時間：2023-05-30 10:37:38
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇機械優化設計，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
引 言
機械優化設計，所涉及的學科眾多。其中包含物理學、材料學、應用數學及化學、應用力學以及計算機程序設計等，系處理較為復雜的設計的有效工具之一。此次研究除去闡述優化設計方法，還總結出歸納出無約束優化設計法、有約束優化設計法、基因遺傳算法三類優化設計手段，并對三者的特點進行論述，最后，對選取優化設計手段的幾大要素進行闡述。
一、優化設計手段的論述
機械優化領域的設計靈魂即是優化設計方法，伴隨計算機技術及數學科學迅速發展，解析法、數值分析法及非數值分析法為其所發展經歷的三個階段。
20世紀的50年代初，解決最優化問題的兩種最主要的數學方法是，古典的變分法與微分法。此兩種手段具計算精準及概念清晰的主要特征，可是，不足之處是僅限于解決一些小型或是特殊問題，于處理大型的實際問題之時，因過大的計算量，無形中增加了計算的難度。
20世紀50年代末，于優化設計中，其求優方法的理論基礎即是數學規劃手段。該方法是以數值分析為前提，結合已知的信息及條件，最后通過一連串的迭代過程得出問題最優解。但是其相關的理論還是比較簡單的，計算的過程亦相對容易，只是計算的量極其大，可是此亦正是計算機所有工作中最為擅長的一項，當然，計算機也就歸為了數值優化措施工具中最關鍵的那一類。
20世紀80年代末，如模擬退火、進化規劃、混沌、人工神經網絡、遺傳算法及禁忌搜索等一些優化方法層出不窮，上述算法經模擬自然現象及規律而獲得某些結論，一步步產生具有特點的優化方法，它的內容涉及到物理學、統計力學、數學、生物學、神經學、人工智能等。
二、設計方法
該設計方法被大量的應用到機械工程中，主要是因為它可以在特定的背景中確保方案最為合理，而且不需要使用太多的人力物力。該方法從最初的數值法到后來的數值分析，最后過渡到非數值分析。最近幾年由于電腦技術的廣泛應用，在設計的時候可以通過合理的選取設計數值進而得到最為優秀的方案，而且還能夠大大的縮短用時。將該方法和電腦科技有效的融會到一起，是時展的產物，必將得到發揚。
三、類型和特征簡介
1、無約束優化設計法
具體的說分成兩個類型，一種是像共軛梯度法、最速下降法、牛頓法等方法，它是利用目標函數的一階或二階導數的無約束優化方法。另一種是像單形替換法、坐標輪換法等，利用目標函數值的無約束優化方法。
2、遺傳算法
該方法是對隨機群體不斷的演變選擇，進而獲取最為合理的方法。它非常的類似于自然界的淘汰法則，適應社會發展的必然得到發展，而落后的必然會被遺棄。該方法有兩大特點，即能夠起到優化整體的作用，同時還有很好的適應能力。它被應用到很多領域中，比如問題診斷等等。最近幾年它在工程方面也體現出了自身的巨大價值。接下來就具體的展開論述。第一是它能夠論述可靠性問題。第二是能夠辨別參數。它能夠大體的分辨結論數值，明確了大體的區間之后，再通過遺傳措施對設定的數值以及結論數值一起優化處理。第三，能夠設計機械方案。為了和目前的編碼體系保持一致，其設置了一系列的遺傳方法，通過這些方法掌控它的搜索活動，而且通過復制等活動不斷的迭代，進而得到最為優秀的方案。除此之外，它還可以應用到很多的其他行業中，比如節能設計以及數控加工誤差等。上文講述了很多它的優點，不過它也并非是完美的。比如目前還無法優化其自身的數值，無法通過新的設置來提升效率，目前的操作方法還不是很完善等等的一些問題。一般采用懲罰函數法求解約束優化問題時，其難點是如何選擇合適的懲罰因子。該因子太大的話，會使得搜索工作變得困難，但是如果設置得太小的話，可能造成整個懲罰函數的極小解不是原目標函數的極小解。
3、約束優化設計法
根據處理約束條件的方法不同可分為間接法和直接法。間接法常見的有增廣乘子法、懲罰函數法。它是將非線性優化問題轉化成線性規劃問題或是將約束優化問題轉化成無約束優化問題來求解。直接法常見的方法有復合形法、網絡法和約束坐標輪換法等。它的本質是創造一個迭代的步驟，確保所有的迭代點都能夠在可行區間之中，進而不斷的降低數值，一直到最為合理為止。
4、蟻群算法
是通過人工模擬螞蟻搜索食物的過程來求解旅行商問題，在1991年由意大利學者M.Dorigo等人提出。蟻群算法適合非線性問題的求解，避免了導數等數學信息，對系統優化問題的數學模型沒有很高的要求。主要應用在：交通建模及規劃電信路由控制、集成電路布線設計、有序排列問題、二次分配、車間任務調度等問題的求解。雖然蟻群算法具有并行計算、正反饋選擇和群體合作等優點，但也存在著容易出現“停滯”現象和需要較長的搜索時間兩個缺陷。吳慶洪等提出了應用改進型蟻群算法解決有序排列問題，運用新的狀態轉移規則，討論不同的軌跡更新規則對仿真結果的影響的一種具有變異特征的蟻群算法，并通過統計數據驗證了相對于標準的蟻群優化算法中，改進型蟻群算法的優勢所在。
5、模擬退火算法
模擬退火算法，最早在1953年由Metropolis提出，1983年Kirkpatrick成功地應用在組合最優化問題。模擬退火算法是一種通用的優化算法，用以求解不同的非線性問題；能夠發揮出良好的收斂性特征，而且適應能力很是強大；對不可微甚至不連續的函數優化，能以較大概率求得全局優化解；能處理不同類型的優化設計變量；并且對目標函數和約束函數沒有任何要求；不需要任何的輔助信息。目前已經廣泛的應用于：神經網絡、圖像處理、控制工程、數值分析和生產調度等。這個方法雖然有很多的優點，不過它也存在一些缺點，比如它的效果不是很好，而且整個運算活動耗費的時間非常久。通過上文的分析我們得知了這幾種算法本身的優點和缺陷，應該盡量的避免其缺陷，將優勢結合到一起，對其進行完善。
四、合理選取方法
通過上文中對設計特征的分析，我們得知要想保證設計合理，就要正確的選取優化方法。這主要是因為即使是一個完全相同的內容它也會存在很多不一樣的解決措施。然而并非是并存的這幾個措施都能夠將問題解決得天衣無縫。比如一些措施會使得設計的最終結果和我們當初的設置不符。要想避免這種現象，就需要我們牢牢此遵守四個基礎原則。第一，要保證可靠性好，第二要保證使用的計算程序是合理的，第三要確保其穩定，最后要保證效率。除此之外，還需要工作者的工作經驗豐富，只有這樣才可以分析相關的函數值，結合復雜性等要素對其進行合理的選取判斷。優化設計的選擇取決于數學模型的特點，對于只含線性約束的非線性規劃問題，最適應采用梯度投影法；對于約束函數和目標函數均為顯函數且設計變量個數較少的問題，采用懲罰函數法較好；針對那些求導有難度的要使用直接解法；對于高度非線性的函數，就要選取那些較為穩定的措施。
結束語
從機械產品設計的全局來看，目前比較先進的優化設計，大多數還停留在設計方案后參數優化方面，面向產品設計，應將優化設計拓寬到機械設計產品的全生命周期過程，是適應機械產品設計。隨著機械技術不斷地發展，在現代科學技術支持下，現代機械先進優化設計技術將進行新一輪的發展。
參考文獻
[1]李秀昌.淺談機械制造中數控技術的應用[J].科技致富向導，2013（9）.
