机械优化设计_悬臂梁设计.共20页
八章机械优化设计实例PPT课件
2）曲柄摇杆机构的传动角应在 和 之间，可得 min
max
g7
x
arccos
l2
2
l32 l1
2l2l3
l4
2
max
0
g8
x
min
arccos
l22
l32 l1
2l2l3
l4
2
0
二、曲柄摇杆机构再现已知运动轨迹的优化设计
所谓再现已知运动轨迹：是指机构的连杆曲线尽可能 地接近某一给定曲线。
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不同的设计要求，目标函数不同。若减速器的中心距没有要求时，可取减速器 最大尺寸最小或重量最轻作为目标函数。
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f x m min f x l r1 a r4 min
若中心距固定，可取其承载能力为目标函数。
f x 1/ min
减速器类型、结构形式不同，约束函数也不完全相同。 （1）边界约束
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不同类型的减速器，选取的设计变量使不同的。
展开式圆柱齿轮减速器：齿轮齿数、模数、齿宽、 螺旋角及变位系数等。
行星齿轮减速器：除此之外，还可加行星轮个数。 设计变量应是独立参数，非独立参数不可列为设计 变量。例如齿轮齿数比为已知，一对齿轮传动中，只 能取Z1或Z2一个为设计变量。
又如中心距不可取为设计变量，因为齿轮齿数确定 后，中心距就随之确定了。
（2）性能约束
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一、单级圆柱齿轮减速器的优化设计
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第四节 平面连杆机构的优化设计 连杆机构的类型很多，这里只以曲柄摇杆机构两类 运动学设计为例来说明连杆机构优化设计的一般步骤 和方法。 一、曲柄摇杆机构再现已知运动规律的优化设计
悬臂梁结构设计
梁、柱、墙、板筋的一般计算规则一、梁（1）框架梁一、首跨钢筋的计算1、上部贯通筋上部贯通筋（上通长筋1）长度＝通跨净跨长＋首尾端支座锚固值2、端支座负筋端支座负筋长度：第一排为Ln/3＋端支座锚固值；第二排为Ln/4＋端支座锚固值3、下部钢筋下部钢筋长度＝净跨长＋左右支座锚固值以上三类钢筋中均涉及到支座锚固问题，那么总结一下以上三类钢筋的支座锚固判断问题：支座宽≥Lae且≥0.5Hc＋5d，为直锚，取Max{Lae，0.5Hc＋5d}。
钢筋的端支座锚固值＝支座宽≤Lae或≤0.5Hc＋5d，为弯锚，取Max{Lae，支座宽度-保护层+15d }。
钢筋的中间支座锚固值＝Max{Lae，0.5Hc＋5d}4、腰筋构造钢筋：构造钢筋长度＝净跨长＋2×15d；抗扭钢筋：算法同贯通钢筋5、拉筋拉筋长度＝（梁宽－2×保护层）＋2×11.9d（抗震弯钩值）＋2d；拉筋根数：如果我们没有在平法输入中给定拉筋的布筋间距，那么拉筋的根数＝（箍筋根数/2）×（构造筋根数/2）；如果给定了拉筋的布筋间距，那么拉筋的根数＝布筋长度/布筋间距。
6、箍筋箍筋长度＝（梁宽－2×保护层＋梁高-2×保护层）×2＋2×11.9d＋8d箍筋根数＝（加密区长度/加密区间距+1）×2＋（非加密区长度/非加密区间距－1）+1注意：因为构件扣减保护层时，都是扣至纵筋的外皮，那么，我们可以发现，拉筋和箍筋在每个保护层处均被多扣掉了直径值；并且我们在预算中计算钢筋长度时，都是按照外皮计算的，所以软件自动会将多扣掉的长度在补充回来，由此，拉筋计算时增加了2d，箍筋计算时增加了8d。
7、吊筋吊筋长度＝2×锚固（20d）+2×斜段长度+次梁宽度+2×50，其中框梁高度>800mm夹角=60°≤800mm夹角=45°二、中间跨钢筋的计算1、中间支座负筋中间支座负筋：第一排为：Ln/3＋中间支座值＋Ln/3；第二排为：Ln/4＋中间支座值＋Ln/4 注意：当中间跨两端的支座负筋延伸长度之和≥该跨的净跨长时，其钢筋长度：第一排为：该跨净跨长＋（Ln/3＋前中间支座值）＋（Ln/3＋后中间支座值）；第二排为：该跨净跨长＋（Ln/4＋前中间支座值）＋（Ln/4＋后中间支座值）。
