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機械設計的基本原理范文第1篇

關(guān)鍵詞：機械設計；節(jié)能原理；實際應用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.11.073

1 機械設計概述

所謂的機械設計就是對所有部件和整體的配合進行設計的過程，整個過程都要遵循機械應用的原則，大到整個機械設備的配合及運行，小到每個工作零件的選材、大小及等，都要你按照其運行的基本原理進行構(gòu)思設計。對不同用途的機械，要利用不同的原理進行相應功能的設計。

2 現(xiàn)代的機械生產(chǎn)模式

（1）能適應市場批量生產(chǎn)的要求?，F(xiàn)在的市場對機械產(chǎn)品的需求量很大，相應的生產(chǎn)周期也在不斷減小。這對傳統(tǒng)生產(chǎn)模式是一種挑戰(zhàn)，因此，機械生產(chǎn)的方式以及觀念都發(fā)生了很大變化。目前，生產(chǎn)企業(yè)都使用了自動化控制技術(shù)，再加上多媒體技術(shù)的輔助，為企業(yè)帶來了極大的益處。（2）引進全新的技術(shù)，完善現(xiàn)在的生產(chǎn)模式。目前，單一的生產(chǎn)技術(shù)已跟不上市場的腳步，必須要將多個領(lǐng)域的技術(shù)綜合起來，以很好地適應社會。在機械制造行業(yè)，傳統(tǒng)模式以人工操作的方式為主，這樣不僅生產(chǎn)速度慢，而且容易出現(xiàn)差錯，導致產(chǎn)品質(zhì)量較差，此外，對能源的浪費也很嚴重。

當下的生產(chǎn)模式中，加工車間的安全也是一個重要問題，工人一旦操作失誤，不僅會危及人身安全，而且會影響產(chǎn)品質(zhì)量，導致整個生產(chǎn)過程面臨誤工，耽誤整體產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

3 機械設計的節(jié)能基本原理

所謂機械設計節(jié)能的基本原理就是對設備的動能輸出以及勢能和其消耗的無用功進行整理，并進行函數(shù)分析，總結(jié)出該如何進行設備的節(jié)能設計。

（1）動能方面的節(jié)能分析。在傳統(tǒng)設計中，工程師一般都考慮動能變化對輸出功率的影響，調(diào)節(jié)改善設備的波動、使用周期及加工精度，很少改善其給系統(tǒng)帶來的影響。因此，筆者主要在這一點上進行研究改善。傳統(tǒng)機械設備的動能并沒有完全開發(fā)出來，這主要是因為在加工過程中，動能沒有及時進行回收并轉(zhuǎn)化。本著節(jié)能原則，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動能變化范圍，盡可能地縮小范圍。

（2）在輸出力方面的節(jié)能分析。不同工作要求的機械設備在工作過程中的輸出力是不同的，即使是相同的機械設備在不同過程要求下輸出的力也不完全相同。因此，要在節(jié)能方面進行改善。

導致機械設備在工作過程中輸出力偏高的因素主要是在很短時間內(nèi)，力的變化波動比較大，在函數(shù)中表現(xiàn)為周期函數(shù)。只要把輸出力的波動變化范圍縮小，變化越小，節(jié)能的效果也就越好。

（3）降低無用功，節(jié)省能源。無論何種機械設備，都不可避免地會有摩擦以及其他阻力，這些阻力都或多或少地產(chǎn)生無用功。這些都和設備在設計過程中采用的零件精度以及方式有很大關(guān)系。這些無用功都對設備的使用效率產(chǎn)生極大阻礙。因此，在設計時，要充分考慮節(jié)能因素，最大限度地減小無用功，提升設備的使用率。

（4）節(jié)能原理的分析總結(jié)。節(jié)能的方法主要就是在動能、輸出力以及減小無用功等方面對設備進行改進。簡單地說，就是工程師在設計的過程中，把系統(tǒng)的一些參數(shù)變化維持在一個盡可能小的范圍內(nèi)，就可以極大地節(jié)省能源。但這點實現(xiàn)起來極為不易，是所有工程師長期奮戰(zhàn)的目標。

