第1章优化设计的基本概念及相关理论
● 1.1 概述
● 1.2 优化设计的基本要素和数学模型
● 1.3 多元函数的基本性质
● 1.4 无约束优化问题的极值条件
● 1.5 约束优化问题的极值条件
1.1 概述
●优化设计的概念？
●优化设计是20 世纪60 年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算
技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新的设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。
●优化设计方法的发展？
●传统设计方法只是被动地重复分析产品的性能，而不是主动地设计产品的参数。
作为一项设计不仅要求方案可行、合理，而且应该是某些指标达到最优的理想方案。
虽然设计中的优化思想在古代设计中就有所体现，但直到直至20 世纪60 年代，电子计算机和计算技术的迅速发展，优化设计才有条件日益发展起来。
●优化设计方法的发展？
●现代化的设计工作已不再是过去那种凭借经验或直观判断来确定结构方案，也
不是像过去“安全寿命可行设计”方法那样，。而是借助电子计算机，应用一些精确度较高的力学的数值分析方法（如有限元法等）进行分析计算，并从大量的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案，从而实现用理论设计代替经验设计，用精确计算代替近似计算，用优化设计代替一般的安全寿命的可行性设计。
●优化设计方法的发展？
●近年来，优化设计在汽车设计中的应用也愈来愈广，汽车零部件的优化设计，
各系统的优化匹配等在近十几年也有很大发展，各种减速器的优化设计、万向传动和滚动轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的结构参数优化等都得到了广泛研究。
另外，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD) ，在引入优化设计方法后，使得在设计过程既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可以加快设计速度，缩短设计周期。把优化设计方法与计算机辅助设计洁合起来，使设计过程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。
优化问题示例
图为由两根钢管组成的对称桁架。A处垂直载荷P=300000N，2L=152c m，空心钢管厚度T=0.25c m，材料弹性模量E=2.16X107N/c m2，屈服极限σs=70300N/c m2。
求：在满足强度条件和稳定性条伴下，使体积最小的圆臂直径d和桁架高度H。
解: 为保证桁架可靠地工作，就必须要求杆件具有足够的抗压强度和稳定性。 抗压强度: 杆件截面上产生的压应力不超过材料的屈服极限;
杆内力:
θcos 2p N =
其中：
22cos H L H +=
θ
杆截面压应力：
dTH H L P F N πσ22
2+=
=
抗压强度： σ ≤ σs
稳定性:杆件截面上的压应力不超过压杆稳定的临界应力。 满足稳定性不发生屈曲破坏的条件为：
e σσ≤ 为压杆屈曲极限
按欧拉公式：
)(222H L F EI
e +=
πσ
I 为圆管的剖面惯性矩要求在具有足够的抗压强度和稳定性的条件下，求总体积 最小的杆件尺寸参数H 和d ， 结构总体积：
)
(222H L Td W +=π
要求满足：
)
(222H L Td W +=π ⑴抗压强度
)(22≥+-T d H H L P s πσ ⑵稳定性强度
)()(8)
(2222222≥+-++TdH H L P H L T d E ππ
问题的最优解为：d=4.77cm ; H=51.31cm 最优点的体积为：W=686.73cm3
1.2优化设计的基本要素和数学模型
● 优化设计包括建立优化问题的数学模型和选择恰当的方法寻求最优方法。本节简要叙
述优化设计的数学模型及涉及的基本术语。 1. 1.2.1设计变量
● 在一项设计中，有些参数的数值可根据设计对象的具体情况预先给定，这些参数称
为设计参数。如导入实例中传动轴的计算转矩、最高工作转速等都是设计常数。而另一些参数的数值则要在设计过程中优选确定，这一部分参数可看作是变量，称为设计变量。 ● n 个设计变量按一定顺序排列成数组，称为n 维列向量，表示为：
[]
T
n n x x x x x x X 2121=?????