關鍵詞：機械優化；設計理論；方法研究
引言
機械優化設計在一定程度上是機械領域移植中最優設計，優化設計對機械應該過程有著重要的推動作用。機械設計不僅利于方案的優化設計，能夠把繁瑣的設計問題進一步的簡單化，同時也是機械設計過程中比較重要方案之一。
1.機械優化設計過程中的理論特點
1.1具有一定的針對性
針對機械優化設計而言，其特點在一定程度上具有針對性，相應優化方式能夠對應優化問題，每個不同的優化設計形式不僅具有一定的范疇，同時也具有相應的領域要求。在對機械優化進行設計的過程中，要對情況進行具體的分析，對數據進行參考，對其蘊含變量形式進行有效的考慮，在一定程度上對效果的最佳狀態進行優化。
1.2具有客觀性
客觀性體現主要是在數學模型基礎上進行建立的，在對機械進行優化的過程中，應該注意把一些具體的設計問題進一步的轉換為具體的數學問題。按照可觀性進行分析，對其相應的函數變量進行有效的分析，結合具體形式制定出具體的設計優化形式，對數學模型進行建立，分析機械優化數據，對優化的形式進行不斷的完善。
1.3具有一定的創新性
針對創新而言，它是新時代的新思想，只要擁有創新，社會經濟才能夠在一定程度上不斷的發展。機械在進行優化設計時，也不能夠離開創新思想，優化設計屬于傳統優化設計所優化的結果，針對傳統的優化型設計而言，其設計相對來說比較老舊，不適合現代生活成產中的優化，現代生產過程中的機械優化設計能夠對產品的性能進行主動分析。由于科學時代的發展，人們對計算機應用方式進行不斷的借助，對函數進行大規模運算，通過運算能夠在一定程度上得出機械優化設計中的最優方案。
2.機械優化設計過程中的方法
2.1對準則進行優化
針對準則化而言，它在一定程度上是優化設計過程中一種傳統的表現形式，原理的形成不是根據數學進行計算，而是結合物理學角度以及力學角度等進行有效的分析，具有一定的主觀性。其優點就是對概念進行更加直觀的優化，計算所根據的物理原理相對來說比較簡單，在單一目標函數形勢下有著更加好的優化效果，在一定程度上適合傳統工程的應用。但是有力也有弊，弊端就是在對多目標函數進行優化的過程中，比較容易出現問題，優化效率相對來說也是比較低的。
2.2對于線性規劃
針對線性規劃而言，在一定程度上對數學極值原理的方式進行有效的運用以及優化，是機械優化設計過程中比較重要的方法。線性規劃方法不僅可以分為單純形法，同時還可以分為序列線性規劃法。單純形法一開始是由美國學者進行提出的，是對優化設計方式進行解答的一個簡單和直接的方法，單純形法對單一目標進行相應的分析，并且具有優化的作用，但是在對多函數進行運算的過程中，顯得不是特別有效。序列線性規劃法能夠在一定程度上拆解機械設計問題，對部分優化模式也能夠進行有效的求解，對其進行分步驟的進行求解，在對每部進行解答后在對其進行有效的整合，進行重新求解，最終對準確的數值進行有效的求解。這樣能夠讓機械優化設計過程在一定程度上更具有準確性，但是針對計算形式來說，比較繁瑣，具有較大的計算工作量，因此。效率性的缺少，不利于機械優化設計。
2.3對于非線性規劃
針對非線性規劃而言，在實際生產以及生活的過程中，非線性規劃應用相對來說是比較廣泛的。對機械優化設計過程中起到推動性作用，對線性規劃進行完全運用的解讀的結果是比較片面的，因此非線性規劃運用在一定程度上是一項比較重要的革新方式。非線性規劃在數學模式進行計算的過程中，不僅可以分為無約束直接法，還可以分為無約束間接法。針對無約束直接法在一定程度上主要是對機械優化設計方式中的已有數據進行分析，同時也對再生信息進行試探分析，對最優值形式進行求出。然而無約束間接法在一定程度上是對數學原理進行利用，對函數進行計算求優方式。是機械優化設計過程中比較重要的組成部分。
3.機械在進行優化設計過程中的主要展望
在目前生產生活當中，機械優化設計的應用還不是很廣泛，其原因就是具有較大的建模難度，現今技術模式在進行計算的過程中，顯得比較低，具有較低的準確性，對復雜的優化產品難以進行處理，對全局進行解答都是比較吃力的，所以在進行研究優化的過程中，可以先從簡單的部件進行有效地優化，對優化效率進行不斷的提升。在原有基礎上加入先進的生產技術，對生產優化的方式和方法進行有效的探究，促進系統優化的全面性。
4.總結
隨著經濟時代的不斷發展，計算機應用技術在一定程度上在機械優化設計中得到了比較廣泛的應用，這讓優化設計產業得到了一定的發展。所以，在進行優化設計時，應該注意理論和實踐這兩者的結合，這樣才能夠讓機械化設計得到廣闊的發展空間。
參考文獻：
[1]董立立，趙益萍，梁林泉，朱煜，段廣洪.機械優化設計理論方法研究綜述[J].機床與液壓，2010，15：114-119.
關鍵詞：機械自動化 優化設計 分析 探討
1.前言
在機械自動化設計中對于優化設計的應用越來越廣泛，在機械設計中利用優化設計，不但可以使機械設備零件得到改善，而且也可以省到10%-35%左右的材料。所以說優化設計受到了人們的高度關注。
2.實現機械自動化優化設計的途徑
機械自動化在形式可以代替人或者是人的大腦進和一些勞動及生產；機械自動化在功能上可以取代人力或者腦力勞動者。機械自動化技術之所以可以做到這些，主要是因為利用了自動化技術，使生產周期縮短，生產效率提高，生產成本減少等。讓企業可以在保質保量的情況下，利用機械自動化技術。機械自動化技術不僅涉及到機械設備自動化技術應用上，還包括了機械設備自動化的設計中。
根據目前我國的現狀，可以有效地實現機械自動化優化設計的重要途徑是：利用現在先進的科學技術，提高對機械自動設計，在此基礎上對機械自動化優化設計研究新的設計方法，將機械自動化盡快與國際接軌。
3.我國機械自動化的現狀分析
機械自動化設計中的CAD技術設計，對于設計的效率的提高以及設計方案的優化都有著一定的功效，還可以減輕設計人員的工作壓力，工作周期以及設計標準等。
雖然CAD機械設計技術得到廣泛的應用。而且也已經被一些大的企業所應用。但是CAD技術應有較高的局限性。對于一些三維及防真設計上還存在缺陷。CAPP技術的出現對于設計人員的勞動強度，以及設計效率大大提高了，而且對機械自動化設計中的工藝設計也提高了不少，對于數據之間實現了人機一體化。將人作為系統中的核心者，使企業生產中可以將生產效率提高，減少成本消耗，保證了產品的質量問題。
CIMS機械自動化設計技術是集合于CAD、CAPP、QIS等一系列的系統在計算機為基礎的條件下所構成的。[1]它是如今機械電子自動化設計中的核心。在如今社會條件下，對于機械自動化的優化設計不是所謂的所有的機械設備連合在一起，所有的生產車間聯合在一起，而是將機械自動化為中心，以制造自動化系統為基礎。制造自動化系統不只是CIMS的數據匯合地，還是CIMS的一個重要部分。對機械自動化來說，可以有效地利用這一基礎。在這種生產條件下，使各個車間的機械設備進行自動化控制，以人為中心，各個部門的機械設備可以做到相互之間的各諧工作與優化運行。
4.對機械自動化設計的優化分析
通過對以上機械自動化設計現狀的分析，應當通過以下幾個方面對機械自動化設計進行優化設計分析：
4.1.機械自動化設計邁向數字化
作為機械制造技術中的核心環節，通過對數據進行數字化的方式實現快速傳遞，相互交流，并以機械設備的市場為基礎，對機械自動化優化設計進行科學地、正確地、分析處理。[2]以及對機械設備的防真模擬，正確數據的提供，對生機械自動化設計中的信息提供了全面的支持。對于機械設備占領市場也提供了便利的條件，并且對機械設備自動化的市場變化進行有效地調整。
4.2.機械自動化設計走向智能化
自打有了人工智能化這一說法以后，人們就可以逐漸地感覺到智能化將比其它所有的技術能都要強悍，都要有優勢。在機械自動化的發展過程上，已經難以離開智能制造系統了，這種系統其實就是將智能化的機器和人們的智慧結合在一起共同地行的人機一體化。[3]在對機械設備進行自動化設計時，人工智能系統不可以解決一些傳統方法中不能解決的問題。智能化機械電動化設計不僅可以達到人與機器的和諧合作，還可以使人們更好地利用機械自動化。大大減少了人們腦力勞動。對于人們在機械自動化設計中的腦力勞動可以得到很好地發展及延伸。人類已經可以很好地進行思維的復雜化，而人工智能系統可以將人類的這種復雜化思維能力得以輔地延續，并將有效地利用在機械自動化的優化設計中去。將機械自動化優化設計邁向智能化，達到一個新的飛躍。這就需要我們作出努力加強探索。加大機械自動化邁向智能化設計的分析研究。可以使機械自動化轉向智能化在企業自身發展中有一個平穩有效地發展。
4.3.機械自動化優化設計的基礎--虛擬自動化
對于每個機械自動化設計中都離不開圖紙進行設計，對機械設備成品的試驗中也是離不開圖紙的展示，最后達到機械自動化設計的完成。這樣的操作程序不僅浪費時間，而且對人員的浪費，時間上的浪費，以及企業財力方面的浪費都是一批不小的開支。當下計算機技術的發展迅速，以及各種聯系方式的發展，電子，網絡的迅速普遍。這就給機械自動化優化設計走向模擬化提供了十分便利的條件。人們可以有效地利用電子計算機技術及設備，對于傳統中大量的圖紙模型以及一些數據上的統計利用計算機將它們模擬出來。利用網絡的模擬，可以節省大量的人力，財力以及時間等。利用計算機網絡的模擬不僅可以第一時間對機械自動化設計數據進行溝通，交流。
機械自動化設計中不僅要全面地掌握計算機技術，還應該使虛擬環境下的各種技術之間的相互交換，以及各種設備之間的相互交換做到合理性。在一個充分虛擬的環境中將機械自動化進行優化設計工作。
4.4.機械自動化的環保優化設計
隨著人們生活水平的提高，對生活環境的要求也越來越高。由于地球的生態環境正在急劇地下降以及惡化中。 現在的人們已經開始慢慢地認識到對于環境的珍貴與保護當中。
機械制造業作為一個環境污染的重點企業。對于環境的污染已經夠成了相當大的危險。[4]如果環境已經出現了非常重要的污染。所以在進行機械自動化設計時，環保是首先要考慮在內的。在對機械自動化進行優化設計時，順應環保要求下進行優化設計，要降低機械對于能源的消耗，以于機械在排放可以做節能減排。機械自動化設計的必然趨勢是邁向環保型優化設計。
5.總結
機械自動化技術應用在每個國家都有著非常重要的地位，在我國更是如此，機械自動化的優化設計不僅要與世界先進的設計水平共求發展，還要在此基礎上研究出技術更高的機械自動化設計技術。使我國的機械制造業可以達到一個整體地發展。機械自動化技術的優化設計要基于以上幾個方面基礎上而創新發展。才可以有效地推進我國機械制造業的迅速發展。
參考文獻：
[1]李振華. 機械自動化技術發展趨勢探討[J]. 科技致富向導，2013，21：339.
[2]劉洋. 我國機械自動化發展前景[J]. 黑龍江科技信息，2011，05：7.
