機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)-Read知識(shí)交流

1、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)、目的通過(guò)課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本課程及相關(guān)課程的理 論解決實(shí)際問(wèn)題的能力， 使學(xué)生掌握在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中建立優(yōu) 化問(wèn)題數(shù)學(xué)模型、 選擇適當(dāng)優(yōu)化算法編制程序解決實(shí)際問(wèn)題的 方法，提高計(jì)算機(jī)的應(yīng)用水平， 為今后的學(xué)習(xí)和工作打好基礎(chǔ)。二、課程設(shè)計(jì)的基本要求1. 根據(jù)優(yōu)化問(wèn)題建立數(shù)學(xué)模型；2. 選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法；3. 編制、調(diào)試和考核程序；4. 作上機(jī)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備并進(jìn)行上機(jī)計(jì)算；5. 對(duì)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。三、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容1. 優(yōu)化問(wèn)題的簡(jiǎn)圖和已知條件；2. 建立優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型（設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條 件）；3. 簡(jiǎn)單敘述所用算法的基本原理 （如內(nèi)、外罰函數(shù)法

2、、 POWELL 法、二次插值法、初始區(qū)間搜索等）4. 結(jié)果分析：精度對(duì)迭代次數(shù)、結(jié)果等的影響。5. 在編寫(xiě)、調(diào)試程序過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題及解決辦法；6. 請(qǐng)你談?wù)剬?duì)學(xué)習(xí)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)這門(mén)課的體會(huì)，并提出你的 意見(jiàn)和建議。四、優(yōu)化設(shè)計(jì)題目（ 一 ） 對(duì)稱(chēng)人字架的優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖1所示，在對(duì)對(duì)稱(chēng)人字架頂端作用一個(gè) P= 294300N 的靜載荷，人字架跨度 B = 1520m m,人字架桿件為壁厚 T = 2.5mm的空心圓管，材料的彈性模量 E = 2.119X 105N/mm2,許用壓應(yīng)力y =690N/mm2。設(shè)計(jì)滿(mǎn)足強(qiáng)度條件和穩(wěn)定性條件，在20140mm范圍內(nèi)確定圓管平均直徑 D, 20012

3、00mm范圍內(nèi)確定人字架高度H，使人字架用料最省。圖1對(duì)稱(chēng)人字架1、建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)人字架用料最省，亦即體積最小。因此將人字架的總體積達(dá) 到最小作為優(yōu)化目標(biāo)。人字架的總體積為 3V=2 DT(b/2)2 h2 ( mm) 優(yōu)化設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)變量可取為：X=x1，X2t =D ，Ht2、確定約束條件由靜力平衡和材料力學(xué)的有關(guān)公式可得(1)強(qiáng)度條件_ (P/2)J(B/2)2 H2 _ DTh(2)穩(wěn)定性條件2e（d2 t2）e228（B/2）2 H2（3）圓管平均直徑D和人字架高度H不超過(guò)給定范圍，即20mm D 140mm200mm H 1200mm（二）單級(jí)漸開(kāi)線(xiàn)直齒圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)

4、計(jì)現(xiàn)有一單級(jí)漸開(kāi)線(xiàn)直齒圓柱齒輪減速器，如簡(jiǎn)圖 2所示，其輸入功率N=280kw輸入轉(zhuǎn)速n=980r/min,傳動(dòng)比i=5。小齒輪為實(shí)體結(jié)構(gòu)，大齒輪為腹板式結(jié)構(gòu)（帶有四個(gè)減輕孔），兩齒輪各部分尺寸如圖3所示。原用常規(guī)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果為：齒輪寬Bi=E2=B=230mm,小齒輪齒數(shù) 乙=21,模數(shù)m=8mm軸的支撐跨距I i=420mm兩軸的直徑分別為 dsi=120mm,(s2=160mm現(xiàn)要求在保持 承載能力的情況下，通過(guò)優(yōu)選上述有關(guān)參數(shù)，使減速器的重量達(dá) 到最輕。()大齒輪圖3齒輪的結(jié)構(gòu)1、建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)減速器的重量主要取決于內(nèi)部零件(齒輪和軸)的尺寸大小, 因此將齒輪和軸的總體積達(dá)

