時間：2023-06-06 08:59:16
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。
關鍵詞:輸水渡槽;優化設計;
渡槽是跨越山谷、洼地、河流、道路、等的架空輸水建筑物,由槽身、支架、支座等組成的輸水系統,是渠系建筑物中應用最廣的交叉建筑物之一。在保證渡槽設計的合理性、實用性、經濟性和安全性的前提下,減少人力、物力和財力去進行渡槽的設計,尋求一種經濟合理、使用方便、高效的渡槽優化設計方法,具有顯著的經濟效益。
1模型的建立
1.1建模思路
輸水渡槽常用的斷面形式有矩形、梯形、弧形底梯形、弧形坡腳梯形和U形等,斷面的選擇主要依據當地工程習慣和經驗。通常所說的渡槽水力最佳斷面指在流量一定時,過水斷面面積最小、濕周最短的斷面形式,這樣能節省用料和用工,減少沿程水頭損失。滿足水力最佳斷面設計的渡槽斷面往往是窄深式的,雖然工程量小,但不便于施工及維護,不能達到經濟的目的。實際上工程“最佳”應該從經濟、技術和管理等方面進行綜合考慮,因此應求一個寬淺的斷面,使其水深和底寬有一個較廣的選擇范圍,以適應各種情況,而在此范圍內又能基本上滿足水力最佳斷面的要求,即采用實用經濟斷面。
筆者從優化設計渡槽槽身形狀入手,分析影響渡槽施工總投資的因素,以渡槽建設的總投資最小為目標函數建立模型。
1.2目標函數的確定
在滿足各項設計要求(約束條件)的前提下,使其投資費用最小:
式中:Z為總投資額; Z1為渡槽槽體投資; Z2為施工準備費用。
由于施工準備費用(如施工預備費、地基處理費等)對某一工程投資來說變化不大,因此重點研究在渡槽設計流量Q、渡槽糙率系數n、渡槽縱比降i一定時,渡槽槽身斷面的優化比選設計。
2常用渡槽斷面設計
2.1水力計算基本公式
過水斷面面積、濕周等都是渡槽斷面幾何尺寸的參數。
式中: v為流速,m /s;Q為渡槽設計流量,m3/s;R為水力半徑,m; i為渡槽縱比降;A為渡槽過水斷面面積,m2;n為渡槽糙率系數; c為謝才系數。
實用經濟斷面和水力最佳斷面之間的關系為
式中:R1、A1、χ1分別為實用經濟斷面的水力半徑、過水斷面面積、濕周;R0、A0、χ0分別為水力最佳斷面的水力半徑、過水斷面面積、濕周;α為水力最佳斷面與實用經濟斷面的過水斷面面積之比。
2.2梯形斷面設計
梯形渡槽斷面見圖1(a),其水力最佳斷面主要水力參數之間的關系 如下:
式中:h0為水力最佳斷面的水深,m; b0為水力最佳斷面的底寬,m;m為邊坡系數。
梯形渡槽的實用經濟斷面主要水力參數之間的關系如下:
式中:k為過水斷面面積系數;k′為濕周系數。
當m =0時,梯形斷面轉化為矩形斷面。
2.3U形斷面設計
U形渡槽斷面見圖1(b),其處于水力最佳斷面時水面線剛好通過圓心。U形渡槽水力最佳斷面主要水力參數之間的關系如下:
式中:θ為圓心角,rad;m為上部直線段的邊坡系數,m =cotθ。
U形渡槽的實用經濟斷面主要水力參數之間關系同式(10)和式(11)。當m =0時,U形斷面轉化為底部為半圓形的U形斷面。
3差分進化法確定渡槽相關參數
為了滿足實用經濟斷面的要求,使水深和相應的底寬有一定選擇范圍,底寬不宜太寬,水深不宜太深,α一般取值為1.01～1.04,取α=1.02。取不同的邊坡m時,梯形和U形渡槽實用經濟斷面的過水斷面面積A1和濕周χ1的變化情況利用matlab軟件計算,根據計算結果繪制過水斷面面積系數k、濕周系數k′與邊坡系數m的關系,分別見圖2、圖3。
由圖2和圖3可知:m從0變化到1時,梯形斷面的過水斷面面積和濕周都有一極限值點,m經過加權取值,當m為0•553 8時,對應的過水斷面面積和濕周分別為
A1= 1.654 6
X1=3.524 6
m從0變化到1時,U形斷面的過水斷面面積和濕周的值都呈單調上升,其邊際值變化不同。當邊坡系數m從0變化到0.25時,A1和χ1的增長率最小。常用實用經濟斷面A1和χ1優化排序見表1。從表1可以看出,當Q、n、i一定時,U形斷面A1和χ1的最大值比梯形斷面的最小值還要小,由此說明U形斷面比梯形斷面實用。矩形渡槽實用經濟斷面和底部為半圓形的U形斷面的過水斷面面積相差8.34%,濕周相差22.19%,因此底部為半圓形的U形斷面為渡槽設計的最優斷面。
4結語
關鍵詞：艏部舷墻； 有限元； 優化設計
中圖分類號：U661.43文獻標志碼：B
0引言
艏部舷墻具有防浪作用，并能確保船舶搖擺時船員及乘客的安全.舷墻有參與和不參與船體總縱彎曲兩種結構形式.舷墻參與總縱彎曲，對舷墻本身要求較高，且不利于甲板排水，現代船舶設計中已經很少采用.[1]因此本文對船艏部舷墻設計不參與總縱強度，只承受波浪沖擊載荷以及系泊設備局部載荷.在船舶結構設計領域，有限元的引入能很地好解決安全性與經濟性的矛盾.對于結構分析而言，其目的不僅是校驗結構強度，更應著眼于結構優化設計，這是未來船舶設計的趨勢.本文以舷墻為例，簡單介紹船舶結構設計及優化分析流程.
1舷墻規范設計
舷墻一般由舷墻板、支撐肘板及平臺板組成.艏部舷墻設計時，參考艏部具體線型、系泊設備及《散貨船共同結構規范》，給出合理結構布置.其基本形式見圖1.
針對不參與船體總縱彎曲的舷墻，《散貨船共同結構規范》給出具體規定.[2]
（1）舷墻高度.露天干舷甲板及上層建筑甲板的舷墻高度應不小于1.0 m.一般船舶的舷墻外形皆按型線考慮，但對于艏部，若舷墻過于外傾，對船員操作會帶來不便，故可向內傾斜.
4結束語
根據通用規范設計艏部舷墻的結構型式和構件尺寸，使用有限元分析進行屈服和屈曲強度校核.根據初步校核結果，調整構件尺寸，優化舷墻結構設計，最后結合其它約束條件，得到舷墻最佳設計方案，即在滿足屈服和屈曲強度要求的同時，重量減輕18.6%.
優化過程體現有限元分析在船體結構優化設計中的重要作用，也為舷墻及船舶其它部分結構的優化設計提供了設計思路.
參考文獻：
[1]中國船舶工業總公司. 船舶設計實用手冊[M]. 國防工業出版社， 2000.