現有工程機械一體化監測系統常見的問題
現有的工程機械一體化監測系統和設備由于不具有通用性,因此經常出現各種問題,導致工程機械一體化監測系統的功能得不到良好的發揮,效率得不到提升。因此有必要認識到目前監測系統存在的各種問題,然后采取針對性的措施加以解決,目前工程機械監測系統及設備存在的問題主要表現在以下幾個方面。系統監測項目不夠齊全由于應用到工程機械一體化監測系統的各種配件不夠齊全,型號不一,類型不同,因此各種測量型的儀表組合并不能完全滿足工程機械的監測要求,從而造成對工程機械的一體化監測無法發揮擁有的功能,存在諸多問題,其中一個突出表現就是監測的項目不齊全。工程機械一體化監測項目涉及的范圍和領域非常豐富,常見的監測項目包含了電流、氣壓、電流、氣壓、油壓、油溫、水溫、轉速等,而對于這些項目僅僅依靠一個設備或者不同類型的設備組合是不行的,因此在系統監測項目不夠齊全,直接影響了工程機械一體化監測的效果和質量,例如關于電壓的監測設備就一般具有對油壓的監測功能,無法計算相應的流量和工作時間數等。監測設備質量不過關,無法實現系統的正?；鄶涤糜诠こ虣C械一體化監測的設備在質量上由于無法匹配工程機械的性能和操作系統,因此其監測的儀表過多而且比較復雜,其面板的布置也相當不方便?，F有的監測儀表大多是很多廠家外購的產品,其種類型號都是不同的,因此用于工程機械一體化監測的儀表種類繁多,質量上無法完全達到工程機械一體化工作的要求,而且由于大小,樣式存在差異,導致工程機械一體化的儀盤表看起來十分混亂,不容易觀察和監測到數據,直接影響到了工程機械系統運行的正常化,影響工程機械一體化的工作效率和質量。工程機械一體化監測設備容易損壞而出現故障在工程機械一體化監測設備運行過程中,由于種類、型號繁多,生產廠家不同導致其在工作中無法正常運行。再加上在運行中,如果工程機械的操作使用人員對于某個型號的設備的工作原理不能理解,或者理解不透,都會帶來種種問題。此外受到生產廠家技術水平的影響,監測設備由于工作環境不合理,不恰當,導致這些設備容易損壞和失效。如果工程機械在使用與操作過程中,一些監測系統的設備不能經常性的使用,就會導致這些設備在工程機械操作過程中失去作用,而操作人員只能在工程機械監測設備出現故障的情況下,完全依靠自身的經驗去判斷和操作,直接影響了工程機械的使用效率和質量。2.4工程機械一體化監測系統復雜不容易操作對于工程機械一體化的監測來說,提高其系統的操作性將是一個關鍵環節。目前很多機械上的監測系統都是安裝比較復雜的設備,在信息的傳遞上效率不高,傳遞所使用的方式也比較落后。例如有些監測設備的信息傳遞主要依靠管路傳遞,這些管路的使用不但增強了監測系統難度而且對于安全性以及信息傳遞的可靠性也造成影響。因此優化工程機械一體化的監測系統是十分必要的。
工程機械一體化監測系統的優化設計的內容
中央處理器可采用目前比較成熟的單片機處理種功能的軟、硬件技術。以日本東芝公司生產的單片機TMP87CH46N/47U為例,其ROM為16kB,RAM為512kB,有8個8位A/D轉換器,2個8位計時器和2個16位計時器等,且具有功能強大的指令系統,其RAM可實時采集并存貯機械在一定時間內的測量參數,需要時可通過處理器的輸出接口輸入到計算機內進行處理。顯示裝置可采用目前較為流行的彩色圖文液晶顯示屏,由于采用全固體器件,工作可靠,便于適應工程機械的使用要求。目前常見的此種顯示屏可具有內置國標漢字庫、串行通訊速率20k/s、指令代碼編程、16種顏色、單一電源供電等功能,而且可以以模擬與數字共同顯示方式顯示所測數據,即直觀,又準確,完全可以適應工程機械監測的顯示之用?？刂蒲b置可隨時控制顯示模式,選定顯示參數,各測量參數即可固定顯示,也可按控制裝置的設定自動輪流顯示。系統開始工作后,各個傳感器直接將收集的信號進行轉換然后發送至處理器,處理器通過專家系統來進行數據分析并進行判斷,如果經過分析判斷系統為正常狀態,那么則繼續監測工作,如果判斷系統為異常,則開始報警。然后系統會自行開始對出現的故障和問題進行診斷,以發現其故障原因,并提示出可以采取的維修方式和方法。如果通過診斷發現不了原因,則需要將發生故障時的各種技術參數記錄下來,然后借助專家系統數據庫將這些故障記錄下來,從而形成知識庫。系統軟件設計系統軟件利用中央處理器自身的控制指令,用匯編語言編寫,通過編程器輸入CPU,機械啟動后,該系統自動加電啟動,經對各端口及寄存器進行初始化后,開始接收各傳感器傳來的數據,并對各數據進行處理,經端口檢驗,將接收到的數據與該端口測量參數的故障極限數據進行比較,若超出正常數據值,則經聲光方式給予報警,若所測數據在正常范圍內,則不予報警,并將數據存入RAM,然后將數據送入顯示模塊進行顯示。為有效利用該系統的功能,各測量數據由軟件設計自動存入其RAM內,需要時可通過系統的輸出接口輸入到外部計算機內,在計算機上對數據進行詳細分析,以進一步了解其工作狀況及故障發生時的情況。從以上分析來看,關于工程機械一體化監測系統的優化與設計應該根據工程機械自身的特點來進行,系統的優化設計的一個基本目標是要注重監測系統的可靠性有穩定性,要在注重經濟性的同時,采取一些相對簡單而又能應付惡劣工作環境的設備,從而提高監測系統的整體性能。
加強工程機械一體化的監測系統的優化設計,已經成為改善工程機械一體化作業精確度和效率的重要途徑。針對目前監測設備容易出現各種問題的實際情況,本文對于工程機械一體化監測系統的設計與優化,可以在某種程度上解決當前工程機械一體化操作帶來的問題,從而提高工程機械一體化運行的效率和質量?？傊?隨著現代信息技術的發展,尤其是計算機技術的發展,將微電子控制技術作為核心的機電一體化監測技術必將在工程機械使用以及操作、改造中發揮重要的作用,極大推動工程機械自身性能的改進和技術的創新,這對于推動工程機械技術的發展,提高工程機械的使用效率,將產生重要的影響和價值。相信未來機電一體化技術在工程機械應用的領域和范圍將會更加的廣泛和深入,因此工程機械一體化監測系統的優化與設計作為一個理論與實踐相結合的研究課題具有深遠的意義。
關鍵詞：結構優化設計技術；礦山機械設計；初步
礦山機械中的一些大型設備大部分是結構件。據不完全統計，裝載機、牙輪鉆機、挖掘機等設備，其結構件占60%以上。對這些以結構件為主的設備，采用傳統的設計方法，其結果是很不理想的。慶幸的是，我們這行業的研究設計人員開始關注這個問題，做了一些有益的工作。如對一些機構進行了優化設計，用有限原方法進行結構的靜動強度分析等等。但到目前為止，仍沒見到有關礦山機械結構優化的文獻。
一、礦山機械結構優化的可行性和必要性
1.盡管有這樣那樣的困難，對礦山機械進行結構優化設計還是有可能的。結構優化設計應用有三個前提條件：一是電子計算機的發展和普及，二是有限元理論和方法的發展；三是高效的結構優化方法。從目前情況著，電子計算機特別是微型電子計算機在科研、設計部門已日益普及，作為結構優化基礎之一的有限元理論和方法是比較成熟的，而且有了不少通用的有限元分析程序；結構優化設計理論，經過二十多年的發展也日臻成熟，無論是優化準則法、數學規劃法還是兩者的統一方法，其解題效率都比較高。結構優化技術目前已廣泛地應用于航空部門、土建部門等。在礦山機械領域由于廣大科技工作者的努力，在有限元分析方面已取得了較大的進展。對牙輪鉆機、裝載機、挖掘機等主要礦山機械的有限元分析已全面展開。這就為結構優化提供了直接的便利條件。給礦山機械的優化提供了可靠的保證。
2.礦機中的一些主要設備如牙輪鉆機、裝載機、挖掘機等都具有一個比較明顯的特點，那就是：十分笨重，運輸不便。對這些設備采用傳統方法進行設計時，則往往難以找到一個理想的方案。其應力分布和結構往往是不太合理。而采用結構優化設計方法，可以在對原始設計方案進行有限元分析的基礎上，采用自動尋優方法，就可以找到一個較理想的方案。使結構的應力分布更加均勻，結構更加合理。而且，從現在的文獻來看，設備的自重可以減輕25%左右，其經濟效益是十分顯著的。因此，有必要對礦機結構進行優化設計。
二、 礦山機械設計中結構優化設計技術
1. 最大可靠性結構優化設計。"可靠性"的概念對我們并不陌生，但將可靠性概率引入超靜定結構的設計中，卻鮮為人知。而在工程設計中卻經常希望在給定材料體積下盡可能合理地分布結構材料，使結構的可靠性盡可能地大，或是研究一個用料省、可靠性大的折衷方案。因此在礦山機械結構件設計中，引入可靠性概率（結構在規定的條件下，在規定的時間內完成預定功能的概率）這一衡量結構可靠性的指標，采用一次二階矩概率設計理論，以傳統的安全系數為目標進行優化，就可以提高結構的安全度，而且使結構更為合理。文獻"1"以結構桿件截面積為設計變量進行了可靠性最大的結構優化設計表明這個方法是可行的。
