函數(shù)達到最優(yōu)值。

3.目標函數(shù)

在優(yōu)化設(shè)計過程中，每一個變量之間都存在著一定的相互關(guān)系這就是用目標函數(shù)來反映。他可以直接用來評價方案的好壞。在優(yōu)化設(shè)計中，可以根據(jù)變量的多寡將優(yōu)化設(shè)計分為單目標優(yōu)化問題和多目標優(yōu)化問題，而我們最常見的就是多目標函數(shù)優(yōu)化。

一般而言，目標函數(shù)越多，設(shè)計的綜合效果越好，但問題求解越復雜。在實際的設(shè)計問題中，常常會遇到在多目標函數(shù)的某些目標之間存在矛盾的情況，這就要求設(shè)計者正確處理各目標函數(shù)之間的關(guān)系。對這類多目標函數(shù)的優(yōu)化問題的研究，至今還沒有單目標函數(shù)那樣成熟。

二、機械優(yōu)化設(shè)計的特點

在優(yōu)化設(shè)計過程中，每一種優(yōu)化方法都是針對某一種問題而產(chǎn)生的，都有各自的特點和各自的應用領(lǐng)域。優(yōu)化設(shè)計是以建立數(shù)學模型進行設(shè)計的。它引用了一些新的概念和術(shù)語，如前面所述的設(shè)計變量、目標函數(shù)、約束條件等用來作為機械優(yōu)化設(shè)計的理論依托。設(shè)計師可以將機械設(shè)計的具體要求構(gòu)造成數(shù)學模型，將機械設(shè)計的問題轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)學問題，然后應用理論推理和驗算來找到最優(yōu)解決途徑。優(yōu)化設(shè)計改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方式，開創(chuàng)了應用新的有效的解決機械設(shè)計問題的途徑。傳統(tǒng)設(shè)計方法是被動地重復分析產(chǎn)品的性能，而現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計卻能夠主動設(shè)計產(chǎn)品的參數(shù)，從整體的大局出發(fā)找尋最優(yōu)方案。優(yōu)化設(shè)計的一般過程與傳統(tǒng)設(shè)計方法有所不同。它是以計算機自動設(shè)計選優(yōu)為其基本特征的。借助于計算機的高速高效率，我們可以可以從大量的方案中選出最優(yōu)方案。

作為一項設(shè)計不僅要求方案可行、合理，而且應該是一些指標達到最優(yōu)的理想方案，這樣才能使機械產(chǎn)品為企業(yè)帶來可觀效益。

三、優(yōu)化設(shè)計方法的評判指標

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計中所要解決問題的特點，選擇適當?shù)膬?yōu)化方案是非常關(guān)鍵的。因為解決同一個問題可能有多種方法，而每一種方法也有可能會導致不同的結(jié)果，而我們需要的是可以更加體現(xiàn)生產(chǎn)目標的最優(yōu)方案。所以我們在選擇方案時一定要考慮一下四個原則：（1）效率要高。（2）可靠性要高。（3）采用成熟的計算程序。（4）穩(wěn)定性要好。另外選擇適當?shù)膬?yōu)化方法時要進行深入的分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標函數(shù)，根據(jù)復雜性、準確性等條件結(jié)合個人的經(jīng)驗進行選擇。優(yōu)化設(shè)計的選擇取決于數(shù)學模型的特點，通常認為，對于目標函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計變量個數(shù)不太多的問題，采用懲罰函數(shù)法較好；對于只含線性約束的非線性規(guī)劃問題，最適應采用梯度投影法；對于求導非常困難的問題應選用直接解法，例如復合形法；對于高度非線性的函數(shù)，則應選用計算穩(wěn)定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內(nèi)點懲罰函數(shù)相結(jié)合的方法。

四、結(jié)論

機械優(yōu)化設(shè)計作為傳統(tǒng)機械設(shè)計理論基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計方法而出現(xiàn)的一種更科學的優(yōu)化設(shè)計方法，可使機械產(chǎn)品的質(zhì)量達到更高的水平。近年來，隨著數(shù)學規(guī)劃理論的不斷發(fā)展和工作站計算能力的不斷挖掘，機械優(yōu)化設(shè)計方法和手段都有非常大的突破。且優(yōu)化設(shè)計思路不斷的開闊?？傊恳环N優(yōu)化設(shè)計方法都是針對某一類問題而產(chǎn)生的，都有各自的特點，都有各自的應用領(lǐng)域，機械優(yōu)化設(shè)計就是在給定的載荷和環(huán)境下，在對機械產(chǎn)品的性能、幾何尺寸關(guān)系或其它因素的限制范圍內(nèi)，選取設(shè)計變量，建立目標函數(shù)并使其獲得最優(yōu)值的一種新的設(shè)計方法，其方法多樣依據(jù)不同情形選擇合理的優(yōu)化方法才能更簡便高效的達到目標。當今的優(yōu)化正逐步的發(fā)展到多學科優(yōu)化設(shè)計，充分利用了先進計算機技術(shù)和科學的最新成果。所以機械優(yōu)化設(shè)計的研究必須與工程實踐、數(shù)學、力學理論、計算機緊密聯(lián)系起來，才能具有更廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

[1]范垂本，陳立周，吳清一.機械優(yōu)化設(shè)計方法[J].機械制造，1981（03）.

[2]宋志強.機械優(yōu)化設(shè)計方法綜述[J].呼倫貝爾學院學報，2012（10）.

[3]周繼惠，曹青松，宋京偉，鐘建偉.傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法和遺傳算法的比較[J].華東交通大學學報，2002（12）.

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關(guān)鍵詞 優(yōu)化方法 特點 選擇

中圖分類號：THl65.3 文獻標識碼：A

1機械設(shè)計優(yōu)化方法的介紹

優(yōu)化方法是隨著計算機的應用而迅速發(fā)展起來，較早應用于機械工程等領(lǐng)域的設(shè)計。采用優(yōu)化方法，既可以使方案在規(guī)定的設(shè)計要求下達到某些優(yōu)化的結(jié)果，又不必耗費過多的計算工作量，因而得到廣泛的重視，其應用也越來越廣。優(yōu)化方法的發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)值法、數(shù)值分析法和非數(shù)值分析法三個階段。近年來發(fā)展起來的計算機輔助設(shè)計，在引入優(yōu)化設(shè)計方法后，使得在設(shè)計工程中既能夠不斷選擇設(shè)計參數(shù)并評選出最優(yōu)設(shè)計方案，又可加快設(shè)計速度，縮短設(shè)計周期。在科學技術(shù)發(fā)展要求機械產(chǎn)品日益更新的今天，把優(yōu)化設(shè)計方法與計算機輔助設(shè)計結(jié)合起來，使設(shè)計工程完全自動化，已成為設(shè)計方法的一個重要發(fā)展趨勢。

2機械設(shè)計優(yōu)化方法的分類及特點

2.1無約束優(yōu)化設(shè)計法

無約束優(yōu)化設(shè)計是沒有約束函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。無約束可以分為兩類，一類是利用目標函數(shù)的一階或二階導數(shù)的無約束優(yōu)化方法；另一類是只利用目標函數(shù)值的無約束優(yōu)化方法。

2.2約束優(yōu)化設(shè)計法

優(yōu)化設(shè)計問題大多數(shù)是約束的優(yōu)化問題，根據(jù)處理約束條件方法的不同可分為直接法和間接法。直接法常見的方法有復合形法、約束坐標輪換法和網(wǎng)絡法等。其內(nèi)涵是構(gòu)造一個迭代過程，使每次的迭代點都在可行域中，同時逐步降低目標函數(shù)值，直到求得最優(yōu)解。間接法常見的有懲罰函數(shù)法、增廣乘子法。它是將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成無約束優(yōu)化問題，再通過無約束優(yōu)化方法來求解，或者非線性優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成線性規(guī)劃問題來處理。

2.3遺傳算法

遺傳算法是一種非確定性的擬自然算法，它仿造自然界生物進化的規(guī)律，對一個隨機產(chǎn)生的群體進行繁殖演變和自然選擇，適者生存，不適者淘汰，如此循環(huán)往復，使群體素質(zhì)和群體中個體的素質(zhì)不斷演化，最終收斂于全局最優(yōu)解。最近幾年中遺傳算法在機械工程領(lǐng)域也開展了多方面的應用，主要表現(xiàn)在：機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；可靠性分析；故障診斷；參數(shù)辨識；機械方案設(shè)計。遺傳算法盡管已解決了許多難題，但還存在許多問題，如算法本身的參數(shù)優(yōu)化問題、如何避免過早收斂、如何改進操作手段或引入新的操作來提高算法的效率、遺傳算法與其它優(yōu)化算法的結(jié)合問題等。

2.4 蟻群算法

蟻群算法是受自然界中真實蟻群的集體行為的啟發(fā)而提出的一種基于群體的模擬進化算法。蟻群算法對系統(tǒng)優(yōu)化問題的數(shù)學模型沒有很高的要求，只要可以顯式表達即可，避免了導數(shù)等數(shù)學信息，使得優(yōu)化過程更加簡單，遍歷性更好，適合非線性問題的求解。

2.5模擬退火算法

模擬退火算法是一個全局最優(yōu)算法，以優(yōu)化問題的求解與物理系統(tǒng)退火過程的相似性為基礎(chǔ)，適當?shù)目刂茰囟鹊南陆颠^程實現(xiàn)模擬退火，從而達到求解全局優(yōu)化問題的目的。模擬退火算法是一種通用的優(yōu)化算法，用以求解不同的非線性問題；對不可微甚至不連續(xù)的函數(shù)優(yōu)化，能以較大概率求得全局優(yōu)化解；并且能處理不同類型的優(yōu)化設(shè)計變量（離散的、連續(xù)的和混合型的）；不需要任何的輔助信息，對目標函數(shù)和約束函數(shù)沒有任何要求。

3機械設(shè)計優(yōu)化方法的選擇

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計問題的特點（如約束問題），選擇適當?shù)膬?yōu)化方法是非常關(guān)鍵的，因為同一個問題可以有多種方法，而有的方法可能會導致優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果不符合要求。選擇優(yōu)化方法有四個基本原則：效率要高、可靠性要高、采用成熟的計算程序、穩(wěn)定性要好。另外選擇適當?shù)膬?yōu)化方法還需要個人經(jīng)驗，深入分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標函數(shù)，根據(jù)復雜性、準確性等條件對它們進行正確的選擇和建立。優(yōu)化設(shè)計的選擇取決于數(shù)學模型的特點，通常認為，對于目標函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計變量個數(shù)不太多的問題，采用懲罰函數(shù)法較好；對于只含線性約束的非線性規(guī)劃問題，最適應采用梯度投影法；對于求導非常困難的問題應選用直接解法；對于高度非線性的函數(shù)，則應選用計算穩(wěn)定性較好的方法。

機械優(yōu)化設(shè)計作為傳統(tǒng)機械設(shè)計理論基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計方法而出現(xiàn)的一種更科學的優(yōu)化設(shè)計方法，可使機械產(chǎn)品的質(zhì)量達到更高的水平。近年來，隨著數(shù)學規(guī)劃理論的不斷發(fā)展和工作站計算能力的不斷挖掘，機械設(shè)計優(yōu)化方法和手段都有非常大的突破。且優(yōu)化設(shè)計思路不斷的開闊，仿生學理論、基因遺傳學理論和人工智能優(yōu)化等現(xiàn)代設(shè)計理論的引入，都大大促進優(yōu)化設(shè)計方法的更新和完善。機械設(shè)計優(yōu)化給機械工程界帶來了巨大經(jīng)濟效益，隨著技術(shù)更新和產(chǎn)品競爭的加劇，優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展前景非常的廣闊。

參考文獻

[1] 孫靖民.現(xiàn)代機械設(shè)計方法[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2011.