關鍵詞：混凝土配合比優化設計
中圖分類號：TV331文獻標識碼： A
混凝土配合比優化設計方法需要根據經驗表格確定用水量和砂率，在用水量和砂率確定后，才能進行配合比設計。
一、關于混凝土配合比優化設計內容
1.原材料的選擇。普通混凝土一般所需要的水泥、水、粗骨料、細骨料4種材料, 對于目前出現的高性能混凝土除去以上4種材料外, 還需要高效減水劑和活性礦物摻合料。
2.混凝土的抗壓強度。對于高性能混凝土, 混凝土的抗壓強度與其他耐久性相比, 強度試驗仍容易進行, 而且, 高性能混凝土的許多性質, 諸如: 抗滲性、彈性模量等均直接與強度有關。盡管實際結構中, 混凝土的受力是復雜的, 但單軸壓力試驗最容易進行, 混凝土的單軸抗壓強度已廣泛地作為混凝土強度的通用指標。對于混凝土(或高性能混凝土)的抗壓強度的因素, 除了原材料外, 一些配合比參數如: 膠結材料、膠結漿體數量、水膠比是主要的影響因素。
3.混凝土的工作性。混凝土的工作性(workab ility) , 又稱為和易性。是指混凝土拌合物易于施工操作(拌合、運輸、澆筑、搗實)并能獲得質量均勻、成型密實的性能。工作性是一項綜合的技術性質, 包括流動性、粘聚性和保水性等三方面的含義。
4.配合比設計方法。近年來, 人們總結出多種混凝土的配合比設計方法, 大致可分為三種。第一理論分析方法，如法國路橋中心F.De Larrard等基于最大密實理論, 提出了優化高性能的混凝土配合比設計的數學模型。第二半經驗半試驗方法。這種方法基本要點:對適當的粗骨料, 為得到高的體積穩定性, 膠結漿體與骨料的體積分別占35% 和65%為宜；根據混凝土強度等級確定用水量；膠結材料根據具體的情況可有不同的選擇；高效減水劑的摻量可取1%；混凝土的粗細骨料體積比對強度等級不同的可取相對應的比例。第三經驗性的方法，這類方法基本上是完全建立在實驗的基礎上。如: 法國路橋中心( LCPC)提出的用膠結漿體進行流變試驗。馮乃謙等根據高性能混凝土所處的環境及技術要求的不同, 即根據不同的耐久性要求, 提出的配合比設計方案。
二、關于混凝土配合比優化設計方法
圖1 砂及粗骨料的級配曲線
1.材料和實驗設備
（1）材料的制備。第一砂的化學成份。砂為細骨料, 用于填充礫石等粗骨料的空隙并共同組成鋼纖維混凝土的骨架。本試驗所用砂根據土的工程分類標準(GBJ14590), 由標準篩確定分級, 范圍從細到中（圖1)，細度模數為1.8, 密度為2.6g/cm3, 級配良好, 潔凈, 灰和粘土含量極少。第二碎石的性能。碎石通過壓碎石灰巖得到, 是組成鋼纖維混凝土的骨架材料,為粗骨料。碎石顆粒表面較粗糙, 富有棱角, 能產生良好的機械嵌固性能, 與水泥漿有較強的粘結力。本試驗所用碎石有兩種級配( 圖1可見有3/8和8/15)。表1給出砂、碎石的物理、形態和機械性能.。第三水泥成分。水泥為膠凝材料, 把砂、石和鋼纖維膠結成整體。本試驗所用水泥是425號普通硅酸鹽水泥。該型號水泥容易生產而且在中國建筑行業使用廣泛. 其密度為3.6 g/cm3, 比表面積為3600cm2/ g.根據Bogue法得到的主要礦物成分見表2。值得注意的是, 由于氧化物在C3S替換了某些CaO成分, 所以Bogue法低估C3S的含量, 而高估C2S的含量。第四減水劑,本文所用減水劑密度為12, 干燥物含量為21.25%。減水劑為表面活性劑, 可增大混凝土拌合物的流動性, 減少用水量,降低水灰比, 提高混凝土強度, 減少混凝土拌合物泌水、離析現象。
表1試驗所用砂及碎石的物理、形態參數
表2 硅酸鹽水泥的礦物成分( 質量百分比)
2.試驗設備及原理介紹
（1）鋼纖維混凝土拌合料的和易性指拌合料能保持其成分均勻, 不致發生離析現象和易于施工操作的現象.：是包括拌合料的流動性、粘聚性和保水性等方面的一項綜合性技術性能.。通常和易性是測定拌合物的流動性(或稱稠度)。稠度的測定方法有三種: 坍落度法、維勃稠度法和倒置坍落度筒法. 坍落度法用坍落度值表示, 此法適用于坍落度值不小于20mm的鋼纖維混凝土拌合料的稠度. 維勃稠度法適用于維勃稠度在5-30s之間的鋼纖維混凝土拌合料稠度測定, 用維勃(VB)值時間表示。由于在混凝土拌合料中加入鋼纖維后, 鋼纖維在拌合料中形成網狀結構, 而且鋼纖維的表面積很大, 使拌合料內部摩阻力加大, 阻止拌合料的流動, 從而引起稠度的明顯降低. 纖維的體積率和長徑比越大, 纖維表面越粗糙, 其流動性降低越明顯. 試驗表明: 經振搗后鋼纖維混凝土拌合料的流動性與未加鋼纖維時的流動性相近. 因此, 用坍落度表示其稠度, 有時不能完全反映鋼纖維混凝土拌合料的稠度, 尤其對半干硬性和干硬性鋼纖維混凝土拌合料更是如此. 當鋼纖維混凝土拌合料坍落度小于20mm時, 測值不敏感, 誤差較大。維勃稠度法當維勃稠度VB值在5-10s時, 誤差也較大。
圖2測量和易性裝置( LCL測試儀)
（2）為此, 本文試驗采用特制的LCL儀(見圖2)測試和易性, 用拌合料流動時間表示. 該儀器由具有光滑不變形表面的棱形金屬模板組成, 配有振動棒。可拆卸的金屬隔板傾斜角度為38°, 將LCL儀內部分割成兩個獨立空間。由圖2可知, LCL和易性測試儀中連續的試驗過程為: 將纖維混凝土注入模板；攪拌振動均勻；去掉金屬隔板(開始計時)；纖維混凝土流動到指定位置(計時結束)。與維勃稠度測試方法和坍落度測試方法相比本法有兩個優點:第一維混凝土拌合料數量比坍落度測試方法可多5倍, 這樣所測結果更接近于工程實際中的真實情況, 更具有代表性。第二由圖2可見, 纖維混凝土的流動性更具有動態, 可更好地模擬施工過程中模板內部的纖維混凝土性能。在拌合料試拌時, 需要水量與固體顆粒的表面積以及孔洞體積有關。適當增大水灰比和用水量有利于鋼纖維的分散均勻性。 但不能單純依靠改變用水量來調整其和易性, 而應在保持水灰比不變的條件下, 調整水泥漿的用量以滿足和易性要求, 否則會影響其強度和耐久性。在此假定基礎上, 本試驗選取不同外加劑、水泥和水用量, 但保持水灰比為常量。
3.試件準備及試驗過程
（1）纖維混凝土的各成分用量如下:水泥: 350kg/m3。砂: 758kg/m3，碎石: 1073kg/m3 ，水: 215kg/m3 (該數值考慮拌合料的吸水性能)拌合時, 各組成材料的投放方法和順序與普通混凝土不同。本文試件需要的混凝土在50L的攪拌器里一次性配好. 在添加液態減水劑后, 采用特定的攪拌方法: 干攪拌碎石30s, 干攪拌水泥和碎石30s, 加水攪拌180s, 加入不同體積率的減水劑和鋼纖維后攪拌150-210s。隨后取出鋼纖維混凝土并將其倒入鋼模板內, 采用振動臺上振搗以使其密實. 振搗時間與鋼纖維的體積率、長徑比有關。24 h后, 拆除模板，隨后在22 ℃ 條件下養護28天后進行力學強度試驗。
（2）和易性的測量。影響鋼纖維混凝土拌合料和易性的因素,主要有鋼纖維的體積率和長徑比、水泥漿用量和稠度、砂率骨料性質及外加劑等。因此測量素混凝土與纖維混凝土和易性的方法通常有所不同。本文試驗測量LCL測試儀內部的混凝土在準靜態振動條件下流出指定位置處所需要的時間。
4.試驗結果。本文試驗過程中首先采用5組不同的纖維體積率,分別為0(素混凝土) 、0.5%、1%、1.5% 和2%, 其次采用7組百分含量不同的外加劑, 分別為0、0.5%、1%、1.25%、1.5%、1.75%和2%. 試驗過程包含有35種完整的纖維和外加劑組合。對每一組配制組合均采用LCL測試儀測量纖維混凝土流動時間。圖3中給出了7條不同的和易性時間隨纖維體積率變化的曲線。
圖3 和易性時間隨纖維含量變化
5.討論。從本文的試驗結果, 可以得到以下結論:第一本文提出纖維混凝土的配合比優化方法。試驗中保持水灰比為常數, 取外加劑成分、水和水泥數量為變量。第二纖維混凝土采用本優化設計方法遠強于Swamy 法，得到的纖維混凝土機械性能更佳。Swamy 法在素混凝土或低纖維含量時結果好, 而本優化方法在高纖維體積率時效果明顯。第三添加劑成分在小于1%時, 纖維混凝土的可適用性很差, 和易性不佳。第四本優化設計法兼顧了纖維混凝土的和易性與強度, 給出了最佳的纖維體積百分率區間為0.23%-0.73% , 對工程上的應用有一定參考價值.