???????=(1-1)
● 其中，（i=1,2，，n ）是n 维向量的分量。
n 个设计变量组成一个n 维向量。而以n 个设计变量为坐标轴则构成一个实空间，称为
n 维实欧式空间，用 表示。在这个空间中，任意一个点都表示一组设计变量的确定值，这种点称为设计点，它代表一个设计方案。由于这个空间包含着无数设计点，所以称它为设计空间。
设计空间是所有设计方案的集合，用
符号表示。设计空
间中任一个设计方案，被认为是从设计空间原点出发的设计向量。 对于二维和三维设计空间，可以通过作图直观地理解上述概念。
（a ）二维设计平面 （b ）三维设计平面
图1-2 设计空间示意图
X
∈n
E
设计变量的个数决定了设计空间的维数，而设计空间的维数又表征设计的自由度。设计变量愈多，则设计的自由度愈大，求解亦愈复杂。故通常在保证必要的设计精度的前提下，设计变量尽可能取少些。
设计变量有连续变量和离散变量两种形式。设计变量的值是连续变化的，称为连续变量。例如结构的长度尺寸、角度、重量等，可以在一定范围内任意取值。但在一些情况下，设计变量的值只能按某种离散数列来变化，则称为离散变量。例如齿轮的齿数、模数、钢丝直径等，不能任意取值，只能在规定的数列中取值。 ● 1.2.2 约束条件
● 如前所述，设计空间是所有设计方案的集合，但实际上并不是任何一个设计方
案都是可行的。例如出现负值的面积、长度等。因此，在设计过程中，为了得到可行的设计方案，必须根据实际的要求，对设计变量的取值加以限制。这种限制条件就是设计的约束条件。因每一个约束条件都是设计变量的函数，故又称约束函数。 ● 1. 约束条件的形式
● 约束条件可以用数学等式或不等式来表示。等式约束对设计变量的约束严格，其形
式为
)
n p ,,2,1(0
),,,()(21<=== v x x x h X h n v v
● 在机械设计优化中，不等式约束更为普遍，它的形式为
)
m ,,2,1(0
),,,()(21 =≤=u x x x g X g n u u ● 式中，p 、m 分别表示施加于该项设计的等式约束条件数和不等式约束条件数。 ● 约束条件也可以根据约束函数的性质分为显约束和隐约束两种。 ● 显约束是指有明确设计变量函数关系的一种约束条件；
● 而隐约束则是对某个或某组设计变量的间接限制条件，是设计变量的一个可计算函数。如一个复杂机构的最大工作应力可能是通过有限元方法计算得到的等等。 ● 另一种分类法是将约束条件分为边界约束和性能约束。 ● 边界约束又称为区域约束，用以限制某个设计变量的变化范围，或规定某组变量间的相对关系。边界约束属于显约束。 ●
性能约束又称性态约束，它是指机械工作性能或状态要求的限制条件，是根据对机械的某项性能要求而构成的设计变量的函数方程。例如，机械零件的强度、刚度、效率或振动频率的允许范围。这类约束函数，可根据力学和机械设计的公式与规范导出，所以性能约束通常是隐约束，但也有显约束的情况。 ● 2．可行设计区域与非可行设计区域
●
一个不等式约束将n 维实欧式设计空间分成两部分：一部分是满足约束条件的设计点，称为可行设计点，可行设计点的集合R 称为可行设计区域；另一部分是不满足约束条件的设计点，称为非可行设计点，这种设计点的集合称为不可行区域。 ●
2．可行设计区域与非可行设计区域
)
m ,,2,1(0
),,,()(21 =≤=u x x x g X g n u u
的可行设计区域即在该曲线的AB 段
{}
u |()0,()0,1,,;1,,v R X g X h X u m v p =≤===
● 1.2.3 目标函数
● 要从许多可行设计方案中评选出一个最优的方案来，就得有一个衡量设计方案的标
准。若能把这个“标准”表示为设计变量的可计算函数，优化这个函数，则可以取得最优设计方案。这里的函数称为目标函数或评价函数，它是以设计变量为自变量，以所要求的某种目标为因变量，按一定关系所建立的用以评价设计方案优劣的数学关系式，记作
通常都写成追求目标函数值最小的形式，即
12()(,,,)
n f X f x x x =
● 1.2.3 目标函数
● 目标函数有单目标函数和多目标函数之分。用一个评价标准建立的目标函数
称为单目标函数，单目标函数的最优化问题称为单目标优化问题。如果同时兼顾几个评价标准建立的目标函数，则称为多目标函数，在同一个设计中提出多个目标函数的优化问题，称为多目标优化问题。 ● 1.2.4优化设计的数学模型
● 优化设计问题的数学模型是实际设计问题的特性和本质的抽象，是反映各主
要因素之间内在联系的一种数学形态。优化设计的数学模型一般包括设计变量、目标函数和约束条件三个基本要素，其含义为，在满足一定的约束条件下，选取设计变量，使目标函数值达到最小。
min ()n
X E
f X
∈
1.2.4 优化设计的数学模型
●如果目标函数、约束函数中有一个或多个是的非线性函数，则称此优化问题为非线性规
划问题。
●上式表示的优化设计数学模型，称为约束优化问题。若式中的m=p=0，即不存在任何
约束条件，则称此问题为无约束优化问题。在工程实际问题中，不加任何限制条件的设计问题是不多的，绝大多数都是约束优化问题。但因为无约束优化问题是约束优化方法的基础，所以在第3章将详细介绍无约束优化方法。
建立数学模型是最优化过程中极为重要的一步，数学模型的好坏将直接影响设计质量。
1.3 多元函数的基本性质
● 本节首先对目标函数和约束函数的某些性质、目标函数达到最优解的某些规律作些必要
的讨论。同时，对优化设计所涉及的多元函数的极值理论的基本概念及有关的数学知识作些阐述。这些都是机械优化设计方法的理论基础。 1.3.1. 目标函数的等值面（线）
● 优化设计的目标函数一般可表示为设计变量的可计算函数。也就是说，若给定一个设计
方案，即给定一组的值（实值）时，目标函数必有一确定的数值。那么，若给定函数值，则有无限多组的数值与之相对应。也就是说，当时，在设计空间中有一个点集。一般情况下，此点集是一曲面或超曲面，称之为目标函数的等值面。
0)(24≥=x x g 二维函数的等值线
● 等值面具有以下几个性质：.