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關(guān)鍵詞：高速公路；公路養(yǎng)護；施工決策；最優(yōu)化設(shè)計

前言

所謂高速公路養(yǎng)護施工決策最優(yōu)化設(shè)計，實質(zhì)上是指利用有限的養(yǎng)護資金，把高速公路路面發(fā)揮到最優(yōu)質(zhì)的服務水平，或者從另一角度來看，即把高速公路路面產(chǎn)生最大的經(jīng)濟效益。最優(yōu)化的高速公路養(yǎng)護施工決策，在傳統(tǒng)的決策模式上有所創(chuàng)新，有利于降低資金的投入和減少二次施工對非保養(yǎng)路段的損害，更符合決策所要求的系統(tǒng)化、科學化和現(xiàn)代化。就目前我國高速公路養(yǎng)護施工決策常用的優(yōu)化方法，可分為數(shù)學規(guī)劃的優(yōu)化方法，目前在我國應用最廣和人工智能的優(yōu)化方法兩大類，其中人工智能的優(yōu)化方法又稱遺傳算法。再者，高速公路路面養(yǎng)護施工決策設(shè)計分為單目標路面養(yǎng)護決策和多目標路面養(yǎng)護決策兩種。

1 高速公路路面損壞的常見原因

1.1 路面出現(xiàn)裂縫 由于高速公路長期荷載車流量過高，導致部分路段嚴重變形，甚至出現(xiàn)路面沉陷，出現(xiàn)裂縫。有些路段由于未能及時養(yǎng)護，常導致坑洞磨損等現(xiàn)象，加速高速公路結(jié)構(gòu)的破壞。

1.2 路面結(jié)構(gòu)完整性被破壞 由于我國大部分高速公路的建設(shè)參照傳統(tǒng)的方式，一些項目指標未能按照國際標準去執(zhí)行。如耐久性設(shè)計、抗疲勞損傷設(shè)計、減隔震技術(shù)設(shè)計、路面狀況指數(shù)PCI、行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、路面強度系數(shù)PSSI、行駛安全指數(shù)SRI等方面的測度和評價存在不足，容易忽略這些不足對高速公路路面的影響[1]。

1.3 施工材料選擇不當 傳統(tǒng)的高速公路特別注重整體的穩(wěn)定性，所以把建設(shè)工程的目標放在提高整體路面的硬度任務上。過硬的公路路面容易產(chǎn)生裂痕，不利于瀝青的攤鋪，且增大路面損壞的密度[1]。

2 高速公路養(yǎng)護施工決策最優(yōu)化設(shè)計模型

高速公路的養(yǎng)護措施決策優(yōu)化包括兩個方面，即高速公路養(yǎng)護管理體系的最優(yōu)化和機械組合的最優(yōu)化。這就需要對高速公路的使用添加一定的約束條件，例如瀝青路面損壞程度的約束、車流量通行的約束等。

2.1 高速公路養(yǎng)護施工管理與機械組合要求和約束指標 該要求的優(yōu)化目標是尋找有效的養(yǎng)護對策，在約束條件的限制下，指定維修和路面養(yǎng)護計劃。所要求的數(shù)據(jù)資料有交通量、路段長度、路面類型、設(shè)備租買、材料預計、人力準備、路面狀況各個評價指標等。對于路面養(yǎng)護施工管理系統(tǒng)，主要是協(xié)調(diào)各個部門的人力資源、設(shè)備、材料等對路況進行調(diào)查、評價，在相應時間內(nèi)作出效果最佳的養(yǎng)護對策和計劃。

高速公路的不同路面狀況、不同路面損壞類型、不同路面損壞密度都會影響到?jīng)Q策的設(shè)計，一些相關(guān)的約束指標因此受到重視。日常養(yǎng)護維修的施工時間應在2 - 4 （h? km -1），施工成本應控制在0.5 （萬元?km -1 ）。局部挖補、鋪蓋3cm罩面耗時較短，稀漿封層和磨耗層耗時比較長。引用數(shù)學期望E值來測評高速公路養(yǎng)護的決策。對于高速公路路面狀況基本良好，但抗滑性能不足，E值在30，此時可安排日常維修。對于路面凹凸不平、接縫處平整性不足、路面破損較為嚴重，則需采取局部或者大面銑刨，鋪蓋稀漿封層以及磨耗層。

2.2 高速公路養(yǎng)護施工管理系統(tǒng)流程 高速公路路面養(yǎng)護的管理系統(tǒng)流程包括調(diào)查儀器的采用、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳送等。采用相關(guān)電腦數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件，打開最優(yōu)值的計算程序，負責人僅需把高速公路各路段的數(shù)據(jù)收集好并錄入Access數(shù)據(jù)庫中，記錄成表，根據(jù)路況的路線確定每一個區(qū)段的養(yǎng)護時間、資金的合理分配以及相關(guān)工作人員的合理安排，以便于分析和觀察。在明確給定的養(yǎng)護資金限額下，用線性規(guī)劃確定每一個區(qū)段的最優(yōu)養(yǎng)護施工的短期、中期、長期養(yǎng)護計劃，大大提高公路使用的耐久性并且有效地控制養(yǎng)護資金。最后，由負責人在電腦上輸出高速公路每一個區(qū)段的最佳資金分配、最佳工作人數(shù)分配、時間的最佳安排。此過程可進行不斷地修改與調(diào)整，路況的現(xiàn)實情況也可作為一個反饋促進養(yǎng)護施工設(shè)計的優(yōu)化。

2.3 高速公路掩護施工組織與機械組合最優(yōu)化設(shè)計

2.3.1 組合安全作業(yè)最優(yōu)化設(shè)計 解決組合安全作業(yè)最優(yōu)化設(shè)計的理論依據(jù)是數(shù)學模型?？稍O(shè)定路面不同損壞程度為A 1，A 2，A 3 ……，A m，養(yǎng)護方法和機械的組合方式有B 1，B 2，B3，……，B n ，因此針對每種損壞程度所采用的養(yǎng)護方法和機械組合可設(shè)定為a ij ，施工時間可用b m 表示，以養(yǎng)護方法所需的時間為施工決策的變量 X j。得公式如下：

Min Z = x 1 + x 2 + x 3 + …… + x n

∑a ij x n ≥ b m

（n = 1 ， 2 ， 3 ，……，N）

2.3.2 組合使用成本最優(yōu)化設(shè)計 和組合安全作業(yè)最優(yōu)化設(shè)計方法一樣，設(shè)定路面的不同損壞類型分別為，A 1，A 2，A 3 ……，A m，養(yǎng)護方法和養(yǎng)護機械的組合方式為B 1，B 2，B3，……，B n ，針對每一種路面損壞類型所采用相應的養(yǎng)護方法和養(yǎng)護器械組合為a ij ，為使施工成本降到最優(yōu)值，設(shè)定施工成本為b’m 。高速公路養(yǎng)護施工組織與養(yǎng)護器械組合投資成本最優(yōu)化的數(shù)學模型公式如下：

Min Z = x 1 + x 2 + x 3 + …… + x n

∑a ij x n ≥ b’m

（n = 1 ， 2 ， 3 ，……，N）

2.4 瀝青路面攤鋪 對于瀝青的攤鋪要選擇恰當?shù)臄備仚C，所采用的原料要嚴格檢驗。此外，還要按照指示邊樁和標高進行攤鋪，控制好地基鋪筑厚度，使得橋路接縫處更順治、緊密。熱拌瀝青混合料的攤鋪要嚴格按照操作規(guī)程控制，對每個路面保養(yǎng)區(qū)段分配專人進行檢查，其內(nèi)容主要包括壓實溫度、瀝青混合料的顏色、配比情況，對每一項檢查均認真做好記錄。當施工環(huán)境氣溫大于等于10°C時，瀝青的攤鋪溫度應大于等于120°C，碾壓開始的溫度應大于等于110°C，碾壓后的溫度應降低到70°C以下。熱拌瀝青混合料的碾壓順序由橋梁接縫處開始碾壓全路，機械應選擇輕型，然后進行第二次復壓，機械改為重型，最后一次終壓，機械改為輕型，機械輪跡重疊寬度不應該超過200 mm。

結(jié)束語

高速公路路面的養(yǎng)護施工是工程的重要環(huán)節(jié)，其對于提高公路使用的安全性、耐久性、適用性有著非常大的幫助。對于高速公路養(yǎng)護施工組織與機械的最優(yōu)化組合決策，就是把施工方案的執(zhí)行更加符合經(jīng)濟性和合理性。從組合安全作業(yè)最優(yōu)化和使用成本最優(yōu)化這兩方面進行施工決策設(shè)計，提供的數(shù)學模型能高效地解決路面斷裂、翻漿、接縫處出現(xiàn)橫裂或者資金有限、分配不足等問題。完善的高速公路養(yǎng)護施工管理系統(tǒng)流程有利于負責人把項目的每一環(huán)把握到位，提高施工的效率，減少成本，使現(xiàn)有資金得到高效分配。

不同高速公路損壞路段有不同的養(yǎng)護方案和養(yǎng)護工具，施工者應具體問題具體分析，選擇最優(yōu)的養(yǎng)護方案和養(yǎng)護工具，作出最優(yōu)化的決策。

篇4

關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu)；機械 工程；設(shè)計

中圖分類號：TH122文獻標識碼： A 文章編號：

引言

如前所述，在船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計中能用到的變量都有好幾個限定條件，多個限定條件使得優(yōu)化結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)一些問題，為解決相關(guān)問題應選用有效的離散變量。在船舶結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計中，主要參考現(xiàn)代數(shù)學理論、計算機技術(shù)以及工程的一些特征作為其未來的發(fā)展方向或前景。綜觀以往研究，國外更加注重開發(fā)優(yōu)化算法，在規(guī)范設(shè)計、數(shù)據(jù)設(shè)計以及專家經(jīng)驗的運用方面有所忽視。機械 工程在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用減少了用戶的計算量以及對經(jīng)驗和機械 的需求，很大程度上提高了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的水平。

基本原理介紹

結(jié)構(gòu)設(shè)計中機械 工程的應用

作為一種工程理論，機械 工程實現(xiàn)了機械 在不同領(lǐng)域的多重使用，它以將在相關(guān)領(lǐng)域長期實踐經(jīng)驗總結(jié)得到的相關(guān)標準嵌入新型軟件為核心，通過推理和邏輯分析達到產(chǎn)品設(shè)計的目的。

對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時，要求在條件限制下，設(shè)計一組包含數(shù)學函數(shù)以及其變量等參考數(shù)據(jù)，以便滿足目標最優(yōu)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計中運用機械 工程能夠幫助用戶在最初目標函數(shù)的基礎(chǔ)上進項設(shè)計，以求在參數(shù)的不斷變化中找到最佳設(shè)計方案。

機械 工程的關(guān)鍵在于其對機械 的表示、獲取和推理。實現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應用機械 工程要能夠利用技術(shù)獲取機械 ，然后能夠?qū)⑺脵C械 按某種形式轉(zhuǎn)化為計算機語言，最后在遇到具體問題時充分利用存儲庫中的機械 加以解決。