目前，混凝土技術已經有了很大的進展, 混凝土的強度也已經遠遠超過了工程所需要的范圍, 對混凝土的技術要求也已經達到很高的程度。合理的混凝土配合比設計應該在符合相關規范給出的包括強度、工作性、均勻性等性能要求的前提下, 確定各種成分的用量, 以此來獲得最經濟、最適用的混凝土, 而利用經典的設計方法很難達到這些目標。因此針對更多性能要求的混凝土進行合理配合比優化設計成為迫切的需要。
參考文獻：
[1]耿標.關于混凝土表面氣泡問題的分析.中華建設,2008（12）：90-91
[2] 張戈.論混凝土建筑墻體表面氣泡成因與防治措施.現代商貿工業，2010（16）：385-386
1.1膨脹節腐蝕、破損嚴重，波形失真。
膨脹節材質為低合金鋼，夾套內熔鹽的溫度一般在在450°，低合金鋼425°長期使用的情況下，會有石墨化傾向，導致膨脹節變脆，失去補償功能，降膜管補償量不夠造成降膜管變形損壞。
1.2分配器堿進口堿液的均勻程度對降膜管影響很大。
如進液不均勻，易使降膜管內液膜太薄或形成干壁區，由于其與非干壁區溫差很大，在應力的作用下易造成降膜管變形損壞。
1.3據用戶介紹，在片堿生產中，有時片堿濃度達不到規定要求。
可以通過提高熔熔鹽溫度來實現。如熔鹽溫度過高，會引起熔鹽的分解，不但使膨脹節因補償量的增大而變形失效，也使夾套材質變形失效。用戶提供的破損的降膜管夾套材質為ST37.8/Gr1鋼管，德國的材料牌號，相當于國產的10#鋼管，使用溫度為450°，基本已達到其允許使用溫度上限（475°），一旦超溫使用，應力值嚴重下降，從而引起降膜管的變形損壞。
1.4設備主法蘭為板式活套法蘭，剛性較差，在高溫作用下變形、翹曲，不能保證密封性能。
2降膜管的改進
2.1對降膜管材質進行改進。
根據現行的JB/T4756-2006標準，300℃以上N6已無強度計算數據，在高溫下N5更為合適。因此降膜管內筒材質改為國產低碳鎳N5。
2.2對原膨脹節進行改進。
針對原膨脹節存在的問題.我們對補償量做了適當增加。膨脹節由上海永鑫波紋管公司提供，膨脹節5(0.3X5)層10波，位移保證21mm。材質由低合金鋼改為補償功能更好的不銹鋼。
2.3分配器堿進口處增加環形擋板，以提高堿液的均勻分配程度，減少干壁現象的產生。
見圖1。
2.4在熔鹽進口處增設錐形擋板，以減少熔鹽對降膜管的影響。如圖2。
2.5走熔鹽介質的夾套材質改為不銹鋼。
其使用溫度上限為700℃，彈性模量，線脹系數均較10#鋼管有較大的提高。
2.6在夾套管外表沖壓凹槽。
每隔90mm旋轉90°，槽底與內筒管間隙1.5mm.主要用來防止降膜管夾套堵塞，同時增加熔鹽湍流，提高熱交換能力。
2.7設備主法蘭由板式活套法蘭改為帶頸活套法蘭。
增加剛性，防止變形，而影響密封性能。
2.8降膜蒸發的成膜原理。
在與用戶的交流溝通及降膜蒸發的成膜原理中我們知道，降膜管垂直度對成膜的均勻有較大影響，如果不垂直，堿液在管內會形成偏流，導致膜厚薄不均，甚至出現斷流的現象，從而引起降膜管的變形損壞。因此增加降膜管的技術要求，對其內筒與安裝基面提出垂直度要求。
3結束語
關鍵詞：高層建筑；基本理論；結構優化設計；設計方案
中圖分類號：TB482.2 文獻標識號：A 文章編號：2306-1499（2013）06-（頁碼）-頁數
1.優化設計的基礎理論
隨著我國經濟高速發展，就現階段建筑業而言，城市中高層建筑物與日俱增，遍布城市的每個角落。因此，高層建筑結構優化設計的重要性就顯得越來越重要。目前，從整個建筑發展形勢上來看，高層建筑在所占建筑類型中的比例會越來越大。理論上來講，當土地的面積基本固定，而當今社會人口增長速度過快，這樣就必然要求人類的居住位置縱向發展。從現在的建筑水平來講，建筑高層或超高層住宅是今后整個建筑行業的重點。
在建筑工程的決策階段中，確定結構優化設計所要達到的總體目標，滿足本體功能，最大程度保障安全性，縮減投資成本；在建筑工程的設計階段，確定每一個子系統及整體結構的優化布局；在建筑工程的建設階段，以結構優化設計為建設原則，組織建設好每一個子系統從而實現整體結構優化布局。決策階段結構優化選擇是關鍵，設計階段結構優化設計是核心，建設階段結構優化建設是基礎。如何做好結構優化：首先，要選擇合理的結構方案，其決定了整個設計的好壞成敗。因為對同一個建筑設計方案而言，結構設計不是唯一的，不同方案會使工程質量和工程造價產生很大差別。其次，進行正確的結構計算，一體化計算機結構設計程序的應用和完善，幫助結構工程師能越來越輕松的進行計算分析，使得結構設計更加經濟和合理。再次，要提高材料的利用率，因為結構設計的目的就是花盡可能少的錢，做最安全適用建筑，這就要求結構設計時對材料選用要合理，利用要充分。還有，要正確合理的運用和理解《規范》，其是我們設計中必須遵循的標準，是國家技術經濟政策，科技水平以及工程實踐經驗的總結。
2.結構設計的基本要求
2.1滿足耐久性和安全性要求
住宅實行商品化后，應為住戶的耐用消費品，使用壽命長是區別其他消費品的最大特點。因此，結構耐久性和安全性是住宅結構設計最基本的要求。結構體系的選擇以及材料的選用，都應有利于抗風抗震，以及使用壽命期間改造維修的可能性。
2.2滿足舒適性的要求
住宅建筑設計應為住戶起居舒適性的要求提供條件，例如，多種戶型要靈活分隔室內的空間，人居的熱光聲的環境等要求，給居住的人創造一個舒適的環境。結構方案還應該考慮到住戶在日后改變分隔的空間的可能性，當采用剪力墻結構的時候，宜采用大開間的布置。
2.3滿足經濟性的要求
結構設計時應根據房屋的建造地點、層數多少、平立面體形，在滿足耐久性、安全性和舒適性要求的前提下采用經濟又合理的結構體系，在構件設計中應該精打細算，要嚴格執行規范構造要求，注意避免不必要的鋪張浪費。尤其是在地基基礎設計中更要注意此方案的經濟比較，因為地基基礎的設計方案是否合理對房屋造價非常重要。
3.高層建筑中的優化設計方案
3.1房屋結構周期性折減系數
房屋框架結構和頂蓋等結構設計中，因為填充墻體存在使結構實際表現剛度大于設計計算剛度，計算周期也會大于實際周期，所以當算出結構剪力偏小時，會使房屋的某些結構不安全，而應該對房屋結構計算周期適當的進行折減，這樣能達到很好的效果，但是對于房屋框架結構，計算的周期不宜折減或折減系數取小。
3.2耐久性的優化設計