● 1）不同值的等值面之间不相交。这是因为目标函数一般都是单值函数。
● 2） 除了极值点所在的等值面外，其余的等值面不会在区域的内部中断。这是因为目标
函数都是连续函数。
● 3） 等值面稠密的地方，目标函数值变化快；稀疏的地方变化慢。
● 4） 一般地，在极值点附近，等值面（线）近似地呈现为同心椭圆面族（椭圆族）。 1.3.2. 方向导数和梯度
● 1.偏导数 众所周知，对于一元函数，可用导数来描述函数相对于自变量的变化率。
同样，对于多元函数，可用偏导数的概念来研究函数值相对于其中一个自变量（其余自变量保持不变）的变化率。
1
x 2
x 3
x )
,(21x x f )
,(21x x
()
1(0)
(0)
(0)(0)
(0)
1
121
2
01
1
(,)()
lim x f x x x f x x f X x x ?→+?-?=??，()
2(0)(0)(0)(0)(0)
1221202
2
(,)()
lim x f x x x f x x f X x x ?→+?-?=??，1.偏导数
● 对于n 元函数，则函数在点处沿各坐标轴的一阶偏导数分别为
(0)
(0)(0)
12()()()
,n f X f X f X x x x ?????? ，，
● 它们是一组标量值，也是该函数在点处沿各坐标轴这些特殊方向的变化率。 2.方向导数
● 设二维函数，在点
(0)X 引一方向S ，与X 轴和Y 轴之夹角分别为 1α 、
2α ，在Ｓ方向上任取一点 (1)X ，其坐标为
(0)(0)
1
12
2
(,)T x
x x x +?+?两点之间的距离为：
●
2
2
12()()
x x ρ=?+?
● 由此可得，目标函数在处沿Ｓ方向的平均变化率为
()
(0)(0)
(0)(0)
1
1221
2
12(,)(,)f x
x x x f x x f x x ρ
ρ
+?+?-?=，
(0)
(0)
(0)
12()()()
,n f X f X f X x x x ?????? ，，
● 如果上式极限存在，则称此极限为函数在点处沿Ｓ方向的方向导数，记作
()
(0)
(0)
(0)(0)
(0)
1
12
21
2
0(,)()
lim f x x x x f x x f X S
ρρ
→+?+?-?=?，显然，方向导数是函数在某点沿给定方向的变化率，所以，可以把它看成偏导数的推广，并可用偏导数来表示：
(0)
(0)
(0)
12
12
()()()
cos +cos f X f X f X S x x αα???=???
● 同理，对于n 维函数，若方向与各坐标轴方向间的夹角分别为，则函数在点沿Ｓ方向的
方向导数为
(0)
(0)
1
()()
cos n
i
i i f X f X S x α=??=??∑
3.梯度 我们把取得方向导数最大值的向量定义为函数在该点的梯度，简记作grad f 或。由此可知，目标函数的梯度方向是指函数值增长最快的方向。
(0)(0)(0)12
12
()()()cos +cos f X f X f X S x x αα???=??????
???????
??????=212)
0(1
)0(cos cos )()(ααx X f x X f
(0)
(0)(0)(0)
()()()cos((),)T f X f X S f X S f X S S
?=?=??? 当S 取
(0)
()f X ?方向（即(0)
cos((),)f X S ?=1）时，其方向导数的值为最
大。
上述梯度的概念可推广到n 维函数，设函数在定义域有连续偏导数（i=1,2，…，n ）,则函数在某点的梯度是以其在该点的偏导数为分量的向量，即
T
n x X f x X f x X f X
f ?
???????????=?)(,,)(,)()()
0(2)0(1
)0()
0(
● 函数的梯度在优化设计中具有非常重要的作用。现将它的一些基本性质归纳如下：
● 1）设函数定义于n 维实欧式设计空间En 内，并且是连续和可微的。若为中的某一个设
计点，则函数在点的梯度就是对设计变量（i=1,2，…，n ）一阶偏导数组成的一个列向量，记作
T
n k k k n k k k k x X f x X f x X f x X f x X f x X f X f ????????????=???
?????
?
?????????????????=?)
