時間：2023-03-01 16:34:39
引言：易發表網憑借豐富的文秘實踐，為您精心挑選了九篇機械優化設計論文范例。如需獲取更多原創內容，可隨時聯系我們的客服老師。
《機械優化設計》課程理論教學體系的建設主要包括優化課程內容、制定課程教學大綱、編寫課程教案幾個方面。如前所述，機械優化設計課程教學需要克服“四個脫節”。因此在課程體系研究方面主要解決實現理論基礎教學和應用能力培養相結合，以及課程內容與技術發展相結合兩個問題。
（1）實現理論基礎教學和應用能力培養相結合針對因該課程數學基礎較多導致工科學生畏難情緒大，學習熱情不高等問題，在課程數學理論基礎等知識點方面，側重算法原理的講解而非算法過程的介紹；側重使學生掌握使用現有數學工具解決工程問題，而非自行編制算法程序求解數值問題。從而使學生從算法原理和理論基礎中跳出來，提升到知識的應用的層次。
（2）課程內容與技術發展相結合機械設計問題已經從求解小規模單一問題發展到求解大規模復雜性問題。因此優化方法也從經典的優化方法發展到多學科設計優化、智能優化方法、基于仿真的優化等領域。因此課程內容應和技術發展相結合，適當引入先進優化方法的介紹。為學生從解決簡單數值問題過渡到今后解決復雜工程問題提供知識儲備。適應“卓越計劃”提出的培養學生工程能力的要求。
1.2《機械優化設計》實驗課程體系的建設
《機械優化設計》實驗課程體系的建設主要包括實驗內容與實驗項目的設置、制定實驗教學大綱、編寫實驗指導書幾個方面。實驗體系建設的主要目的是使實驗項目設置與工程問題相結合，實驗內容與工程實踐所需的綜合性知識應用相適應。
（1）首先在實驗項目設置時，根據“卓越計劃”的要求，以培養學生的工程能力和知識的綜合運用能力為目標。通過建立知識-能力-實驗內容關系矩陣。將各個知識點的能力培養落實到各個實驗項目環節。并且實驗項目的設置突出和其他相關課程內容、工程問題相結合。避免知識點與工程應用脫節，從而達到工程技術人才的具備知識的綜合運用能力的培養要求。
（2）其次在實驗項目設置時，對不同類型的實驗項目，優化其實驗方法及其目的。主要改革體系現在以下三個方面：算法原理類實驗，避免要求學生采用通用語言編寫成熟優化算法的實驗。而采用數值計算軟件驗證，并要求主要對比分析不同算法的求解過程的特點。工程問題類實驗。側重于工程優化問題數學模型的構建，如何選擇合適的優化方法求解。綜合類實驗，和考核環節的課程project相結合，采取開放式的實驗方式。側重于培養學生對知識的綜合運用能力、工程素質和合作意識。
1.3《機械優化設計》教學方法研究
教學方法有多種，不同的方法有不同的特點和其適應性。本項目研究的一個重要內容之一是擬比較幾種方法的特點，將其融入到不同實驗的教學過程中。
（1）對于基礎理論的介紹，以板書教學為主，多媒體教學為輔。這樣有利于學生理解理論基礎，克服學生對數學推導的畏懼心理。
（2）對于各種算法的介紹，在簡單介紹其原理的基礎上，采用對比教學的方法，側重于各種算法特點和適用性的比較。并應用結合成熟的數值計算軟件，采取現場實驗教學的方法進行講解。
（3）在考核形式方面。除日常的考核和實驗成績考核以外，結合課程項目教學的方法，讓學生以組為單位完成一個自選的項目（Project），并以組為單位做一個展示（Presentation）。一方面鍛煉學生運用知識綜合解決問題的能力，另一方面培養學生的團隊協作和工程素質。
2改革特色及成效
“卓越計劃”強調學生工程實踐能力的培養。因此結合“卓越計劃”的實施契機，在對課程建設中存在的問題進行系統深入地分析的基礎上，經過不斷的教學研究與實踐，我校《機械優化設計》實驗教學已初步形成了特色。并取得了一定的成效。主要體現在以下幾個方面：
（1）在理論教學建設方面實現理論基礎教學和應用能力培養相結合；課程內容與技術發展相結合。從而使學生從算法原理和理論基礎中跳出來，提升到知識的應用的層次。適應“卓越計劃”提出的培養學生工程能力的要求。
（2）在實驗課程建設方面根據“卓越計劃”的要求，以培養學生的工程能力和知識的綜合運用能力為目標。通過建立知識-能力-實驗內容關系矩陣。將各個知識點的能力培養落實到各個實驗項目環節。并針對不同類型實驗，優化其實驗方法。
模型采用笛卡爾網格系統，I方向兩端網格步長為300m，中間網格步長為100m，J方向網格步長為200m，K方向網格步長為5m，總共31層，模型總網格數為19×7×31=4123。在氣藏底部采用Fetchovich水體模擬底水，中部布置大斜度井，井斜角為80°。同時，為判斷模型壓降參數設置是否正確，對研究區大斜度井進行實際測壓資料歷史擬合，即選擇該井處于穩定生產期的測壓數據進行擬合，其誤差小于5%，吻合效果較好。
2單參數對大斜度井開發效果的影響
為準確分析各參數對底水氣藏水淹規律及采出程度的影響，利用數值模擬多段井模型研究了井筒內的能量損失。井筒直徑為89mm，示蹤劑質量濃度為1.0mg/L，采用示蹤劑追蹤精確模擬底水見水時間。多段井模型將井筒劈分為多個段，每段拓撲結構保持原井軌跡，且擁有獨立的壓力、流體密度和相速度。考慮井筒內的能量損失，包括摩擦阻力損失、加速度損失及水靜力學壓降損失，進而可對井筒內的流體進行詳細描述。采用上述模型以某一測試產量模擬生產，通過對每個射孔網格流壓和流量的統計，可定量描述大斜度井不同長度的壓力變化和氣量差異。對于底水氣藏而言，若開發過程中底水逐漸上升，氣井避水高度和產量設計不合理，將導致過早見水，進而降低無水采出程度。目前，氣藏底水錐進研究中，見水時間通常采用經驗公式法或利用含水率來間接確定，這樣會存在一定的誤差。因此，筆者提出利用示蹤劑追蹤的方法來確定氣井產出底水的準確時間，在底水中加入不同的示蹤劑，通過模擬判斷氣井產水的來源，進而確定底水錐進的時間，為相關指標的優化提供依據。
2.1大斜度井的斜井段長度