在之前大部分混凝土結構設計方案中，很多沒有充分考慮到建筑結構設計耐久性，也就是保證高層建成之后，在合理使用期限內，要能滿足用戶正常使用要求。但是很多的設計未能達到，造成此現象的根本原因是沒有充分考慮到建筑結構在使用的過程中，由于遭受條件和使用環境變化最終造成房屋結構損傷，引起房屋可靠度指數下降。對一般高層混凝土結構設計來說，低造價和省材料設計都應為滿意的結構設計，但隨著人們生活水平的提高和在實際工程中，有時在其他使用要求或技術指標上升為設計主要矛盾時，設計者們就要放棄對經濟的單純追求。所以當選以高層混凝土結構優化為設計的主要目的時，就應依據設計所要面對的關鍵性問題，分清主次，選多目標或單目標來實施優化，達到滿意效果。
3.3房屋結構抗震性設計
在工程圖紙設計過程中，房屋結構按抗震設防分類，房屋抗震等級可根據房屋高度、烈度以及結構類型按國家《抗震規范》確定。地震震力振型組合數據對建筑應當不考慮耦聯扭轉計算；當振型數大于3的時候，應取3的整數倍計算，但數據不能大于建筑物層數；當房屋層數不大于2時，振型數則可取房屋層數。對于不規則房屋的結構，應考慮扭耦聯轉，對高層房屋建筑來說，振型數應取不小于9；房屋結構層數多或房屋結構剛度突變系數大的話，振型數則應多取，例如結構中含多塔結構或頂部有小塔樓和轉換層等，振型數應取不小于12的數，但其大小仍不能大于房屋總層數3倍，除非其含有彈性定義的樓板，而且采取總剛性分析的時候，振型數才能夠取的更大。
3.4地下室的層數處理
多層房屋框架結構房屋一般都設置地下室結構。由于隔墻較少，故常采用的是板筏基礎。設計計算時將上部結構與地下層數結合在一起，并在圖紙中按實際的地下室的層數計算。如此一來，計算基礎底板以及地基縱向荷載可一次設計完成。同時通過側層移剛度性系數比較，可以調整和判斷房屋相應嵌固位置，適當加固構造措施，保證樓板最小配筋率和厚度。當房屋結構縱向不規則時，要驗算其最薄弱層。
3.5合理使用高強鋼筋與高強混凝土
高層建筑的總造價一般都包括框架結構材料、施工和基礎的物料費用等，其中用鋼量以及構筑件截面積對房屋造價影響較大，故在建筑設計中合理使用高強混凝土與高強度鋼筋可有效降低用鋼量，節約建筑成本。若高層建筑設計位于厚軟地基上，那么由于坐落在地基上的荷載大，合理使用高強鋼筋和高強混凝土來優化構件的截面積，減輕結構重量，將會顯著降低工程造價及基礎設施施工難度，取得較好經濟效果。對于震區的高層樓房來說，地震力作用的大小與建筑物的自重相關，人為地減輕建筑物的自重，降低結構在地震的荷載，可提高建筑物的安全性。在設計中高效地使用高強鋼筋及高強混凝土，能快速有效的縮小梁墻板柱等構件截面積，達到建筑造價目的。
3.6框架梁以及柱箍筋間距
房屋柱箍筋和框架梁等加密區的最大箍筋以及最小箍筋直徑間距應該符合規定。依據規定，工程上取柱箍筋與梁的加密區最大間距為100mm左右，非加密區箍筋最大的間距為200mm左右。通常在柱箍筋和內定梁加密區間距為100mm左右，以此為計算依據算出加密區箍筋面積，工程師要依據規范確定肢數與箍筋直徑。而在程序內定的條件下，當房屋的框架梁跨中有較大的其他荷載或次梁存在而又只有兩肢箍筋情況下，非加密區箍筋間距應采取200mm左右，使房屋梁非加密區的配箍充足，故建議內定梁箍筋改為梁非加密區取200mm。既可保證梁箍筋加密區抗剪切能力，同時又增加梁非加密區抗剪的承載能力，使梁強抗剪性能更加充分體現出來。
4.結語
結構設計不僅是對建筑物本身功能的設計，還關系到建筑物的建設成本，這就需要設計人員優化結構設計，降低建設成本。其優化目標就是實現建筑的本體功能性、安全性、經濟性與環保性。為了實現這一目標，未來的從事結構設計者將遵循功能性、安全性、經濟性、環保性四位一體的設計思路，真正實現未來建筑結構的優化升級，為人類提供一個更好的物質生存與發展環境。
參考文獻
1 傳統工業的優化設計應用
傳統機械優化設計方法大多應用于機械結構和零件功能的優化設計，針對機械結構的性能和形態進行優化。在機械結構上，內點罰函數優化法，能夠對剛度和壓彎組合強度結構進行良好的優化，既能夠滿足尺寸要求又能良好的控制結構自重。在形態方面，典型的是軸對稱鍛造部件的毛坯形狀的優化。在性能方面，采用坐標轉換法和黃金分割法對部分兩岸結構進行優化設計，使得機械結構更加準確保持運動平衡性，提高了傳力性能。這樣看來，傳統機械優化設計方法依然能夠取得良好的效果，所以在機械設計發展中不能忽略傳統優化方法的
作用。
2 現代工業的優化設計應用
現代高新設計方法在機械優化設計中的應用已越來越廣泛。但應該看到，現代的設計不僅僅是單一的完成給定產品的設計，而應該要將產品使用及設備維修等因素統一進行考慮。所以，機械優化設計在強調環保設計和可靠性設計等考慮綜合性因素的機械優化設計應用工作更為活躍，機械優化設計的應用領域更加廣泛，涉及到航空航天工程機械及通用機械與機床的機械優化設計；涉及到水利、橋梁和船舶機械優化設計；涉及到汽車和鐵路運輸行業及通訊行業機械優化設計；涉及到輕工紡織行業、能源工業和軍事工業機械優化設計；涉及到建筑領域機械優化設計；涉及到石油及石化行業機械優化設計；涉及到食品機械等機械優化設計。機械優化設計的應用還能夠解決具有復雜結構的系統問題。
2.1 優化設計網絡軟件的應用
優化算法的研究已經有所成績，利用網絡平臺逐漸開發一些工業化在線優化軟件，便于工業設計使用。對于在線機械優化設計軟件來說，亟待解決的問題就是模型問題，對于非常復雜的系統來說，結構、流程、物料和系統參數等，都非常復雜，如果計算對象比較模糊，運算效率會受到嚴重的影響，這就給在線優化軟件帶來了巨大的困難。為了解決這種情況，通過合適的算法解決辨別模型，結合神經網絡和學習特點進行數據的識別，讓在線優化軟件也能夠良好的應用于各種模型，比如國內比較成熟的 NEUMAX 軟件包，基于神經遺傳算法的在線優化軟件包，都能夠良好的實現各種模型的遺傳算法，這些軟件已經成功應用于甲醇合成機械設計的優化工作中。
2.2 優化設計在MATLAB中的應用
在機械設計中引入優化設計方法不僅能使設計的機械零件滿足性能要求，還能使其在某些特定方面達到最優。利用 MATLAB優化工具箱求解機械優化設計問題不僅避免了傳統的設計方法中人工試湊、分析比較過程中的繁雜與重復，而且編程簡單、結果可靠。在上述實例中，利用 MATLAB 軟件中FEMINCON函數求解夾具設計問題，最 終設計的 夾具要比采用傳統設計方法設計的質量輕、成本低，并且設計效率高。
2.3 人工神經網絡法在機械優化設計中的應用