(,,)(,)()()()()()(2)(1)()(2)(1)()( 因此，函数在某点的梯度是一个向量，其方向是函数在该点变化率最大的方向，其模就是函
数在该点的最大变化率。
● 2）函数在点的梯度与过点的等值线（或等值面）的切线是正交的，即梯度方向是等值
线（或面）的法线方向。
● 3）负梯度向量是函数在该点的最速下降方向。
● 4）函数在某点有极值，该点所有一阶偏导数都等于零，即极值点的梯度。 1.2.3.多元函数的泰勒Taylor 表达式
● 由高等数学可知，对于一元函数，在点附近若存在1到n+1阶导数，则其可以展开成如
下的泰勒形式:
()
'()
()
''()()2
1()()()()()()
2!
k k k k k f x f x f x x x f x x x =+-+-()()()1()()!
n k k n
n
f x x x R n ++-+
● 1.2.3.多元函数的泰勒Taylor 表达式
● 设多元目标函数在点有连续的n+1阶偏导数，则在这一点邻近的泰勒展开式取到二次项
时为:
()()
()
()
1()()()k n
k k i i i i f X f X f X
x x x =?≈+-?∑
()()2
()
()()
,11()2k n
k k i i j j i j i j
f X x x x x x x =?+--??∑
● 写成向量矩阵形式 :
?
?????????--??????????+≈)()
(11)
(1)()
()()()()(k n n
k n k k k x x x x x X f x X f X f X f []
??
?
???????--??????
?
?????????????????--+)()(112)(21)(21)
(22
1)(2)
()(11)()()()(2
1k n n k n k n k n k k k n n k x x x x x X f x x X f x x X f x X f x x x x
● 简写为为:
()
()
()
()
()
()()()T
k k k f X f X
f X
X X ≈+?-
● 无约束极值问题的一般提法是在无约束情况下的最优化问题，实际上是求目标函数的极
值问题。极值是函数的极大值和极小值的统称，使函数取得极值的点称为极值点。 ● 对于多变量复杂的目标函数，当其不是单峰函数时，则有几个极值点，各个极值点都称
为局部极值点，或局部最优点，这些局部最优点和它们的目标函数称为局部最优解。若某一个局部最优解为全域中所有局部最优解中的最小（或最大）者，则称这个解为全域最优解，此极值点称为全域最优点。 1.4.1. 无约束函数极值的必要条件
● 多元函数在点达到极值的必要条件是函数在该点的梯度等于零（零向量）。
T
X
X n n x X f x X f x X f X f =???
?
????????=?*)()()()(1
*
● 与一元函数一样，我们将满足上式的点称为多元函数的驻点或稳定点。
1.4.
2. 无约束函数极值的充分条件
● 仅求出函数的驻点，还无法确定函数的极值点；即使是极值点，也无法确定是极大点还
是极小点。为了解决这个问题，数学上给出了一些判断极值点的充分条件，这里仅介绍和讨论海赛矩阵判别法。 ● 其基本定理叙述如下：设
()
f X 具有连续的二阶偏导数， *
X 为它的一个稳定点，则
*X 为
()
f X 的一个极小点的充分条件是的海赛矩阵为正定的。
● 由线性代数可知， n n ? 阶方阵的正定与负定可通过矩阵各阶主子式的正负来判别。
若矩阵A 的各阶主子式均大于零，则该矩阵为正定。
若所有奇数阶顺序主子式均小于零，而所有偶数阶顺序主子式均大于零，则该矩阵为负定。
● 1.5.1 函数的凸性与凸函数 ● 1.凸集与凸函数
设D 为维欧氏实空间中设计点的一个集合，若其中任意两点的连线都属于集合，则称这种集合为维欧氏空间中的一个凸集。 ● 1.5.1 函数的凸性与凸函数 ● 1.凸集与凸函数
● 函数的凸性表现为单峰性。对于具有凸性特点的函数来说，其极值点只有一个。
因此，这种具有凸性或只具有唯一的局部最优值的函数，称为凸函数或单峰函数。 ● 设 为定义在维欧氏空间中的一个凸集上的函数，若对任何实数以及对中
任意两点、恒有
● 如果将上式中的等号去掉而写成严格的不等式，则函数是一个严格凸函数
)(X f 1140a =>
1.凸集与凸函数
)
()1((])1([)
2()
1()
2()
1(X
f X
f X
X
f α-+α≤α-+α
2.凸函数的基本性质
● 2.凸函数的的判定判断一个函数是否具有凸性，除可以利用上述凸函数的一些简单
性质外，更一般的是借助如下两个函数的凸性条件。
● 1.5.2 约束问题的最优解条件
● 1.约束极值问题所谓目标函数的约束极值问题，就是指目标函数在等式约束或不等式
约束条件下，其目标函数最小（或最大）点的存在条件。有时也称它为条件极值问题。
●显然，约束的极值问题比无约束的极值问题更为复杂，因为约束最优点不仅与目标函数
的性质有关，而且还与约束函数的性质有关。因此，一般说来，目标函数的无约束最优解不一定是它的约束最优解。
●图所示的目标函数是凸函数，三个约束方程的边界值在设计空间中形成的可行域是一个
凸集。由图中可以看到，椭圆形等值线族的中心点是目标函数的无约束最优点，由于处在可行域内，故它也是目标函数的约束最优点。由此可以看出，当所有的约束条件对最优点都不起作用时，可以不考虑这些约束，而用第三节中无约束极值条件来确定极小点。
●图所示的目标函数和约束函数都是凸函数。约束边界与目标函数的等值线在点相切，而