建立機械 庫

作為機械 的集合，機械 庫中儲存了大量的案例、規(guī)則和積累的經(jīng)驗。在機械 庫建立過程中，首先要對相關(guān)文獻以及經(jīng)驗進行整理劃分，將相關(guān)機械 按某種類別加以劃分，最后整理出針對不同問題的解決對策，并將其存入數(shù)據(jù)庫，作為機械 儲備。在獲取機械 時可以根據(jù)不同情況采用不同的方法，既可以向相關(guān)行業(yè)專家咨詢，也可以查閱文獻，不斷進行歸類整理。機械 庫的建立就是要為用戶解決問題、利用機械 提供有效的渠道。

相關(guān)概念的界定

結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理、是否符合制定的標準，需要我們通過一定的標準、規(guī)則和公式來進行檢查。以下是對相關(guān)概念的界定：

表格設(shè)計。其用來表示不同產(chǎn)品的不同性能，由于產(chǎn)品的大小、形狀各不相同，因此將產(chǎn)品的各種特性編制成表格更能清晰的反應出來，為產(chǎn)品的設(shè)計提供依據(jù)。

規(guī)則設(shè)計。其主要指活動中各項具體規(guī)則的制定。

檢查設(shè)計。通過該設(shè)計能實現(xiàn)對信息的快速判斷。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程與策略

流程設(shè)計

船舶體積龐大，在設(shè)計過程中會用到相關(guān)離散變量，諸如板材的樣式、厚度、寬度等。這些變量學科關(guān)聯(lián)度高、對設(shè)計的要求高、需要設(shè)定的限定條件也多，這使得設(shè)計中多峰性以及非線性問題嚴重。因此，在該設(shè)計中需要大量的計算以及數(shù)據(jù)的存儲，這樣耗費的時間過長。在將機械 工程引入以后，有效的解決了這些問題，在機械 庫中構(gòu)建并存儲有關(guān)船舶設(shè)計的專家經(jīng)驗、規(guī)范要求以及相關(guān)數(shù)據(jù)使得模型設(shè)計與參數(shù)實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。

專家指出船舶支架中的約束條件較為保守，只有滿足限定條件才能達到較好的設(shè)計效果。對于有些結(jié)構(gòu)較小的部件，由于其占據(jù)船舶重量的比例較小，對設(shè)計產(chǎn)生較小的影響，因此再設(shè)計時可將其作為已經(jīng)變量，重點放在對傳播者橫踢影響較大的部件上，這樣能夠大大提高效率，縮短設(shè)計的時間。

（二）策略設(shè)計

在設(shè)計船舶橫艙結(jié)構(gòu)時除了需要用到離散變量以外，會用到隨機變量。由于在該設(shè)計中用到標準化的材料，因此要在機械 庫中選擇標準材料；對于水平與垂直材料的焊接，應該選擇隨機變量來衡量材料的厚度和高度；在依據(jù)相關(guān)規(guī)范對船舶橫艙進行設(shè)計以后，很容易發(fā)現(xiàn)其中的限定條件多為限制橫艙材料的厚度；剖面模數(shù)主要限制垂直材料；除此之外，板材的高度和厚度也要形成一定比例。在設(shè)計過程中還要充分考慮局部設(shè)計的穩(wěn)定性，材料厚度設(shè)計要結(jié)合機械 庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)來進行。

在具體設(shè)計中，可以將船舶橫艙的高度以及寬度設(shè)定為已知參數(shù)，依據(jù)機械 庫中存儲的數(shù)據(jù)對其賦值。變量主要是指在設(shè)計時能變動的參數(shù)，變動的所有數(shù)值將會有具體的方案與之相對。因此在設(shè)計時要使板材的參數(shù)與表格設(shè)計中的參數(shù)相對，分別對厚度、高度、寬度設(shè)置參數(shù)。限定條件的設(shè)計主要是針對剖面模數(shù)的限制以及材料和工藝穩(wěn)定性的限制。設(shè)計中也需要注意公式以及模型的編寫，這時機械 庫的作用尤為明顯。借助機械 庫中儲存的規(guī)則、公式進行結(jié)構(gòu)規(guī)劃，能夠有效的避免公式的重復編寫，減小了計算量，同時保護了企業(yè)的資產(chǎn)。

通過建立數(shù)據(jù)和限定條件、選取相關(guān)的模型，將會實現(xiàn)機械 理論向數(shù)學模型的轉(zhuǎn)變。優(yōu)化設(shè)計應以減輕船舶重量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益為目標。同時該設(shè)計也豐富了機械 庫中經(jīng)驗的積累，實現(xiàn)了機械 和資源的有效共享。機械 工程在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用，在更大程度上提升了結(jié)構(gòu)設(shè)計的水平。

結(jié)束語

綜上所述，機械 工程在船舶設(shè)計中的應用，有效的解決了許多設(shè)計方面的問題或難題。同時，數(shù)據(jù)與限定條件的建立以及模型的選取，真正實現(xiàn)了機械 理論向數(shù)學模型的轉(zhuǎn)變。在優(yōu)化設(shè)計過程中，船舶的重量在不斷減小，生產(chǎn)的投入也在不斷降低，而經(jīng)濟效益與實踐經(jīng)驗卻在日益提高，可以說有效實現(xiàn)了機械 與資源的共享。所以，我們一定要積極推動機械 工程在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中的有效應用，爭取取得更好的應用效果。

參考文獻：

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[3]崔進舉,王德禹,夏利娟,馬沖.基于機械 工程的船舶舯剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化[J].上海交通大學學報.2012（03）.

篇5

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791 （2010)04(a)-0000-00

機械設(shè)計是根據(jù)使用要求對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、方法等進行構(gòu)思、分析和計算并將這些轉(zhuǎn)化為具體的描述以人為制造依據(jù)的工作過程。傳統(tǒng)的機械設(shè)計也稱常規(guī)設(shè)計，是一種以強度和低壓控制為中心的安全系數(shù)設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計、類比設(shè)計和機電分離設(shè)計。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代機械產(chǎn)品設(shè)計更加強調(diào)創(chuàng)造性，在注重整體功能的基礎(chǔ)上以現(xiàn)代化的設(shè)計方法和計算機技術(shù)作為工具，提高了設(shè)計的質(zhì)量、效率和精度，滿足了產(chǎn)品對經(jīng)濟性、適應性和可靠性統(tǒng)一的要求。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，現(xiàn)代機械設(shè)計在功能、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計要求方面都有明顯的優(yōu)勢。

一、現(xiàn)代設(shè)計方法和傳統(tǒng)設(shè)計方法比較

1、傳統(tǒng)的設(shè)計方法。傳統(tǒng)設(shè)計方法以直覺設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計、靜態(tài)設(shè)計為基礎(chǔ)，所使用的設(shè)計方法有理論設(shè)計和經(jīng)驗設(shè)計兩種。（1)根據(jù)長期總結(jié)出來的設(shè)計理論和實驗數(shù)據(jù)所進行的設(shè)計稱為理論設(shè)計。實際情況往往復雜多變，理論設(shè)計對問題的考慮不夠全面，若安全系數(shù)選擇過大，則產(chǎn)品可能超大。若安全系數(shù)過小，又很難保證產(chǎn)品的安全性。（2)經(jīng)驗設(shè)計指根據(jù)某類零件已有的設(shè)計方法與經(jīng)驗關(guān)系式，或者按照設(shè)計者個人的工作經(jīng)驗用類比方法進行的設(shè)計。隨著設(shè)計產(chǎn)品的技術(shù)含量不斷提高，技術(shù)系統(tǒng)變得越來越復雜，產(chǎn)品更新的速度也在逐漸加快，經(jīng)驗類比的設(shè)計方法已遠遠不能滿足市場的需求。

2、現(xiàn)代機械設(shè)計方法?，F(xiàn)代設(shè)計方法是以思維科學、設(shè)計理論系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，以計算機作為工具的各種技術(shù)和程序的總和。與傳統(tǒng)設(shè)計方法比較，傳統(tǒng)設(shè)計是靜態(tài)系統(tǒng)、以經(jīng)驗作為方法，純手工手段的；現(xiàn)代設(shè)計是動態(tài)系統(tǒng)，以科學為方法，用計算機手段。在設(shè)計方法上，與傳統(tǒng)機械設(shè)計相比現(xiàn)代設(shè)計在機械零件的設(shè)計上更可靠、更優(yōu)化。

現(xiàn)代設(shè)計將傳統(tǒng)設(shè)計方法中涉及到的設(shè)計變量如材料強度、尺寸、應力等，當成服從某種分布的隨機變量，并根據(jù)產(chǎn)品的可靠性指標要求，用概率統(tǒng)計的方法得出零部件和元器件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸。根據(jù)概率論的觀點，安全系數(shù)必須和對應的可靠性聯(lián)系起來才有意義。如：按傳統(tǒng)設(shè)計法，安全系數(shù)大于1的零件是不應該失效的，而實際應用中，安全系數(shù)很大的零件也有可能發(fā)生失效。按傳統(tǒng)的設(shè)計方法，對絕大多數(shù)零件(如齒數(shù)、輪齒寬、螺旋角等)的設(shè)計結(jié)果雖然在剛度、強度兩方面滿足了設(shè)計要求，往往因為經(jīng)驗性和盲目性，很難達到最優(yōu)化結(jié)果?，F(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計跳出了傳統(tǒng)的設(shè)計思維，在符合一系列條件的前提下，求出滿足最優(yōu)效果的設(shè)計參數(shù)解。

此外，傳統(tǒng)設(shè)計往往需要人工資料檢索、手工計算和繪圖，需要耗費較多的時間和人力，設(shè)計質(zhì)量受到影響。計算機輔助集合人的經(jīng)驗和智慧，將計算機的高速運算功能和人的創(chuàng)造力結(jié)合起來，加速了設(shè)計進程。

二、現(xiàn)代機械設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計特點比較

現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展與計算機的廣泛應用，使現(xiàn)代機械設(shè)計形成了自己的理論方法和體系，匯集了多個專業(yè)和領(lǐng)域的知識，成為一門交叉學科。與傳統(tǒng)的機械設(shè)計相比，現(xiàn)代機械設(shè)計具有很多明顯的優(yōu)點。

1、傳統(tǒng)機械設(shè)計思維比較被動，現(xiàn)代機械設(shè)計具有較強的主動性。傳統(tǒng)設(shè)計依靠靈感和經(jīng)驗，思維往往比較被動。而隨著現(xiàn)代技術(shù)的迅速發(fā)展和市場競爭的日益激烈，人們必須不斷的提出新的、大膽的開發(fā)目標和設(shè)想，并運用現(xiàn)有的最新科學技術(shù)創(chuàng)造出全新的產(chǎn)品。傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗的設(shè)計已經(jīng)不能適應這一需求?，F(xiàn)代設(shè)計在進行研究創(chuàng)造設(shè)計思維本身的規(guī)律時，運用靈感、方案、優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)生的內(nèi)在邏輯，并由此產(chǎn)生了創(chuàng)造學、價值工程、設(shè)計方法學等理論。

2、傳統(tǒng)設(shè)計注重機械本身預定功能的實現(xiàn)，現(xiàn)代機械設(shè)計要求把對象置身于大系統(tǒng)中，并對系統(tǒng)作出設(shè)計，將預定的功能在人—機—環(huán)境之間進行合理分配。充分考慮到人的生理和心理因素，力求在人際之間做出最佳設(shè)計。此外，現(xiàn)代設(shè)計還考慮到機械從原料圖區(qū)、加工裝配、投入使用至報廢回收等全部生命周期中各個階段與環(huán)境的關(guān)系，以減少對自然環(huán)境的傷害并保證生態(tài)平衡。