人工神經網絡是人類模仿大腦神經網絡結構和功能而建立的一種信息處理系統，是理論化的人腦神經網絡的數學模型。人工神經網絡從事例中學習，可以處理非線性問題，特別擅長處理那些需要人直觀判斷的信息匱乏的問題，如不完全數據集合，模糊信息以及高度復雜問題等。人工神經網絡應用于優化設計，主要體現在以下兩個方面：
Hopfield 網絡 2.BP 網絡
2.4 模糊優化方法在機械優化設計中的應用應用模糊優化理論能夠將設計中的模糊因素和模糊主觀信息定量化，通過合理給定約束函數、目標函數的容許值、期望值及其模糊分布 （隸屬函數） 來 “軟化”邊界條件，擴大尋優范圍和體現專家的經驗、觀點和某些公認的設計準則。把模糊技術應用于優化設計建模，其特長不僅在于它善于表達模糊概念，處理模糊因素，而且還可將復雜問題簡化，使優化模型更加合理。采用模糊理論建立優化設計模型對求解復雜系統優化設計問題具有重要意義。
【關鍵詞】機械設計；優化設計；方法
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）.
（1）過濾元件。過濾原件是凈化系統的最后屏障，是液壓系統污染的關鍵步驟，是主要的元器件，對環境起到一個保障作用，具有一定的實際應用價值。
（2）液壓凈化系統簡化模型。建立簡化的模型必須進行推導，利用數學公式建立邏輯模型，通過邏輯模型建立實際應用模型，模型的建立需要一個嚴謹的推導過程，液壓凈化系統簡化。
2液壓凈化系統的優化設計
本論文對液壓凈化系統進行優化選擇設計主要從元件級參數設置及系統布局兩方面進行闡述，對液壓系統進行優化及升級提高環境保護，對機械設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元件級的優化設計
基于以上液壓污染動態平衡方程，對過濾元件過濾器進行優化選擇，主要從確定過濾時間、過濾比兩個方面進行優化選擇。
（1）臨界時間的確定。臨界時間是針對一定污染度油液的獨立過濾系統而言，當過濾時間達到，過濾系統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化設計有一定的幫助，是對整個元件的優化設計有一定指導作用，對元件級的優化設計能順利進行提供有力保障。
（2）基于Matlab的過濾比的優化選擇。通過Matlab的過濾比進行優化選擇，對液壓系統產生的標準污染油液進行過濾比較。
2.2系統級優化與設計
根據液壓系統目標污染度的要求，適當選擇過濾管路及過濾器過濾精度，用于濾除系統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。
（1）液壓凈化系統的布局。液壓凈化系統在實際使用過程中必須進行合理化地布局，布局采用多種方式，有時候多種方式進行合理布局，可提高過濾效果，增大系統的納污量，減少清洗次數及延長液壓系統的壽命。
（2）不同組合方式的過濾效果。通過實驗進行驗證，應用一種過濾方式過濾效果一般，通過多種形式與方式進行過濾能產生不同的效果，在工業實際生產過程中，經常選用多種組合方式進行過濾，其過濾效果是非常理想的，應用各種過濾方式的優勢，達到一定效果。
3基于HyPneu的仿真驗證
一、大型箱體工件表面涂裝生產線通風系統優化設計
本文針對工程機械、大型裝備等零部件的涂裝生產線通風系統的特點，以某一大型工件表面涂裝生產線為例，介紹其通風系統的優化設計過程。
1、設計依據
（1）工件最大外形尺寸：12000（mm）×2450（mm）×3000（mm）；（2）工件最大重量：3600kg；（3）生產任務：40000件/年（三班制，22.5小時/天），按每天生產150件計算；（4）生產節拍：8分鐘/件（設備負荷率88.9%）；（5）動力條件：電源：三相四線制，AC380V，網絡電壓波動±15%，頻率50±5%Hz；熱水：90℃，0.2Mpa；冷水：5℃，0.2Mpa；壓縮空氣：0.6～0.8MPa；涂裝生產線工藝流程：上件底漆噴漆預備底漆噴漆（＞15℃）底漆流平（20-40℃）底漆烘干（70-80℃）底漆強冷面漆噴漆預備面漆噴漆（＞15℃）面漆流平（20-40℃）面漆烘干（70-80℃）面漆強冷下件其中底漆、面漆噴漆室采用文式噴漆室，全自動機器人噴涂；烘干室采用紅外加熱器輻射加熱，所選用的紅外加熱器對有機氣體具有分解凈化功能，其有機氣體凈化率可達到60%。
2、各工位通風風量確定
（1）噴漆室送排風風量計算：對于頂部送風、底部抽風的噴漆室通風量計算，其總的通風量按下式計算:V=3600Fu[1]式中V——噴漆室總的通風量（米3/小時）；F——噴漆室操作的地坪面積（米2）；u——垂直于地坪的空氣流速（米/秒）。根據《涂裝作業安全規程噴漆室安全技術規定GB14444-93》中規定室內無人操作的大型噴漆室內風速控制在0.25-0.38m/s，這里空氣流速取0.25m/s，假設噴漆室內腔尺寸：8m（長）×7m（寬），則總送排風風量：V=3600*8*7*0.25=50400m3/小時（2）烘干室送排風風量確定本烘干室采用紅外加熱器輻射加熱，其自身需要有一定的風量來進行冷卻，所需風量為350～400米3/（小時·只），則總送風風量V=（350～400）n，其中n為紅外加熱器的數量。本涂裝線中底、面漆烘干室各采用28只紅外加熱器，故烘干室送風風量為9800～11200米3/小時。（3）強冷室送排風風量確定強冷室的通風量按下式計算:V=Q/（ρcΔT）式中V——強冷室總的通風量（米3/小時）；Q——強冷室需要帶走的熱量（千卡/小時）；ρ——空氣的密度（公斤/米3）；取1.29c——空氣的比熱（千卡/公斤·℃）；取0.24ΔT——送排風的溫度差（℃）。根據生產工藝，工件溫度從70℃降到20℃,需要帶走的熱量約為15.5萬大卡/小時,ΔT取15℃，則強冷室總送排風風量：V=155000/(1.29*0.24*15)=33300米3/小時（4）有機廢氣最小排風風量確定根據工件參數以及所使用的油漆參數，計算各工位有機溶劑的揮發量，從而確定各工位在安全狀態下的排風風量，其參數及計算結果見下表：
3、通風系統優化設計