将目标函数的无约束极值点划到可行域之外，因此，目标函数的约束最优点就是切点。
这里只有约束曲线是起作用约束。
2. 约束极值的必要条件任何有约束条件（不等式和等式约束）问题的最优解，不论是局部的还是全域的，都必须满足库恩—塔克条件。
（a）不是约束最优点(b) 是约束最优点
（a）不是约束最优点(b) 是约束最优点
机械优化设计综述与应用 苟晓明 （重庆理工大学重庆汽车学院，重庆市400054） 摘要：机械优化设计是一门实践性很强的综合性学科，在现代机械设计中占有非常重要的地位，其应用价值十分高，是非常有发展潜力的研究方向。文章对机械优化设计的基本理论，基本研究思路、优化设计方法、软件的应用情况以及应用中可能遇到的问题等分别进行了简述，分析了优化设计应用的发展趋势。并应用Matlab优化工具箱对产品进行了优化设计应用实例分析。 关键词：机械优化设计；优化方法；蜗杆传动；Matlab Summary of Mechanical Optimal Design and Application GOU Xiao Ming (Chongqing University of Technology, Chongqing Automobile Institute,Chongqing,400054,Chain) Abstract: Mechanical optimal design is a very practical comprehensive discipline, it plays a very important role in modern mechanical design. Its value is very high, and is very promising research direction. This article summarized the basic theory of optimal design, research ideas, optimal design method, the application of software and possible problems in use the software. Analyze the application and trends of optimization methods. And use Matlab optimization toolbox to analyze the optimal design of products. Key words：mechanical optimal design; optimization method;worm transmission; Matlab 0 引言 优化设计是20世纪60年代发展起来的，以数学规划理论为基础，根据最优化的原理和方法，应用计算机技术，寻求最优设计参数的一种新方法，为工程设计提供了一种重要的科学设计方法。优化设计首先需根据工程需要将实际问题转化成数学模型，然后选择合理的优化方法，通过计算机求得最优解。能使设计周期大大缩短，提高计算精度、设计效率和设计质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它已广泛应用于各个工业部门，已成为设计方法的一个重要发展趋势。 1 优化设计基本概念 机械优化设计就是在满足给定的载荷、环境条件、产品的形态、几何尺寸关系或其它约束条件下,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立目标函数和约束条件, 利用数值优化计算方法使目标函数获得最优设计方案一 种现代设计方法]3 1[ 。进行最优化设计时，首先必须将实际问题加以数学描述，形成一组由数学表达式组成的数学模型，然后选择一种最优化数值计算方法和计算机程序，在计算机上运算求解，得到一组由数学表达式组成的最优设计参数。利用优化设计，可进一步改善和提高产品的性能；在满足各种设计条件下减少产品或工程结构重量，从而节省产品成本消耗、降低工程造价;可以进一步提高产品或工程设计效率。因此，优化设计是直接提高产品设计性能、降低产品成本的有效设计方法。优化设计可给企业带来直接的经济效益，从而提高企业产品的竞争能力。 优化设计的目标是使设计对象最优，而优化设计的手段是计算机及优化计算软件。优化计算软件是以优化计算方法为基础而形成的应用程序系统。因此，优化设计还可以被理解为采用计算程序的从设计空间搜索最佳设计方案的现代设计手段。优化设计与常规设计相比具有借助计算机为工具的明显特征。优化设计中优化计算方法的数学基础包括线性规划、非线性规划、动态规划、几何规划等内容的数学规划理论。 优化设计一般包含如下主要内容:①将设计中的实际物理模型抽象为数学模型。确定设计过程中主要的设计目标和设计条件，在此基础上构造评价设计方案的目标函数和约束条件等。②数学模型的求解。根据数学模型的性质，选择合适的优化方法，并利用计算机进行数学模型的求解，得到优化设计方案。 任何机械设计问题，总是要求满足一定的工作条件、载荷和工艺等方面要求，并在强度、刚度、