3、現(xiàn)代機械設(shè)計強化了傳統(tǒng)機械設(shè)計對強度準則的要求。有限單元法和斷裂力學等領(lǐng)域的研究成果在現(xiàn)代機械設(shè)計中的應用，強化了設(shè)計者強度設(shè)計的能力，現(xiàn)代設(shè)計的準則也因此拓寬到產(chǎn)品設(shè)計的更多領(lǐng)域?，F(xiàn)代消費者對產(chǎn)品的需求從實用需求上升到物質(zhì)與精神享受并重的層次，對現(xiàn)代機械設(shè)計提出了藝術(shù)和美學方面的要求。

4、傳統(tǒng)設(shè)計歷時長、耗費大，現(xiàn)代機械設(shè)計周期短，耗費低。傳統(tǒng)機械設(shè)計一般先根據(jù)目標和任務做出第一個方案并造出樣機，然后對樣機評定、考核，進行修改，形成第二套方案，如此反復，到滿意為止，設(shè)計過程周期長、耗費高。現(xiàn)代設(shè)計根據(jù)各種給定的條件，運用優(yōu)化設(shè)計的原理和方法，借助計算機求取最佳設(shè)計參數(shù)和設(shè)計方案。在現(xiàn)代設(shè)計中，優(yōu)化意識還延伸到產(chǎn)品的總體方案論證，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計各個方面，并產(chǎn)生了遺傳算法、模糊算法等許多新的理論方法。

5、傳統(tǒng)設(shè)計受思維進度的約束，現(xiàn)代機械設(shè)計利用計算機改變了這一缺陷。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，從概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計到編制工藝、計算工時成本，有許多部門用串行工作方法參與，需要一個漫長的過程，而現(xiàn)代的并行設(shè)計技術(shù)，使人們在作出一個方案的設(shè)計時，通過計算機網(wǎng)絡同時獲得后續(xù)過程相關(guān)信息，使設(shè)計者有可能及時修改方案，尋求一個全面、綜合的優(yōu)化方案。

三、小結(jié)

現(xiàn)代機械與傳統(tǒng)設(shè)計相比，在功能、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計要求方面都有明顯的優(yōu)勢，改變并完善了傳統(tǒng)機械設(shè)計的缺陷。它將許多學科和領(lǐng)域融合，并將這些技術(shù)在現(xiàn)實機械中實現(xiàn)了完美的結(jié)合。但現(xiàn)代機械設(shè)計不僅僅個人行為，在設(shè)計群體中，所有成員都應掌握現(xiàn)代機械設(shè)計的有關(guān)知識，做到相互了解和配合，并建立全局觀念，才能實現(xiàn)現(xiàn)代機械的完美設(shè)計。

參考文獻：

[1] 胡玲鳳.現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)在機械設(shè)計中的應用分析[J]. 農(nóng)機化研究, 2005(6):92-96.

篇6

（長沙市規(guī)劃設(shè)計院，長沙410007）

摘要：建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對于項目的成本控制起著重要的作用。在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中引入價值工程理論，通過功能成本分析，將技術(shù)問題與經(jīng)濟問題緊密結(jié)合，以最低的成本費用，可靠地實現(xiàn)產(chǎn)品的必要功能，從而提高產(chǎn)品的價值，彌補設(shè)計工作的不足。本文通過價值工程在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的使用，說明價值工程在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的意義，確保有效優(yōu)選。

關(guān)鍵詞 ： 建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；價值工程

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）24-0130-02

作者簡介：羅利波（1978-），男，湖南長沙人，高級工程師，研究方向為結(jié)構(gòu)設(shè)計及加固。

1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計概述

1.1 傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，過程大致是根據(jù)經(jīng)驗給出一個設(shè)計方案和做法，用力學方法進行結(jié)構(gòu)分析，檢驗結(jié)構(gòu)及構(gòu)件是否滿足規(guī)范規(guī)定的強度、剛度、穩(wěn)定性、使用等方面的要求，或通過對少數(shù)幾個方案進行比較而選出可用方案。通常的步驟是假設(shè)、分析、校核、重新設(shè)計。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計理論研究始于六十年代，1973年錢令希教授發(fā)表《結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的近展》，將數(shù)學規(guī)劃法和準則法結(jié)合在一起，假定結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于滿應力狀態(tài)，分別對構(gòu)件進行優(yōu)化。由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要性，很多學者對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計做出大量的研究，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論研究不斷發(fā)展。1982年，錢令希教授在《我國結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)況》中詳細總結(jié)了這十年的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究和應用方面的成果，為我國進行優(yōu)化設(shè)計研究指明方向。2001年，大連召開第四屆WCSMO會議，30多個國際200多位學者參加了會議，會議內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)與多學科問題的靈敏度計算、分析計算、優(yōu)化設(shè)計及其工程應用等。

目前，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要指結(jié)構(gòu)綜合與優(yōu)選，過程大致是假設(shè)、分析、修改設(shè)計、最優(yōu)設(shè)計，這種修改設(shè)計是在滿足各種規(guī)范或特定要求的條件下，通過優(yōu)化方法，從管理、技術(shù)、經(jīng)濟各方面綜合考慮，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序、應用優(yōu)化理論方法，找出最優(yōu)級的方案（材料最省、造價最低、或某些指標最佳的方案），以達到最優(yōu)目標。

1.3 大師對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的看法

中國工程院院士江歡成：“我國優(yōu)化設(shè)計工作方興未艾，大有可為。它符合可持續(xù)發(fā)展和科教興國兩大戰(zhàn)略，它是我國建設(shè)方針的體現(xiàn)，是科學發(fā)展觀在建筑行業(yè)中的落實。優(yōu)化設(shè)計工作，私企、民企對此態(tài)度積極，國企相對不夠重視。建議政府給予支持”。

中國工程院院士程耿東：“在建筑領(lǐng)域應用優(yōu)化設(shè)計，不僅可行而且十分符合節(jié)約能源，保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展觀。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計作為一種基于計算機的快速自動設(shè)計過程，可以在滿足規(guī)范等約束條件下得到優(yōu)化的設(shè)計方案，降低成本造價，提高結(jié)構(gòu)性能。增大使用空間，縮短施工工期，是設(shè)計者追求的終極目標，在建筑領(lǐng)域應用和推廣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計更有著不同尋常的意義，對設(shè)計單位、開發(fā)商、百姓都是好消息，它是惠及百姓的環(huán)保設(shè)計理念，具有前瞻性，會帶來多贏”。

2 運用價值工程優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

價值工程，是一門技術(shù)與經(jīng)濟相結(jié)合的現(xiàn)代管理科學，是通過對產(chǎn)品的功能與費用系統(tǒng)分析，使之以最低的壽命周期成本，可靠地實現(xiàn)產(chǎn)品的必要功能的管理方法。運用這種方法，通過功能細化，去掉多余的功能，對功能實施重點控制，目的是以研究對象的最低壽命周期成本可靠地實現(xiàn)使用者所需功能，以獲取建設(shè)項目經(jīng)濟效益、社會效益以及環(huán)境效益的最佳結(jié)合。

價值工程以功能分析為核心，著眼于建筑產(chǎn)品的壽命周期成本。建設(shè)費用、使用費用與功能水平的變化規(guī)律決定了壽命周期成本（圖1），隨著功能水平提高，建筑產(chǎn)品的使用費用降低，建設(shè)費用卻在增高，反之，使用費用增高，建設(shè)費用降低；建設(shè)費用C1的曲線和使用費用C2的曲線的交點所對應的最低壽命周期成本Cmin才是最低的，最低壽命周期成本Cmin所對應的功能水平F0是從費用方面考慮的最為適宜的功能水平。

價值工程的目標表現(xiàn)為產(chǎn)品價值的提高，是對象所具有的功能與獲得該功能的費用之比，可用公式表示為：價值（V）=功能（F）/成本（C）。

提高產(chǎn)品價值的途徑：

某住宅小區(qū)在基礎(chǔ)設(shè)計前對方案對比優(yōu)化設(shè)計。該工程場地穩(wěn)定，無不良地質(zhì)作用。場地類型為軟弱場地土，建筑場地類別屬II類，擬建場地可不考慮地震液化的影響。場地自上而下各地層為：

①素填土①：平均層厚10.78m，結(jié)構(gòu)松散，未完成自重固結(jié)，局部有建筑垃圾分布，承載力低。

②粉質(zhì)粘土②：分布連續(xù)，埋深大，層厚0.90m~5.00m，可塑~硬塑，稍濕，不宜選擇該層作為擬建多層建筑物基礎(chǔ)持力層，fa=240kPa。

③強風化板巖③：厚度較大，巖心呈塊狀，遇水易軟化，失水易干裂，fa=340kPa，qpa=2100kPa（人工挖孔灌注樁），qpa=2500kPa（沉管夯擴灌注樁）。地下水：主要類型為強風化板巖③基巖裂隙水，微承壓性，該段地下水水量較少。在勘察期間，穩(wěn)定地下水位埋深為5.32~13.20m，高程為52.77m~59.36m。擬建場地有一層地下室。地下水在直接臨水或強透水層中對混凝土具有中等腐蝕性，在弱透水層中不具腐蝕性；對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

可選樁型及優(yōu)缺點：

①沉管夯擴灌注樁，優(yōu)點：在樁端處夯出擴大頭，單樁承載力較高；樁身質(zhì)量高；施工機械輕便；施工速度快、工期短、造價低；無泥漿排放。缺點：遇中間硬夾層，樁管很難沉入；遇承壓水層，成樁困難；振動較大，噪聲較高；屬擠土樁，設(shè)樁時對周邊建筑物和地下管線產(chǎn)生擠土效應；擴大頭形狀很難保證與確定。

②預應力管樁，優(yōu)點：單樁承載力高；單樁承載力造價便宜；運輸?shù)跹b方便；施工快、工效快，工期短。缺點：噪音大，擠土量大，會造成一定的環(huán)境污染和影響；打樁時送樁深度受限制，在深基坑開挖后截去余樁較多；在“上軟下硬、軟硬突變”的地質(zhì)條件下，不宜采用錘擊法施工；不適合樁端持力層為遇水易軟化的風化巖層。

③長螺旋鉆孔灌注樁，優(yōu)點：不受地下水位的限制，穿透力強，施工過程無噪音，振動小、無排漿、無塌孔，成樁效率高。缺點：樁身強度不足；樁底不能入巖，單樁承載力低。

④人工挖孔樁，優(yōu)點：單樁承載力高；可以極大降低生產(chǎn)成本；適用于大型機械無法作業(yè)的山區(qū)；生產(chǎn)條件要求低，可多孔同時作業(yè)。缺點：機械化低，施工進度慢；成孔質(zhì)量不易控制；現(xiàn)場施工不易控制。人工挖孔樁技術(shù)適合直徑超過800mm并且地下水較少或無水的土質(zhì)，不適合地下水位高、有流沙、大水量沖擊區(qū)域、含水量多的淤泥、淤泥質(zhì)土層等。

⑤旋挖樁，優(yōu)點：鉆進能力強；不易產(chǎn)生泥皮，有利于增加樁的摩阻力，提高樁的質(zhì)量；振動與噪音較低；成孔速度快，尤其在砂質(zhì)土內(nèi)成孔；機械設(shè)備較簡單。缺點：護壁相對較差，容易縮徑、塌孔；設(shè)備價格昂貴，設(shè)備維修費用高、時間長，工成本與其他成孔方式相對較高，卵砂石層中鉆進存在成孔困難。