為對比不同斜井段長度對底水氣藏水淹規律的影響，模擬研究大斜度井的斜井段長度分別為200m，400m，600m和800m，斜井趾端避水高度為60m，生產制度為穩定生產（55萬m3/d）情況下的水淹規律及開發效果。數值模擬結果表明：隨著斜井井段長度的增加，見水時間和無水采出程度均隨之增加，但增幅逐漸減小，預測期末采出程度也逐漸增大；當長度超過600m后，增長速度放緩，受長度增加的影響變弱。
2.2斜井段趾端避水高度
為對比不同斜井段避水高度對底水氣藏水淹規律的影響，模擬研究大斜度井的趾端避水高度分別為30m，40m，50m和60m，斜井段長度為600m，生產制度為穩定生產（55萬m3/d）情況下的水淹規律及開發效果。數值模擬結果表明：隨著斜井井段避水高度的增加，見水時間和無水采出程度均隨之增加，且增幅逐漸變大，預測期末采出程度逐漸減小；當斜井段避水高度超過40m時，對采出程度的影響變大。
3復合參數對大斜度井開發效果影響
單參數對大斜度井開發效果的影響在油氣田開發方案優化中常常被采用，該方法通過固定部分參數，逐個對其余參數進行優化，當參數之間沒有交互作用時，得出的結論是正確的。在實際生產中，不同參數的取值互相影響，即開發指標之間存在交互作用。因此，采用多次單參數優化往往只能得到局部最優結果。復合參數對大斜度井開發效果的影響是指斜井段長度、斜井段趾端避水高度和合理產量的綜合作用。若對各參數不同水平組合進行模擬，全面實驗則需要模擬較多方案，雖然能得到全局最優結果，但在網格精細劃分或者參數較多的情況下，將會耗費大量的機時，甚至難以實現。為此提出將正交設計極差分析法與數值模擬方案相結合，根據正交準則挑選典型代表點，并設計正交表，以提高方案的合理性，減少工作量。
4結論
（1）多段井描述技術將井筒劈分為多個段，每段拓撲結構保持原井軌跡，可實現對大斜度井井筒損失的模擬，以及準確表征斜井段上的壓力變化和氣量差異。靠近井筒趾端，壓力相對較高，靠近跟端壓降變化較大。
（2）在實際生產中，各參數對開發效果的影響往往是綜合作用的結果，極差分析法可作為優化開發指標的輔助手段，實現開發指標的全局最優。
關鍵詞：機械優化設計；雙語教學；教學實踐
作者簡介：王林軍（1982-），男，湖北黃岡人，三峽大學機械與材料學院，講師；吳海華（1970-），男，湖北黃岡人，三峽大學機械與材料學院，教授。（湖北 宜昌 443002）
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）04-0104-01
雙語教學不僅在美國、加拿大、盧森堡、新西蘭等雙語國家或多語國家獲得了成功，而且在俄羅斯、日本、澳大利亞、保加利亞、匈牙利等單語國家實施也獲得了良好的效果。反思國內的雙語教學情況，雖然英語教師非常努力地教，學生也非常認真地學，但所取得的效果十分不理想。[1-2]國內一些211和985重點院校（如浙江大學、北京大學等）的雙語教學工作開展順利，已在雙語教學教材、師資隊伍建設以及教學內容和教學方法方面取得許多研究成果。但地方本科院校的機械工程類雙語教學工作進展十分緩慢，尤其是針對本科生開設的“機械優化設計”雙語教學在教學內容與體系、英語教學環境、教學隊伍建設、考核方式等方面嚴重不足，其主要原因是學生英語基礎差、自學能力較弱，“機械優化設計”雙語教學師資也相對薄弱。[3]上述差異決定了地方本科院校難以照搬重點院校的機械工程類雙語教學模式，因此探索一條適合于地方本科院校的“機械優化設計”雙語教學模式極為重要。
一、“機械優化設計”雙語課程現狀
“機械優化設計”是一門把機械設計與優化設計理論及方法相結合、實踐性很強的課程，而雙語教學主要是指教師采用英語或第二語言進行課堂教學。但如何有系統有組織地開展符合三峽大學（以下簡稱“我校”）特點的“機械優化設計”雙語教學，如何處理教材的問題、如何在學時數原本緊張的前提下開展雙語教學、雙語教學方法和教學手段該如何改進、如何建立雙語教學考核體系、如何提高學生的學習興趣等等，這些都是在開展“機械優化設計”雙語教學時所需要研究的問題。雖然目前不少地方本科院校已經開設了機械優化設計雙語課程教學，但大學生英語水平良莠不齊，不少教師的英語水平同樣還沒有達到能真正像漢語一樣熟練地運用英語教學的地步，這使得雙語教學在“機械優化設計”課程中的研究與實踐中碰到以下問題：[4-6]
1.雙語教學效果差
目前國內英語教育主要以應試為目標，大學生的英語聽說能力普遍較弱。“機械優化設計”雙語教學中涉及許多專業詞匯和復雜的句型，如果采用比較單一的授課方式，學生既無興趣，又感到難以接受，無法準確理解該課程專業知識。
2.教學內容單一
我校該課程雙語教學的對象是機械制造及其自動化專業三年級學生，他們雖然已具備一定的數理基礎，但許多同學依然對機械優化設計過程和內容無法真正理解，甚至產生厭學情緒。這就要求雙語教師在進行教學內容的設計時應更加豐富多彩。
3.教學方法問題
在進行“機械優化設計”雙語教學時，若還是采用傳統的滿堂灌教學模式，課程本身的難度和英語的聽力障礙將會導致教學效果不理想。而國際上知名大學多數采取的是引導式、啟發式、互動式相結合的教學方法，后者更為有效，與“機械優化設計”雙語課程教學相適應。
二、雙語教學方法的改革與實踐
依據機械工程類專業的特殊性，應從以下幾方面進行改革和實踐：
1.科學合理選擇教學內容
考慮到我校機械制造及其自動化專業本科教學培養方案的特點及人才培養需要，對“機械優化設計”雙語教學課程內容進行科學設計，主要包括以下教學內容：緒論（介紹機械優化設計的基本概念與發展趨勢）；優化設計方法的數學基礎（介紹矩陣運算和微積分的基礎知識，凸集、凸函數與凸規劃的基本理論）；常用的優化設計方法（介紹一維搜索方法、基于導數的優化方法和非導數優化方法等，包括智能優化方法）；約束優化問題的處理；多目標優化方法和優化設計結果的靈敏度分析技術；MATLAB在機械優化設計實例中的應用。這要求學生一方面掌握優化設計基礎理論，另一方面應學會運用大型通用優化設計工具軟件解決實際工程問題，真正做到學以致用。此外，在雙語教學過程中，應安排大學生講述自己完成機械優化設計過程，以提高大學生英語表達能力，并達到相互啟發的作用。