4 機械設計節(jié)能原理的實際應用

由于機械設計節(jié)能的基本原理主要涉及質(zhì)點以及動能定理，因此，由質(zhì)點組成的對象都可以利用，其適用范圍寬泛。

4.1 該節(jié)能原理在升降機械力的應用

升降機械在實際工作中消耗的功率較大，產(chǎn)生的無用功也較大，因此，要在節(jié)能方面進行改善。改進前，要先研究消耗的原因，大部分功率的消耗都發(fā)生在設備提升以及下放物體的過程中。一般來說，在設計升降機械前，一定要標準化，結(jié)合電梯的設計原理，加入機械設計的節(jié)能原理。在升降機械設計中的應用升降機械與其他機械相比，消耗功率的主要特征是貨物和人的重量（有勢力）在提升或下降的勻速運動過程中均要消耗功率。工程實踐證明，以相同的速度提升質(zhì)量相等的重物，按照電梯標準計算設計的曳引驅(qū)動機構(gòu)所消耗的功率比傳統(tǒng)卷揚驅(qū)動機構(gòu)要小得多。若按“系統(tǒng)勢能為常量或在最小范圍內(nèi)變化”設計升降機械或電梯，可得平衡升降機和平衡電梯設計方案。在平衡升降機中，若用Q（t）表示提升物體的質(zhì)量，用P表示自重不變的配重，用r1表示升降貨物卷筒的半徑，r2表示升降配重卷筒的半徑，若要平衡升降機的系統(tǒng)勢能為常量，則必須滿足式Q（t）r1=Pr2（公式1），雖然Q（t）為變量，但可采用自動變速機構(gòu)改變傳動比，可實現(xiàn)系統(tǒng)勢能為常量。在平衡電梯中，若用Q（t）表示轎廂和水箱自重以及隨人數(shù)變化載質(zhì)量，P（t）表示配重和水箱自重（變量），曳引輪與導向輪半徑相等用r表示。平衡電梯在工作時，當進入轎廂人的質(zhì)量為q1，轎廂下水箱里將有p1重的水進入配重下水箱。電梯空載時，Q（t）=QP（t）=P，電梯工作時Q（t）=Q+q1-p1，P（t）=P+p1，將其代入式（公式1），則可求得轎廂下水箱里水進入配重下水箱的質(zhì)量。

可以看出由轎廂水箱進入配重水箱水的質(zhì)量只是人質(zhì)量的1/2?，F(xiàn)對卷揚驅(qū)動機構(gòu)、曳引驅(qū)動機構(gòu)和平衡升降機或平衡電梯所需要的電機功率進行對比，可以看出平衡升降機或平衡電梯顯然要比曳引驅(qū)動機構(gòu)要小。同時還可以發(fā)現(xiàn)，卷揚驅(qū)動機構(gòu)系統(tǒng)勢能在最大范圍內(nèi)變化，曳引驅(qū)動機構(gòu)系統(tǒng)勢能在較小范圍內(nèi)變化，平衡升降機或平衡電梯的系統(tǒng)勢能為常量或在最小范圍變化。由此可知，當系統(tǒng)勢能為常量時，該機構(gòu)節(jié)能效果最為明顯。

4.2 在加工型設備中的應用

加工型機械設備在實際生活中較為常見，其在加工過程中消耗的能源也最大，因此，該類設備的節(jié)能尤其重要。以牛頭刨床為例，該設備主要由一個質(zhì)量很大的主軸來操作其穩(wěn)定運行，要想實現(xiàn)節(jié)能，就要降低輸入的功率，結(jié)合機械原理，再增添一個該裝置，設備的功率變?yōu)樵鹊?倍，以提升功率，節(jié)省能源。

4.3 該節(jié)能原理在大壓路機上的應用

大型壓路機的輪子表面并沒有嚴格按照周期函數(shù)來表現(xiàn)，其變化范圍較大。這在無形中阻礙了節(jié)能設計。因此，要想真正實現(xiàn)節(jié)能，就要把沖擊輪的勢能在重心處于最低處時的變化縮小在一個最小區(qū)間，區(qū)間越小，節(jié)能效果越好。

機械設計的基本原理范文第2篇

【關(guān)鍵詞】機械設計 新型理論 汽車工程 研究應用

一、有關(guān)機械設計理論的概括及研究方向

（一）機械設計理論的基本概括

機械設計及理論是機械工程一級學科所屬的二級學科，是研究機械科學中具有共性的基礎理論和設計方法的學科，是對機械進行功能分析與綜合并定量描述與控制機械性能的基礎技術(shù)學科，也是定位機械工程中的各項細致工作流程及程序的歸納總結(jié)的簡單理論介紹。它主要研究各種機械、機構(gòu)以及其零件的工作原理、現(xiàn)代傳動與控制技術(shù)、運動和動力學性能、摩擦物理學、關(guān)系力學、機械創(chuàng)新與設計等有關(guān)課題。機械學科與仿生學、信息學、生物學、電子學等許多學科相互滲透，從而促進了機械設計與理論學科的新發(fā)展。機械設計這個學科的特色與優(yōu)勢，它是以復合材料構(gòu)件設計與制造、計算機輔助工程、輕工自動機械設計及理論研究為目標，將計算機輔助設計與現(xiàn)在檢測技術(shù)應用于機械以及產(chǎn)品的設計過程中。具有工程設計和管理的綜合素質(zhì)極其豐厚的專業(yè)知識，適合從事工程技術(shù)，科研等工作。我國近年來在機械設計研究上取得了驕人的成績。