在傳統的涂裝生產線中，各工段大都采用獨立的送排風系統。噴漆、流平室大多采用車間外直接取風和車間外排風，因此，在黃河以北地區，冬季送風要求加熱到25度左右，需要消耗大量的能源。烘干室加熱一般采用天然氣加熱，利用循環熱風對工件進行烘干，同樣需要大量的熱能。強冷室卻排放出大量的熱風。因此，為充分合理利用能源，必須對其通風系統的設計進行優化，思路如下：（1）為了減少有機廢氣的排放量，可以考慮噴漆室內排出的空氣部分進入循環使用，同時確保噴漆室內的有機廢氣濃度低于其爆炸下限的25%；同時，根據油漆的施工工藝要求，噴漆室的送風溫度要求大于15℃，為節省能源，噴漆室的冬季取風可采用強冷室的排風。（2）流平室的溫度要求控制在20-40℃之間，因此考慮采用一套獨立的送排風循環加熱系統，其中部分氣體排出室體，保證流平室內的有機廢氣濃度低于其爆炸下限的25%；補充新風從強冷室排風管取風，可減少新風的加熱量。（3）噴漆室、流平室排出的有機廢氣送入烘干室內，作為烘干室的紅外輻射加熱器的冷卻用取風，通過加熱器對有機氣體的分解凈化功能，減少有機廢氣的排放量。底漆部分通風系統流程圖如下：系統調節控制的關鍵點：（1）各循環送排風裝置的風機采用變頻控制，有利于調節系統中的風量平衡。（2）采用比例式電動定風量調節閥，對關鍵管路中的風量實行定量控制。（3）保留噴漆、流平室的循環送排風裝置中的熱水加熱段，作為系統中的輔助加熱系統。（4）在噴漆室頂部設一緊急出風口，在測得噴漆或流平室內有機溶劑濃度超標時，對室內的氣體進行更換。通風系統優化設計前后能耗比較：（1）優化設計前，噴漆室采用車間外直接取風和排風，以冬季加熱25度計算，51000立方米的風量每小時需要的加熱量為40萬大卡，優化設計后，采用循環風并且由強冷室的排風作為補充新風，冬季需要的加熱量幾乎為零。（2）優化設計前，流平室采用循環加熱，并且補充車間外新風，優化設計后，采用強冷室排風作為新風補充，以補充新風比車間外新風平均高25度計算，每小時節省的加熱量為1.2萬大卡/小時。（3）優化設計前，烘干室采用車間外新風作為加熱器冷卻用新風，優化設計后，烘干室采用噴漆和流平室的排風作為補充新風，以年平均高出15度計算，每小時節省熱量4.9萬大卡/小時。（4）優化設計前，噴漆流平室的有機廢氣采用吸脫附裝置，且風量為52500立方米/小時，優化設計后，廢氣處理量為10500立方米/小時，且由烘干室內的紅外加熱器進行處理。每小時至少能節省電能45kW。（5）將節省的熱能轉化為電能計算，預計至少3個月噴漆室需要加熱，則涂裝線底面漆兩部分一年能節省的能源為327萬千瓦時。以1.5元/千瓦時單價計算，則涂裝生產線一年能節省運行成本至少為490.5萬元。
二、結束語
由于每個涂裝項目中的工件復雜性和工藝要求不同，所選用的加熱方式，通風系統和廢氣處理方式都不經不同，故我們在設計時，要充分考慮每一工位的自身特點，相互結合，對生產線整體考慮，進行優化設計和合理利用，對節約能源，降低生產成本，減少對環境的污染有著重要意義。
作者：卜榮飛 鄭小艷 單位：中國聯合工程公司涂裝所
關鍵詞：工藝流程 運行 優化設計
一、國內外的發展現狀
管道運輸作為五大運輸方式之一，在世界上已經有100多年的發展歷史。目前，就發達國家來說，其原油的管輸量占其總輸量的80%，而成品油的長距離運輸也基本實現了管道化。由此可見，管道在輸油中的起到不可代替的作用。管道輸油是原油或成品油運輸的主要方式，管道在輸油中的作用
目前，世界上原油管道普遍采用的是密閉輸送工藝，也出現了按冷熱原油順序或按原油或成品油順序輸送的工藝；對高黏性、高凝點的原油采用熱處理、加劑處理工藝。多采用節能高效的型管道設備、泵送設備和加熱設備。
我國于1958年建成第一條長距離輸油管道一新疆克拉瑪依至獨山子煉油廠輸油管道。隨后，由于我國各個地區油田的相繼開發和煉油廠的建成投產和經濟發展的需要，我國管道運輸業，尤其是輸油管道，得以迅速的發展。經過幾十年的發展，目前我國先已經掌握了國際通用的各種先進的管輸工藝，例如，加劑輸送、間歇輸送常溫輸送、加熱輸送等。而且，我國在儲罐的防腐和地埋金屬管領域和原油熱處理，“三高”原油的加熱輸送，以及加劑輸送等方面已達國際水平。
二、我國和發達國家的差距分析
就輸油管道本身的工藝方法而言，我國與國外的水平相當。但是，在管道輸送的運行管理、設備的高效節能方面，與發達世界上其他先進國家還有不小的差距，尤其在管道運行管理方面，我國與國際先進水平差距落后近20年。目前，如何擺脫高耗能的經濟發展模式已成為我國經濟發展的一大難點。如何使輸油管道更加的節能高效，使之向資源節約型方向發展，是輸油管道工作的重點。因此，我們必須要進行輸油管道的優化設計。針對我國在這方面的差距和不足，應該從工藝流程和運行兩個方面進行優化。
三、工藝流程的優化
本文針對工藝流程，從原油集輸網絡、管道進站和成品油順序輸送、以及管道進站工藝流程兩個方面進行優化。
1.原油集輸網絡的優化
原油集輸系統的工作流程即：井口收集油井產出液計量站、接轉站及集中處理站輸送到油庫。原油集輸系統是一個復雜的多級網絡系統，也是一個巨大的能量耗散系統，因此其優化非常復雜。它的優化主要包括兩個問題，參數優化和拓撲布局優化。參數優化，是指確定管徑、摻水量及其溫度和管網的能耗。把它表達成非線性優化問題，通過確定的目標函數，利用約束條件，求出最優解。進行拓撲布局優化主要就是在滿足站處理能力的前提下，通過確定站的幾何位置、井與站、站與站之間的連接關系，實現管線距離長度之和最小。
2.管道進站工藝流程的優化
管道進站工藝優化，在輸油管道設計中也是非常重要，尤其是對一些較早建成的進站管道，由于設備的老化或功能不能適應新的需要，已不能滿足節能高效的要求而新建的成本又太高，更迫切地需要改造，進行優化設計。在管道進站工藝優化過程中需要考慮的因素有如下幾個：
2.1余壓的利用。如果能充分利用進站余壓，可以降低能量損耗。
2.2油泵設置的數量。在設置時要充分考慮站內管道、閥門數量，盡量降低內摩阻。
2.3設備的選用。包括加熱爐、輸油泵組等設備。在選用時，盡量選用節能效率高的設備。在對已有的工程進行改造時，對因老化，腐蝕等原因造成或本身已不能滿足節能標準的設備，要更換。
2.4油品進出油罐時，要封閉，這樣不會因為油品呼吸損耗，避免浪費能源，又污染環境。
3.成品油順序輸送的優化