机械优化设计.pdf
Internet
功能分析 发现问题
价值 概念 解决 评估 设计 问题
生成创 新方案
计算机辅助创新 （CAI）
基本
详细 设计
CAE
分析
模拟 参数 优化 虚拟 设计 设计 样机
验证
设计 (CAD)
虚拟样机 (CAE)
物理 样机
产品
加工 (CAM)
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什么是现代设计？
现代设计的一般过程
单件、小批 量、多品种
相对集中
全球分布
竞争要素
性价比
柔性与响应速度
机械设计在产品开发中的地位
产品设计
产品设计：从需求出发寻求设计解(产品)的过程， 包括：产品概念设计、详细设计、工艺设计、NC代码 等。
产品设计的核心问题：创新设计、设计过程自动 化、设计可持续发展的产品。
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机械设计在产品开发中的地位
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现代设计的基本方法
理论、方法和实现方法的工具
首先要有理论，然后研究方法，并开发工具来实现方法。
基本方法：
创新设计 仿真与虚拟现实 异地协同设计 超级并行计算 远程资源共享
产品设计的典型理论方法
通用设计理论(GDT)和泛设计理论(UDT) Pahl和Beitz的理论(P&B) 公理设计（Axiomatic Design；简称AD）理论 TRIZ理论 分布式资源设计理论 可靠性设计理论 优化设计理论
现代产品设计是在传统产品设计方法的基础 上，融合产品设计理论、计算智能、信息技术、 计算机技术、知识工程和管理科学等领域发展而 成。
现代设计的基本特征：以创新为灵魂、以IT 技术为基础、以竞争力评价成败、由需求驱动， 对整个生命周期负责，基于知识并以知识获取为 中心。
一种悬臂梁结构设计优化方案
一种悬臂梁结构设计优化方案刘远;黄曌宇;金晶【摘要】针对目前自升式悬臂梁结构的形式和特点,以某自升式平台为例提出一种优化方法,使用较小的修改成本即可以使得站位作业区域最远点的承载能力明显增加,扩大悬臂梁的作业范围.%Taking one jack up rig as an example , according to the characteristic of the cantilever beam , an optimization method is proposed to improve drilling capacity of jack up rig significantly at the furthest point in the drilling envelope with a small cost.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2016(045)006【总页数】4页(P34-37)【关键词】优化设计;悬臂梁;载荷表;自升式平台【作者】刘远;黄曌宇;金晶【作者单位】上海振华重工(集团)股份有限公司,上海200125;上海振华重工(集团)股份有限公司,上海200125;上海振华重工(集团)股份有限公司,上海200125【正文语种】中文【中图分类】P751油价不断创出新低的背景下，性价比高且日均消耗低的自升式平台势必占有较大的市场优势。
须在市场的低谷期做好产品的优化设计，提供性能更好的新产品，才能跟上客户的新要求。
悬臂梁作为自升式平台关键结构之一，其承载能力提升对自升式平台整体性能提升效果明显，在站立作业区域，悬臂梁最大外伸时，钻台在左右最远点的作业能力也通常作为衡量自升式平台作业能力的重要指标之一。
目前对悬臂梁结构的研究多为对悬臂梁结构原型的认识和理解[1-2]，多集中在结构有限元分析和荷载表编制等工作上；项目中遇到悬臂梁承载能力不足时常用的优化措施主要是侧壁局部加强及悬臂基座加强等，对悬臂梁承载能力提升不明显。
机械优化设计 ppt课件
第一章 优化设计概述