（二）機械設計理論的主要研究方向

現(xiàn)如今，隨著科技的快速發(fā)展，機械設計理論也逐漸的完善、增多起來，特別是更好地擴大了機械設計理論在各方面上的研究，主要有以下幾個研究方向：現(xiàn)代設計理論與方法：機械創(chuàng)新設計與方法、機械系統(tǒng)動態(tài)設計與仿真、優(yōu)化設計、新型傳動理論設計、機器人機構(gòu)及其控制與仿真技術(shù)、數(shù)學機械化在機械中的運用；機械創(chuàng)新設計與檢測技術(shù)：機械創(chuàng)新設計與檢測技術(shù)主要用于研究機械創(chuàng)新設計與有限元計算分析，機械振動與噪聲測試與分析，計算機輔助設計與制造、圖像處理技術(shù)；輕工自動機械設計及理論：主要研究的領(lǐng)域是輕工自動機械現(xiàn)代設計理論，輕工自動機械先進傳動技術(shù)，新型傳動機構(gòu)研究與開發(fā)、輕工機械動力傳動的節(jié)能與環(huán)保、輕工業(yè)機器人開發(fā)與應用研究、機器人新機型、仿生機械研究等；仿生機械學：仿生原理與技術(shù)；驅(qū)動與控制技術(shù)、機械運動與控制。

二、機械設計理論在汽車工程上的研究

隨著工業(yè)革命的發(fā)展，人類歷史上出現(xiàn)了第一輛汽車，近些年來，又隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車變成了“改變世界的機器”，它不僅僅改變了人們的生活方式，方便了人們的出行，還在一定程度上有效的提高了人們的生活質(zhì)量和生活水平。雖然，在過去的幾十年里汽車行業(yè)的發(fā)展有了很大的進步，可是，目前的科學技術(shù)水平依然還是有限的，對于汽車的研究在各方面還需要更進一步的提高。新型機械設計理論以及一些基本原理在汽車工程方面有著很大的研究方向，并且對其有著一定的推動作用。

（一）機械理論在汽車工程技術(shù)上的研究

汽車工業(yè)的發(fā)展代表著一個國家制造業(yè)的發(fā)展，它直接決定了該國家制造業(yè)的發(fā)展水平。在某種程度上，它不僅僅是最廣泛的一種工業(yè)，還是最新技術(shù)的最大載體之一，例如，有些航空、航天領(lǐng)域的高新技術(shù)只有通過汽車工程工業(yè)才能夠更好的轉(zhuǎn)化為較為規(guī)模型的產(chǎn)業(yè)，這就決定了新型機械設計理論及基本原理在汽車工程、工業(yè)上有著很大的促進作用。近些年來，對于汽車工程技術(shù)的研究有著越來越高的標準，這就迫使研究工作者更全面的運用機械設計理論為汽車工業(yè)的發(fā)展做好準備。

（二）機械設計理論在汽車工程實際操作方向上的研究

在實際生活當中，對于汽車工程的研究離不開技術(shù)方面上的研究，更離不開實際操作方向上的研究，這些實際操作上的研究與機械設計的基本理論有著密不可分的關(guān)系，甚至有些實際操作，例如對汽車的噪聲、振動等等有著很強的密切性，并且對于這些問題的解決有著很好的作用效果。

三、新型機械設計理論在汽車工程上的應用

（一）機械設計理論在汽車工程噪聲、振動上的應用

在評價汽車舒適性中有一項十分重要的指標，那就是NVH分析，它直接關(guān)系到了汽車產(chǎn)品的市場形象。NVH不僅有助于對振動頻率進行匹配，用于消除振動過程中出現(xiàn)的耦合現(xiàn)象，還有利于改善產(chǎn)品的振動特性，從而大大降低汽車的噪聲及振動。利用NVH分析可以預先得到新開發(fā)車型性能指標，還能對設計以及制造等各個環(huán)節(jié)進行更好的優(yōu)化和完善，該分析不僅從設計成本上，還是從開發(fā)周期上考慮，都為設計新型車型提供了很好的保障。

（二）機械設計理論在汽車結(jié)構(gòu)強度與模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化上的應用