2.努力營造英文教學環境，提高學生英語水平
作為教師，應認真備好每一堂課，板書、考試和作業批改中都要使用英語，采取全英語對學生進行提問，要求學生用英語回答，這樣有助于鍛煉學生的專業口語能力。同時，教師在給學生布置作業時，最好也是英語的，嚴格要求學生用英語完成，這樣有助于鍛煉學生的專業寫作能力，為將來可能地進一步深造學習奠定了堅實的論文撰寫基礎。實際上，教師在雙語教學活動中，除了布置一些該課程的課后英語作業外，還應當引導學生查找和閱讀與該課程相關的專業英語讀物，比如英文論文等，這樣有助于增強學生的專業英語使用能力，而且還能培養該專業大三學生用英語思考的良好習慣，為將來的進一步學習和深造打下一定的基礎。
3.努力加強我校雙語師資隊伍建設
為了提高教師的英語水平，每年安排教師參加由我校國際交流學院主辦的暑期雅思培訓班，取得雅思6.0分及以上成績的教師才能擔任雙語教學課程。為了促進教師英文水平的穩步提高，以提升本校教師科研業務水平，學校定期派中青年教師出國交流學習，這勢必將會對雙語教學和師資隊伍建設有一個很大的促進和提升作用。
4.充分利用本校網絡教學平臺
三峽大學求索學堂為全校提供網絡教學服務，網絡教學平臺包括公共教學平臺、多媒體課件制作系統、網絡實時交互答疑系統。網絡公共教學平臺包括學生工作區、教師工作區、管理工作區三大部分，主要功能模塊有公告欄、答疑、討論區、在線自測、在線作業、下載區、資源等。多媒體課件制作系統提供輔助教師教學的多媒體課件制作平臺；網絡實時交互答疑系統是一個可以在網上傳遞五種不同模式的電子教學、實時協作和通信的平臺，提供網絡教學中的教學雙邊多媒體交互環境。充分利用本校求索學堂，可以促使教師和學生的溝通，同時還可以培養學生的知識獲取能力和自主學習能力。
5.對本校傳統的考核方式進行科學合理的改革
“機械優化設計”課程是機械設計制造及其自動化專業非常重要的一門專業基礎課，屬于專業必修課程，該課程考核方式過去經常是采取閉卷形式。這種考核方式有很大的不足，例如學生死記硬背優化公式，而忽略了利用該課程核心內容優化設計方法理論從工程上解決實際問題的能力，從而不能體現本校人才培養的要求。針對以上這些弊端，對該門課程的傳統考核方式進行了改革，主要分為以下三個部分：閉卷考試成績（占40%）：主要是考查學生對優化理論方法的理解和掌握程度；上機實驗考試成績（占40%）：重點考核學生運用計算機對優化方法的編程和實現能力；平時成績（占20%）：主要是考核學生平時表現和出勤情況。
該課程考核方式的改革，勢必將會促使學生更好地理解和掌握該課程的重難點內容，也會提高學生利用計算機編寫優化程序解決工程實際問題的能力，同時將會提高機械工程類本科生的綜合素質和能力，這也非常符合本校這種“高素質、強能力、應用型”的人才培養目標。
三、結論
雙語教學不但能夠提高學生的學習興趣，而且還可以提高教師和學生的雙語應用能力，對復合型人才的培養具有非常重要的意義。同時，在進行雙語教學的過程中，要根據本校教師的英文水平和學生的認知和接受程度，精心準備和設計教學手段，科學合理安排教學內容，科學而有效地使用評價方法，這樣不僅有助于學生及時了解和掌握本專業的前沿動態，還可以培養其直接閱讀經典、前沿外文資料的能力。本文在對“機械優化設計”課程雙語教學進行了多輪教學實踐的基礎上，對該課程雙語教學的背景、教學內容與體系、英語教學環境、師資隊伍建設、考核方式等問題進行了總結和改革，以期望對二本院校機械工程類“機械優化設計”課程雙語教學與改革有一定的促進作用。
參考文獻：
[1]廖迎春，樊后保，黃榮珍，等.本科院校雙語教學改革的思考及建議[J].科技信息，2010，（19）.
[2]張素芳.對高校雙語教學若干問題的探討[J].中國電力教育，
2007，（1）.
[3]劉卓夫，羅中明，李永波.雙語教學改革存在的問題與思考[J].黑龍江教育學院學報，2010，29（2）：62-64.
[4]孫靖民.機械優化設計[M].北京：機械工業出版社，2007.
關鍵詞：超大型平頭塔式起重機；平衡臂；優化設計；有限元
中圖分類號：TH2文獻標識碼：A
Abstract：Taking the counterjib of T3000160 super large flattop tower crane as the research object，the structure is optimized. Firstly，the finite element simulation model of the counterjib is established. Then，the APDL algorithm language and parametric technique in Ansys are used to parameterize the design dimensions of the counterjib structure. Through the structural optimization，the optimal crosssectional dimension of the main structure of the counterjib is obtained，The results show that the overall strength and rigidity of the counterjib meet the design requirements，and the parametric design can improve the design quality of the construction machinery.