以上5種方案，各有優(yōu)缺點。利用價值工程理論，①、④兩種方案更具經(jīng)濟性，滿足功能不變化同時降低造價，以此來提高產(chǎn)品價值。本工程多為墻下線荷載及柱下集中荷載，其墻柱荷載為5000kN~8000kN，2600kN~5600kN（純地下室的框架柱），依據(jù)價值工程理論綜合比較采用人工挖孔樁基礎(chǔ)，以強風化板巖③為持力層，該持力層的樁的端阻力特征值為qpa=2100kPa，樁端進入持力層的深度大于等于≥1.0m，相鄰樁端底標高應按規(guī)范進行控制，平均樁徑為0.9~1.5不等（主樓部分），0.9~1.0不等（純地下室部分）；擴底直徑分別為1.3~2.4m（主樓部分），1.3~1.6m（純地下室）。施工完成后經(jīng)濟效果良好。

3 結(jié)語

價值工程著重產(chǎn)品功能的分析，以最低的成本費用，可靠地實現(xiàn)產(chǎn)品的必要功能，提高產(chǎn)品價值，而這可以彌補結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的不足。所以，價值工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中的運用，能夠很好地解決工程成本的控制，優(yōu)選出最佳的設(shè)計方案。價值工程存在于項目進行的方方面面，設(shè)計、施工以及管理等等，不能只靠個別人員、部門，而要通過有組織的活動，發(fā)揮集體智慧，經(jīng)過多個部門的配合，才能收到良好的效果，達到項目的利益最大化。

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篇7

【關(guān)鍵詞】機械設(shè)計；現(xiàn)代設(shè)計；設(shè)計技術(shù)；研究

機械設(shè)備的產(chǎn)生與使用為人類生活、生產(chǎn)提供了巨大便利，不僅節(jié)省了人工勞動力的支出，還提高了工作與生產(chǎn)效率，促進了社會經(jīng)濟的積極發(fā)展。要提及的是，機械設(shè)計作為機械工程的一部分，它影響并決定著機械設(shè)備的性能，也順帶影響著機械工程的發(fā)展與進步，因此在機械工程中，相關(guān)技術(shù)人員務必要重視機械設(shè)計，不斷更新知識，創(chuàng)新設(shè)計方法，將先進技術(shù)科學應用到機械設(shè)計中，切實提高機械設(shè)計水平。下面就機械設(shè)計中應用到的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)作詳細論述。

1 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的比較

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)匯集了多個專業(yè)、多個學科知識，與傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)最大的區(qū)別在于，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)引進了計算機技術(shù)，屬于交叉性學科。對比分析現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的優(yōu)缺點，得出結(jié)論如下：

1.1 現(xiàn)代設(shè)計的設(shè)計思維更主動

傳統(tǒng)設(shè)計主要依靠設(shè)計者的靈感和設(shè)計經(jīng)驗，只有同時具備了這兩種因素，設(shè)計才能完成，所以傳統(tǒng)設(shè)計大多是被動設(shè)計，缺乏一定的主動性。而現(xiàn)代設(shè)計則截然不同，現(xiàn)代設(shè)計以靈感、方案、設(shè)計優(yōu)化為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有的先進技術(shù)與先進理念主動創(chuàng)新，以市場為導向，占據(jù)主動權(quán)，所以由此滋生了諸如創(chuàng)造學、設(shè)計方法學等多種理論科學。比起傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的主動意識更強。

1.2 現(xiàn)代設(shè)計更重視產(chǎn)品的功能分配

拿機械設(shè)計來說，傳統(tǒng)機械設(shè)計只重視機械的預定功能，設(shè)計產(chǎn)品只需實現(xiàn)預定功能即可。而現(xiàn)代設(shè)計則要求將設(shè)計產(chǎn)品放到一個大系統(tǒng)中，綜合系統(tǒng)情況來對產(chǎn)品進行設(shè)計，重視產(chǎn)品功能的合理分配，維持“人―機―環(huán)境”的平衡?，F(xiàn)代設(shè)計在設(shè)計時將“人”考慮到其中，重視人機關(guān)系，同時考慮到自然環(huán)境保護，堅持環(huán)保原則，力求保證設(shè)計的生態(tài)平衡。

1.3 現(xiàn)代設(shè)計更加重視產(chǎn)品強度

現(xiàn)代機械設(shè)計傳統(tǒng)機械設(shè)計更注重強度設(shè)計準則，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)在設(shè)計中應用了有限單元法和斷裂力學，切實強化了機械產(chǎn)品的設(shè)計強度。而該設(shè)計準則在傳統(tǒng)設(shè)計中是沒有涉及的。另外，除了強度設(shè)計準則以外，現(xiàn)代設(shè)計還將藝術(shù)、美學因素考慮到了設(shè)計中，提出了藝術(shù)設(shè)計與美學設(shè)計要求。

1.4 現(xiàn)代設(shè)計周期更短，耗費更少

對比傳統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計的設(shè)計周期，由于引進了計算機等先進技術(shù)，現(xiàn)代設(shè)計的設(shè)計周期比傳統(tǒng)設(shè)計周期要短很多，設(shè)計效率也得到了大幅度的提高。另外在設(shè)計耗費上，現(xiàn)代設(shè)計所消耗的費用比傳統(tǒng)設(shè)計耗費要少很多，設(shè)計總效益也比傳統(tǒng)設(shè)計高。

2 現(xiàn)代機械設(shè)計技術(shù)的特點

總結(jié)上述所分析的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)特點，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)具有思維主動、功能完善、設(shè)計邏輯明確、設(shè)計強度高、設(shè)計周期短、耗費少且效益高特點。如果將現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)應用到機械設(shè)計中，實現(xiàn)現(xiàn)代化機械設(shè)計，則該類設(shè)計技術(shù)在實際應用時將具備以下特點：（1）計算機技術(shù)的應用使現(xiàn)代化機械設(shè)計的步驟更加明晰，設(shè)計周期更短；（2）現(xiàn)代化機械設(shè)計初始階段能及時發(fā)現(xiàn)不良問題，所以機械發(fā)生故障的可能性較低；（3）現(xiàn)代化機械設(shè)計同時考慮機械產(chǎn)品的動態(tài)與靜態(tài)屬性；（4）現(xiàn)代化機械設(shè)計能充分利用計算機技術(shù)來實現(xiàn)設(shè)計方案優(yōu)化、系統(tǒng)防真。

3 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)在機械設(shè)計中的應用

3.1 機械優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計是現(xiàn)代化機械設(shè)計的一個重要表現(xiàn)形式，基本思想是利用現(xiàn)代化設(shè)計技術(shù)來優(yōu)化機械設(shè)計方案，并建立一套與機械設(shè)計規(guī)劃相符的現(xiàn)代化設(shè)計模型，輔以計算機軟件，計算分析出最佳的機械設(shè)計方案。這一設(shè)計方式能有效提高機械設(shè)計效率，確?，F(xiàn)代化機械設(shè)計方案的可行，創(chuàng)新并設(shè)計出性能良好的機械設(shè)備。

3.2 防真與虛擬設(shè)計

現(xiàn)代化機械設(shè)計以計算機作基礎(chǔ)，隨時隨地都離不開計算機軟件與計算機系統(tǒng)。在現(xiàn)代化機械設(shè)計的初始階段，設(shè)計者可以利用計算機仿真技術(shù)對機械產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)全過程進行模擬，預定下產(chǎn)品的性能，分析產(chǎn)品的可制造性以及需要花費的產(chǎn)品制造成本。如果可行，再進行機械設(shè)計。這一設(shè)計方式不但能提高機械產(chǎn)品的設(shè)計可行性，還能有效控制設(shè)計成本，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高機械產(chǎn)品的設(shè)計效率，切實保證機械產(chǎn)品的性能完善。

3.3 機械創(chuàng)新設(shè)計

機械創(chuàng)新設(shè)計（Mechanical Creative Design，簡稱MCD）的關(guān)注焦點在于充分發(fā)動設(shè)計人員的智慧和創(chuàng)新思維能力，進而設(shè)計出來新型的機械功能、機械結(jié)構(gòu)或者機械產(chǎn)品。MCD非常強調(diào)設(shè)計人員在機械設(shè)計過程中的靈魂作用和主導作用。因此，在機械設(shè)計的過程中，設(shè)計人員要充分動用各種創(chuàng)新思維模式（例如，發(fā)散思維模式、頭腦風暴等）。但是在機械設(shè)計中設(shè)計人員很難向藝術(shù)家構(gòu)思藝術(shù)作品那樣做到“天馬行空”，因為機械結(jié)構(gòu)選型的多解性和復雜性將創(chuàng)造性思維限制在一定的范圍內(nèi)。但是智能專家系統(tǒng)和各種計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)在機械設(shè)計中的應用，讓設(shè)計人員能夠有更多的精力去運用創(chuàng)造性思維，把繁瑣的計算和設(shè)計求解交給智能專家系統(tǒng)去完成。

3.4 機械模糊設(shè)計

機械模糊設(shè)計（Mechanical Fuzzy Design，簡稱MFD）的關(guān)注焦點在于模糊數(shù)學知識在機械設(shè)計過程中的充分、靈活、深入地運用。復雜化是當前機械設(shè)計的重要趨勢之一，復雜化的機械設(shè)計必然導致設(shè)計中各種變量關(guān)系的復雜化。但是過于復雜的機械設(shè)計方案，想要對其進行精確的描述則具有極大的困難或者需要花費極大的精力。但是如果將機械設(shè)計方案的精確描述改為“承載能力較強”或者“使用壽命較長”等類似的模糊描述，實質(zhì)上出現(xiàn)了設(shè)計中的“模糊現(xiàn)象”。

3.5 機械綠色設(shè)計

機械綠色設(shè)計（Mechanical Green Design，簡稱MGD）的關(guān)注焦點在于提高產(chǎn)品的“綠色程度”，即在滿足環(huán)境目標要求的同時，保證產(chǎn)品應有的功能、使用壽命和質(zhì)量等。綠色設(shè)計通常也稱為生態(tài)設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、環(huán)境意識設(shè)計等。在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計過程中，設(shè)計人員主要按照產(chǎn)品性能、質(zhì)量和成本要求等指標進行設(shè)計，設(shè)計過程中對產(chǎn)品的維護性、拆卸性、回收性、淘汰廢棄產(chǎn)品的處理及對生態(tài)環(huán)境的影響等考慮較少。這樣制造出來的產(chǎn)品，在其使用壽命結(jié)束后，由于缺乏必要的拆卸和回收性能，回收利用率低，其中的有害物質(zhì)對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重污染，影響生活質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境，造成資源的大量浪費。綠色設(shè)計就是針對傳統(tǒng)設(shè)計的這種不足而提出的一種全新的設(shè)計理念，它包含產(chǎn)品從概念形成到生產(chǎn)制造、使用乃至廢棄后的回收、重用及處理處置的各個階段，即涉及產(chǎn)品的整個生命周期；強調(diào)在產(chǎn)品開發(fā)階段按照全生命周期的觀點進行系統(tǒng)的分析與評價，消除潛在的、對環(huán)境的負面影響。

4 結(jié)束語總而言之，隨著計算機技術(shù)在機械設(shè)計行業(yè)中的不斷滲透與應用，機械設(shè)計技術(shù)也逐漸由傳統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代設(shè)計，實現(xiàn)了機械設(shè)計的現(xiàn)代化。在本篇文章中，筆者分析比較了現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的區(qū)別，并探討了現(xiàn)代化機械設(shè)計技術(shù)的特點，同時結(jié)合現(xiàn)代化機械設(shè)計現(xiàn)狀，對現(xiàn)代化機械設(shè)計中的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)應用情況作了詳細論述，得出相關(guān)結(jié)論，希望能為同行工作者提供幫助。

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篇8

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代設(shè)計理論與方法；教學方法；實踐教學；畢業(yè)設(shè)計