車身是車的主要總成，因此車身必須有很好的強度來保證車的壽命，以足夠的靜剛度來保證車的裝備與使用要求。在機械創(chuàng)新設計與檢測技術(shù)中機械創(chuàng)有限元分析的方法能夠有效地滿足上述車身的設計，其主要應用體現(xiàn)在：一是在汽車設計中對結(jié)構(gòu)件、主要機械零件的強度、剛度和穩(wěn)定性進行分析：二是在汽車結(jié)構(gòu)分析中通常采用有限元法來進行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時在計算機上可以清晰地觀看各構(gòu)件的振動模態(tài)，這就為結(jié)構(gòu)的動態(tài)設計提供了方便。因此有限元分析的方法在汽車結(jié)構(gòu)上的應用從而提高了車身設計水平。

四、結(jié)語

機械設計的基本原理以及設計理論有著很好的應用前景，特別是在汽車工程方面上發(fā)揮著良好的效果，不僅僅體現(xiàn)在對于汽車工程技術(shù)和實際操作上的研究，還體現(xiàn)在了對于汽車工程、設計上的具體應用，這些對于汽車工程的發(fā)展有著極大的推動作用。

參考文獻：

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[2]陳吉清.承載式車身結(jié)構(gòu)的強度剛度及模態(tài)的有限元分析[J].2010年

機械設計的基本原理范文第3篇

摘 要：函數(shù)互換性是應用于現(xiàn)代機械加工中新型技術(shù)加工形式，函數(shù)互換性可以實現(xiàn)機械加工的靈活性發(fā)展，結(jié)合函數(shù)互換性的基本原理，對函數(shù)互換性在現(xiàn)代機械設計領(lǐng)域的應用進行探究，促進現(xiàn)代機械加工技術(shù)逐步拓展與發(fā)展，實施整體機械加工生產(chǎn)效率得到提升。

關(guān)鍵詞：函數(shù)互換性；機械設計應用；分析

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展水平的逐步提升，社會機械加工技術(shù)也逐步實現(xiàn)拓展性發(fā)展，函數(shù)互換性是應用數(shù)學函數(shù)中，函數(shù)自變量和因變量之間相互運動，到達提升機械加工效率的作用。一方面，函數(shù)互換性可以提升機械的自自我運轉(zhuǎn)頻率，節(jié)約加工零件，推升另加加工的效率和速度，另一方面，函數(shù)互換性在現(xiàn)代機械加工中的應用，可以進一步拓展現(xiàn)代機械加工的精準性，進一步優(yōu)化現(xiàn)代整體機械加工的質(zhì)量。

一、函數(shù)互換性原理概述

函數(shù)互換性是基于函數(shù)中基本要素，自變量與因變量之間的關(guān)系，在某種特殊的環(huán)境中，可以相互轉(zhuǎn)換。函數(shù)互換性的基本應用原理是，將自變量與因變量在保障函數(shù)關(guān)系式成立的前提下，實現(xiàn)函數(shù)的因素對調(diào)，到達對函數(shù)自身的檢驗。函數(shù)互換性的原理研究，以現(xiàn)代加工機械設計為例進行分析，機械進行零件加工中，往往依據(jù)程序進行系統(tǒng)內(nèi)部零件加工[1]，由于機械長期處于同一方向運動，機械做功中將產(chǎn)生零件加工的誤差，造成零件加工的整體準確性大大降低，摩擦力在做功中也會產(chǎn)生阻力，是機械的工作效率降低，而函數(shù)互換性在現(xiàn)代機械設計的應用，可以在零件加工的機械運動狀態(tài)下保持機械函數(shù)下自變量和因變量之間的數(shù)據(jù)平衡，逐步實現(xiàn)現(xiàn)代函數(shù)運動作用的得到的機械運動效率提升。函數(shù)互換性額實現(xiàn)主要可以分為：函數(shù)關(guān)系式確定，函數(shù)比的衡量、函數(shù)公差的應用以及函數(shù)互調(diào)性的數(shù)據(jù)檢驗幾部分[2]。結(jié)合現(xiàn)代整體函數(shù)結(jié)構(gòu)，對函數(shù)互換性的實現(xiàn)進行分析。

二、函數(shù)互換性在現(xiàn)代機械設計的應用優(yōu)勢

函數(shù)互換性是基于數(shù)學函數(shù)設計的基本原理，對函數(shù)互換性的實施原理進行分析，在現(xiàn)代機械設計中的應用，能夠滿足現(xiàn)代機械加工運作效率提高的作用，實現(xiàn)機械運作的整體運行效率發(fā)揮機械加工精準性特點，減小機械在運動中的無用功的比重，提升機械的運行速率；另一方面，機械運動的速率能夠減小系統(tǒng)運行誤差，提升機械運作的工藝[3]，穩(wěn)定機械運作的比重，實現(xiàn)零件制造中，質(zhì)量函數(shù)發(fā)揮的作用，促進現(xiàn)機械運作的工藝精準性，從而充分發(fā)揮機械運作在機械加工中的作用；函數(shù)互換性的設計原理，為現(xiàn)代機械設計的原理提供了更加精確的運動理論自持，打破了傳統(tǒng)機械設計中單方向的機械工作設計原理，大大提升了機械運作的靈活性，在現(xiàn)代機械設計中具有重要的作用。