Key words：super large flattop tower crane，counterjib，optimized design，finite element
1引言
S著有限元技術的不斷發展，計算機輔助設計在塔式起重機關鍵組成部件的優化分析設計中得到了廣泛應用。計算機輔助設計及有限元分析技術的引進使用，使得塔機產品使用起來更加安全和高效。超大型平頭塔式起重機作為塔機發展的方向，其結構復雜，工況多樣，僅僅對其進行整體的綜合系統設計是不夠的，更應該關注其細節結構設計分析，關注計算機優化設計。
本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機作為研究對象，利用計算機輔助設計技術對平衡臂結構進行有限元建模分析，使用APDL算法完成平衡臂結構的優化設計，達到降本增效的目的。
2Ansys有限元分析優化設計的有關概念121設計變量設計方案完成后，其中的設計元素可以用一組基本參數數值來表示，這一組參數數值就是所謂的設計變量。
22目標函數
在產品結構設計中，可以利用一些設計指標衡量一項設計方案的好壞，通過把設計指標參數化得到相關函數來表示這些指標，這些相關函數即是優化設計的目標函數。
計算技術與自動化2017年6月第36卷第2期郭紀斌等：基于Ansys的超大型平頭塔式起重機平衡臂優化設計23約束性條件
所謂約束性條件是在對與目標函數相關的設計變量進行取值時加入的限制性條件。約束類型按照目標函數中設計變量的不同性質可分為邊界性約束和性能性約束。
24合理性設計
所謂合理性設計是指滿足設計方案所有給定約束條件（包括設計變量的約束和狀態變量的約束）的設計。倘若給定約束條件中的任一條未滿足，該設計就被認為是不合理的。而最優設計就是既能滿足所有約束條件同時目標函數值又是最小的設計。
3超大型平頭塔機平衡臂優化設計的步驟
在Ansys軟件中可以用兩種方式進行結構優化設計：圖形交互式或者數據批處理來完成。在本論文中，選用數據批處理方式來進行平衡臂結構優化設計，以期提高優化設計效率。
由于用戶采用優化方式的差異（批處理或GUI方式），Ansys優化設計步驟會有些許差別。本論文中平衡臂優化設計步驟如下：
31分析文件的生成1311參數化建立模型通過Ansys軟件/PREP7命令把設計方案中的設計變量參數化建立數據模型的工作完成。對于本論文選定的T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂，設計變量是拉桿和臂架弦桿的尺寸，如表1所示。
表1設計變量
設計變量1初值（mm）1變量含義X112001平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X21361平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X31651平衡臂拉桿圓鋼Φ130的半徑
312計算求解
Ansys中的求解器主要是對分析類型和分析選項在優化過程中進行定義，并完成載荷的施加，及對載荷步的指定，最后進行有限元分析計算，同時在分析過程中需要的數據都要在計算求解過程中指出。
在本論文平衡臂的優化分析中，solution 部分輸入如下：
/SOLU
PREP7，
…
BEAM，P21X，5，PRES，-0.2c-5，…
Acc1，0，10000，0，
AUTO CP，0，0.65*2，
SOLVE，
FINISH。
313提取參數化分析結果
對分析結果進行提取并給相應的參數賦值，這些參數通常情況下包括目標函數和狀態變量。完成本步操作使用POST1命令，尤其是與數據的存儲、加減或者其他操作相關時，而對數據的提取通常用*GET命令（Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data）來完成。
在本論文研究中，設置平衡臂總重量為目標函數。因為重量和體積成比例關系，對產品總體積的減小就相當于總重量的減少，因此把總體積設計為目標函數。在優化研究中，把軸向應力、節點位移設置為狀態變量。這些參數的設定可以用下面的方法進行定義：
/POST1
ETABLE，evolume，VOLU，
QR SSUM
*GET，VOLUME，SSUM，DEFORMED，EVOLUME
…
QR，SMAX_E，LS，0，1
CP，ETAB，SMAX_E，0，1，
*GET，SMAX_E，SORT，MAX
…
*GETT，DYMAX1，NODE，1528，Z，Y
…
32對計算結果優化分析
建立完成分析文件之后，就可以利用計算機進行優化分析。在優化處理器中，這些相關參數的值被假定為一個設計序列，所有參數會在Ansys數據庫中被自動設置為設計序列1。
4超大型平頭塔機平衡臂優化設計結果
通過10次迭代計算完成對模型參數的優化，目標函數與設計變量的變化如圖1―圖3所示。
圖1設計變量X1優化示意圖圖2設計變量X2優化示意圖圖3設計變量X3優化示意圖通過上面的優化示意圖可以看出，三個設計變量都是平衡臂主結構件的截面尺寸，經過優化計算，截面尺寸都得以減小，而與其相關的目標函數（平衡臂總體積）有總體減小的趨勢。
在優化計算時不僅要減少平衡臂體積，同時其結構對強度和剛度的設計要求也要滿足，所以本研究增設狀態變量1（平衡臂端部位移）和狀態變量2（截面危險節點的應力值）為研究對象，其優化過程如圖4―圖5所示。
圖4狀態變量1優化示意圖圖5狀態變量2優化示意圖從兩個狀態變量的優化過程可以看出，在經過多次迭代優化后各狀態變量值變量均在設定值范圍內變化，變化非常小。
目標函數的最優解在Ansys優化設計過程可以自動選出，在本論文中得出的最優解見表2。
由優化計算結果可以看出，平衡臂總質量由18.87噸優化到了17.13噸，p少了1.74噸，減重百分比為9.22%。與初始設計方案相對比，優化后主體結構件截面尺寸減小，從而降低了平衡臂總質量，達到了減輕平衡臂總重量的優化設計目標。通過對優化模型有限元分析結果的檢查，其結構剛度、強度均符合設計要求，如表2所示。
本論文選用Ansys一階優化方法對以平衡臂總質量為目標函數的方案進行計算優化，優化后平衡臂結構強度剛度均在設計允許值范圍內。通過定義主要結構件尺寸的優化，平衡臂總重量減少1.74噸，降幅9.22%。
5結論
本論文以T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂的優化設計為研究對象，采用現代設計理論和方法，使用主流有限元分析軟件Ansys完成對平衡臂結構的優化分析，其過程主要如下。
（1）建立T3000160塔機平衡臂有限元分析模型，選用BEAM188，MASS21等作為模型分析單元，確保有限元模型結構、重量等參數的設置符合實際情況。
（2）各項參數滿足設計方案要求。通過優化分析，得到平衡臂主體結構件的最優截面尺寸，同時有限元分析結果表明整體結構強度和剛度滿足設計方案需求。
（3）本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機的平衡臂進行有限元分析優化設計，為超大型平頭塔式起重機平衡臂及其他相關部件結構的強度分析和設計提供一個理論性的支撐，同時提高工程機械設計質量，縮短設計周期，促進優化設計法在起重機設計中的應用。
參考文獻
[1]張洪信.ANSYS基礎與實例教程[M].北京：機械工業出版社.2013.
[2]周寧. ANSYS APDL高級工程應用實例分析與二次開發[M].北京：中國水利水電出版社. 2007.
[3]起重機設計規范GB/T38112008[S].中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局.2009.
[4]馬東輝，趙東.基于ANSYS和MATLAB的結構優化設計[J].制造業自動化.2013.35（10）：106-108.
[5]李新華，張毅，戴琳.塔式起重機起重臂的模糊優化設計[J].機械與電子.2010（9）：92-93.
[6]孫運見，孫樂.基于Jaumin的等參單元算法框架設計[J].計算機輔助工程.2015（1）：63-67.
（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
關鍵詞：MATLAB 行星減速器 優化設計
Abstract: this paper researched optimum tool of MATLAB. The paper solves optimum design for planet speed reducer of construction machinery. Through a practical example, it is concluded that using MATLAB can availably solve optimum design for planet speed reducer.