1.1 最优化问题示例 例1-2 机床主轴的优化设计 图示为一简化的机床主轴，已知主轴端部所受外力F，许用挠度y0。 求：最轻的主轴重量。
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第一章 优化设计概述
1.1 最优化问题示例 例1-2 机床主轴的优化设计 解：当主轴材料选定时，设计方案由四个变量决定，即孔径d，外 径D，跨距l，外伸端长度a。由于内孔通常用于通过加工棒料，不 属于设计变量，故设计变量是：
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绪论
4 课程的主要目的和任务 学习本课程主要目的和任务： 1、了解和基本掌握机械优化设计的基本知识； 2、扩大视野，并初步具有应用机械优化设计的基本理论和基 本方法解决简单工程实际问题的素质。
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第一章 优化设计概述
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最优化问题示例 优化设计问题的数学模型
平时出勤平时作业期末考试开卷上海海事大学shanghaimaritimeuniversity19092009200419121958绪论何谓最优化设计01机械的设计方法introduction优化设计的发展课秳的主要仸务和目的020304绪论5设计方案轨面上起升高度轨面下起升高度前伸距小车速度小车额定输出功率起升速度起升额定输出功率空载满载空载满载方案1301844150mmin150mmin180kw90mmin45mmin2300kw方案2251542110mmin110mmin245kw60mmin30mmin250kw方案3231440120mmin120mmin110kw80mmin40mmin2200kw方案43215544150mmin150mmin255kw90mmin45mmin2200kw方案5321542100mmin100mmin110kw60mmin40mmin300kw设计方案吞吐量平均能耗平均效率方案11770605823353方案21544584212925方案31942253673679方案41677694213177方案51188575622251绪论6是用数学的方法寺求最优结果的方法和过秳在多个可行的设计方案中选择最好的一个
悬臂梁结构设计
骨干杯斜拉式悬臂梁设计报告一、题目设计域如图，固定端和整个结构宽度不限制，允许在在固定端开孔；材料体积用量≤35ml；载荷为圆形（直径D=15 mm）均布载荷，方向为垂直向下；二、设计概述根据大赛题目的要求，为达到悬臂梁承重最大的目的，在保证材料体积用量在规定范围内，我们采取了简单而又稳定的楔形结构，设计思路来源于生活中常见的斜拉桥。
三、设计方案① 斜撑式设计思路来源于常见的支撑结构② 斜拉式设计来源于斜拉桥经过讨论，与计算分析，最终确定选择斜拉式，并用CAD绘制了初步工程图CATIA绘制出四种结构三维图应力校核ABAQUS分析对比分析多种结构S, MiSeS (Avg: 75%)÷1.215e+08 + 1.114e+08 + 1.012e+08 +9.111e+07 +8.099e+07 +7.087e+07 +6.074e+07 +5.062θ+07 +4.050e+07 +3.0388+07 +2.026e+07 + 1.014e÷07 +1.519e+04÷1.112e+08 + 1.019e+08÷9.269e÷07 +8.344e -t07+7.418e÷07 +6.493e+07+5.568e+07 +4.643θ+07+3.717e+07 +2.792e+07 +1.867e+07 +9.418e+06 +1.654e+05ODB: n7.odb AbaqUS/Standard 6.13-1 Mon OCt 12 20:56:42 GMT+08:OO 2015Step: SteP-IInCrement 1: SteP Time ■ 1.000Primary Var: S, MiSeS∩αfnrmpri ∖∕ΛΓ∙ I I ∏pf∩rn∩Λtinn Q ΓΛI P PΛctnr ∙亠A 9QP P -∩1S, MiSeS(Avg: 75%)Z PrImary Var: S, MlSeS DefOrmed Var: U DefOrmatlOn SCale Factor: +6.60Ie-OISB Z经过分析后结构优化极限载荷逐级加载，每隔100N一级，极限载荷700N，最大应力超过材料屈服极限四、设计结果最后，打印出来的3D模型44.3g ，加载408.86N五、总结与体会在悬臂梁的设计、仿真测试、结构优化等环节中，我们在设计、论证、实验验证的过程当中反复探索、不断前进。
悬臂梁弯扭组合变形设计案例
悬臂梁弯扭组合变形设计案例咱们来聊一个悬臂梁弯扭组合变形的设计案例，就像搭积木一样，但这个积木可是有大学问的。
想象一下，有一个机械手臂，它就像是一个悬臂梁。
这个机械手臂在工作的时候啊，可不光是受到一种力的作用，而是弯扭组合的变形情况。
一、项目背景。
这个机械手臂呢，要在一个自动化生产线上工作。
它需要伸出去抓取零件，然后再把零件放到指定的位置。
在这个过程中，手臂一端固定在机器上（这就是悬臂梁的固定端啦），另一端自由活动。
由于抓取的零件重量不一样，而且手臂运动的速度和方向也会变化，所以就产生了弯曲和扭转这两种变形情况。
二、受力分析。
1. 弯曲力。
当手臂伸出去抓取零件的时候，零件的重量就像一个小坏蛋，使劲儿地把手臂往下拽，这就产生了弯曲力。
比如说，我们抓取一个5千克的零件，假设手臂长度是1米，这个零件的重力就会在手臂上产生一个弯矩。
根据弯矩的计算公式M = FL（这里F就是零件的重力，L就是手臂的长度），那这个弯矩就是M = 5×9.8×1 = 49牛·米（这里g = 9.8米/秒²）。
这个弯矩就会让手臂像被掰弯的小树枝一样，有弯曲变形的趋势。
2. 扭转力。
然后呢，当手臂转动把零件送到指定位置的时候，这个转动就产生了扭转力。
比如说，手臂要以一定的角速度转动，就像拧麻花一样，在手臂的轴线上就会产生扭矩。
假设手臂的转动惯量是I，角加速度是α，根据扭矩的计算公式T=Iα。
如果手臂快速地转动，这个扭矩可就不小了，它会让手臂产生扭转变形。
三、材料选择。
考虑到这种弯扭组合变形的情况，我们得找个厉害的材料来做这个悬臂梁（也就是机械手臂）。
经过一番挑选，我们选择了高强度合金钢。
为啥呢？这种材料就像钢铁侠的盔甲一样，又硬又结实。
它的屈服强度高，能够承受较大的弯曲和扭转应力。
比如说，它的屈服强度可以达到800兆帕，这就意味着在这么大的压力下，材料才会开始变形得很厉害。
而且它的韧性也不错，不会轻易断裂，就像一个坚强又有弹性的战士，能够在复杂的受力情况下保持稳定。
机械优化设计PPT课件
ⅲ)维 数—设计变量的个数n.
通常,n ,设计自由度 , 越能获得理想的结果,但求解难度 .
n 10 小型问题 n 11 50 中型问题 n 50 大型问题
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2.设计空间
Rn(n 4) 为超越空间.
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三.目标函数和等值线
1.目标函数—数学模型中用来评价设计方案优劣的函
数式 (又称评价函数): f (X ) f (x1, x2,...xn ) ①常用指标: 最好的性能; 最小的重量; 最紧凑的外形;
最小的生产成本; 最大的经济效益等.
②单目标和多目标；
l1 l2 l3 l4 0
l1 l10 0
arccos (l2 l1)2 l42 l32 arccos (l2 l1)2 l42 l32 0
2(l2 l1)l4
2(l2 l1)l4
180
l12
l22
2l32 sin 2 ( l22 l12
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3.算法的收敛性和收敛准则
1)算法的收敛性
若由某迭代算法计算得到
有极限 lim X (k) X *,这里X *为精确解,则称该迭代算法是 k
收敛的.