三、函數(shù)互換性在機械設計中的應用探究

函數(shù)互換性基于數(shù)據(jù)函數(shù)自變量和銀白能量之間的關(guān)系，進行某一平衡狀態(tài)下，函數(shù)數(shù)據(jù)之間能夠互相轉(zhuǎn)換，提升函數(shù)的綜合應用率，本文對函數(shù)互換性在機械設計中的應用的探究，主要從函數(shù)互換性的實現(xiàn)基本步驟進行分析。

（一）函數(shù)關(guān)系式確定

函數(shù)互換性在機械設計中的實現(xiàn)，必須滿足函數(shù)兌換的數(shù)據(jù)具有一定的函數(shù)關(guān)系，因此，確定函數(shù)關(guān)系式，是實現(xiàn)函數(shù)互換性的首要因素?，F(xiàn)代機械的設計，往往采用電能轉(zhuǎn)換為機械能的形式進行機械做功，依舊零件加工的系統(tǒng)程序，應用電能與做功相互轉(zhuǎn)換的作用，達到機械的運行。在此基礎上，將零件加工的做功看作是自變量[4]，將機械的整體做功量看作是因變量。那么，機械運作的函數(shù)關(guān)系式可以表述為：機械運動產(chǎn)生的總體功與機械零件加工做功是因變量和自變量的關(guān)系。當自變量機械運動做工的比重增加，因變量的有用功也會增加。

（二）函數(shù)比的衡量

現(xiàn)代機械設計中自變量和因變量之間的關(guān)系，進行機械設計時，進一步確定函數(shù)互換性實現(xiàn)的函數(shù)衡量比，所謂函數(shù)比即機械有用功做功的環(huán)數(shù)旋轉(zhuǎn)數(shù)值與函數(shù)關(guān)系式之間的數(shù)值之比，當函數(shù)中自變量和因變量進行互調(diào)時，函數(shù)比的衡量值越大，函數(shù)互換性的做功比率就越大，機械零件加工中的有用功的調(diào)節(jié)作用越強。例如：某機械設計時，將函數(shù)互換性作為一種機械自動調(diào)節(jié)的形式，在機械設計中[5]，將機械的自變量和因變量的函數(shù)互換性比的最低值設置為F，機械在實際零件加工應用中，當自變量和因變量達到F值時，機械運動的機械能就會發(fā)生能量的相互轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)改變機械內(nèi)部運行結(jié)構(gòu)原理，對機械運行的做功效率進行自我調(diào)節(jié)作用，發(fā)揮現(xiàn)代函數(shù)互換性在機械做功中的調(diào)節(jié)作用。

（三）函數(shù)公差的應用

函數(shù)公差是指函數(shù)互換性實施后，機械做功運動數(shù)值變化與原來的函數(shù)進行函數(shù)的自我對比，函數(shù)公差在現(xiàn)代機械設計中的作用，是用于機械設計人員機械設計的做功進行數(shù)據(jù)檢驗和進一步調(diào)節(jié)的重要依據(jù)，函數(shù)公差的計算通常依據(jù)機械實行函數(shù)互調(diào)性的前，進行液壓系統(tǒng)做功運算，與實施函數(shù)互調(diào)性后液壓系統(tǒng)做功計算的差值。函數(shù)公差的應用，可以實現(xiàn)對機械函數(shù)運行的實際數(shù)據(jù)進行綜合性對比，提高現(xiàn)代函數(shù)互調(diào)性在函數(shù)中應用發(fā)展的作用，為發(fā)揮機械加工中零件加工的最佳精確化[6]，減小零件加工的誤區(qū)具有重要的作用，同時也正是由于函數(shù)公差的存在，實現(xiàn)了現(xiàn)代機械設計中函數(shù)互調(diào)性的應用效果性得到明顯提升，促進我國現(xiàn)代機械加工零件設計結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化發(fā)展。