Key word: MATLAB, planet speed reducer,optimum design
中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：
工程機械是一種運行緩慢，體積大，承受的載荷也大的設備。它的行走驅動系統有兩種方案：一為高速方案，即用高速液壓馬達和齒輪減速器組合驅動；二是低速方案，即采用低速大扭矩液壓馬達驅動。后者可省去減速裝置，使機構大為簡化，但由于低速大扭矩液壓馬達的成本較高，維修困難，所以一般的工程機械都采用前者。又因行星減速器相對于其它類型的齒輪減速器具有較大減速比，所以工程機械的行駛系統驅動中多采用行星減速器實現減速增扭的目的。
1、MATLAB語言及優化設計簡介
MATLAB語言是由美國Mathworks公司開發的集科學計算、數據可視化和程序設計為一體的工程應用軟件，現已成為工程學科計算機輔助分析、設計、仿真以至教學等不可缺少的基礎軟件，它由MATLAB主包、Simulink組件以及功能各異的工具箱組成。MATLAB優化工具箱的應用包括：線性規劃和二次規劃，求函數的最大值和最小值，多目標優化，約束優化，離散動態規劃等，其簡潔的表達式、多種優化算法的任意選擇、對算法參數的自由設置，可使用戶方便地使用優化方法。[1]
通常多目標優化問題在求解時應作適當的處理，一種方法是將多目標優化問題重新構成一個新的函數，即評價函數，從而將多目標優化問題轉變為求評價函數的單目標優化問題，如線性加權和法，理想點法，目標達到法等。另一種是將多目標優化轉化為一系列單目標優化問題來求解，如分層序列法等。MATLAB優化工具箱采用改進的目標達到法使目標達到問題變為最大最小問題來獲取合適的目標函數值。
該論文中，行星減速器的設計就采用將多目標的優化問題轉化為單目標，多約束條件的優化問題。
2、行星減速器模型的建立
工程機械使用行星減速器的設計是一項較復雜的工作，一般采用經驗設計。經驗設計不僅對于一個新的企業很難進行設計，而且往往找到的不是最優方案。
2.1確定優化設計的目標函數
工程機械的體積較大，對其靈活運行帶來一定的影響，因此對行星減速器進行最優化設計時，取行星減速器最小重量為優化目標，不但可以減小行星減速器的重量，而且可以改善工程機械的靈活機動性、節約材料和降低成本。
行星減速器由太陽輪、行星輪、行星架和齒圈構成。由于太陽輪和全部行星輪的重量之和能影響和決定齒圈和整個機構的重量，由于太陽輪和全部行星輪的重量與它們的體積成正比，因此可選擇太陽輪和全部行星輪的體積為最優化設計的目標函數。
…………………（1）
式中： 為太陽輪的體積； 為行星輪的體積； 為行星輪的個數； 為太陽輪或行星輪模數； 為太陽輪或行星輪齒寬； 為太陽輪齒數； 為行星輪齒數。
2.2約束條件：
（1）傳動比條件[2]：
…………………（2）
式中： 為齒圈的齒數。
（2）為了使內外嚙合齒輪副強度接近相等，并提高外嚙合承載能力，應限制齒輪內外嚙合角在給定的范圍內，即：
…………………（3）
…………………（4）
式中： 、 為太陽輪和行星論、行星輪和齒圈的嚙合角。
（3）齒輪不發生根切的最少齒數為17，但太陽輪的齒數常小于規定的標準齒輪不根切最小齒數17，為保證不根切，太陽輪變位系數應滿足以下條件：
…………………（5）
式中： 太陽輪的最小變位系數
（4）各齒輪應滿足強度要求，即齒輪的齒面接觸強度和彎曲強度的安全系數均大于給定值，亦即
…………………（6）
…………………（7）
式中： 、 ——給定的齒輪接觸強度、彎曲強度安全系數；
、 ——各齒輪的接觸強度、彎曲強度的安全系數。
（5）為了保證傳動連續和平穩性，齒輪的重合度必須大于規定值，即
…………………（8）
…………………（9）
式中： 、 ——分別為太陽輪和行星輪、內齒圈與行星輪的重合度
（6）行星輪根圓直徑 不宜過小，以保證在行星輪內孔能安裝上符合壽命要求的滾動軸承，即
…………………（10）
式中： ——滾動軸承外徑 ;
m——齒輪的模數
（7）模數約束
…………………（11）
（8）齒寬約束
…………………（12）
（9）行星輪個數約束
…………………（13）
（10）變位系數的約束[3]
…………………（14）
…………………（15）
…………………（16）
式中： 、 、 分別為太陽輪、行星輪和齒圈的變位系數
通過以上分析，知以上建立的模型是一個具有7個設計變量，15個約束條件的單目標優化設計。
3、應用舉例：
某工程機械的輪邊減速器采用行星減速器，其具體要求為：轉速： ；功率： ；壽命：10a；工況：中等沖擊；日工作時間：14h；年工作天數300天；傳動比： ； ；精度：6級；太陽輪：材料為20CrMnTi，熱處理為滲氮滲碳；行星輪：材料為20CrMnTi，熱處理為滲碳淬碳；內齒輪為40Cr，熱處理為調質[4]。
經使用MATLAB程序優化設計后行星減速器的主要參數和采用常規設計的主要參數的比較，如表1。
表1使用MATLAB優化設計和常規設計的參數比較
4、結論
（1）利用MATLAB優化設計的行星減速器的體積比常規設計的少了12%。
（2）建立目標函數時只考慮太陽輪和行星輪的體積，對內齒圈和行星架的體積沒有考慮，這樣可以減小計算量和提高計算速度。但是也存在著相應的問題，目標函數中沒有將齒圈的強度考慮在內，會對設計的結果產生一定的影響。
參考文獻
[1]薛定宇，陳陽泉.基于matlab/simulink的系統仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2002
[2]徐灝.機械設計手冊.[M]北京:機械工業出版社
[3]王永樂.機械優化設計基礎.[M]哈爾濱:黑龍江科學技術出版社
【摘要】減速器是各類機械設備中廣泛應用的傳動裝置。減速器設計的優劣直接影響機械設備的傳動性能。本文通過對兩種減速器主要優化設計方法的分析，提出了減速器設計中應考慮的約束條件、目標函數和變量等。
【關鍵詞】減速器優化設計
傳統的減速器設計一般通過反復的試湊、校核確定設計方案，雖然也能獲得滿足給定條件的設計效果，但一般不是最佳的。為了使減速器發揮最佳性能，必須對減速器進行優化設計，減速器的優化設計可以在不同的優化目標下進行。除了一些極為特殊的場合外，通常可以分為從結構形式上追求最小的體積(重量)、從使用性能方面追求最大的承載能力、從經濟效益角度考慮追求最低費用等三大類目標。第一類目標與第二類目標體現著減速器設計中的一對矛盾，即體積(重量)與承載能力的矛盾。在一定體積下，減速器的承載能力是有限的；在承載能力一定時，減速器體積(重量)的減小是有限的。由此看來，這兩類目標所體現的本質是一樣的。只是前一類把一定的承載能力作為設計條件，把體積(重量)作為優化目標；后一類反之，把一定的體積(重量)作為設計條件，把承載能力作為優化目標。第三類目標的實現，將涉及相當多的因素，除減速器設計方案的合理性外，還取決于企業的勞動組織、管理水平、設備構成、人員素質和材料價格等因素。但對于設計人員而言，該目標最終還是歸結為第一類或第二類目標，即減小減速器的體積或增大其承載能力。