2)算法的收敛速度
一般根据算法对正定二次函数的求解能力来判 断，能在有限步迭代中得到其极小点，称算法具有 二次收敛性。具有二次收敛性的算法是收敛速度较 高的方法。
1）二十世纪三十年代.前苏联 Канторович 根据生产组织和计划管理的需要提出线性规划问题. 在 第二次世界大战期间出于战争运输需要，提出线性规划 问题的解法；
机械优化设计_悬臂梁设计解读
L M m自重 g P L 2
7.85g/cm
3
二、约束条件
3、防止塑性变形
max
M max s 6
F L 2
s 355MPa
解得： (H h） B 2 3.38107
完善图形
矩形变形
完善图形
圆形变形
材料特性
考虑到材料对抗拉和抗压强度的关系。这样 可以使截面上、下边缘处的最大拉应力和最 大压应力数值相同，同时接近需用应力。因 此，最终对截面形状的选择为：
My1 t Iz y1 My2 y 2 Iz
s
45号钢
考虑是中性钢，抗拉和抗压强度较为接近， 所以为了计算方便。截面形状采取了
悬臂梁优化设计
因为：M=×V=×L×S 即求S最优化
思路分析
均匀截面和不均匀截面
M 1 W
从公式可以看出，梁可能承受的Mmax抗弯截面系数W 成正比，W越大越有利。而现在，我们要解决的是使用 材料多少和自重的大小，则与横截面面积S有关。S越 小越经济，越轻巧。因而合理的截面形状是W越大，S 越小。
Wz 因此可以这样设定，用 A 来衡量截面形状的合理 性和经济性。比值越大，则截面的形状就越为 经济、合理。
矩形截面的比值为：
Wz 1 bh2 0.167h A 6 bh
圆形截面的比值为 : 3
πd Wz 322 0.125h A πd 4
问题出现了！！Iz？？
弯曲时梁截面上的点离中性轴越远，正应力 越大。为了充分利用材料，应尽可能地把材 料置于离中性轴远处。 圆截面在中性轴附近聚集了许多材料，使其 材料未能发挥作用。 同理，矩形截面也是。 因此，我的解决方案就是，将中性轴附近的 材料移置上、下边缘处。
悬臂梁结构设计
梁、柱、墙、板筋的一般计算规则一、梁（1）框架梁一、首跨钢筋的计算1、上部贯通筋上部贯通筋（上通长筋1）长度＝通跨净跨长＋首尾端支座锚固值2、端支座负筋端支座负筋长度：第一排为Ln/3＋端支座锚固值；第二排为Ln/4＋端支座锚固值3、下部钢筋下部钢筋长度＝净跨长＋左右支座锚固值以上三类钢筋中均涉及到支座锚固问题，那么总结一下以上三类钢筋的支座锚固判断问题：支座宽≥Lae且≥0.5Hc＋5d，为直锚，取Max{Lae，0.5Hc＋5d}。
钢筋的端支座锚固值＝支座宽≤Lae或≤0.5Hc＋5d，为弯锚，取Max{Lae，支座宽度-保护层+15d }。
钢筋的中间支座锚固值＝Max{Lae，0.5Hc＋5d}4、腰筋构造钢筋：构造钢筋长度＝净跨长＋2×15d；抗扭钢筋：算法同贯通钢筋5、拉筋拉筋长度＝（梁宽－2×保护层）＋2×11.9d（抗震弯钩值）＋2d；拉筋根数：如果我们没有在平法输入中给定拉筋的布筋间距，那么拉筋的根数＝（箍筋根数/2）×（构造筋根数/2）；如果给定了拉筋的布筋间距，那么拉筋的根数＝布筋长度/布筋间距。
6、箍筋箍筋长度＝（梁宽－2×保护层＋梁高-2×保护层）×2＋2×11.9d＋8d箍筋根数＝（加密区长度/加密区间距+1）×2＋（非加密区长度/非加密区间距－1）+1注意：因为构件扣减保护层时，都是扣至纵筋的外皮，那么，我们可以发现，拉筋和箍筋在每个保护层处均被多扣掉了直径值；并且我们在预算中计算钢筋长度时，都是按照外皮计算的，所以软件自动会将多扣掉的长度在补充回来，由此，拉筋计算时增加了2d，箍筋计算时增加了8d。