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0124-02

“現(xiàn)代設(shè)計理論與方法”是一門多元綜合、新興交叉學科的課程，它融匯了當今科學技術(shù)的精華，與各相關(guān)學科緊密聯(lián)系。河南理工大學把此課程作為機械類專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課，在大三第二學期開設(shè)此課程。該課程在專業(yè)的體系中起到承前啟后的作用，它緊密聯(lián)系和應用先修課程，如高等數(shù)學、概率與數(shù)理統(tǒng)計、理論力學、材料力學、機械設(shè)計、機械原理以及高級程序語言等多方面的知識，并為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)打下先進的理念基礎(chǔ)。

該課程講解內(nèi)容包括了系統(tǒng)分析設(shè)計方法、創(chuàng)造性設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、有限元分析法以及機械工程CAD基礎(chǔ)等。教材編排上，每一章的內(nèi)容講解一類現(xiàn)代設(shè)計方法，前后章節(jié)相對獨立，一方面使學生在學習中不至于出現(xiàn)某一章節(jié)掌握不好而影響其他章節(jié)的學習，另一方面也使得老師在講解每一章內(nèi)容的時候，教學方法靈活，針對不同的現(xiàn)代設(shè)計方法的特點采用不同的授課方法。本課程所涉及的設(shè)計方法種類多，部分設(shè)計方法理論性強，公式推導多，枯燥乏味，內(nèi)容抽象，且現(xiàn)代設(shè)計方法的理論學習與實際應用有較大的反差，如果完全按照教科書來組織教學，學生就會學得索然無味，也不知道理論該怎么應用，收不到良好的教學效果。因此，在教學中應針對不同章節(jié)的教學內(nèi)容采用合適的教學方法，對激發(fā)學生的學習積極性、主動性以及提高教學效果起到促進的作用。經(jīng)過幾年的課堂教學實踐探索出以下幾點經(jīng)驗。

一、教學方法

1.比較式教學法

人的各種活動都是由一定的動機所引發(fā)的，學生學習也總是為一定的學習動機所支配。動機強度大，學習積極性高，學習的潛能就會得到最好的發(fā)揮，學習效率也高。為了使學生較好地掌握“現(xiàn)代設(shè)計理論與方法”的知識乃至此學科方面的理論，激發(fā)他們的學習興趣，學習動機至關(guān)重要，第一章“緒論”講授的重點也就在此。為了使學生們認識到本課程的重要性，采用比較式的教學方法，將現(xiàn)代設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法進行對比教學，從可靠性、高效性、動態(tài)化、最優(yōu)化、創(chuàng)造性等方面講解兩種設(shè)計方法的特點，傳統(tǒng)設(shè)計方法只能獲得簡化條件下的近似解，而現(xiàn)代設(shè)計方法能獲得準確解和最優(yōu)解，從而認識現(xiàn)代設(shè)計方法的先進性，提高學生設(shè)計理念的現(xiàn)代意識?！皟?yōu)化設(shè)計”一章所涉及的優(yōu)化方法種類較多，根據(jù)數(shù)學模型中設(shè)計變量的個數(shù)以及是否有約束條件，優(yōu)化方法分為一維搜索方法、無約束優(yōu)化方法、有約束優(yōu)化方法三大類，每一類優(yōu)化方法中又包含了不同的優(yōu)化算法。在實際工程中，采用何種優(yōu)化算法，才能簡化計算、提高計算速度及計算穩(wěn)定性等，最終得到滿足精度要求的優(yōu)化解，是學生們比較關(guān)注，也比較困惑的地方。為此，在講解的過程中應針對不同的優(yōu)化算法，列舉其特點，比較不同算法之間的優(yōu)缺點、適用條件、初始點選取規(guī)則等等，根據(jù)每種算法自身的特點去有目的地選取適當?shù)膬?yōu)化算法。

2.引導式教學法

在講授過程中，善于提問，引導學生自己思考，提問后鼓勵學生回答問題，發(fā)表自己的見解，通過一問一答或只問不答的形式，與學生之間形成互動，以此激發(fā)學生強烈的求知欲望，加強學生的聯(lián)想能力、發(fā)散思維能力以及知識的運用能力。同時，通過提問的形式來提高學生的集中力和課堂的教學效果。如“可靠性設(shè)計”一章，講解可靠度的推導公式時，其公式推導過程是單調(diào)枯燥的，為了避免學生精力不集中，產(chǎn)生厭煩情緒，應分步驟地詳細推導，層層設(shè)問，逐步求解，注意引導學生思維。

3.工程案例教學法

實踐是理論的基礎(chǔ)，實踐對理論起決定作用，理論必須與實踐緊密結(jié)合?！艾F(xiàn)代設(shè)計理論與方法”課程本身實踐性較強，離開實踐就如同空中樓閣，就會喪失生命力和可信度。但是該課程的教學計劃中僅僅開設(shè)了4個學時的實驗課，其余36學時為課堂教學環(huán)節(jié)，為了彌補實踐環(huán)節(jié)學時的不足，講授過程中適當采用工程案例教學法，在相關(guān)的教學內(nèi)容中適當引入工程實例。“計算機輔助設(shè)計”章節(jié)涉及到多種CAD和CAE軟件，如果只講每種軟件的主要功能和特點則比較抽象，可以利用軟件采用案例式教學法授課，以汽車的核心技術(shù)部件內(nèi)燃機為例，介紹三維Pro/E繪圖軟件、動力學仿真軟件Adams等的強大功能和特點。“優(yōu)化設(shè)計”章節(jié)，以學生們所熟悉的減速器設(shè)計為例進行介紹，以此來確定滿足工作條件和強度要求時使減速器的重量最輕的設(shè)計方案。

這些案例開拓了學生的視野，使學生了解現(xiàn)代設(shè)計方法如何應用于工程實際當中，有利于他們體會現(xiàn)代設(shè)計方法的先進性和重要性，提高其學習的興趣。

4.多媒體資源與板書相結(jié)合

該課程的教學內(nèi)容分成兩大類：一是概念性強的內(nèi)容；二是理論性強的內(nèi)容。針對不同教學內(nèi)容的特點，采用不同的教學方法和手段。講解概念性強的知識時，可適當采用圖片、動畫等軟件，借助于多媒體教學，[1]使教學內(nèi)容生動直觀，便于理解，避免教學內(nèi)容的單調(diào)枯燥，提高學生的學習興趣。在講述“有限元法”進行結(jié)構(gòu)分析時，用多媒體圖片來顯示工程結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格劃分后的離散模型以及加載求解后的結(jié)構(gòu)應力云圖，可以讓學生更加直觀地理解采用有限元法進行結(jié)構(gòu)分析的步驟和求解特點。講解理論性強的教學內(nèi)容時，要讓學生理解某一設(shè)計方法的原理和解決問題的算法，必然涉及大量的數(shù)學公式推導，總結(jié)教學經(jīng)驗時發(fā)現(xiàn)，使用板書的教學效果好于多媒體。因為傳統(tǒng)的板書式教學，推導過程前后連貫清晰、信息停留時間長、內(nèi)容可以及時修改等優(yōu)點，便于學生消化吸收。[2]

二、實踐環(huán)節(jié)

1.實驗教學

在高等工科院校中，實驗教學在學生們更好地領(lǐng)會并掌握現(xiàn)代設(shè)計方法在實際工程中的正確應用，培養(yǎng)學生基本素質(zhì)和能力等方面具有不可替代的重要作用。為提高教學效果和質(zhì)量，增強學生的學習興趣，需合理確定實驗教學的內(nèi)容與形式。該課程主要采用計算機模擬軟件Matlab進行實驗。該軟件是美國MathWorks公司于20世紀80年代中期推出的數(shù)學軟件，Matlab優(yōu)化工具箱可以解決線性、非線性最小化及最大化、方程求解、曲線擬合、二次規(guī)劃等問題中的大型課題的求解方法，為優(yōu)化方法在工程中的實際應用提供了更方便快捷的途徑。[3]將Matlab軟件引入“現(xiàn)代設(shè)計理論及方法”教學中，可以通過學生的上機練習對所學知識加深理解，學會如何運用計算機技術(shù)去解決實際問題，可以大大提高教學質(zhì)量和學生的綜合素質(zhì)。

2.畢業(yè)設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計作為高等學校培養(yǎng)人才的最后一個綜合性實踐的教學環(huán)節(jié)，是本科學生開始從事科學研究和工程設(shè)計的初步嘗試，是對大學四年所學知識和技能的全面體驗，也是培養(yǎng)學生綜合運用所學的理論知識和技能解決本專業(yè)工程問題的重要途徑。畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量是提高教學水平和學生創(chuàng)新能力的體現(xiàn)。傳統(tǒng)的機械畢業(yè)設(shè)計中學生的大部分精力耗費在零部件的常規(guī)設(shè)計以及繁重的繪圖工作中，對整機全局難以進入深入研究，很難獲得最優(yōu)方案。并且在分析計算中，采用靜態(tài)的或近似的方法而不是動態(tài)的精確的方法計算，計算結(jié)果未能反映零部件的真實工作狀態(tài)，影響了設(shè)計的質(zhì)量。對于一些模具和鈑金件這樣的復雜曲線和曲面，用傳統(tǒng)的二維設(shè)計方法進行表現(xiàn)時，表現(xiàn)能力較差，且二維圖紙繪制比較困難；傳統(tǒng)設(shè)計方案是否可行只能靠理論推導和計算，難以進行實際檢驗，使學生感到畢業(yè)設(shè)計只是“紙上談兵”，失去興趣。[4]近年，筆者在指導畢業(yè)設(shè)計中引導部分學生在畢業(yè)中運用三維設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、動力學仿真及有限元計算等方法。例如，在設(shè)計帶式輸送機減速器的高速級齒輪傳動時，采用優(yōu)化設(shè)計方法，使齒輪滿足正常工作條件下兩齒輪的體積最小；在對齒輪的強度進行校核時，借助有限元軟件ANSYS完成，這使學生在設(shè)計中進一步深入地掌握了現(xiàn)代設(shè)計方法和手段，開闊了視野，也極大地提高了學生的學習興趣和設(shè)計的積極性、主動性，極大地提高了畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量。

三、采用綜合考核制度

考核是考查一門課程講授效果的一種方式，該門課程是機械類學生一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在考試中采用閉卷的考試方式。了解一個學生對該門課程的掌握程度，不能僅從卷面成績來判斷。影響學生卷面成績的因素比較多，比如考前的臨時突擊式復習可以取得一個好成績，考生比較粗心，計算容易出錯，導致卷面成績不理想等等，不能由此判定該生對該門課程的掌握程度，該成績也不能反映出學生的綜合能力。因此，在該課程考核的時候采用卷面成績占70%，實驗成績占10%，作業(yè)占10%，出勤情況占10%，實驗成績由實驗時的表現(xiàn)情況以及完成任務情況來綜合給定。針對學生抄襲作業(yè)的現(xiàn)象，采取了以小組為單位完成不同作業(yè)題目的方法，出勤情況的考查主要是針對一些學生自控能力差，為督促學生更加自覺學習采取的措施。采用考試、實驗、作業(yè)和考勤并重的考核方式，教師的任務將加重，對任課老師的要求也更高。因此，任課老師一定要加強自身的學習，積極參與科研，努力掌握現(xiàn)代設(shè)計方法的新知識和其在工程中的應用，以期使自己的教學在培養(yǎng)本科大學生的基本素質(zhì)和能力上發(fā)揮更大的能量。

四、結(jié)束語

在信息時代的今天，改革過去灌輸式的教學模式勢在必行，通過近幾年“現(xiàn)代設(shè)計理論與方法”課程的教學實踐，深切體會到比較式教學、引導式教學法、工程案例教學法、多媒體資源與板書相結(jié)合以及實踐教學環(huán)節(jié)的重要性和有效性。教學改革是一個新的事物，總會出現(xiàn)新的問題，應該認真分析教學方法，從自身實踐中改進教學思路，進一步提高教學質(zhì)量。在今后的教學中通過不斷認識，不斷實踐，不斷完善，以期獲得一條適合本科生教學的成功之路。

參考文獻：

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[2]陳就，王建曉.《現(xiàn)代設(shè)計方法》理論與實踐環(huán)節(jié)教學探討[J].高教論談，2009，（5）：100-101.