一、單級圓柱齒輪減速器的優化設計
單級主減速器可由一對圓錐齒輪、一對圓柱齒輪或由蝸輪蝸桿組成，具有結構簡單、質量小、成本低、使用簡單等優點。但是其主傳動比i0不能太大，一般i0≤7，進一步提高i0將增大從動齒輪直徑，從而減小離地間隙，且使從動齒輪熱處理困難。單級主減速器廣泛應用于轎車和輕、中型貨車的驅動橋中。單級圓柱齒輪減速器以體積最小為優化目標的優化設計問題，是一個具有16個不等式約束的6維優化問題，其數學模型可簡記為：
minf(x)x=[x1x2x3x4x5x6]T∈R6
S.t.gj(x)≤0(j=1，2，3∧，16)
采用優化設計方法后，在滿足強度要求的前提下，減速器的尺寸大大地降低，減少了用材及成本，提高了設計效率和質量。優化設計法與傳統設計密切相關，優化設計是以傳統設計為基礎，沿用了傳統設計中積累的大量資料，同時考慮了傳統設計所涉及的有關因素。優化設計雖然彌補了傳統設計的某些不足，但該設計法仍有其局限性，因此可在優化設計中引入可靠性技術、模糊技術，形成可靠性優化設計或模糊可靠性優化設計等現代設計法，使工程設計技術由“硬”向“軟”發展。
二、混凝土攪拌運輸車減速器的優化設計
1.主要參數
混凝土攪拌運輸車攪拌筒(罐)的設計容積為8～10m3，最大安裝角度12°，工作轉速2～4r/min和10～12r/min(卸料時的反向轉速)；減速器設計傳動比131∶1，最大輸出轉矩60kN·m，要求傳動效率高、密封性好、噪聲低、互換性強。2.2結構設計主要包括前蓋組件、被動輪組件、第一級行星輪總成、第二級行星輪總成、機體中部組件和法蘭盤組件6大部分。機體間采用螺栓和銷釘連接與定位，機體與內齒圈之間采用彈性套銷的均載機構。為便于用戶在使用時裝配與拆卸，減速器主軸線與安裝面設計有15°的傾角，法蘭盤軸線可以向X、Y和Z方向擺動±6°，并選用專用球面軸承作為支承。軸承裝入行星輪中，彈簧擋圈裝在軸承外側且軸向間隙≤0.2mm，減速器最大外形尺寸467mm×460mm×530mm，總質量(不含油)為290kg。
2.傳動系統設計
該減速器采用3級減速方案：第一級為高速圓柱齒輪傳動，其余兩級為NGW型行星齒輪傳動。其中，第二、三級分別有3個和4個中空式行星輪，行星輪安裝在單臂式行星架上，行星架浮動且采用滾動軸承作為支承；第二級行星架與法蘭盤之間采用鼓形齒雙聯齒輪聯軸器連接，混凝土攪拌運輸車減速器對齒面接觸疲勞強度、齒根彎曲疲勞強度和齒面磨損等要求十分苛刻，因此合理地選擇變位系數和進行修形計算十分重要。
三、減速器優化設計的數學模型
1.目標函數
對于C型問題，目標函數是A=min{f(x)}=min{f(x1，x2，…，xn)}式中：A——減速器總中心距，即各級中心距之和；x——各設計變量(包括各級中心距、模數、螺旋角、齒數、齒寬和變位系數等)；n——設計變量的個數。對于P型問題，目標函數是P=max{f(x)}=max{f(x1，x2，…，xn)}。式中：P——減速器的許可承載功率；x——同C型；n——同C型。
2.約束條件
約束條件是判斷目標函數中設計變量的取值是否可行的一些規定，因此減速器優化設計過程中提出的每一個供選擇的設計方案；都應當由滿足全部約束條件的優化變量所構成。對于減速器來說，在列出優化設計的約束條件時，應當從各個方面細致周全的予以考慮。例如，設計變量本身的取值規則，齒輪與其它零件之間應有的關系等等。減速器優化設計應考慮以下約束條件：
（1）設計變量取值的離散性約束
齒數：每個齒輪的齒數應當是整數；模數：齒輪模數應符合標準模數系列(GB1357-78)；中心距：為避免制造和維護中的各種麻煩，中心距以10mm為單位步長。
（2）設計變量取值的上下界約束
螺旋角：對直齒輪為零，斜齒輪按工程上的使用范圍取8°~15°；總變位系數：由于總變位系數將影響齒輪的承載能力，常取為0~0.8。
（3）齒輪的強度約束
齒輪強度約束是指齒輪的齒面接觸疲勞強度與輪齒的彎曲疲勞強度，這兩項計算根據國家標準GB3480-83中的方法進行。強度是否夠，根據實際安全系數是否達到或超出預定的安全系數進行檢驗。
（4）齒輪的根切約束
為避免發生根切，規定最小齒數，直齒輪為17，斜齒輪為14~16。
（5）零件的干涉約束
要求中心距、齒頂圓和軸徑這三者之間滿足無干涉的幾何關系。對于三級傳動的減速器(如圖1)，干涉約束相當于兩個約束：第二級中心距應大于第一級大齒輪齒頂圓半徑與第三級小齒輪頂圓半徑之和；第三級中心距應大于第二級大齒輪頂圓半徑與第4軸半徑之和。而二級齒輪傳動類推。
關鍵詞：上肢康復訓練機器人 青島大學碩士開題報告范文 青島論文 開題報告
一、 選題的目的和意義
據統計,我國60 歲以上的老年人已有1.12 億。伴隨老齡化過程中明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進而對日常的生活產生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運動性障礙的病人也在顯著增加，與之相對的是通過人工或簡單的醫療設備進行的康復理療已經遠不能滿足患者的要求。隨著國民經濟的發展，這個特殊群體已得到更多人的關注，治療康復和服務于他們的產品技術和質量也在相應地提高，因此服務于四肢的康復機器人的研究和應用有著廣闊的發展前景。
目前世界上手功能康復機器人的研究出于剛起步狀態，各種機器人產品更是少之又少，在國內該領域中尚處于空白狀態，臨床應用任重而道遠，因此對手功能康復機器人的研究有廣闊的應用前景和重要的科學意義。
目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題：康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。本課題針對以上問題，采用氣動人工肌肉驅動的手指康復訓練機器人實現手指康復訓練的多自由度運動，不僅降低了設備成本，更重要的是提高了系統對人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運動的強度和速度易調整等特點。
課題的研究思想符合實際國情和康復機器人對系統柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機器人技術應用于患者的手部運動功能康復，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復機器人，輔助患者完成手部運動功能的重復訓練，其輕便經濟、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復訓練，又不增加臨床醫療人員的負擔和衛生保健。
綜上所述，氣動人工肌肉驅動手指康復訓練機器人的設計是氣壓驅動與機器人技術相結合在康復醫學領域內的新應用，具有重要的科學意義。
二、 國內外研究動態
2.1 國外研究動態
美國是研究氣動肌肉機構最多的國家，主要集中在大學。