輸送順序的優化設計就是在保證輸送安全并完成輸送任務的前提下，將投資及運行成本降到最低。要根據成品油管道輸送的不同特點，依據據最優化理論，在全面慮技術、經濟指標的影響的基礎上，對設計變量進行優化，從而建立優化模型，求出最優解。輸送順序優化的關鍵問題是確定最優循環次數。一般情況下，是通過不同油的物理和化學性質來決定輸送順序，達到減少混油損失的目的。以一年內完成的循環周期數作為循環次數，那么，循環次數的越少，即表示每一種油品的一次輸送量越大，同時混油損失越少。但是另一方面，油品的供與求通常是均衡，由于各種油每天都會消費，因此管道輸送都是間歇性輸送。要想降低循環次數越少，就要在輸油管道的沿線建造儲罐區平衡生產、消費和輸送，而油罐區的建設和經營也會造成費用的增加。因此，要綜合考慮油罐區的成本和混油的損失這兩個因素才能實現輸送順序的優化。
以慶鐵輸油管道泵站的工藝流程改造為例，改造之后，每年節電 ，節省燃料油 ，經濟效益明顯。
四、運行的優化
對運行的優化設計，要通過建立數學模型，運用科學的方法進行計算。所建立的數學模型以最終總耗能最小或相同條件下，經濟效益最大為目標函數。
1.參數的選擇
管道直徑、管道及站間長度，管線輸送油品物性及輸油任務量，泵組、爐子的效率，管道及設備的內摩阻，燃料油價格等作為已知參數；管道沿線沿線地溫變化等地理因素也作為已知參數輸入模型。
各泵站的開泵方案，各加熱爐、熱站的啟停及其匹配方式，油品進出站的溫度等作為未知參數輸入。
2.約束條件的選擇
將輸送工藝、允許的出站最高油溫和出站壓力、進站最低壓力和進站油溫、管道最大承壓力、泵的最大量程、加熱爐的最大負荷等因素作為約束條件。
3.建立目標函數，求最優解
由于每個項目所考慮的因素不同，約束條件的選擇也不同，因此建立的模型也會有一些差別，計算方法也有所差別。但所求的解都可以實現消耗的最低或經濟效益的最大化。
以2001年7月份對長吉線優化為例，目前，長吉線全年額定輸量 左右，日輸量 。優化并運行后與實際的運行費用進行相比，全年可節省 元，經濟效益非常可觀。
五、結語
提高資源利用率，實現節能減排，是我們全社會的共同責任，對輸油管道進行優化設計，任長而道遠。希望廣大工作者繼續探索，把我國帶入世界領先水平。
參考文獻
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1優化方法
優化過程包括：有限元成形模擬、單元場量跟蹤、拓撲操作、幾何轉換等步驟，整個優化策略可參考圖1。首先，定義一個背景網格，網格上的單元大小、形狀以及規模可以參照實際優化問題確定。背景網格上的單元處于激活與非激活兩種狀態，并可通過單元增刪操作改變其激活狀態。迭代過程中，所有處于激活狀態的單元構成了預成形的拓撲結構。優化程序運行前，采用橢圓作為初始的預成形形狀，并轉換成拓撲結構，以用于后續單元增刪操作的原型。初始預成形以及隨后每次迭代過程中生成的預成形模型都將進行成形過程的有限元模擬。優化程序將自動對模擬結果進行分析處理，并計算優化目標函數是否滿足預設條件。如滿足，則迭代過程中止，優化進程結束，輸出當前的預成形結構作為優化結果；如不滿足，則執行以下的拓撲優化程序。
2有限元分析模型
工件材料為鎳基合金，初始的預成形為一近似橢圓，最大外廓尺寸約為19.3mm×5.6mm，其面積約為理想鍛件截面積的119%，采用四邊形等參單元劃分網格，其流動應力應變模型可參考文獻[16]。鍛造過程模擬工件采用的是剛黏塑性有限元模型，模具為剛性體設置。背景網格總體為矩形輪廓，單元形式為邊長0.1mm的正方形，單元總數15296、節點數15600。始鍛溫度1010℃，模具溫度250℃。鍛造過程中的工件與模具傳熱系數為11kW/m2•℃、摩擦因子μ=0.3。成形過程中，上模速度為200mm/s，下模不動。目標函數收斂值為0.05。有限元模型如圖4。
3模擬結果分析
未優化的預成形鍛后毛邊較大，過多的金屬在流經模腔兩端較窄的邊緣時，產生劇烈的變形并導致鍛后制件在兩端存在較大的等效應變，如圖5a所示。從三種優化模型上看，隨著預成形進化的過程，所有模型的鍛后毛邊都在逐漸減小，高應變區的等效應變值也都有所下降，但是兩種基于應變準則的模型在改善金屬流動、緩解高應變方面要明顯優于靜水壓力的優化模型；從優化外形上看，基于應變增量偏差的優化外形最為簡單，這有利于降低預成形件的成形難度，如圖5b、5c、5d所示。圖6給出了三種優化模型的最大最小等效應變差隨迭代進程的變化情況。雖然在10次優化結束時，所有模型的應變差值相對初始值(2.17)都降低，但是基于靜水壓力的應變差值在優化過程中出現波動；而基于應變的優化模型則總體呈下降趨勢，并且優化結果要優于靜水壓力優化模型，應變的總體變化幅度明顯減小，變形均勻性顯著提高。圖7給出的是三種優化模型鍛后單元總體等效應變標準偏差隨迭代進程的變化情況，標準偏差S.D.計算方法如公式7，該指標可直接反映變形體單元變形均勻程度。由圖所示，靜水壓力模型在優化過程中，其等效應變標準偏差變化無顯著規律。與未優化前相比，10次優化后的標準偏差值無明顯減小，這表明基于靜水壓力準則的預成形優化并未有效改善鍛件成形的變形均勻性；而基于應變準則的優化模型標準偏差值則隨著優化過程呈現顯著的下降趨勢，說明變形體內各單元之間的等效應變偏差量在逐漸減小，單元等效應變的趨同性得到提高。其中，基于應變增量偏差準則的模型表現出最優的變形均勻性優化效果。圖8給出的是10次迭代優化后的鍛造載荷行程曲線比較。預成形的優化減少了毛坯的總體體積、改善了材料流動，因而降低了成形過程中的變形抗力，使得整個鍛造行程中，所有優化模型的成形載荷都小于未優化模型的成形載荷。而在成形后期，由于模腔都接近充滿，鍛件體積相近，因此所有優化模型的成形載荷趨于一致，其最大載荷與優化前模型相比減少約5%。
4結論
本文利用ESO方法對葉片鍛件翼型截面的預成形結構進行了優化設計。提出了兩種新的基于改善鍛件變形均勻性的單元增刪準則，并對包括靜水壓力在內的三種單元增刪策略條件下的預成形結構進行了優化設計，通過比較不同的預成形鍛造模擬結果，得出以下結論：①與原始設計相比，所有優化的預成形結構的鍛件兩側飛邊均保持均勻減小，并且在優化后都獲得了理想的模腔充填效果。②兩種基于應變準則的預成形優化結構在提高鍛件成形均勻性方面有顯著作用，而基于靜水壓力準則的預成形優化結構在鍛件成形均勻性方面則無明顯改善。③基于應變增量偏差準則的預成形優化結果最為理想并且同時具有較為簡單的外形輪廓，更便于其成形。本文在優化目標的設計上僅考慮了體積收斂的條件，而鍛造預成形設計是一個多目標優化問題，如改善鍛件的成形均勻性、降低成形載荷等也都具有十分重要的現實意義。因此，本文所獲得的預成形優化結果未必就是綜合最優的，而進一步研究基于多目標條件下的預成形優化設計則是豐富、完善拓撲優化方法在本領域應用方面的重要課題。另外，預成形結構的優化設計要能夠真正應用于工程實際，則難以回避三維優化技術的突破。在連續體結構優化領域，基于拓撲優化的三維空間結構設計早已得到了廣泛應用[17]，這給解決復雜鍛造預成形的優化設計帶來了希望。相信不久的將來，針對體積成形的預成形優化設計技術必將獲得更大的發展。