篇9

工程機械是指施工建設(shè)機械的總稱，其種類繁多并且被廣泛應用于城市建設(shè)、道路橋梁、農(nóng)林水利、工業(yè)生產(chǎn)以及國防設(shè)施等領(lǐng)域。工程機械設(shè)備主要是由整體構(gòu)架、控制系統(tǒng)、變速裝置、傳動機構(gòu)、防護等系統(tǒng)等部分組成。本文主要以公路架橋機為研究對象分析其鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點，其中公路架橋機的主體鋼結(jié)構(gòu)為橫梁，傳動機構(gòu)為天車，主要控制系統(tǒng)包含液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，公路架橋機的主梁是確保整個工程機械運作的重要組成部分，因此在進行主體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要仔細分析主梁的結(jié)構(gòu)受力特點。公路架橋機的主要工作原理是利用運梁車將需要安裝的混凝土梁移動到公路架橋機的尾端，此時的混凝土梁和設(shè)置在架橋機兩端的前后天車為公路架橋機縱向移動的配重。在運梁的過程中使用公路架橋機的液壓控制系統(tǒng)將其縱向移動到橋梁待安裝的部位，然后再使用前后天車分別吊起混凝土梁的前后端，運用電氣控制系統(tǒng)調(diào)整天車運梁的平均速度確保其勻速地向前移動。當混凝土梁完全進入公路架橋機下方的軌道時，利用前后天車吊起混凝土梁繼續(xù)縱向移動混凝土梁至公路架橋機前支腿和中支腿之間，此時收縮后支腿液壓缸使后支腿離開地面，然后啟動公路架橋機橫向移動的控制系統(tǒng)，移動公路架橋機到混凝土梁安裝位置，最后調(diào)整橋梁接口位置使混凝土梁安裝就位。在安裝混凝土梁的過程中，公路架橋機的主梁的鋼制框架結(jié)構(gòu)承擔主要荷載，每一條鋼梁的受力形變都關(guān)系著橋梁安裝是否能夠安全有效地進行，因此需要科學合理地判斷鋼結(jié)構(gòu)的材料屬性以及利用有限元分析的方法研究主梁框架結(jié)構(gòu)的受力特點，從能夠合理的優(yōu)化公路架橋機的主梁鋼結(jié)構(gòu)，做到剛度和強度在穩(wěn)步提升的前提下最大限度的節(jié)省資源。

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化時的有限元分析

隨著我國計算機技術(shù)的迅速普及和工程科技的快速發(fā)展，有限元分析在工程機械鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的過程中起到了越來越重要的作用，尤其是在工程機械的自動化水平日益提高的今天，有限元分析已然成為了解決復雜的工程力學分析計算問題的首要途徑。本文主要是以公路架橋機為例對其鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化時的有限元分析進行深入探討。對公路架橋機進行有限元分析主要的方法包括，首先是要建立主梁框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，本文主要研究的軟件是MSC/PATRAN，通過分析主梁框架結(jié)構(gòu)的材料屬性、單元選擇以及網(wǎng)格劃分進行幾何建模，建立主梁框架結(jié)構(gòu)的有限元模型；然后再使用MSC/PATRAN對初步建立的有限元模型進行強度、剛度分析，并且繪制出應力、應變力分布圖，通過物理力學的分析方法判斷鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；最后根據(jù)MSC/PATRAN對有限元模型的分析結(jié)果對鋼梁的框架結(jié)構(gòu)進行更深層次的優(yōu)化設(shè)計，以達到在實際生產(chǎn)制造中節(jié)省材料，實現(xiàn)高效節(jié)能的目的?？傊梢詫SC/PATRAN進行有限元分析的基本程序概括為三個主要部分，即分析主梁鋼結(jié)構(gòu)的離散化、有限元計算以及對結(jié)果的優(yōu)化處理。

對于公路架橋機主梁框架結(jié)構(gòu)的有限元分析步驟具體如下所示：

1）通過MSC/PATRAN軟件對主梁鋼結(jié)構(gòu)進行單元劃分和插值函數(shù)的確定。由于公路架橋機主梁的橫切面為箱型結(jié)構(gòu)，在空間上可以劃分為若干個箱型結(jié)構(gòu)單元通過焊接連接而成，因此可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)梁的結(jié)構(gòu)幾何特性、鋼梁節(jié)點處的邊界條件等情況，建立由各種單元組成的計算模型。在對公路架橋機的主梁進行有限元分析時，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是有限元的網(wǎng)格劃分，因為網(wǎng)格劃分的精度直接影響著有限元分析的精確度以及響應速度。要有效的控制網(wǎng)格的疏密程度，主要就是通過在主梁鋼結(jié)構(gòu)的各個部位采用不同大小的網(wǎng)格，這是為了適應計算數(shù)據(jù)的分布特點，在計算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位，為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。然后再按照單元的性質(zhì)和精度要求，寫出表示單元內(nèi)任意點的位移函數(shù)u（x、y、z），v（x、y、z），w（x、y、z）或者d＝S（x、y、z）a，通過單元模型進行有限元分析。利用鋼結(jié)構(gòu)梁的結(jié)構(gòu)幾何特性、鋼梁節(jié)點處的邊界條件寫出以a表示的節(jié)點位移qe＝[u1、v1、w1、u2、v2、w2]T，然后再將公式轉(zhuǎn)化為qe＝Ca，然后再由a＝C－1qe，并代入到d＝Sa，得到d＝SC－1qe＝Nqe，此公式是利用鋼結(jié)構(gòu)梁的結(jié)構(gòu)幾何特性、鋼梁節(jié)點位移表示單元體內(nèi)任意點位移的插值函數(shù)式。

2）進行主梁鋼結(jié)構(gòu)的單元特性分析，根據(jù)上面總結(jié)出的位移插值函數(shù)，由彈性力學中給出的應變和位移關(guān)系，可以計算出應變?yōu)椋害牛紹qe，在式中，B為應變矩陣，相應的變分為：δε＝δBqe，由物理關(guān)系可以得到應變與應力的關(guān)系式為σ＝Dε＝DBqe，其中D為彈性矩陣。

3）對單元特性分析的結(jié)果進行組集，把各單元按照節(jié)點組集成與原結(jié)構(gòu)相似的整體結(jié)構(gòu)，得到整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點力與節(jié)點位移的關(guān)系，即整體結(jié)構(gòu)平衡方程組f＝Kq，其中K為整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，f為總體載荷列陣，q為整體結(jié)構(gòu)所有節(jié)點的位移列陣。

4）對組集的結(jié)果進行有限元分析求解，在此過程中可以采用不同的計算方法解有限元方程，得出單元模型各節(jié)點的位移。在進行求解之前必須對結(jié)構(gòu)平衡方程組進行邊界條件處理，然后再接觸節(jié)點位移q。計算單元模型的結(jié)構(gòu)應力，如果需要求出單元模型的應力值，則在計算出各單元的節(jié)點位移qe后，自ε＝Bqe和σ＝Dε即可求出相應的節(jié)點應力。

根據(jù)公路架橋機主梁鋼結(jié)構(gòu)的施工情況對其進行實際強度、剛度檢測，從而分析鋼梁的框架結(jié)構(gòu)的最大應力、應變情況，從而判斷是否能夠滿足實際施工時的具體要求。在進行檢測時對于測量的點位選擇，應該能夠代表主梁鋼結(jié)構(gòu)的真實使用情況以及一些主梁鋼結(jié)構(gòu)的集中受力部位，以便更加全面的考察公路架橋機主梁的工作狀態(tài)，因此本文主要選取公路架橋機的主梁在懸臂狀態(tài)（工況1）、運梁狀態(tài)（工況2）以及架邊梁狀態(tài)（工況3）下的10個測量點，具體的檢測數(shù)據(jù)如表1所示：由上表可知，工況1是指公路架橋機懸臂狀態(tài)，其應力最小值是測試點4為0.28MPa，最大值是測試點8的151.3MPa，最大應力誤差為4.0%，測試點分析對比如圖1所示；工況2是指公路架橋機運梁狀態(tài)，其應力最小值是測試點4為0.63MPa，最大值是測試點2的130MPa，最大應力誤差為2.3%，測試點分析對比如圖2所示；工況3是指公路架橋機架邊梁狀態(tài)，其應力最小值是測試點9為2.08MPa，最大值是測試點2的138.5MPa，最大應力誤差為4.3%。利用有限元分析方法進行鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是一種尋找最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。通過MSC/PATRAN軟件建立主梁鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型。然后在對主梁有限元模型的工況強度以及剛度進行分析，通過在滿足實際工作需求的前提下進行迭代計算。求得目標函數(shù)的極值，從而根據(jù)計算結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計，并最終得到最優(yōu)化的公路架橋機主梁的設(shè)計方案。因為采用有限元分析的方法能夠非?？焖儆行У奶嵘摻Y(jié)構(gòu)的設(shè)計效率以及質(zhì)量，優(yōu)化過程實質(zhì)上就是在不斷地進行分析、修正，需要對不同工作狀態(tài)進行結(jié)構(gòu)效應的有限元分析，并且同時進行優(yōu)化參數(shù)的考量，逐步逼近最優(yōu)設(shè)計的序列?；贛SC/PATRAN對公路架橋機的主梁進行有限元設(shè)計技術(shù)就是建立在有限元分析的基礎(chǔ)上反復優(yōu)化設(shè)計變量以滿足狀態(tài)變量限制條件下使目標函數(shù)逼近最小值。在通過有限元分析后得到公路架橋機主梁鋼結(jié)構(gòu)的應力分布以及應變產(chǎn)生的誤差范圍，就可以在實際設(shè)計之前對主梁鋼結(jié)構(gòu)進行更加有效、可靠以及準確地優(yōu)化設(shè)計，從而為產(chǎn)品的定性提供更加合理有效的理論依據(jù)。

篇10

Abstract： There is a 75t/20t bridge crane in Lushui Power Plant. This crane has operated more than 40 years， the components has abrasion， maturing and other defects. The electrical control of it uses medieval structure of contactor with variable resistance box. There is a big security hidden danger in the process of the use of the bridge machine. So， our plant decides to replace all the electrical equipment of the bridge machine. In the electric control part， the frequency converter and PLC technology are adopted to optimize and design the traditional relay-contactor speed control device. This paper summarizes the overall ideas and design content of the optimal design， including the system structure optimization， the model and configuration of frequency converter and PLC， etc. After optimization design， the speed control of bridge crane more sensitive， the failure rate is significantly decrease， the overall performance is more stable.