汽车总体设计 4.发动机选型 发动机选型的依据因素很多，如汽车的类型、用途、使用条件、总布置型式、总质量及动力性指标、经济性要求、材料和燃料资源、排气污染和噪声方面的法规限制、已有的发动机系列及其技术指标水平、技术发展趋势、生产条件与制造成本、市场预测情况以及将来的配件供应及维修条件等，通常要经过多种方案的比较甚至通过先行的试验研究才能选定一个好的方案。 4.1 发动机基本形式的选择 至今世界上绝大多数的汽车都是采用往复活塞式内燃机，其中绝大多数的轿车采用汽油机，而几乎全部的重型货车、绝大多数的中型货车和相当一部分轻型货车则采用柴油机。近二三十年来在极少数汽车上采用了转子发动机、燃气轮机、高能蓄电池和电动机等动力装置。为消除污染以蓄电池为能源的电动汽车受到各国的重视，列为发展方向并在加紧研制中。但从目前的情况来看，在相当长的时期内，往复式内燃机仍将是汽车发动机的主要型式。因此，这里仅就汽车内燃机的选型问题进行讨论。 在汽车发动机基本型式的选择中首先应确定的是采用汽油机还是柴油机，其次是气缸的排列型式和发动机的冷却方式。 就世界范围而言，大型汽车的发动机已经柴油化，中型汽车也多采用柴油机，轻型载货汽车采用柴油机的也不少，甚至欧洲已将小型高速柴油机用到某些轿车上。与汽油机相比，柴油机具有油耗低、燃料经济性好、无点火系统，故障少、工作更可靠，耐久性好、寿命长，排气污染较低和防火安全性好等优点。但一般柴油机的振动及噪声较大，轮廓尺寸及质量较大，造价较高，起动较困难并易冒黑烟。近年来，由于柴油机在产品设计和制造工艺方面的不断完善，其上述缺点已得到较好的克服。较大马力、高转速、低噪声、小型化且运转平稳的柴油机的研制开发成功，使装柴油机的轻型汽车日益增多，在轿车上的装用也取得成功。但预计在今后相当长的一段时期内，考虑到燃料使用的平衡及汽油机的转速高、升功率高、转矩适应性较好、轮廓尺寸及质量较小、
第一章习题答案 1-1 某厂每日（8h 制）产量不低于1800件。计划聘请两种不同的检验员，一级检验员的标准为：速度为25件／h ，正确率为98％，计时工资为4元／h ；二级检验员标准为：速度为15件／h ，正确率为95％，计时工资3元／h 。检验员每错检一件，工厂损失2元。现有可供聘请检验人数为：一级8人和二级10人。为使总检验费用最省，该厂应聘请一级、二级检验员各多少人？ 解：（1）确定设计变量； 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = ?? ????=? ??? ??二级检验员一级检验员 21x x ； （2）建立数学模型的目标函数； 取检验费用为目标函数，即： f (X ) = 8*4*x 1+ 8*3*x 2 + 2（8*25*0.02x 1 +8*15*0.05x 2 ） =40x 1+ 36x 2 （3）本问题的最优化设计数学模型： min f (X ) = 40x 1+ 36x 2 X ∈R 3· s.t. g 1(X ) =1800-8*25x 1+8*15x 2≤0 g 2(X ) =x 1 -8≤0 g 3(X ) =x 2-10≤0 g 4(X ) = -x 1 ≤0 g 5(X ) = -x 2 ≤0 1-2 已知一拉伸弹簧受拉力F ，剪切弹性模量G ，材料重度r ，许用剪切应力[]τ，许用最大变形量[]λ。欲选择一组设计变量T T n D d x x x ][][2 32 1 ==X 使弹簧重量最轻，同时满足下列限制条件：弹簧圈数3n ≥， 簧丝直径0.5d ≥，弹簧中径21050D ≤≤。试建立该优化问题的数学模型。 注：弹簧的应力与变形计算公式如下 3 22234 881 ,1,(2n s s F D FD D k k c d c d Gd τλπ==+==旋绕比）， 解： （1）确定设计变量； 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = ????? ? ????=??????????n D d x x x 2321； （2）建立数学模型的目标函数； 取弹簧重量为目标函数，即： f (X ) = 322 12 4 x x rx π （3）本问题的最优化设计数学模型：
**公司 3.7万吨/年甲基聚醚项目（二期1.85万吨） 总体试车方案 编制： 审核： 编制日期：年月日 目录
1.方案编制目的 为了组织协调生产线各装置之间包括上下游装置之间，主要生产装置和公用工程装置之间的相互配合关系，验证工艺设计可行性，设备的可靠性，安全设施的有效性，安全顺利而又最经济的运行本项目的生产设施，制定本试车方案。 2.试车方案、内容 2.1建设项目完成情况 **公司3.7万吨/年甲基聚醚项目位于南京化学工业园区，项目经**发展与改革委员会南京化学工业园区管委会批准，于2007年12月开工建设，共有职工40人，其中技术人员9人。 **公司一期1.3万吨/年聚醚项目于2009年11月25日已投入生产运营； 3.7万吨/年甲基聚醚项目（一期1.85万吨/年）于2012年2月1日通过验收投入生产使用；3.7万吨/年甲基聚醚项目（二期1.85万吨/年）设备安装于2011年11月开始进行，目前所有主、辅生产设备、管线、控制系统、电气设施、消防设施、安全环保设施已全部安装完成。设备试压、管线吹扫、气密性试验、设备调试、特种设备、安全附件检验检测已全部完成，土建委托江苏建科监理有限公司实施工程监理，设备安装工程委托南京华源工程管理有限公司实施工程监理，对公司土建及安装工程质量及竣工验收负责。 本工程负责设计、评价、土建施工、设备安装、监理单位如下： 1、总平规划设计：委托**工程设计有限公司进行规划设计；