（四）函數(shù)互調(diào)性的數(shù)據(jù)檢驗

函數(shù)互換性在現(xiàn)代機械設計中的應用，具有函數(shù)應用檢驗的作用。依據(jù)函數(shù)關(guān)系式，在機械設計中進行自變量和因變量的設定，機械運動在實際中應用，達到機械內(nèi)部設定的機械運行加工設計階段，機械實現(xiàn)內(nèi)部函數(shù)自變量與因變量之間的自動化轉(zhuǎn)換，函數(shù)互調(diào)性進行函數(shù)公差計算中，將保障關(guān)系式自動平衡的中間數(shù)據(jù)直接帶入到機械液壓系統(tǒng)運行的結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)對機械內(nèi)部發(fā)生函數(shù)互調(diào)性的數(shù)據(jù)進行檢驗，如果函數(shù)互調(diào)性的中間值符合函數(shù)運行的數(shù)據(jù)，機械運動的頻率數(shù)據(jù)波穩(wěn)定，否則，機械做功的數(shù)據(jù)監(jiān)測波將發(fā)生較大的數(shù)據(jù)變動，由此可見，在機械設計中應用函數(shù)互調(diào)性是提升機械工作效率的重要保障。

四、結(jié)論

函數(shù)互換性善于把握函數(shù)自變量與因變量在某種做工狀態(tài)下，可以相互轉(zhuǎn)換，提升機械運作的整體效率，優(yōu)化現(xiàn)代機械的基本運行結(jié)構(gòu)，發(fā)揮函數(shù)互換性在機械設計中有用功與無用功相互轉(zhuǎn)換的作用，提升機械\作的速率，增加有用功的比重，為現(xiàn)代機械在生產(chǎn)生活中的應用，提供更完善的機械做功保障。

參考文獻：

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機械設計的基本原理范文第4篇

關(guān)鍵詞：蟻群算法；遺傳算法；元胞原理；四桿機構(gòu)

中圖分類號：tg316 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）3-0048-02

隨著科學技術(shù)和工業(yè)水平的不斷提高，目前在機械優(yōu)化設計的要求也越來越高，原來傳統(tǒng)的圖解法、解析法等設計方法已不能完全滿足現(xiàn)在的要求。雖然后來也出現(xiàn)了比如蟻群算法這樣的優(yōu)秀設計方法，但是其自身也存在停滯現(xiàn)象、收斂速度慢等問題，不能很有效的進行機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。于是基于蟻群算法、遺傳算法、元胞原理可提出兩種優(yōu)秀的設計方法：遺傳蟻群算法、元胞蟻群算法。這兩種設計方法可以有效的克服基本蟻群算法的缺點，改進設計效果，使機械設計變得更加優(yōu)化。下面我們將分別根據(jù)不同的條件，然后運用遺傳蟻群算法和元胞蟻群算法進行平面四桿機構(gòu)再現(xiàn)軌跡的優(yōu)化進行設計，使機械的優(yōu)化設計問題得到不同程度的解決。

1 蟻群算法

1.1 蟻群算法基本原理

蟻群算法是由Marco Dorigo于1992年在他的博士論文中提出的一種用來尋找最優(yōu)優(yōu)路徑的概率型算法。蟻群算法的基本原理和模型來源于螞蟻在找食物時選擇路線的過程。我們都知道自然界的螞蟻即使在沒有任何外界導向信息的情況下，螞蟻也總是能找到從巢穴到食物的最短路線。Marco Dorigo等人發(fā)現(xiàn)，自然界螞蟻尋找到從巢穴到食物的最短路線，是通過一種正反饋效應實現(xiàn)的。具體表現(xiàn)為：單個的螞蟻每次會在自己行走的路線下留下一種揮發(fā)性的分泌物，我們稱其為信息激素。這樣就使最優(yōu)路徑上的激素濃度越來越大，而其它路徑上的激素濃度會隨著螞蟻的不斷運動而逐漸減少，最終使最優(yōu)路徑被找出。

1.2 蟻群算法基本模型及其實現(xiàn)

根據(jù)Dorigo等人提出的關(guān)于蟻群算法的基本觀點，我們可以將蟻群算法的基本實現(xiàn)過程和原理描述以下幾個步驟：

①搜索結(jié)果不滿足預期效果時，螞蟻繼續(xù)尋找另一條路線；②搜索過程中非最優(yōu)路徑上的信息激素濃度減少，最優(yōu)路徑上的信息激素增加；③信息激素濃度等根據(jù)搜索結(jié)果進行實時更新；④搜索到最終結(jié)果。但是通過實踐發(fā)現(xiàn)這種基本蟻群算法原理在求解結(jié)果的過程中會出現(xiàn)搜索速度慢等缺點。因此如若將蟻群算法與遺傳算法、元胞模型等原理相結(jié)合，就出現(xiàn)了遺傳蟻群算法、元胞蟻群算法，這些復合的算法就可以有效的克服簡單蟻群算法的缺點。