2. 結構模糊優化設計。從目前的有限元程序，對于所給定的計算模型，其結果是比較精確的。但是對實際結構而言，這個結果是不大可信的。這是與模型、載荷，約束的簡化等多方面因素有關。本來，這些因素在實際工作或結構中是不大容易確定的，也就是說具有一定的"模糊性"。另外，對于有限元分析的計算工況的確定也是比較困難的。目前，我們在有限元分析中，一般是選擇典型工況進行，至于這典型工況的"典型性"則是由分析者自己確定。此外，在結構優化設計中，還有許多東西是模糊的，目標函數、約束條件、約束條件的右端項等等均具有一定的模糊性。最后，為了真正地得到滿足所有可能約束的結構最佳組成，我們要對最后的尺寸和形狀作出決策。因為，對每種不同的工況，計算得到的"最優值"是各不相同的，那么，在綜合所有計算工況時，究竟如何確定其最終尺寸呢？顯然，按滿應力法則不大可行，因為滿應力法是要求每一單元至少在一種工況下達到滿應力狀態，這樣綜合的結構就不可能是最輕結構。因此，最后尺寸和形狀的決定也要借助模糊理論來解決。從模糊到精確，再從精確到模糊，這是符合歷史發展規律。
3.研制、推廣、應用CAD軟件。根據現代結構設計的需要，借助計算機輔助設計，不但能對結構的初始方案和改進方案快速地進行結構分析和強度校核。而且還能開展以最輕重量的單目標優化設計和以機器工作性能、節省鋼材和結構強度三大要素為出發點的多目標優化設計。因此加速研制一些多功能的計算機輔助設計軟件，對于提高礦山機械設計的質量，是很有必要的。目前，在農機領域已經有了用于微型機的大型多功能的MAS程序系統，不過，在優化設計等方面，還有待進一步完善。應用CAD軟件，可以在以下幾個方面起到明顯作用：一是提供合理的設計方案、節省鋼材和成本。二是提高產品設計水平。三是可找出結構損壞的原因和有害振動的根源。四是可以對機器系統進行多目標的優化設計。在研制CAD系統時，應該注意的是：一是發掘較為普及的微型機的潛力。二是結構設計和分析的完備性（結構靜動分析、結構靜動優化計算機繪圖等）。三是適用于多種結構型式，即適用于多單元的結構（如桿、梁、板、殼等）。
三、發展方向
1.大力推廣應用結構優化設計的發展方向。航空、國防、造船等行業分別召開了結構優化設計的學術交流會。土建部門還舉辦了結構優化設計的專門講習班。機械工程學會召開的強度學術會議上也交流了結構優化方面的論文。這說明在這些行業和部門，結構優化設計已經受到重視。因此，礦山機械設計部門的工作者（包括設計師、研究生和教師）應該注意推廣和應用結構優化設計技術?？梢耘e辦結構優化枝術講習班，召開礦山機械結構優化設計學術交流會。學習工程設計人員應該掌握結構優化設計的基本知識，學會使用一些結構優化設計軟件。對具體的結構采用優化設計，以提高整個礦山機械的設計水平。
2.礦機結構從靜力優化向動力優化過渡。首先，我們要大力開展礦機結構的靜力優化設計，推廣應用和完善現有的結構優化程序，研制和發展一些通用性較強而且又適合礦機特點的軟件包。其次，我們應該在結構靜力優化的基礎上，對礦機結構進行動力優化設入計。因為在靜力優化時沒有考慮結構的動力特性。如固有頻率、動態響應等。而這些動力特性對于大部分礦山機械來說是比較重要的。如固有頻率對司機乘坐的舒適性以及共振破壞等都是很重要的。而結構的動力優化設計就是在靜力優化的基礎上引進頻率約束，動強度約束，動剛度約束等。在理論上，進行動力優化是沒有困難的，靜力優化的結果可以作為動力優化的初始值。
我們建議，在近幾年內，應該集中精力著手研究一些具有專業特色的典型的程序包。如底盤、車架、機架等結構件的優一化程序。按照結構的通用性、統一性和組合性原則建立程序包，對結構件進行選型優化設計。當然，如果在程序包中加上對整機參數的優化、液壓系統優化設計、傳動系統優化設計等等，可以使礦山機械的設計更趨自動化。
參考文獻：
[1]程耿東?？煽啃宰畲蟮慕Y溝優化設計.計算結構力學及其應用.2010，No4
關鍵詞：零部件 可靠性 優化設計
中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0083-01
1 機械零部件可靠性設計的作用
可靠性設計是指以形成產品可靠性為目標的設計技術，又稱概率設計，將外載荷、承受能力、零部件尺寸等各設計參數看作隨機性的變量，并服從一定的分布，應用數理統計、概率論與力學理論，綜合所有隨機因素的影響，得出避免零部件出現破壞概率的相關公式，由此形成與實際情況相符合的零部件設計，確保零部件的可靠性和結構安全，控制失效的發生率在可接受的范圍內。概率設計法的作用體現在兩個問題的解決。首先，分析計算根據設計而進行，確定了產品的可靠度；其次，根據任務提出的可靠性指標，確定零部件的參數，從而幫助設計者和生產者對零部件可靠性有清晰明確的了解。
2 機械零部件可靠性優化設計現狀
目前，主要使用可靠性優化設計方法還是傳統的設計方法。這種方法在設計機械零件時，一般都將零件的強度、應力和安全系數都是當作是單值的，將安全系數與根據實際使用經驗規定的某一數值相比較，如果前者大于后者，就說明零件是安全的。但是由于沒有考慮到各參數的隨機性，把各個設計參數看成是單一的確定值，因此并不能預測零部件可靠運行的概率，很難與客觀實際的最優化方案相符，設計人員也不好把握其設計產品的可靠性。
以概率論和數理統計等作為工具的可靠性設計方法，避開了主觀的人為因素在設計過程中的影響，外界條件變化得到了從整體上的把握，設計結果更貼近客觀情況。可靠性設計廣泛應用在機械零部件可靠性設計的各種問題中，更科學地解決了許多繁瑣的傳統設計方法有心無力的問題。
3 機械零部件可靠性設計方法
機械零部件可靠性的設計不僅需要的是與時俱進、把脈時代的創新精神，更需要把握零部件質量保證和可靠性優化設計的科學方法。機械零部件可靠性設計是基于傳統機械設計以及其他的優化設計方法進行的，由于機械產品有著千差萬別的功能和結構相異之處，因此，機械零部件可靠性的設計方法以及優化方式的選擇需要因地制宜。
3.1 權衡與耐環境設計
權衡設計是對可靠性、質量、體積、成本等要素進行綜合衡量后，制定出最佳方案的設計方法。耐環境設計也是進行綜合考慮的一種優化設計方式，從機械零部件生產之初，就將零部件在整個壽命周期內可能遭遇的各種環境影響考慮在內，包括運輸的碰撞、空氣干濕程度對設備的作用、設備保養合理程度等，通過對這些環境因素的分析，在零部件生產用料和生產技藝上加以優化，從而進行保護和保證零部件自身乃至機械設備的可靠性。
3.2 預防故障設計法
機械設備的運作是整體性運作，處于完整的串聯式系統中。實現“整體功能大于部分功能之和”的目標，優化機械設備的可靠性，首先需要優化零部件的可靠性。機械設備的零部件需要進行嚴格的選擇和控制，對外購件需要嚴格把控，標準件和通用件要優先選用。選用之前要對零部件進行分析驗證，最大程度利用故障分析成果，以成熟的經驗和經過分析驗證證實的方案。
3.3 簡化與余度設計
簡化設計指的是在滿足特定功能的條件下，設計應該合理簡化，如零部件的數量盡量避免冗余。所謂“多個香爐多只鬼”，越復雜越容易出現錯誤和故障，可靠性的優化就更無從談起了。這不僅是可靠性優化設計的一個基本原則，也是避開故障、提高可靠性的最有效方式。簡化意味著減少不必要的部分，而并非依靠少部分超負荷承擔大部分的工作，零部件的簡化需要從整體著眼，仔細分析零部件的組合與配合的最佳方式。余度設計則是從整體入手，類似于計算機中的備份功能。通過對完成規定功能設置重復的結構、備件等，以防局部故障或失效時，機械設備整體系統依然保存著規定的功能。
3.4 概率設計法
將應力一強度干涉理論作為基礎原理支撐，把應力和強度作為服從一定分布的隨機變量處理。處理設計對象中與設計有關的參數、變量等部分，成為服從特定的統計規律的隨機變量，建立符合可靠性設計標準的概率數學模型，通過概率與數理統計理論和強度理論，得出在給定條件下零部件產生破壞的概率公式，求出在給定的可靠度中零部件的尺寸、壽命等，使其在符合要求并且得出最好的設計參數。這種方法巧妙地填補了常規設計的缺陷，而且較為貼近生產實際。
4 結語
綜上所述，機械可靠性設計的方法是在傳統方法以及旁支方式上得到發展與完善的。成功的機械零部件可靠性優化設計，在把握設計參數的隨機性、多參數的設計以及在設計中預測該零部件的可靠度等問題上都有全局性思路的貫穿。想要在國際市場競爭上占據一席之地，擁有良好的可靠性是我國機械產品生產商努力的大方向，機械零部件的可靠性優化設計其重要性不言而喻。因此，在對這個問題進行研究時，不僅要有創新的思想，還要有科學可靠的設計方法。
參考文獻
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【關鍵詞】 自動化技術；應用；前景
中圖分類號：B819文獻標識碼： A
隨著工業革命的不斷深化，科學技術獲得了飛速的發展和進步，也給新時期的機械制造工業帶來了巨大的發展機遇和嚴峻的挑戰。機械自動化技術，正是機械制造在發展過程中應對挑戰的產物。對于我國而言，雖然機械自動化技術發展的時間較短，但是已經在許多領域得到了廣泛應用，成為一種全新的生產力表現形式，引起了社會各界的廣泛關注和重視，甚至直接影響著社會的穩定和發展。
一、機械自動化技術發展概述
機械自動化技術，其實質就是將機械制造技術和自動化技術進行結合，對需要加工的對象，進行自動化、連續性的生產作業，從而使得機械制造的生產過程更加高效化、安全化和自動化，在確保產品質量的同時，提高生產效率。