5、到最小作為優(yōu)化目標(biāo)。減速器有兩個(gè)齒輪和兩根軸，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將軸視為光軸, 則有：V=Vsl+VS2+Vg 計(jì)2式中：Vsi,Vs2 兩軸體積，單位：mm ；Vgi,Vg2 兩齒輪體積，單位：mm ；另外：d si,ds2 兩軸直徑，單位： mm11, 12, 13-軸的各段長(zhǎng)度，單位：mmd i,d2 兩齒輪的分度圓直徑，單位： mmd1=mz1,d 2=mz2；齒輪的模數(shù)，單位： mm；B i ,B 兩齒輪的寬度，單位：mm近似取Bi=B=B根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，齒輪各部分尺寸關(guān)系：=5m(m為齒輪模數(shù));D1 ' =1.6 ds2 ；D2 d2 2 ;d0=0.25( D2

6、9; D1');C=0.2B。并取12=320mm 13 =280mm 優(yōu)化設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)變量可取為:X=x1 x2 x3 x4 x5 x6 T=B Z1 m l1 ds1 ds2T2、確定約束條件為了避免發(fā)生根切，Z1不小于最小齒數(shù)，即Z1 Zmin=17；(2) 為了保證齒輪承載能力，且避免載荷沿齒寬分布嚴(yán)重不 均，要求16 B/m35；(3) 傳遞動(dòng)力的齒輪，模數(shù)一般應(yīng)大于 2mm；根據(jù)工藝裝備條件，小齒輪直徑不能超過(guò)300mm即d1 300mm；(5) 主、從動(dòng)軸的直徑范圍按經(jīng)驗(yàn)取為 100mm ds1 150mm， 130mm ds2 200mm； 軸的支撐跨距按結(jié)構(gòu)關(guān)系1i

7、B+2 +0.5ds2，其中 為箱 體到軸承中心線(xiàn)的距離，現(xiàn)取=20mm；(7)按齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度條件，有oH 2曜鷹罕h(Mpa)式中：ZE-材料的彈性影響系數(shù)，這里取ZE=189.8( . MPa )；K載荷系數(shù)，這里取K=1.3;Ft-小齒輪所受的圓周力，F(xiàn)t=2M/di,其中di為小齒 輪分度圓直徑，M為小齒輪傳遞的扭矩，由功率和 轉(zhuǎn)速計(jì)算可得M19.55 106 N(kw) (N mm)n( rpm)B齒輪的寬度，mmh - 齒輪的許用接觸應(yīng)力，現(xiàn)按原材料及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)取H =855Mpa(8)按齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度條件，有2KM1 r ”、F f(MPa)Bd1 myF式中：d1 小齒

8、輪分度圓直徑；f-齒輪的許用彎曲應(yīng)力，現(xiàn)按原材料及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)取小齒輪的許用彎曲應(yīng)力f1 =261Mpa大齒輪的許用彎曲應(yīng)力F2=213Mpayf-齒形系數(shù)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，通過(guò)曲線(xiàn)擬合得小齒輪 yF1=0.169+0.00666z1-0.000085z 1 ，大 齒輪2yF2=0.2824+0.0003539z 2-0.000001576z 2；其它字母的含義與條件(7)中相同(9) 主動(dòng)軸剛度條件f=空f(shuō) (mm)48EI式中：P 作用在小齒輪上的法向壓力，N,P=2 M/mziCOS ,其中 為齒輪壓力 角，取=20(注意：三角函數(shù)中角度的單位在FORTRA語(yǔ)言中是“弧度”而不 是“度”)；I軸的慣性矩，對(duì)圓形剖面 匸ds/64 ；E 軸材料的彈性模量，E=2 105Mpaf-軸的許用撓度，mm取f=0.003 h 。2一 b( MPa )(10)主動(dòng)軸的彎扭合成強(qiáng)度條件.M 2( T