7、吊筋吊筋长度＝2×锚固（20d）+2×斜段长度+次梁宽度+2×50，其中框梁高度>800mm夹角=60°≤800mm夹角=45°二、中间跨钢筋的计算1、中间支座负筋中间支座负筋：第一排为：Ln/3＋中间支座值＋Ln/3；第二排为：Ln/4＋中间支座值＋Ln/4 注意：当中间跨两端的支座负筋延伸长度之和≥该跨的净跨长时，其钢筋长度：第一排为：该跨净跨长＋（Ln/3＋前中间支座值）＋（Ln/3＋后中间支座值）；第二排为：该跨净跨长＋（Ln/4＋前中间支座值）＋（Ln/4＋后中间支座值）。
悬臂梁方案
本桥上部构造为五跨一联预应力砼箱形变截面连续刚构梁，第2#、3#号墩设为连续刚构，第一、四号墩及第0#、5#号台设滑动支座。
桥孔布置为45+3×75+45，平面位于平曲线内，桥面横坡由箱梁倾斜调整。
截面形式为单箱单室截面。
箱梁施工方法为在墩顶分两个“T”平衡对称悬浇，两边跨各有6.36m的支架现浇段。
悬臂浇筑节段由0#和其余9个节段组成，合龙段长2m。
0#块采用托架现浇，其它节段采用挂篮对称悬浇，本桥单幅共有4个T构，采用8套挂篮，单幅合龙后分批转入另一幅倒用。
1、施工工艺框图：见图10-3-04连续梁施工工艺框图图10-3-042、0#块施工：（1）托架安装：由于0#段悬臂长度只有2.5米，故拟采用三角托架施工，本桥共制作两个托架四个墩倒用。
托架支撑在墩身预埋钢牛腿上，由型钢和万能杆件组成。
（构造见图10-3-05）墩顶托架结构示意图图10-3-05 托架的安装采用塔吊就位。
由墩顶向下挂小吊篮，操作人员在小吊篮中配合塔吊施工，托架分两层拼装，每层均与墩身预埋件连接。
托架安装前须在钢筋砼工作台上用千斤顶对其预压，以消除支架变形，防止主梁产生过大位移而开裂，同时也可通过预压测试托架的变形量，为调整模板标高提供数据。
可采用千斤顶在顶面加压。
两悬挑部分支架亦用万能杆件组拼。
施工中应注意牛腿位置的准确，托架各节点连接牢固，其承载能力和刚度应事先检算。
（2）模板安装：①底模：托架顶横向安设不等高型钢调整梁底纵坡，然后纵向铺设工字钢纵梁，上铺钢模板作为梁底模，纵横梁之间用钢楔塞紧，用来调整底模标高。
拆除底模时先打出钢楔。
②外侧模：用型钢和组合钢模板加工组拼，以螺栓定位，安装在左右两侧的钢支架上。
支架上设横向预应力张拉工作台，标高调整和拆模采用千斤顶。
③内模：采用钢木组合模板，木模加钉铁皮。
④端板和堵头板端板与堵头板是保证0#梁段端部和孔道成形要求的关键。
端模架多为钢结构，骨架用木枋、∠100×100×5mm角钢做横梁、竖梁，用长拉杆穿过两内模对拉。
机械优化设计方法ppt课件
图1-1所示的人字架由两个钢管构成，其顶点受外力
2F=3×1 0 5 N。人字架的跨度2B=152cm,钢管壁厚T=0.25cm,
钢管材料的弹性模量E=2.1 ×1 0 5 Mpa，材料密度ρ=7.8 ×
1不0 3超k g过/m许3，用许压用应压力应 力y 和 失y =稳4临20界MP应a。力求e 在的钢条管件压下应，力人 字
A TDh
钢管的临界应力
e
Fe
2E
T2
D2
A 8 B2h2
强度约束条件 x y 可以写成 1 F B2 h2 2 TDh y
稳定约束条件 x e 可以写成
1
F B2h2 2 2E T2 D2
TDh
8 B2 h2
人字架的总质量
1
m D ,h2A L2 T D B 2h22
h v ( x ) 0 v 1, 2,..., p n
数学模型的分类： (1)按数学模型中设计变量和参数的性质分：
确定型模型
设计变量和参数取值确定
随机型模型
设计变量和参数取值随机
(2)按目标函数和约束函数的性质分：
a.目标函数和约束函数都是设计变量的线形函数 称为线性规划问题，其数学模型一般为：
架的高h和钢管平均直径D，使钢管总质量m为最小。
图2-2 人字架的受力
人字架的优化设计问题归结为：
x D HT 使结构质量
mxmin
但应满足强度约束条件 x y
稳定约束条件 x e
1
钢管所受的压力
F1
FL h
F(B2 h2)2 h
失稳的临界力
Fe
2EI L2
1
钢管所受的压应力 F1 F B2 h2 2