機械自動化技術屬于一門專業性較強、應用范圍較廣的學科技術，一般來說，可以將其簡單地理解為系統工程的一種表現形式，其系統主要有以下幾個方面構成：
（1）程序單元
是機械自動化系統中，最為關鍵的組成部分，主要功能在于對系統的工作進行判斷，明確系統“做什么”以及“怎么做”的問題。
（2）作用單元
主要是對系統進行能量的施加和定位明確，確保系統功能的有效發揮。
（3）傳感單元
傳感單元是機械自動化系統中的基礎性單元，可以實現對系統工作狀態的實時監測，以及對系統性能參數的分析。
（4）制定單元
制定單元屬于系統的核心部分，其主要功能是利用相應的設備，對傳感單元傳輸的數據信息進行整理、對比和分析，根據分析結果，制定出相應的動作信號。
（5）控制單元
指用于確保系統正常工作，對系統動作進行調節和管理的保障性單元部分。
機械自動化技術對于機械制造行業的意義是十分重要的，主要表現在：首先，可以使機械制造的過程更加高效和迅速，從而減少制造過程中的人力成本，降低設備的成本造價；其次，可以顯著提高機械制造的產品質量，強化生產效率，不僅可以控制產品的生產周期，便于產品的批量化生產，還可以提高機械產品更新換代的速度，提升機械制造企業的經濟效益；然后，機械自動化技術的應用，可以實現機械制造的自動化，降低工作人員的勞動強度，改善作業環境，提高工作人員的積極性和主動性。
二、機械自動化技術的發展應用
機械自動化在機械制造中的發展應用，主要表現在以下幾個方面：
1、自動化應用
自動化的應用是機械自動化技術的基礎，也是最為關鍵的部分，涉及的應用范圍極為廣泛，可以集中體現在以下幾點：
（1）信息的自動化
機械制造中的信息自動化，主要包括對產品數據的計算機輔助設計、工藝輔助設計以及數據庫管理等，通過對設備信息的管理和分析，可以在自動化系統中輸入相應的參數信息，從而實現控制生產的目的，是產品質量和實用性的有力保障。
（2）物資供輸的自動化
物資傳輸的自動化，可以利用系統，實現對于生產過程的監督和管理，結合實際情況，將生產所需的原材料自動運輸到相應的位置，也可以將成品進行收集和整理后，運出生產線。對于機械制造的生產過程而言，可以為企業節省大量的人力和物力資源，減少機械制造的生產成本。通常情況下，物資傳輸的自動化系統，必須包括自動傳輸裝置、自動控制裝置和單機自動裝置等。
（3）生產的自動化
生產自動化是自動化的關鍵，是指生產過程中，不需要進行人為操作，系統可以根據事先設定的參數和數據，自動完成生產過程，從原料的運輸、抽檢、裝配一直到包裝，完全由系統自動完成。在這樣的情況下，一條生產線往往只需要幾個管理人員，極大地節約人力資源。而由于完全由機械自動生產，不存在疲勞操作，可以在機械能夠承受的范圍內，進行持續重復生產，從而極大地提高產品的生產效率，減少出錯率，確保產品的質量。
（4）設備裝配的自動化
設備裝配的自動化，主要是針對生產設備而言?？梢岳脵C械自動化技術，結合相應的參數、規格、形態等，對生產中需要用到的設備進行自動化裝配，之后結合相應的數據信息，對設備進行調試和組裝，形成一條相對完整的生產工藝流水線。
2、集成化應用
集成化在機械制造中的應用，主要是指對技術功能和技術經營的集成。在當前信息化時代的背景下，現代化信息技術獲得了飛速發展，計算機集成技術的應用，可以對機械制造的過程進行優化。在機械制造技術的發展過程中，可以通過對機械自動化技術的合理應用，實現計算機技術、企業管理技術以及數控技術等的有效集成，確保其各自的功能可以得到充分地發揮，推動機械制造行業的發展。就目前而言，較為常見的集成方式，是CAD/CAM 為主的 CIMS工程應用方式，可以切實保證機械制造的穩定和發展，在機械制造行業得到了廣泛的應用和普及，基本上完成了對整個行業的全面覆蓋，其本身的適用性和有效性，也決定了在不久的將來，必然會成為機械制造行業最為核心的生產方式之一。
3、智能化應用
智能化應用，是指融合了自動化技術、機械制造技術、人工智能技術和系統工程管理技術在內的多項技術措施，是在自動化的基礎上，通過與專家系統的結合，實現智能化生產的技術措施。智能化技術的應用，可以使得系統能夠自主對生產中遇到的問題進行分析和處理，結合實際情況，對生產進行管理和控制。就目前而言，智能化應用的重點和關鍵，在于專家系統。所謂的專家系統，是一種先進的智能計算機程序系統，其內部數據庫中集成了大量的專家水平的知識和經驗，可以利用人類專家的知識和經驗，對相應的問題進行解決。專家系統屬于人工智能技術和計算機技術的結合，形象地說，應用專家系統對機械制造的過程進行管理，就好比聘請了一位專業技術人員進行管理，可以對系統運行的實際情況進行實時檢測，從而及時發現問題，解決問題，確保機械制造的順利進行。
4、柔性化應用
柔性化，是指機械自動化系統可以在面對不同的環境時，表現出相應的適應力，具備良好的可操作空間。也可以說，在這種情況下生產出的產品，對于市場有著極強的適應力，可以從容面對市場的變化情況。在當前的機械制造行業，不僅需要對產品的質量進行保證，還必須針對市場的實際需求，及時做出反應，對生產結構和產品類型進行適當調整，避免生產與市場的脫離。而在當前的技術條件下，柔性化應用在機械制造中表現為敏捷制造，體現在以下幾個方面：
①有效提高企業的生產效率，提升產品的質量；
②以客戶需求為導向，保證產品的生產周期；
③對信息系統的可靠性進行強化；
④對企業結構進行優化，滿足市場對于機械制造產品多樣化和個性化的發展需求。
柔性化應用對于企業發展的影響是十分巨大的。舉一個較為顯著的例子，在某縣城擁有兩家農機生產企業，企業規模和產品結構相似，相互之間的競爭十分激烈。在發展過程中，甲公司實行技術保密措施，固守自身的生產方式，一味埋頭生產；而乙公司實行柔性管理，安排專人到農戶家中，了解農戶對于農機的實際需求，并努力做好技術攻關，以客戶需求為導向，對產品的生產工藝和規格進行了適當調整，雖然在一段時期中加大了成本的投入，但是由于順應了農民的實際需求，其產品的市場占有份額迅速擴大，一舉超過了甲公司，使得企業的經濟效益得到了巨大的提高。
三、機械自動化技術前景展望
在計算機技術不斷發展的推動下，機械自動化技術開始逐漸向著數字化的方向發展，主要體現在：
①數字化環節：可以使用相應的計算機軟件，對產品的零件使用情況進行模擬，從而對產品的生產工藝進行改進和創新，確保自動化生產的合理性。
②數字化生產：自動化的生產過程，離不開計算機技術和軟件技術的支持。實現企業機械自動化的過程，實際上正是數字化生產的形成過程。
③數字化管理：數字化管理，是指通過對系統數字信號的處理和傳輸，實現對于機械制造過程的管理，以提高整體管理水平。
機械自動化技術開始出現虛擬化的趨勢。虛擬化制造技術實際上與數字化環節存在很大的一致性，同樣是利用計算機技術、多媒體技術、數控技術、人工智能技術等，對機械制造的實際生產過程進行仿真模擬分析，從而對生產過程中可能出現的問題進行預測，并在實際生產中盡量避免類似問題的發生，從而確保生產的順利進行，提高生產效率。
綜上所述，在經濟發展的影響下，機械制造行業面臨著巨大的發展機遇，但是也面臨著嚴峻的挑戰。因此，我們要高度重視自動化技術在機械制造中的應用，將機械自動化技術和機械制造的相關工藝技術進行融合，才能推動機械制造行業的穩定發展。同時，也必須清楚地認識到，與發達國家相比，我國的機械化水平尚處于發展階段，差距巨大，但是也在不斷縮小，相關技術人員要加強對于機械自動化技術的研究和創新，切實提高我國的機械化自動化水平，推動社會的全面進步。
【參考文獻】
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[關鍵詞]穩健優化；機械結構；動態特性；雙層更新Kriging模型
中圖分類號：TQ320.66 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）23-0225-01
現在機械設備的結構越來越大，也越來越精密和復雜，這使得某些關鍵零部件結構的動態特性和綜合性能影響越發明顯，但是在現代機械結構的設計中并沒有較好的顧及到關鍵部件的結構特性，導致機械設備的噪聲和震動等問題日益嚴重，故障率也隨之增加，同時機械結構設計中也存在著多種不穩定因素的影響，這些問題的出現都使得相關的穩健優化設計的必要性，本文通過設置機械結構動態特性指標的Kriging模型，能夠快速的獲得給定的結構設計方案中的動態特性指標值，旨在降低優化求解中的相關數值計算，實現最終對機械結構的優化設計方法。
一、 機械結構動態特性的多目標穩健優化模型
首先我們要明確機械結構動力學分析的基本原理，根據結構動力學，相關的振動方程為：
如何根據機械機構動態特性建立多目標穩健優化模型，是我們要思考和解決的問題，現在衡量機械結構動態特性好壞的重要標準就是其固定頻率是不是避開了來自外界的激勵頻率?；谶@一情況的考慮，建立一下形式的動態特性好壞的標準函數：
其中，f為設計矢量的函數，d為確定變量，s為隨機變量，為激振頻率。由于穩健優化設計的目標是為了使得結構動態特性指標趨向于平均值，而且方差盡可能的縮小，所以可以建立多目標的問價優化模型：