2、委托**工程咨询有限公司进行项目设立安全评价； 3、厂房设计委托**工程设计有限公司进行设计； 4、土建工程由**建设集团有限公司中标施工；设备安装工程由中国化学工程第四建设有限公司江苏分公司中标安装； 5、特种设备全部由中国化学工程第四建设有限公司江苏分公司进行安装，安装工程已全部结束，并通过检测验收； 6、委托江苏建科监理有限公司和南京华源工程管理有限公司分别对土建及设备安装工程进行监理工作，对工程质量负责。 2.2建设项目安全设施的检测检验情况 1、所有特种设备、消防设施、安全设施出厂资料、安装、验收资料齐全； 2、特种设备包括：预制釜、聚醚预反应器、聚醚反应器、换热器、中和反应釜、压力管道等，全部经**锅炉压力容器检验研究院检验合格；叉车、电动葫芦经**特种设备检测研究院检验合格，取得特种设备使用证；安全附件安全阀取得校验合格报告，压力表、温度计取得检定合格证书； 3、消防设备和管线由江苏中恒通信系统有限公司施工安装，经**消防局消防大队验收合格； 4、防雷防静电设施经**六合区气象局防雷设施检测所检验合格。 2.3生产、储存的危险化学品品种及设计能力 主要原材料使用量及最大储存量（表1）
第一章汽车总体设计 1.汽车的主要参数分几类?各类又含有哪些参数?各质量参数是如何定义的? 答：汽车的主要参数有尺寸参数、质量参数和性能参数。尺寸参数包括外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬、货车车头长度和车厢尺寸。质量参数包括整车整备质量m、载质量、质量参数、汽车总质量和轴荷分配。性能参数包括动力性参数、燃油经济性参数、最小转弯直径、通过性几何参数、稳定操作性参数、舒适性。 参数的确定:①整车整备质量m：车上带有全部装备（包括备胎等）,加满燃料、水，但没有装货和载人的整车质量。②汽车的载客量:乘用车的载客量包括驾驶员在内不超过9座。③汽车的载质量：在硬质良好路面上行驶时,允许的额定载质量。④质量系数：载质量与整车整备质量之比, ⑤汽车总质量：装备齐全，且按规定满客、满载时的质量。⑥轴荷分配:汽车在空载或满载静止时，各车轴对支承平面的垂直负荷,也可用占空载或满载总质量的百分比表示。 2．发动机前置前轮驱动的布置形式，如今在乘用车上得到广泛采用，其原因究竟是什么?而发动机后置后轮驱动的布置形式在客车上得到广泛采用，其原因又是什么？ 答：前置前驱优点:前桥轴荷大,有明显不足转向性能,越过障碍能力高，乘坐舒适性高,提高机动性,散热好，足够大行李箱空间，供暖效率高，操纵机构简单，整车m小，低制造难度后置后驱优点：隔离发动机气味热量,前部不受发动机噪声震动影响，检修发动机方便,轴荷分配合理,改善后部乘坐舒适性,大行李箱或低地板高度，传动轴长度短。 3．何为轮胎的负荷系数，其确定原则是什么? 答：汽车轮胎所承受的最大静负荷值与轮胎额定负荷值之比称为轮胎负荷系数。确定原则:对乘用车,可控制在0．85-1．0０这个范围的上下限；对商用车,为了充分利用轮胎的负荷能力,轮胎负荷系数可控制在接近上限处。前轮的轮胎负荷系数一般应低于后轮的负荷系数。 4.在绘总布置图时,首先要确定画图的基准线，问为什么要有五条基准线缺一不可？各基准线是如何确定的？如果设计时没有统一的基准线,结果会怎样？ 答:在绘制整车总布置图的过程中,要随时配合、调整和确认各总成的外形尺寸、结构、布置形式、连接方式、各总成之间的相互关系、操纵机构的布置要求,悬置的结构与布置要求、管线路的布置与固定、装调的方便性等。因此要有五条基准线才能绘制总布置图。 绘图前要确定画图的基准线(面）。确定整车的零线(三维坐标面的交线)、正负方向及标注方式，均应在汽车满载状态下进行，并且绘图时应将汽车前部绘在左侧。确定整车的零线、正负方向及标注方式，均应在汽车满载状态下进行,并且绘图时应将汽车前部绘在左侧。１.车架上平面线；2.前轮中心线；3.汽车中心线；4.地面线;5.前轮垂直线。 ５.将结构与布置均适合右侧通行的汽车，改为适合左侧通行的汽车，问此时汽车上有哪些总成部件需重新设计或布置？ 答：①发动机位置（驾驶员视野)②传动系③转向系④悬架⑤制动系⑥踏板位置⑦车身内部布置 6.总布置设计的一项重要工作是运动校核，运动校核的内容与意义是什么？ 答:内容：从整车角度出发进行运动学正确性的检查；对于相对运动的部件或零件进行运动干涉检查 意义:由于汽车是由许多总成组装在一起，所以总体设计师应从整车角度出发考虑，根据总体布置和各总成结构特点完成运动正确性的检查;由于汽车是运动着的，这将造成零、部件之间有相对运动，并可能产生运动干涉而造成设计失误,所以,在原则上，有相对运动的地方都要进行运动干涉检查。 第二章离合器设计 1．离合器主要由哪几部分构成，各部分的结构设计方案有哪些？
机械优化设计方法概述 摘要 机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用,其基本思想是根据机械设计的理论,方法和标准规范等建立一反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型,然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。作为一门新兴学科，它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上，通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案，使期望的经济指标达到最优，它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题。优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法。因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。本文论述了优化设计方法的发展背景、流程，并对无约束优化及约束优化不同优化设计方法的发展情况、原理、具体方法、特点及应用范围进行了叙述。 