2 遺傳蟻群算法

2.1 遺傳蟻群算法原理

在上述螞蟻的轉(zhuǎn)移概率的定義式中，信息啟發(fā)式因子？鄣和期望值啟發(fā)式因子？茁，以及信息量殘留系數(shù)？籽都可以進行用數(shù)學方法進行計算分析，因此，如果將？鄣、？茁和？籽這三個因素看成代表螞蟻搜索求解過程中典型的3段代碼，并將？鄣、？茁、？籽編碼為實數(shù)。然后通過遺傳算法中的遺傳算子進行變異處理，這樣就可以在原有的算法結(jié)果的基礎上進行優(yōu)化。這樣就把基本的蟻群算法與遺傳算法中的遺傳變異效應相結(jié)合起來。這樣遺傳蟻群算法原理就產(chǎn)生了。

2.2 遺傳蟻群算法模型及其實現(xiàn)（以平面四桿機構(gòu)優(yōu)化設計為例）

4 結(jié) 語

蟻群算法是模擬自然界螞蟻的覓食行為的一種模型方法，雖然在機構(gòu)的優(yōu)化設計中有一定的優(yōu)勢，但是其自身也存在一些問題，故將蟻群算法和遺傳算法、元胞模型進行綜合運用，克服了原有基本蟻群算法的缺點。為機構(gòu)的優(yōu)化設計提供了更為簡便、優(yōu)秀的設計方法，并且可以根據(jù)實際情況的已知條件選擇恰當?shù)脑O計方法。這樣我們在實際的設計中可以根據(jù)自身的情況選擇遺傳蟻群算法或者元胞蟻群算法，這為我們的設計提供了較大的選擇空間。

參考文獻：

[1] 劉國光.基于改進蟻群算法的四桿機構(gòu)優(yōu)化設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2006，37（1）：149-151.

機械設計的基本原理范文第5篇

關(guān)鍵詞：仿生學；產(chǎn)品機械設計；應用

0 引言

產(chǎn)品設計是一門涉及工業(yè)設計、數(shù)學、物理等多學科交叉的學科門類，它要求設計師加強對工業(yè)技術(shù)與文化藝術(shù)的理解、各類學科的美學設計思想的綜合、充分運用現(xiàn)有產(chǎn)品各類特質(zhì)的能力。產(chǎn)品設計從市場需求出發(fā)，通過設計師綜合分析歸納，同時經(jīng)工程師工藝分析和反饋，反復從結(jié)構(gòu)、外形與材料、功能等各方面進行優(yōu)化的過程。

而仿生設計作為人類向大自然學習的途徑，是當前科學界和人文界創(chuàng)新求知的重要方法，人類通過發(fā)掘了解自然界各類動植物的結(jié)構(gòu)與生存方式，將研究發(fā)現(xiàn)運用到產(chǎn)品設計中，從而實現(xiàn)產(chǎn)品更好的服務人類，并和大自然和諧共存的新型設計理念。

產(chǎn)品設計在運用仿生學設計理念的前提下，要在產(chǎn)品中融合理工科和人文各類學科，通過將自然界生物體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料和功能等各類要素融入產(chǎn)品設計的思路中，這使得產(chǎn)品設計既提升了藝術(shù)品位又滿足了用戶需求。

隨著機械設計方法的更新，其他領(lǐng)域的新技術(shù)和新理念也不斷向機械領(lǐng)域擴展，而仿生學設計的應用也為產(chǎn)品機械設計提供新的發(fā)展空間，本文將著重分析仿生學在產(chǎn)品機械設計中的應用。

1 產(chǎn)品機械仿生設計的理念與內(nèi)容

機械仿生設計是指工程師在利用現(xiàn)有工程技術(shù)的前提下，運用發(fā)散性思維，結(jié)合仿生設計的理念和方式，設計出創(chuàng)新性的機械產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)材料的過程。這和以往的機械設計方法一樣，都是基于機械設計的基本理論和方法，但是其又具有獨特的創(chuàng)新性，是一種新型設計方法。

1.1 機械結(jié)構(gòu)仿生設計

作為機械仿生設計的關(guān)鍵部分，機械結(jié)構(gòu)仿生設計則需充分理解掌握自然界生物體的結(jié)構(gòu)形式與相應功能原理，并對其結(jié)構(gòu)和功能進行仿生設計而為人類使用。自然界的生物經(jīng)過無數(shù)個歲月的進化，已充分發(fā)展形成了各種具有高度復雜的結(jié)構(gòu)形式和功能形態(tài)。這些結(jié)構(gòu)形式和功能形態(tài)作為機械仿生設計的源泉，提供了各類可供參考的結(jié)構(gòu)形式。例如蜂巢的結(jié)構(gòu)，其截面為六邊形，總體為柱體，這種結(jié)構(gòu)通過綜合力學分析證明，能夠在提高結(jié)構(gòu)的同時而減少材料的使用。該結(jié)構(gòu)已應用到特種飛行器件的結(jié)構(gòu)設計中，在實踐中得到了充分的證明。還有例如現(xiàn)已廣泛用于包裝的復合紙板，花炮架構(gòu)等，這種機械結(jié)構(gòu)的設計既能滿足軸向抗壓強度，又能減少材料的使用及重量的減輕，更能起到吸收噪音等輔助作用。