二、 基于雙層更新Kriging模型的結構動態特性多目標穩健優化求解
從上文中我們知道，結合機械結構動態特性的優化設計是需要對動態特性指標的方差和均值同時達到最優的多目標優化方案，優化設計的過程中需要多次進行大規模的有限元仿真分析來獲取對應的約束函數值和目標函數，由于整合的數據量非常大，求解的效率相對較低，為了解決這一難題，通過優化設計來獲取足夠多的樣本點，建立擬合效果更好的Kriging模型，采取雙層更新策略使得設計空間和區域有更高的契合度，從而快速而精確的獲得優化函數的函數值和約束函數值。在這個思路的參考下，利用優化模型的算法，提高了對全局數據的搜索能力。
1、Kriging模型
工程領域有很多個常見的模型，分別為人工神經網絡模型、Kriging模型和多項式響應面模型等。針對不同的問題，每個模型都有著一定的局限性，而Kriging模型由于具備局部隨機誤差和全局相似的雙重特點 ，所以其有效性不受隨機誤差的影響，對局部響應突變問題以及非線性成都較高的問題都有較好的擬合效果。
Kriging模型可以看成是一個多項式和隨機分布函數的和，如下：
y（x）即為一個位置的Kriging模型函數，f（x）是一個二階回歸函數，β、z（x）分別為待定系數和隨機過程模擬函數。通過帶入數據的相關矩陣，并根據Kriging模型理論，可以求得最后相關參數的特殊的特征是最大函數：
上式即為該值組成的Kriging模型下最優化擬合方案的模型
2、Kriging模型的雙層更新方案
通過分析最優化的函數模型，我們可以得知Kriging模型的在優化設計方面的主要思路為，首先把需要設計的空間里的局部和全局誤差帶入樣本點，在確保全局的精度的前提下更新模型，隨后，在優化的數據中尋找近似最優解并且把這個最優解添加到樣本點中來，具體的操作方法是，首先要構建初始模型，利用初始的樣本點和雙層最優化模型，建立局部的隨機樣本點集合，加上對有限元的分析獲得相關的最優函數值，并將局部的點集帶入到模型中，對比檢驗獲得的數據是否滿足擬合度要求。滿足局部精度是遠遠不夠的，在此基礎上還要滿足全局的精度，那么久需要對模型進一步的優化和更新，具體的方法是判斷R值的收斂性的條件，若收斂，則要繼續判斷RMAE的收斂性，如果不收斂，則在該值的最大樣本點附近新增少量的點并對其進行加密。最后是模型內部的更新策略，具體的方法是使用遺傳算法，搜索最優解的數值，并帶如模型中計算看是否能達到精度要求，如果能達到，那就保留模型，如果達不到的話，就使用迭代的方法，重新帶入更新優化模型，知道達到為止。
3、結構動態特性多目標穩健優化問題的求解算法
基于該模型解決方案下，對于問題的穩健優化流程步驟為：1首先根據具體的設計要求，確定相關的變量，并確定變量的取值空間；2構建以設計變量的參數化有限元分析模型，模型使用的是拉丁超立方采樣數值實驗表，具體包括了兩類變量的變化空間要求；3通過參數化有限元分析的模型和拉丁超立方采樣實驗表綜合分析結構的有限元，通過對比各個實驗方案的輸出響應值，得到了我們需要的雙層更新Kriging模型的初始樣本點集；4通過初始的方案，來預算Kriging模型的結構動態特性指標的優化方案設計；5在雙層更新Kriging模型和蒙特卡羅計算方法求出動態特性指標的方差和均值；6最后得出機械機構動態特性的文件優化模型，使用領域培植遺傳學算法求解得到相關的最優解集，并判斷解集是否滿足條件，如果不滿足，就要重新對設計變量進行篩選，然后改變變量的取值范圍，返回第一步，重新開始穩健優化的計算。
結論：把機械結構動態特性指標看成需要優化的目標，在這個過程中把材料屬性不確定性和裝備的綜合性能列入考慮的范疇，構建相關的機械結構特性的多目標優化模型，是對裝備設計方案的基礎方法，構建高精度高契合度的Kriging模型，能夠提高對于機械結構穩健優化模型的約束函數和目標函數值獲取的快速和準確。
參考文獻
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關鍵詞：動態優化設計 深層次動態優化設計 非線性理論
中圖分類號：TB482.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（b）-0111-01
現代機械動態優化設計是在產品的研究和開發過程中，對機械產品的運動學和動力學等問題進行分析和計算，以保證所研究和開發的設備具有優良的結構性能及其他相關性能[1]。
隨著科技的發展，動態設計的廣度與深度正發生變化，總體上分為以下三個方向：（1）就廣度而言，由狹義的向廣義的方向發展；（2）就深度而言，由傳統的動態優化設計向深層次的動態優化設計發展；（3）就內容而言，從一般機械的動態設計擴展到包括振動機械在內的動態設計[2]。
1 深層次動態優化設計的內涵
傳統的動態優化以提高產品結構性能為主要目標、以線性動力學理論為基礎的動態優化設計法。
深層次的動態優化設計主要是以非線性動力學理論為基礎，使產品能夠獲得優良的結構性能，研究內容包括以非線性動力學理論為基礎的動態設計和以非線性可靠性理論為基礎的機器及其零部件可靠性設計。
2 深層次動態優化設計法的研究意義
動態優化設計是機械設計內容中最重要和最具廣泛性的問題。而目前機械設計中，以靜態設計為主，或采用傳統動態設計方法。但這對大型機械裝備來說，這遠遠不能滿足需要的。對重大機械產品設備進行深層次的動力學設計，引入非線性動力學理論與方法，是十分必要的[3]。
3 深層次動態優化設計的應用現狀
3.1 在振動機械中的應用
振動機械是泛指利用振動原理而工作的機械，它是化工、冶金、建筑等領域常見的設備，雖種類繁多，但基本工作原理相同[4]。隨著振動機械向大型化發展，對機械性能的要求越來越高。例如對冶煉設備中的關鍵設備—— 振動篩的動負荷的要求隨即增大，所以在振動狀態下常會引起篩體結構強度和剛度不足，導致篩體變形過大，甚至使篩體出現斷梁、側板斷裂等故障，造成嚴重后果。以往對這種設備結構上的不合理設計可能引起的故障缺少測試手段，因此往往在故障發生后才被重視，造成難以挽回的損失。隨著振動機械性技術的發展和社會對振動機械要求的不斷提高，傳統的動態優化設計方法已經不能滿足要求，以非線性理論為基礎的深層次動態優化設計理論的研究和應用將會成為振動機械領域的主流方向。
3.2 在機床領域中的應用
現代機床要求高的加工精度和表面質量，并具有高的生產率。由于加工過程存在各種振動，機床主軸受迫振動的干擾力主要來自軸上不平衡旋轉零件所產生的周期變化的慣性力和不均勻切削時時變的切削力。機床運轉時，由于強迫干擾諧振力引起主軸上工件或刀具切削部位的振幅等，使加工過程達不到預定的加工精度和表面質量[5]。
在機床設計方面，優化設計方法也得到了應用，取得了一定的成果。在國外，Michigan大學的T.jiang和M.Chiredast[6]在應用有限元法和動態分析的基礎上，提出一種數學模型來模擬機床結構的聯結形式，建立整機的模型并對機床結合面的聯接件的位置和數量進行優化設計。在國內，西安交通大學張波、陳天寧[7]等在ANSYS環境中建立了機床主軸部件的有限元動力學模型，并對主軸部件進行了靜、動態特性的計算和動態優化設計。他們建立了簡化的有限元動力學模型，在ANSYS中分析其前8階的模態頻率，確定動態優化設計的目標，然后設計和修改主軸的結構使之達到預期的動態特性。
隨著技術的進步，社會對機械零部件的加工精密度要求越來越高，深層次動態優化設計的應用空間也將越來越大。
3.3 在交通工具研究中的應用
隨著社會的進步，生活水平的提高，人們對交通工具的要求也越來越高，這體現在對交通工具乘坐舒適性、安全性、外觀的美觀性等。
目前，我國大力發展高速列車的研究和使用。據報道，2010年5月27日，新一代高速列車“和諧號”380A首輛車在長春下線，最高時速可達380km。對于高速列車這樣的復雜系統，傳統的動態優化設計方法已經失去了作用，深層次動態優化設計法成為了必然的理論基礎。
在汽車領域，汽車在行駛時，路面的不平度會引起汽車的振動。為提高汽車的平順性，減少其振動，一方面要改善路面質量，減少振動的來源；另一方面要求汽車對路面不平度有良好的隔振特性。車輛的減振一般有三個環節，即輪胎、懸架和座椅，其中，起重要作用的是由彈性元件和阻尼元件構成的車輛懸架系統。而車輛懸架系統是典型的非線性模型，只有利用深層次動態優化設計法才能建立其準確的模型。
4 結論
本文對深層次動態優化設計理論的研究內容及意義進行了分析，并通過在振動機械、機床、交通工具等典型領域為例，介紹了深層次動態優化設計的應用現狀。
在過去的這些年里，深層次動態優化設計理論的研究已經取得了很大的進步，也有了很多比較成功的應用實例。但是科技是不斷向前進步的，對機械設備各方面性能的要求也越來越高，深層次動態優化設計理論依然有待于完善，其應用前景將會更加光明。
參考文獻
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[關鍵詞] 機械安全； 機械設備； 優化設計； 遺傳算法
一 引言