作者：邵勇 陸彬 任發才 陳軍 單位：上海交通大學 江蘇科技大學 先進焊接技術省重點實驗室
關鍵詞：石油修井機；液控系統；優化設計；高效率；安全性
隨著近年來我國在海洋石油勘探領域內的開發步伐日漸加快，以及部分原有油田海上設施也已經到了需要換代更新的時期，因此海洋石油平臺修井機數量不斷增多，特別是以電驅動為代表的修井機占到了絕大多數的比例[1]。而在這一種修井機當中其液控系統對于整個控制系統而言作用價值巨大，據此，下文將重點就海洋石油修井機液控系統的優化設計來展開深入的探究工作。
1石油修井機液控系統存在的主要問題
1.1安全隱患嚴重
液壓站當中所配備的高低液位報警系統、油溫自控系統無法使油溫、油位等信息被及時的報告給司鉆控制房，在修井作業之時，若本地報警系統出現了故障問題，司鉆將難以及時獲取到油溫與油位的警報信息，由此便極有可能會造成嚴重的安全隱患。電驅動修井機絞車盤剎控制手柄零位信號無法為自動化控制系統所及時獲取，一般狀況下大都是采取觸摸屏來實現對于絞車的控制，盤剎手柄在突然啟動之時，工作鉗比例可實現對閥門的控制，若此時轉速不為零則絞車將會做出剎車動作，在這一情況下若絞車主電機依舊處于高速旋轉狀態，便極易大致電機受損。
1.2缺乏人性化
采用電力驅動的修井機液控系統具體可被分成機具控制系統與盤剎控制系統兩類，且僅能夠在本地控制箱當中來實現對液壓站的開啟或暫停，無法促使司鉆控制房實現遠程開啟或暫停。電驅動修井機液壓絞車與貓頭在司鉆空置房當中所采取的遠程控制方式為氣控液方式，在操作之時有著十分明顯的延時性現象，操作起來極為不便，在緊急作業時這一缺陷將更加明顯。
2系統優化設計
2.1液壓站遠程自動化控制
液壓遠程控制需要可以在司鉆房當中實現對以下幾項設備的開啟與暫停控制，其具體包括有：冷卻風機、盤剎電機、加熱器、循環油泵、機具泵電機等。綜合考慮修井機電控系統觸摸屏與自動化控制系統，在觸摸屏當中組態設置出距離切換，對于盤剎電機、加熱器、冷卻風機、循環油泵等采取開啟與暫停軟輸入控制，利用自動化控制系統以及PROFIBUS總線技術來實現互相通訊，依據司鉆處于觸摸屏的操作執行狀態下來進行有關的輸出控制，達成對于電機在遠距離條件下的開啟與暫停控制。
2.2高效率優化設計
2.2.1液壓絞車控制采用電控液來取代傳統的液壓絞車氣控液，可在司鉆控制房當中遠程實現對液壓絞車的精確化控制。通過司鉆控制房所供應的電力來源，整個石油修井機的控制系統是通過液壓絞車電控液控制手柄、電磁比例換向閥、數字放大器等所共同構成。液壓絞車電控手柄標準電壓被輸入至數字放大器內，通過其具體化的處理后，便可獲得脈寬調制控制電流輸出信號，其可直接被應用到電磁比例換向閥中，便能夠實現對于液壓絞車轉動方向與速率的精準化掌控[2]。2.2.2液壓貓頭控制利用電控液的方式來促成在司鉆控制房當中實現遠程精確化的液壓貓頭控制。通過司鉆控制房來提供以電力來源，在貓頭與卸扣開關量的信息被錄入至自動化控制系統當中，通過自動化控制系統中央處理器的處理，再輸出開關量信號，并使之直接應用于繼電器KA1，并通過電磁換向閥轉換來實現貓頭卸扣功能；在貓頭會為開關量信息被錄入至自動化控制系統當中后，通過自動化控制系統的中央處理器處理以后，再輸出與之所對應的開關量信號，并將之直接作用到繼電器上，同時電磁轉向閥作出相應的動作，促使貓頭回位控制可有效實現[3]。
2.3安全性優化設計
一般而言在司鉆房當中要想促成液壓站遠程開啟與暫停功能的實現，還應當首先確保高低液位監測、油壓保護、油溫自控、盤剎手柄保護等功能能夠得以達成。2.3.1液位監測在液壓站的油箱當中通常都裝設了防爆液位傳感設備，其可實現對于實時性的液位信息被傳輸至自動化控制系統當中，利用PROFIBUS總線手段促使實際的液位值測量結果可被實時性的顯示與司鉆控制房觸摸屏之上，一旦液位出現過高或過低現象均可在第一時間發出警報信號。2.3.2油壓保護在盤剎系統當中裝設了壓力傳感設備，其中具體包括了左右工作鉗、安全鉗等壓力傳感設備，一旦壓力傳感設備檢測到相應的壓力信號小于標準值時（通常＜6.5MP），則絞車主電機將會被暫停，亦或是在啟動之后使其轉速歸零同時進行剎車制動。在絞車主電機開啟以后，其左、右兩端工作壓力＞0.2MP，工作鉗便不能夠解除剎車狀態；安全鉗壓力＜6.5MP時，不能解開安全鉗，絞車速度也難以確定。2.3.3油溫自控針對油溫的控制重點是利用防爆鉑電阻溫度傳感設備，防爆加熱設備、循環油泵和散熱風機等一同進行控制，以確保油溫可被始終控制在30~55℃的范圍之中，并且將實時性的測量油溫顯示在司鉆控制房觸摸屏之上。一旦油溫低于30℃之時，防爆鉑電阻溫度傳感器便會將信號發送到自動化控制系統當中，并促使循環油泵與加熱器得以開啟，直至油溫升高到高于最低值5℃以后，便停止進行加熱。而在油溫高于55℃之時，防爆鉑的電阻溫度傳感設備便會向自動化控制系統發出報警信號，進而系統將會控制循環油泵與散熱風機設備，直到油溫下降到低于最高溫度值5℃以后，再將冷卻裝置關閉[4]。2.3.4盤剎手柄保護這一保護措施關鍵是要確保在觸摸屏操作模式之下發揮出保護效果，在絞車正常給定速度運轉之時，若突發出現盤剎手柄動作，其手柄非零位信號被發送至自動化控制系統中，相應的絞車主電機轉動速率將重新歸零，同時做出剎車動作。
結束語
總而言之，為了提高海洋石油平臺油井的采收率，日常的油水井作業日漸頻繁，修井工藝也日漸復雜。對于目前科技領域內的最新研究成果加以充分利用，并結合以豐富的經驗與知識積累，借助于科學化的方式手段來開展針對海洋石油修井機的能力優化設計，促進修井機整體性能的全面提升，使其具備以強大的能力并以此來促進修井作業效率的提升。
參考文獻
[1]周傳喜,張延水,南麗華等.海洋修井機井架有限元分析及結構優化[J].石油機械,2014,36(9):54-57.
[2]管鋒,黃麗紅,鄭立偉等.海洋修井機底座有限元分析及優化設計[J].石油機械,2015,37(9):38-41.
[3]關雙會,王曉雷,陳金穩等.海上石油WHPG平臺HXJ180海洋修井機設計優化[J].石油工程建設,2016,42(2):24-28.