1.2 機械運動機構(gòu)仿生設計

作為機械仿生設計的關(guān)鍵組成部分，運動機構(gòu)仿生設計是在全面了解動植物運動的特點和原理的前提下，對運動的基本結(jié)構(gòu)、運動的控制方式、運動功能的實現(xiàn)及運動的各個細節(jié)進行全面的模仿。在當前機構(gòu)仿生設計中應用比較廣泛和有成效的是現(xiàn)代機器人仿生設計和路面機械設計這兩個領(lǐng)域。

伴隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展與人民對于現(xiàn)代生活方式的需求，機器人已不再僅僅局限于服務工廠，在人類的日常生活中已逐漸普及使用。比如在教育等方向的應用，多功能仿生手指的設計是經(jīng)過復合材料做成的通過氣動方式驅(qū)動的機構(gòu)設計，在關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)上，如應力、剛度要求、彈性收縮比率等都與自然界生物體的肌肉相近，我們可以通過機械加工成特殊殼結(jié)構(gòu)從而使其具有良好的運動特性。

在路面機械方面，有關(guān)課題組利用牛耕地的基本原理，創(chuàng)造性的建立了“半浮式理論”，該設計的原理是通過改變傳統(tǒng)農(nóng)機驅(qū)動裝置的承重與驅(qū)動的雙重功能，從而獨創(chuàng)性的設計出新型步行輪機構(gòu)，使其廣泛應用于松軟土地等軟性地基的工業(yè)狀況。通過這一仿生設計的原理還指導了很多驅(qū)動力大、運動阻力小的新型機構(gòu)。

1.3 機械材料仿生設計

機械仿生設計主要通過研究生物組織的結(jié)構(gòu)、構(gòu)成原理和材料的聯(lián)系，獲得所需要的啟示并指導材料的設計、制造與加工，最終達到所需要的材料特性，從而滿足機械的性能需求。生物復合材料的結(jié)構(gòu)、原理等是現(xiàn)代新型復合材料研究的藍本，對天然生物材料的表面功能、形成原理進行研究分析，發(fā)展出了具有仿生特性的特種工程材料，它代替了現(xiàn)有的金屬材料與高分子材料，達到改善產(chǎn)品機械使用性能的目的。

1.4 機械運動控制仿生設計

在產(chǎn)品機械設計領(lǐng)域，機電液一體化及機械人工智能控制是現(xiàn)代機械系統(tǒng)整體運行性能的基本保證。智能控制仿生設計是現(xiàn)代仿生設計中的一個關(guān)鍵研究點，智能控制仿生設計的發(fā)展在一定程度上制約了仿生機器人領(lǐng)域的進步。過去的一段時間里，對于規(guī)定形狀等規(guī)范化的對象進行作業(yè)的機器人有了快速的進步，而針對各種形態(tài)的動植物的工農(nóng)業(yè)機器人也廣受歡迎。在各個國家的競爭中，歐美等老牌產(chǎn)品機械設計強國始終保持在世界前列，這些國家目前對于仿生機器人的性能要求有了新的提升，不僅僅滿足于路面識別，行走定位，還包括準確識別目標形態(tài)，智能糾正控制自身位置，并能實現(xiàn)記憶作業(yè)從而達到最大程度的智能化。

2 產(chǎn)品機械仿生設計發(fā)展前景（小結(jié)）

相對傳統(tǒng)的產(chǎn)品機械設計方法，機械仿生設計作為一種新型的設計方法，短期內(nèi)已經(jīng)從集合多門學科逐步發(fā)展形成更深更廣的產(chǎn)品設計理念。隨著科技的不斷發(fā)展，目前還需進一步研究與總結(jié)產(chǎn)品機械仿生設計的系統(tǒng)理論，同時必須有效地結(jié)合計算機發(fā)展技術(shù)進行仿生的輔助設計，并在機械控制系統(tǒng)和仿生設計集成方面需更進一步。產(chǎn)品機械仿生設計是未來產(chǎn)品設計的一個方向，它符合未來科技發(fā)展趨勢，它是產(chǎn)品機械設計理念的一次跨越性的進步，它為產(chǎn)品設計的多元化發(fā)展提供了新的可能，它的發(fā)展與進步使得產(chǎn)品設計的道路越走越寬。

參考文獻：