煤礦行業作為我國的一種重要的傳統能源行業，在國民經濟、人民生活等眾多領域中起著舉足輕重的作用。但現階段我國的煤礦企業普遍存在著機械化的建設水品嚴重的滯后，在生產中，技術資源嚴重的不足，開挖的成本居高不下。而與其相對的是近些年來，機械安全技術的興起，改變了傳統機械設備的諸多不足之處，使得機械化技術滲透了人們生活的每個角落。在很多地方已經將引進機械安全技術這種重要的輔技術作為一種衡量公司運營好壞的標準。
而現階段我國的煤礦企業基本上受制于機械化系統不發達，從而使得各個單位之間缺乏機械運轉中的協調，同時，機械內部的各個應用之間也難以連通，不利于系統集成，致使系統內溝通繁瑣。不止如此，缺乏有效的機械化技術也使得領導缺乏及時有效的數據用于推斷預測企業的發展與行業的發展趨勢。這些問題在一定程度上嚴重的制約了我國的煤礦行業發展，利用現有基于機械安全的煤礦機械設備優化技術完全可以大大改善這種現象。因此，將機械安全的技術引入我們煤礦行業勢在必行。而將機械設備的優化方案在煤礦行業可以有效的將信息資源集中到各個管理機構，從而推進煤礦行業的機械化進程，促進煤礦行業的發展。
二 煤炭機械的危害
1 靜止的危險
設備處于靜止狀態時存在的危險即當人接觸或與靜止設備作相對運動時可引起的危險。包括：
（l）切削刀具有刀刃。
（2）機械設備突出的較長的部分，如設備表面上的螺栓、吊鉤、手柄等。
（3）毛坯、工具、設備邊緣鋒利和粗糙表面，如未打磨的毛刺、銳角、翹起的銘牌等。
（4）引起滑跌的工作平臺，尤其是平臺有水或油時更為危險。
2 直線運動的危險
指作直線運動的機械所引起的危險，又可分接近式的危險和經過式的危險。
（l）接近式的危險：這種機械進行往復的直線運動，當人處在機械直線運動的正前方而未及時躲讓時將受到運動機械的撞擊或擠壓。
①縱向運動的構件，如龍門刨床的工作臺、牛頭刨床的滑枕、外國磨床的往復工作臺等。
②橫向運動的構件，如升降式銑床的工作臺。
（2）經過式的危險指人體經過運動的部件引起的危險。包括：
①單純作直線運動的部位，如運轉中的帶鍵、沖模。
②作直線運動的凸起部分，如運動時的金屬接頭。
③運動部位和靜止部位的組合，如工作臺與底座組合，壓力機的滑塊與模具。
3 機械旋轉運動的危險
指人體或衣服被卷進旋轉機械部位引起的危險。
（l）卷進單獨旋轉運動機械部件中的危險，如主軸、卡盤、進給絲杠等單獨旋轉的機械部件以及磨削砂輪、各種切削刀具，如銑刀、鋸片等加工刃具。
（2）卷進旋轉運動中兩個機械部件間的危險，如朝相反方向旋轉的兩個軋輥之間，相互嚙合的齒輪。
三 煤炭機械安全的優化
煤炭機械安全優化方案在煤礦機械設備建設的領域有不俗的變現。在基于安全的煤礦機械設備優化設計方案中，改善了原有的單一矩陣單點計算的方法，加強了數據終端的信號聯接，讓顯影的圖像和數字更加直觀的顯現在屏幕上。在動態撲捉成像中，有更多的高保真設計，完全可以滿足在煤礦生產中對機械情況安全的有效控制。
安全技術正由于其強大的數值處理能力，因而用于機械的優化設計，這種設計也是最近幾年才開始使用，它將機械的運轉原理與計算機技術應用聯接在一起，最生產中自動得出施工的最佳方案組合，為生產提供了很好的科學方案設計。在使用了機械安全技術優化機械系統后，可以大大提高設計效率和質量，還保障了煤礦生產中的安全。基于安全技術的煤礦機械設備優化設計方案優化的目的是讓機械在最少的材料和最低成本的情況下，用最合理的技術完成要求的工作，最大程度的完成機械在結構方面的性能指標，把機械內部的強度、剛度、穩定性能都 發揮出來該技術就是比人工系統多出了智能識別，自動的在系統內部生成機械的最有配置，這樣也可以合理的使用材料的性能，在一些技術，如切割上，達到更大的精度，對于幾何尺寸要求高的構建，使用優化技術后可以完全達到設計的要求。接下來我們就優化的方法進行簡單的敘述。
（1）非線性的優化設計法
非線性的優化設計是不同的約定的函數數值所產生的一種優化方案。系統在使用時，會自動生成約定之外的函數數值，這些數值直接用于機械的編程使用中，指導機械運行。這種非線性方案可以分為兩種。一種是利用目標定位將一次積分和二次積分在相乘的情況下，再次加權，以得到相應的優化設計方案。這種方法具體有共軛替代法、變化模式階層法以及多普勒開根號法。這些在基于機械安全的機械優化方案中正是由于穩定性能良好，計算較為簡便，所以使用比較廣泛。另外一種就是假定一個多元函數，將函數在定義域范圍內縮減至有效值，把目標函數的第三種類型編程可分析區域加以利用。這種方法雖然比較簡單，但是用于機械優化中卻很少，最主要的原因是在轉變編程中多次使用機械安全。
（2）線性優化設計法
在機械設備優化設計問題大多要使用線性函數，根據線性函數出來數據時又可以分為直接法和間接法。直接法通常有復雜圖形靜態變現法，在機械設備在運轉中會遇到一些人為情況下無法處理的事情，這時利用機械安全所生成的處理技術，可以很好的在具體的點位固定目標，將機械設備指引到正確的位置。構造中，函數不斷的迭代，自動加載出合適的運行模式，在一系列的數學計算后，得出線性解答，最終得到合理的解決方案。
四 基于機械安全的煤礦機械設備優化設計分析
基于機械安全的煤礦機械設備優化設計是在以往傳統的機械設計理念上加上了更多的計算機數據編程，是一種更加科學的現代化手段。為在煤礦生產效率中也得到了很好的優化，也能使機械產品的質量達到更好、更高的要求。接下來，我們將著重介紹在煤礦機械設備中使用機械安全優化方案中的遺傳算法。
遺傳算法，是20世紀70年代初期由美國密執根大學霍蘭教授提出的一種基于機械安全下全新機械設備全帶概率優化方法。GA是一種在人為施工條件下非確定性的擬自然算法，這種算法是根據自然界仿照生物的固有進化規律，對一個大的群體進行隨機抽樣，觀測其繁衍變化以及淘汰機制。其中就會有適者生存，不適者就會被淘汰，按照這樣的規律不斷重復，使整個群體在繁衍的素質上和種群的數量上都會有很大的提高。
主要應用領域有：函數優化方面、機械的組合優化、機器概念學習、設備的控制方面、三維圖型顯示、機械設備故障診斷、人工生命、神經網絡等最近幾年中遺傳算法在機械工程領域也開展了多方面的應用。本文中提到的基于機械安全下的設計優化就是選取這樣的設計理念，在優勢上有了很大的突顯，主要表現在：
（1）煤礦機械設備結構優化設計：在煤礦生產中，多考慮到機械的方便和使用性，遺產法在結合機械安全軟件后，針對多樣的遺傳算法中的彈性改變量、固定動態與波段概率等是不能夠改變機械設備的運行模式，也就不能對煤礦機械設備有任何的優化過程。在提出了交叉適應變于線替改變的方法后，彈性改變量就會維持在一個平穩的狀態，遺傳算法中的頻率會體現在設備的轉動上，這種遺傳算法為解決機械設備在工程使用中結構優化設計、多峰值函數求極值等問題提供了參考。
（2）可行性分析：在機械的整個框架系統中，模擬了固定模式中的運行，加上基于機械安全下的運轉方式，把整個系統的優化性再次提升，能夠在加工材料和零件上的加工都有很好的保護作用，避免了很多機械設備在使用中對于不明施工環境變化導致的機械損壞，提出框架結構系統可靠性優化的遺傳算法在機械設備升級優化都有積極的幫助。
盡管遺傳算法在機械安全指導下已解決煤礦生產中了許多難題，但還存在許多不足之處，如算法本身的參數優化問題、如何避免過早收斂、如何改進機械有效的工作時間和工作方法來提高算法的效率、遺傳算法與其它優化算法的結合問題等。用遺傳算法求解約線性和非線性優化問題時，一般采用共軛發散函數法，如何合理的選擇共軛因子是算法的難點之所在。共軛因子取得過小時，可能造成整個發散函數的極小解不是原目標函數的極小解；共軛因子取得過大時，搜索過程增加困難，所以對基于機械安全的煤礦機械設備優化中遺傳算法中的一系列問題還有待于進一步研究、討論。
五 結束語
基于機械安全的煤礦機械設備優化創新設計作為一項革命性的技術，在許多行業中都有著巨大的發展空間及應用價值。在煤礦企業機械化進程中引入機械安全技術有著明顯的優勢，它在簡化管理，加強安全監控等方面具有不可比擬的優勢，十分適合我國煤礦企業的發展。利用機械設備的優化方能能實現對煤礦資源的合理開發利用，使得煤礦行業能可持續發展。
將機械設備安全優化創新方案引入到煤礦企業的機械化建設中是一種十分有前景的嘗試，可以預見的基于機械安全的煤礦機械設備優化設計能推進我國煤礦企業的升級。但作為一個長期復雜的建設工程，在這個建設過程中定會有一些困難的出現。希望通過相關部門的共同努力，讓基于機械安全的煤礦機械設備優化設計的整體系統能早日實現，并且進一步推進我國煤礦企業的發展。
[參考文獻]
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關鍵詞：機械工程；可靠性；優化設計
現代社會屬于信息化社會，科學技術已經是日新月異，因此，人們在對多功能產品感興趣的同時更多的是注重其各項功能的運行能力。把生產可靠性高的多功能產品作為最終目標，隨之創造了可靠性優化設計，從這個概念的確立到現在，顯然已經得到了飛速的發展和應用。創建機械工程產品設計的過程中，同時要將可靠性原理和技術有效的結在一起，并按照相關的標準需求，可以把產品的可靠性放在首要位置，在延長設計時長，提高成本和功能的基礎下，盡量是機械工程產品達到一定的可靠性標準。因為可靠性設計屬于多領域學科范圍的現代化設計，所以可靠性設計會包括很多方面的技術應用。