華盛頓大學的生物機器人實驗室從生物學角度對氣動肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進行失效機理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運動控制研究。
vanderbilt 大學認知機器人實驗室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個采用氣動肌肉驅動的爬墻機器人，并應用于驅動智能機器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。
伊利諾伊大學香檳分校的貝克曼研究所對圖像定位的5自由度soft arm 機械手采用神經網絡進行高精度位置控制和軌跡規劃。亞利桑那州立大學設計了并聯彈簧的新結構氣動肌肉驅動器，可以同時得到收縮力和推力，并與工業界合作開發了多種用于不同部位肌肉康復訓練的小型醫療設備。
英國salford 大學高級機器人研究中心對氣動肌肉的應用作了長期的系統研究，開發了用于核工業的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠程控制。
法國國立應用科學學院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了氣動肌肉的動靜態性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅動源的人工肌肉以及在遠程醫療上的應用。
比利時布魯塞爾自由大學制作了新型的折疊式氣動肌肉用于驅動兩足步行機器人，實現了運動控制。
日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發明了多種不同結構的氣動肌肉。德國festoon 公司發明了適合工業應用的氣動肌腱fluidic muscle，壽命可達1000萬次以上，同時還對氣動肌肉的應用作了許多令人耳目一新的工作。英國shadow 公司研制了目前世界上最先進的仿人手。美國的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學合作開發了多種用于肌肉康復訓練的小型醫療設備。
lilly采用基于滑動模的參數自適應控制策略，實現了單氣動肌肉驅動的關節位置控制。
2.2 國內研究動態
自20 世紀90 年代以來，我國陸續開始了氣動肌肉的研究。
北京航空航天大學的宗光華較早開始氣動肌肉的研究，分析了其非線性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅動模型的影響，并應用于五連桿并聯機構，通過剛度調節實現柔順控制。
上海交通大學的田社平等運用零極點配置自適應預測控制、非線性逆系統控制以及基于神經網絡方法，實現單自由度關節的快速、高精度位置控制。
哈爾濱工業大學的王祖溫等分析了氣動肌肉結構參數對性能的影響、氣動肌肉的靜動態剛度特性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動肌肉等效為變剛度彈簧，設計了氣動肌肉驅動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數據手套和6 足機器人，采用輸入整形法解決關節階躍響應殘余震蕩問題。
北京理工大學的彭光正等先后進行了單根人工肌肉、單個運動關節以及3 自由度球面并聯機器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經網絡等多種智能控制算法，并設計了6 足爬行機器人和17 自由度仿人五指靈巧手。
哈爾濱工業大學氣動中心的隋立明博士也通過實驗得到了氣動人工肌肉的一個更簡潔的修正模型和經驗公式并對兩根氣動人工肌肉組成的一個簡單關節系統進行實驗建模和采用位置閉環的控制方法進一步驗證氣動人工肌肉的模型。
上海交通大學的林良明也對氣動人工肌肉的軌跡學習控制進行了仿真研究給出了學習的收斂性的初步結論為下一步的學習控制奠定了基礎。其中田社平通過對氣動人工肌肉收縮在頻率域上的數學模型并對它的結構及其靜動態特性進行了理論分析建立了相應的靜態力學方程。
2003年付大鵬等，以機械手抓取物體為分析對象，采用矩陣法來描述機械手的運動學和動力學問題，以四階方陣變換三維空間點的齊次坐標為基礎，將運動、變換和映射與矩陣計算聯系起來建立了機械手的運動數學模型，并提出了機械手運動系統優化設計的新方法，這種方法對機械手的精密設計和計算具有普遍適用意義。
2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對5自由度的康復機械手進行了動力學分析，將等效有限元的方法應用到開式的5自由度的康復機械手的動力分析中，這種方法比傳統的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現代計算機的發展，的除了機械臂的動力響應曲線，為機械手的優化設計及控制提供理論依據。
2008年北京聯合大學張麗霞，楊成志根據拿取非規則物品的任務要求，采用轉動機構和連桿機構相結合，設計了五指型機器手，手指彎曲電機與指間平衡電機耦合驅動，實現了機器手的多角度張開、抓握運動方式,對實用型仿人機器手的機構設計有參考意義。
2009年楊玉維等人對輪式懸架移動2連桿柔性機械手進行了動力學研究與仿真，。采用經典瑞利.里茲法和浮動坐標法描述機械手彈性變形與參考運動間的動力學耦合問題， 綜合利用拉格朗日原理和牛頓.歐拉方程并在笛卡爾坐標系下，以矩陣、矢量簡潔的形式構建了該移動柔性機械手系統的完整動力學模型并進行仿真。
2009年羅志增，顧培民研究設計了一種單電機驅動多指多關節機械手，能夠很好的實現靈巧、穩妥的抓取物體，這個機械手共有4指12個關節。每個手指有3個指節，由兩個平行四邊形的指節結構確保手指末端做平移運動，這種設計方案很好的實現了控制簡單、抓握可靠的目的。
從目前來看，國內對氣動人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關氣動人工肌肉的研究與國外還有相當的差距對氣動人工肌肉中的許多問題，還沒有進行深入的研究。此外，采用氣動人工肌肉作為機器人驅動器的研究還不成熟。
三、 主要研究內容和解決的主要問題
目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題:康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。為此，課題主要研究內容：設計一種結構簡單，易于穿戴，并且安全、柔順、低成本，使用方便的氣動手功能康復設備。對氣動手指康復系統進行機構運動學分析、用mat lab軟件對康復訓練機器人的康復治療過程的力位信息進行仿真分析。
要實現上述的目標，系統中需要著重解決的關鍵技術有：