關(guān)鍵詞： PLC；變頻器；橋式起重機

Key words： PLC；transducer；bridge crane

中圖分類號：TH215 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）04-0101-03

0 引言

橋式起重機是電廠常用設(shè)備之一。傳統(tǒng)橋式起重機的電力拖動系統(tǒng)采用交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的方式控制電動機啟動或調(diào)速，這種控制裝置叫做繼電器-接觸器控制。這種控制系統(tǒng)功能復雜，運行狀態(tài)不穩(wěn)定，噪音大，故障多發(fā)。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，起動電流大，機械特性軟。轉(zhuǎn)速容易受負載變化的干擾，速度轉(zhuǎn)換靈活性差，調(diào)速不穩(wěn)定；所串電阻持續(xù)發(fā)熱，浪費電能。電阻過熱時還可能燒斷，引起電氣故障。陸水電廠75t/20t雙梁橋式起重機拖動系統(tǒng)依靠傳統(tǒng)交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機驅(qū)動，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方式來控制電動機起停和變速。系統(tǒng)運行狀態(tài)不穩(wěn)定，運行速度和安全性更都已無法滿足當前的工作需要，本文將在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入PLC變頻調(diào)速裝置，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進行升級改造，以優(yōu)化控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高其運行效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 原拖動系統(tǒng)基本情況

陸水電廠原橋式起重機電氣拖動由大車系統(tǒng)、小車系統(tǒng)和主副鉤系統(tǒng)協(xié)同完成，由1臺交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機驅(qū)動整個系統(tǒng)的起停和速度轉(zhuǎn)換。速度轉(zhuǎn)換方式是：電動機轉(zhuǎn)子回路串入5段外接電阻 R1～ R5。由接觸器KM1～ KM4 的狀態(tài)來判斷串入電阻的阻值，并對電機進行調(diào)速控制。以電磁機械制動為主的原電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 變頻調(diào)速改造基本思路

橋式起重機拖動由2臺大車電機、1臺小車、1臺主鉤和1臺副鉤組成的拖動系統(tǒng)來完成，除2臺大車電機共用1臺變頻器以外，其他拖動系統(tǒng)各自都有1臺變頻器進行調(diào)速控制。整個系統(tǒng)由5臺電動機驅(qū)動運行，PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速裝置來控制速度轉(zhuǎn)換，整個系統(tǒng)運行更加靈敏。傳統(tǒng)的異步電動機驅(qū)動模式下，主要依靠繼電器-接觸器機進行邏輯控制。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，用變頻器和PLC控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)異步電動機，PLC接收電動機轉(zhuǎn)向、調(diào)速等控制信號后，將至轉(zhuǎn)換成相應的控制指令發(fā)送給變頻器，電動機在變頻器的控制下迅速響應并完成控制指令。系統(tǒng)改造后的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 變頻器和PLC的概念

變頻器：主要是利用交―直―交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給變頻電動機。

PLC：變頻電動機可編程邏輯控制器系統(tǒng)及保護。

2.2 大車拖動系統(tǒng)

大車拖動系統(tǒng)是由2臺YZP160M-6/5.5kW變頻電機組成的雙梁構(gòu)造。起重機在電機的拖動下，按照1：6的調(diào)速比，順著車間以42m/7m/min的速度橫向運行。

拖動方案：采用起重機專用的變頻交流電動機（濕熱型），代替原繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。大車為2臺交流變頻調(diào)速器分別控制2臺電動機驅(qū)動2個主動輪，采用電氣位置同步。兩臺電機由同一臺變頻器同步操控。采用 U /f開環(huán)控制模式，變頻器的容量PN應該是一臺電動機容量PMN的2倍以上。（PN>>2PMN）

2.3 小車拖動系統(tǒng)

小車采用1臺交流變頻調(diào)速器控制1臺YZP132M1-6/4kw電動機驅(qū)動2個主動輪的方式（機械同步），小車拖動吊鉤及重物順著橋架縱向移動。速度12.5/3m/min可調(diào)。調(diào)速比為1：4。

拖動方案：也采用起重機專用三相交流變頻電動機（濕熱型），配容量等相同的變頻器），采用U/f開環(huán)控制方式。

2.4 主鉤和副鉤拖動系統(tǒng)

主鉤和副鉤分別用YZP225S1-8/18.5kW和YZP225S2-8/22kW各一臺電動機單獨拖動。主鉤和副鉤拖動重物做吊起或放下的“上下”運動。主升起機構(gòu)的起升速度為0.15～1.5m/min，電機額定功率及額定速度按1.5m/min重載選擇，實現(xiàn)電機的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速控制，調(diào)速比為 1：10。副升起機構(gòu)的起升速度為0.6～6.0m/min，電機額定功率及額定速度按6.0m/min重載選擇。電機的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速控制，調(diào)速比 1：10。

拖動方案：選擇動態(tài)性能良好的主電動機驅(qū)動主、副鉤系統(tǒng)，用較大功率的變頻專用電動機取代繞線轉(zhuǎn)子異步電動機傳統(tǒng)的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機進行調(diào)速控制。變頻電動機功率應該比原電動機稍大，以確保力矩夠長。用一臺變頻器控制兩臺電動機，并為電動機配置光電編碼器， 采用帶 PG 卡速度反饋的閉環(huán)矢量控制方式。變頻電動機的轉(zhuǎn)速可以按從低到高5個檔速自由調(diào)控，充分滿足了主副鉤系統(tǒng)的運行需要。

2.5 電機制動方式

采取由變頻器外接的制動單元和制動電阻消耗掉的方式。改造后選用電力液壓塊式制動方式，其型號：（YMZ/300/45和YMZ/200/25）。采取再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的辦法。利用變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動系統(tǒng)及直流制動系統(tǒng)，使運行中的拖動系統(tǒng)迅速停止。在起吊作業(yè)中，被吊起的重物有時需要在半空懸?；蚱揭埔欢螘r間，利用變頻調(diào)速裝置使重物懸停后，還應該用電磁制動器進行機械制動，以防起重機受外界干擾或突然失電后中午下落引發(fā)安全事故。

3 變頻器的選用

市場上有很多起重機專用變頻器。我們選用上海施耐德ATV312HU40N4和ATV71HD30N4系列變頻器。這種全磁通矢量控制的變頻器，即使低頻運行，起動轉(zhuǎn)矩也能達到額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍。并且，該變頻器具有速度反饋功能， 能實現(xiàn)零速控制，就是在零速下也能有150%額定轉(zhuǎn)矩輸出。它有四種控制方式，分別是：有 PGU/f閉環(huán)控制模式、有PG閉環(huán)矢量控制模式、無 PGU/f開環(huán)控制模式和無 PG開環(huán)矢量控制模式，具體采用哪一種要根據(jù)預設(shè)參數(shù)的存取級別而定。大車、小車拖動系統(tǒng)慣量大，負載變化基本為阻力性負載，變化幅度較小，因此一般采用不帶光電編碼器的無 PGU/f開環(huán)控制方式。相比之下，主、幅鉤負載變化非常明顯，應該采用有 PG- B2速度控制卡閉環(huán)矢量控制為主的有光電編碼器，以縮短動態(tài)響應時間，使轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)更靈活、更迅速，確保起重機械更穩(wěn)定地運行。由于變頻控制系統(tǒng)具有速度反饋功能，能夠在零速下保持150%額定轉(zhuǎn)矩的輸出，因此，變頻器與PLC控制系統(tǒng)的整合，也能有效杜絕溜鉤現(xiàn)象。

對于橋式起重機來說，我們可根據(jù)調(diào)速要求來調(diào)節(jié)變頻機工作頻率。ATV312HU40N4和ATV71HD30N4，系統(tǒng)自帶 6個頻率指令和 1個點動頻率指令，有7段速可供選擇。在起重作業(yè)過程中，可對系統(tǒng)輸入頻率指令，設(shè)定多段速指令1～3和點動頻率進行頻率切換，由此實現(xiàn)快速調(diào)速。如圖3所示，接通端子1時電機正轉(zhuǎn)，接通端子2時電機反轉(zhuǎn)，分別接通1、2、3端子的多段速指令，或者同步接通其中兩、三對端子，就能獲得6個頻率指令，也就是說在正反方向上有5種速度可供調(diào)節(jié)。通過預設(shè)變頻器運行參數(shù)，可實現(xiàn)對電機加減速時間的調(diào)控。圖3為主鉤電機變頻器接線控制原理。

通常根據(jù)異步電動機的額定電流來選擇合適的變頻器，有時也根據(jù)異步電動機工作電流的最大值來判斷應該使用哪一種變頻器。本文所選的變頻器均已配置外接式制動單元或制動電阻。在起吊作業(yè)過程中，電動機受重力加速度的影響，在放下重物后會恢復再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能直接反饋給變頻器直流電路，導致直流電壓升高，當電壓上升到一定程度后會引發(fā)機械故障。為避免出現(xiàn)機械事故，起重機完成起吊任務后，應該利用制動電阻徹底耗盡再生到直流電路中的電能，以確保直流電壓始終維持安全值。制動電阻所配置的制動單元應該提高一檔，并且額定功率也要加大一倍，以確保制動單元能夠迅速制動。

4 PLC的選用

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，橋式起重機控制系統(tǒng)的現(xiàn)場輸入，輸出信號的數(shù)量及作用，結(jié)合設(shè)計要求及應用習慣選擇合適的PLC控制系統(tǒng)。本文采用西門子6ES7-300系列PLC控制系統(tǒng)展開研究。這種PLC由是多個模塊用不同形式整合為一體（主要由電源模塊、CPU模塊、I/O模塊等組成）的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)靈活，能夠迅速完成多種控制任務。橋機操作控制系統(tǒng)選用可編程控制器（PLC）作為控制核心。I/O點數(shù)按實際需要配置，并留有20%的裕量。指令和數(shù)據(jù)主存儲器容量不小于程序容量的2倍。同時按實際工程需要配置相應的其他必需模塊。它的特點具有完善的各種自動保護功能和各種故障自診斷及顯示報警功能，包括：瞬時過電流保護，再生電壓保護，瞬時斷電失壓保護，接地過電流保護，冷卻風機異常，超頻（超速）保護，失速過電流保護，失速再生過電壓保護，接觸器粘結(jié)、缺相、行程限位，主令控制器零位保護等功能。

橋式起重機拖動系統(tǒng)能夠通過PLC 對大、小車以及主、副鉤的運行狀態(tài)和速度轉(zhuǎn)換的無點控制，并且也能實現(xiàn)限位保護。5臺電動機負責系統(tǒng)驅(qū)動，4臺變頻器負責系統(tǒng)控制。PLC包含若干個輸入輸出點數(shù)，它與4個變頻器的連接方式十分相似。本文將重點研究主鉤電機變頻器和PLC的連接方式。圖4即為主鉤PLC接線控制原理。

5 結(jié)束語

陸水電廠針對橋式起重機進行變頻調(diào)速改造，利用變頻器和PLC控制技術(shù)取代了傳統(tǒng)異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻控制方式，在原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上剔除了交流接觸器和串聯(lián)電阻，精簡了電氣控制元件和相關(guān)電控線，以此控制起重機的起停和速度轉(zhuǎn)換，減少了負載波動，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，安全性更高。改造后，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了PLC無點控制，既降低了系統(tǒng)噪音，同時也減少了系統(tǒng)故障。改為PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)后，機械特性硬，檔速基本不受負載變化的干擾，輕載時也不會因操作不當引起調(diào)速失控。除此以外，變頻器還能根據(jù)現(xiàn)場條件調(diào)節(jié)檔速以及加減速時間，系統(tǒng)響應時間進一步縮短，運行更加靈活。采用變頻調(diào)速同時也實現(xiàn)了電機的軟起動，不僅提高了設(shè)備運行效率，而且能夠避免機械在大力矩沖擊下被損壞或出現(xiàn)機械故障，從而節(jié)省了一部分維修費用。實踐證明本次改造是成功的。

參考文獻：

[1]馬寅.起重機的變頻調(diào)速[J].起重運輸機械，2001.