1.機械工程設計的可靠性常用方法
1.1.魯棒設計方法
魯棒設計方法著重強調減弱產品的敏感度。保證產品的各項功能在應用條件改變的情況下依然穩定運行，同時確保產品在規定的使用時長期間，不會因為產品內部組成產生改變，系統陳舊或者參數不穩定等原因影響產品正常運行的設計方法。此方法是以綜合分析處理為前提由日本著名機械設計師――田口玄一首先提出來的，主要是依據產品的使用對使用者產生的經濟損失程度的大小作為設計可靠性的評價標準，可以說是它的基礎理論，所說的損失程度大體是說用戶經濟流失與產品目的和功能的正比大小，簡而化之就是損失越大證明偏差越大，客觀的區分出產品質量的優劣，降低偏差程度會使產品質量得到有效的提升，絕大部分經過嚴格篩選的材料和產品技術，都是把最大程度降低錯誤的出現率作為最終目標。
1.2.降額設計
降額設計方法是指產拼運行過程中零部件受到的應力大小沒有超過其規定的應力范圍，為了有效的減少部件所受應力，可以提高質量或者在選材上加以深究。大量的機械工程實踐記錄顯示，機械工程零部件在低于它額定的使用壓力下進行工作的時候機械工程事故率是十分低的，也就是說可靠性是十分高的。因此反復的進行研究和設計就成為了降額的有效途徑，可以通過降低平均應力，提高零件使用強度等方法改變應力、降低強度，達到提升可靠性的目的。
2.可靠性優化設計在機械工程中的應用
2.1.工程機械產品的使用和維護的可靠性優化設計
對機械類的相關產品進行定期的維護和檢修，這種措施能夠很大程度上延長產品的工作壽命，公司的發展和擴大始終需要一個強大的售后服務系統，所以，售后維修系統的運行關系到所有機械設備生產廠家的生死存亡，通過現代化的數據分析，根據人們需求和使用環境的不同，制定全面的維護和檢修方案，再依照機械使用程度和參數規定合適使用壽命。機械工程產品的可維護性也可以看成是可靠性，二者沒有什么本質的區別，工程機械產品設計最開始的時候要最先考慮產品的可維護性，產品結構越是不復雜，出現故障需要對其進行維修時的處理速度就會越快，切實的減少了經濟損失。機械工程產品維修可靠性的優化設計時，維護費用則是需要討論的重中之重，要盡量用最少的資金達到最大限度的可靠標準，努力降低維修的時長，設計職工要以此作為設計基準實現機械工程可靠性優化設計。所以，把維修設計作為可靠性優化設計的前提是切實可行的。由此可以看出，設計和創建既保證經濟性有保證合理性的維修方案是非常重要的。進行維修的過程中，必須使用規范的維修機械設備，工作人員也要不斷提高自身的技術能力，使維修工作得到進一步的提升。
2.2.機械工程產品設計環節可靠性優化設計
零件安裝設計和整體規劃設計是機械工程設計的兩個主體設計。而進行產品可靠性優化設計的過程中可以將它們視為一個整體，主要分為以下兩種設計方法，一種是：首先對整體的機械體系進行綜合分析，同時估算并掌握零部件的最大可靠性，通過對零部件結構組成的可靠性分析，估測出得到的結果必須要強于設計目標或者與設計目標持平。另一種是：在優化可靠性設計過程中將所有參數平均分配到各個零部件上，每個零部件都一定要符合這些參數的標準要求，按比例、綜合分配以及等參數分配是經常用的可靠性分配方法，在設計機械結構時，零部件的選取首先考慮的必須是達到國家標準的同時已經大批生產的零部件，這樣能夠適當且合理的節省資金和生產時間，對于關鍵結構的部件要試著改變零件的使用方式并對其進行優化設計，與可靠性有關的實驗要在設計之前就完成，另外，機械工程產品設計的可靠性要不斷重復檢驗，直到所有參數都達到設計指為止，機械工程設計的人機設計也具有重要的意義，其中包括機械的可操作性和零部件適應性。
2.3.工程機械產品在可靠性優化設計制造
為了保證產品的質量，企業必須對生產過程中的所有環節都進行嚴格的掌控，所以機械工程的可靠性優化設計就顯得尤為重要。因此要加強對工藝流程的選擇以及對技術操作水平的提升，工藝流程包含許多分系統，在設計的最后要將所有分系統的數據進行整合分析，并通過有效的措施和手段進行可靠性優化。
總而言之，機械工程產品所涉及的技術研究隨著時代的進步變得更加復雜化，因此機械工程產品的可靠性優化設計就成為了產品設計的主要研究對象，前景十分廣闊，其可靠性優化設計會越來越得到更多人的使用和肯定。
參考文獻：
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在少數幾個待選方案中進行比較分析，尋找最優方案的技術稱為優化設計。與傳統的機械產品設計相比，它既不需要參考通過估算、經驗定義出的同類產品基本結構，與檢查各性能指標是否滿足設計要求。更不需要人工試湊類比與分析，這樣可以大幅度的縮短設計周期。因此，優化設計是現代設計方法的重要內容之一。為了提高產品的競爭力，縮短開發周期，CAE以及優化方法已經頻繁的引入到產品的設計，生產的各個環節。特別是綜合運用拓撲優化和尺寸優化可以協助設計員在設計全新產品時，即使沒有參照物也能設計出滿足要求的產品。
2結構優化的方法與分層
由研究對象、約束對象、變量、目標函數與最佳策略的要求不同，我們便可衍生出不同結構的優化方法。根據優化目標的深淺可將優化分為尺寸優化、形狀優化、拓撲優化，三個不同層次的優化方法，它們的難度依次加大，與此同時它們收益也相應的提高。
2.1尺寸優化
原有組件的結構形狀與拓撲結構不變的同時，通過分析重組設計變量，進而尋找出最好的性能組合關系的優化方法。
2.2形狀優化
保證設計域內拓撲關系不變，從而求得結構的邊界，并且用這些邊界組成的新結構能達到理想的幾何形狀，同時能表現出某種性能的最佳狀態，這種方法稱為形狀優化設計。
2.3拓撲優化
連續體結構拓撲優化和離散結構的拓撲優化組成結構拓撲優化?？锥磾的?、形狀分布的優化，結構邊界形狀的優化均稱為連續體結構拓撲優；確定各給定節點位置的最佳聯結關系的優化，稱為拓撲優化。
3結構優化設計的過程及一般步驟
3.1目標函數
怎樣減小變形和應力是機械設計中的最關心的因素，我們可定義其目標函數為極小化變形或應力。由此可以知道，依據設計中最關注的因素是我們來確定目標函數。
3.2設計變量
設計變量是指參與結構優化設計的所有參數。在工程優化設計時，通常所用的設計變量有表征結構外型的幾何參數和物理參數兩大類。例如：板的長、寬、高尺寸，圓孔半徑、材料的彈性模量、密度、屈服極限、安全系數等。
3.3約束條件
約束條件是指在迭代計算中，優化過程的設計變量要受到某些限制的條件。例如裝配位置的限制條件，確保運動可能性的極值條件等，這些條件均可稱為約束。
3.4選擇優化方法并分析評估
現在解決機械優化設計的方法很多，但一種普遍適用的有效方法卻是少之又少。因為機械優化設計解決的主要問題是約束的非線性規劃問題，因此必須具體問題具體分析，從中選擇優化方法，并對優化計算結果進行分析評估。
4產品設計的優化應用分析
4.1支承結構拓撲優化的應用
在一個原本模糊的形狀，底部不動，里面有受力圓孔的支承結構中，拓撲形狀分別取不同材料減少率為60%，80%時所形成的模型。在優化過程中連續減重，材料減少率達80%時，能清晰加強筋的脈絡。根據結構上的分杈可設計出帶有加強筋的新概念模型。根據拓撲優化結果設計支撐結構的變形和應力分布。
4.2拓撲優化分析
當前，優化分析功能是大多數有限元分析軟件所具備的。設計變量（DV）、狀態變量（SV）和目標函數（OBJ），CAE優化模塊均可定義，但它卻只能設定一個目標函數，其它需要優化的目標只有通過定義狀態變量的方式來實現。定義多個設計變量和狀態變量在分析課題中比比皆是，設計變量也稱自變量，通過改變設計變量的數值來取得優化結果，設計變量的函數有狀態變量和目標函數。
例如結構的長寬高尺寸，筋板厚度等定義為設計變量，結構變形和應力隨設計變量的變化而變化，為設計變量的函數，可以定義為狀態變量，使結構重量極小化定義為目標函數。設計變量，狀態變量和目標函數組成優化變量。這些變量在多數的分析軟件中，都是由用戶定義的參數來指定。用戶必須指出在參數集中的設計變量，狀態變量和目標函數。滿足所有給定的約束條件（設計變量的約束和狀態變量的約束）的設計才能稱得上是合理的設計。假如其中任一約束條件不被滿足，設計就是不合理的。既滿足所有的約束條件又能達到最小目標函數值的設計才能算優設計。
5機械產品設計中結構優化技術的應用
5.1機床橫梁的最佳截面設計
橋式高速數控龍門銑床是在國內推出的新一代航空制造裝備，其中橫梁是很關鍵的結構，設計水平的好壞直接影響整個設備性能，對于橫梁的優化主要從兩方面考慮：（1）在不增加重量的前提下，使橫梁上的最大變形極小化，提高橫梁的靜剛度；（2）優化中初階固有頻率不小于設定值，提高橫梁的動剛度。
5.2機床橫梁的布筋優化
原始橫梁是某機械公司采用的結構，如圖1所示。優化設計橫梁采用了筋格的拓撲優化結果，但筋格由于太復雜，加工制造非常不利，因此從加工方面考慮這種方案采用的可能性不大，如圖2所示。