(1)基于已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分的設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。 主要包括：人手部的手指彎曲抓握動作分析，氣壓驅動關節機構自由度的優化配置。使機械手能夠實現手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實現的動作。
(2)對機器人機械機構的運動學分析。主要包括：氣壓驅動的手指關節外骨骼機械機構的運動學分析。
(3)機器人機構的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進行機器人氣壓驅動終端的力位信息 仿真。
根據總體方案設計以及工作量的要求，外附骨骼機械手系統是上肢康復訓練機器人的一部分，本文主要是研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。
四、論文工作計劃與方案
論文工作計劃安排：
2010年9月——2011年6月準備課題階段：
主要工作：學習當今最先進的機器人設計技術;學習用matlab軟件進行計算仿真及優化，查閱國內外的資料，對康復機械手作初步了解。
2011年7月——2011年9月課題前期階段
主要工作：課題方案設計，擬寫開題報告，開題。
2011年10月——2012年7月課題中期階段
主要工作：開始具體課題研究工作，根據已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。
2012年8月——2012年12月課題后期階段
主要工作：對手指康復機器人進行模擬仿真，對設計進行優化，并在此基礎上進一步完善課題。
2013年1月——2013年4月結束課題階段
主要工作：整理相關資料，撰寫論文，準備進行畢業論文答辯。
2013年5月——2013年6月論文答辯階段
主要工作方案：
1. 完成學位課與非學位課學習的同時，進行市場調研，對手指康復機械手作初步了解。
2. 查閱資料，了解氣動手指康復機器人的國內外發展現狀。
3. 分析已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構的部分設計。
4. 對現有手指康復訓練方法設計進行分析和提煉，分析其優缺點。
5. 開始具體設計工作。
關鍵詞：種分槽，IMIG槳葉，優化設計
1前言
拜耳法生產氧化鋁的關鍵工序之一就是晶種分解，在種分槽內將鋁酸鈉溶液降溫并加入氫氧化鋁作為晶種進行攪拌，使其析出氫氧化鋁[1]。晶種分解過程對產品的產量、質量以及全廠的技術指標有著重大的影響。畢業論文，種分槽。
2槳葉簡介
晶種分解溶液為固液懸浮溶液，需借助攪拌器的作用，使固體顆粒均勻懸浮在液體中，要求懸浮物完全離開罐底并均勻懸浮起來，由于不能破壞晶種，所以攪拌轉速不能太大。目前分解槽的攪拌一般采用IMIG型多層攪拌的結構。IMIG槳葉內外漿在攪拌轉動時所形成內揚、外壓的作用，能讓晶種均勻懸浮在液體中且長時間不會沉淀[2]。畢業論文，種分槽。目前國內大部分氧化鋁分解槽攪拌都采用IMIG型攪拌。
3 優化改造
槳葉主要由輪轂、內漿和外漿三部分組成。以前采用的輪轂為鑄件，由于結構的不對稱性經常有鑄造缺陷。2006年以來通過對中鋁河南分公司九組種分槽現場運行情況的分析和對IMIG槳葉結構的不斷分析，得出一套適合該槳葉強度計算的方法。通過該方法分別對內槳葉和外槳葉進行優化設計，節省了材料，并對輪轂的結構進行的全面的改進，不僅縮短了制造工期，也大大節約了生產成本。
4槳葉強度的計算
為了保證攪拌過程能正常地運行，攪拌器必須有足夠的強度。攪拌器強度的計算主要是用來確定攪拌器槳葉的厚度。為了簡化計算首先對運行情況進行假設
a 外槳葉承擔該整層槳葉彎矩
b 設計過程中不考慮加強筋的作用，其造成的截面數據也不予以考慮
c 雙槳葉攪拌具有兩個完全一樣的對稱槳葉，其槳葉計算功率可看作均勻分配于兩個槳葉上，而作用在槳葉上的液體阻力使槳葉產生彎矩，其最大彎矩出現在內槳葉和輪轂的連接處。
4.1外槳葉筋板厚度的確定[3]
圖1為IMIG槳葉的受力簡圖。
圖1：IMIG槳葉的受力圖
公式中
在計算該斷面彎矩時需要找到槳葉上液體阻力的合力作用點。液體阻力合力的作用點x0大小可由下式計算。畢業論文，種分槽。
公式中
M1即是作用于x01處合力對槳葉根部的彎矩。外槳葉端部處斷面的彎矩計算應當是由下式求得。
θ是外漿葉和水平面的夾角
外槳葉的抗彎截面系數
外槳葉斷面處的彎曲應力，計算應力值應小于許用應力值。
4.2內槳葉管子壁厚的確定
內槳葉管軸抗彎截面模量
內槳葉所受的最大彎矩
內槳葉斷面處的彎曲應力，計算應力值應小于許用應力值。
4.3槳葉強度計算中的安全系數
在上述槳葉的強度計算中，沒有涉及到的因素還有不少，如液體的阻力的不均衡性、液體對槳葉的沖擊，槳葉后表面所受到的氣蝕作用等，這些因素都要影響槳葉的強度，所以單從彎曲應力來計算槳葉厚度可能還不夠安全。另外制造過程中出現的缺陷也應加以考慮。為了保證槳葉在操作中的安全，采用安全系數的辦法來處理這些問題。畢業論文，種分槽。根據槳葉的材料不同，制造工藝不同，槳葉強度計算的安全系數也不同，碳素鋼一般取n=3。畢業論文，種分槽。對于底層槳葉，考慮到底層槳葉對整個攪拌的重要性，以及生產過程一旦出現沉槽現象，因此設計底層槳葉時的彎矩應按照電機功率的50%作為液體阻力合力產生的彎矩。
在一般的產能大于40萬噸氧化鋁的設備中，種分槽直徑為14m。電機功率75KW，攪拌轉速4.8r/min.槳葉的直徑為8400mm。代入公式求得外槳葉的壁厚為16mm時完全滿足強度要求，內槳葉管軸壁厚為20也滿足強度要求。這樣從原來外槳葉24mm的壁厚，內槳葉管壁厚28mm變為現在的壁厚，一臺種分槽節省材料約3000Kg。
5連接槳葉用螺栓的計算
機械攪拌中槳葉和軸的聯接大部分都是通過螺栓連接的方式來滿足結構、制造、運輸、檢修維護、安裝等方面的要求。通過對IMIG在攪拌過程中流體作用的觀察得出槳葉的受力情況，以此來計算螺栓的強度。
將槳葉和軸的連接簡化為下面結構，如圖2所示：
圖2：載荷與螺栓的布置
5.1受力分析
5.2初定螺栓直徑
由上述公式計算出來的螺栓直徑大于16就滿足要求。考慮剛度及疲勞強度選用M24的螺栓連接。而原來槳葉和軸的連接采用的是M36的雙頭螺柱，一臺種分槽用在槳葉連接上的螺栓數量約為60個，所以僅此一項的優化就節約標準件上千元的費用。畢業論文，種分槽。
6.結束語
改造后的IMIG槳葉較改造前重量減輕，節約了設備的成本；結構更加合理、簡單化，使加工更容易，減輕了工人的勞動強度，同時縮短了加工時間，提高了生產效率，為公司創造了更大的效益。
參考文獻
[1]楊重愚.氧化鋁生產工藝學[M].北京：冶金工業出版社，1982.
[2]陳聰.氧化鋁生產設備[M].北京：冶金工業出版社，2006.
[3]陳志平,章序文,林興華等.攪拌與混合設備設計選用手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.