关键词：机械优化设计；约束；特点；选取原则 Mechanical optimization design is optimized technology in the field of mechanical design and application of transplantation, its basic idea is based on mechanical design theory, methods and standards to establish a reflect problems in engineering design and meet the requirements of the mathematical programming model, and then applying the mathematical programming method and computer technology to find out the design problem of the optimal scheme of automatic. As a new subject, which is based on the theory of mathematical programming and computer program design basis, by numerical calculation, from the large number of design so as to improve or the most suitable design, so that the desired economic index optimal, it can successfully solve the analysis and other methods are difficult to deal with complex problem. Optimization design and provides an important scientific design method. So using this design method can greatly improve the design efficiency and design quality. This paper discusses the optimized design method of the background, development process, and to the unconstrained and constrained optimization of different optimal design method for the development, principle, methods, characteristics and scope of application are described. Key words: mechanical design optimization; constraint; characteristics; selection principle.
《机械优化设计》课程教学大纲 一．课程基本信息 开课单位：机械工程学院 英文名称：Mechanical Optimize Design 学时：总计48学时，其中理论授课36学时，实验（含上机）12学时 学分：3.0学分 面向对象：机械设计制造及其自动化，机械电子工程等本科专业 先修课程：高等数学，线性代数，计算机程序设计，工程力学，机械原理，机械设计 教材：《机械优化设计》，孙靖民主编，机械工业出版社，2012年第 5版 主要教学参考书目或资料： 1.《机械优化设计》，陈立周主编，上海科技出版社，1982年 2.《机械优化设计基础》，高健主编，机械工业出版社，2000年 3. 其它教学参考数目在课程教学工作实施前另行确定 二．教学目的和任务 优化设计是60年代以来发展起来的一门新学科，它是将最优化方法和计算机技术结合、应用于设计领域而产生的一种现代设计方法。利用优化设计方法可以从众多的设计方案中寻找最佳方案，加快设计过程，缩短设计周期，从而大大提高设计效率和质量。优化设计方法目前已经在机械工程、结构工程、控制工程、交通工程和经济管理等领域得到广泛应用。在机械设计中采用最优化方法，可以加速产品的研发过程，提高产品质量，降低成本，从而达到增加经济效益的目的。学生通过学习《机械优化设计》课程，可以掌握优化设计的基本原理和方法，熟悉建立最优化问题数学模型的基本过程，初步具备对工程中的优化设计问题进行建模、编程和计算的应用能力，为以后从事有关的工程技术工作和科学研究工作打下一定的基础。 三．教学目标与要求 本门课程通过授课、计算机编程等教学环节，使学生了解优化设计的基本思想，优化设计在机械中的作用及其发展概况。初步掌握建立数学模型的方法，掌握优化方法和使用MATLAB优化工具箱能力。并具备一定的将机械工程问题转化为最优化问题并求解的应用能力 四．教学内容、学时分配及其基本要求 第一章优化设计概述（2学时） （一）教学内容 1、课程的性质、优化的含义；优化方法的发展与应用；机械优化设计的内容及目的；机械优化设计的一般过程 2、机械优化设计的基本概念和基本术语；优化设计的数学模型；优化问题的几何描述；优化设计的基本方法 （二）基本要求 机械优化设计的内容及目的。明确优化的含义、任务，性质、内容、明确本课程的研究对象、、1． 2、了解机械忧化设计的一般过程（步骤）。 3、掌握设计变量、目标函数、约束条件以及优化设计数学模型的一般形式。 第二章优化方法的数学基础（6学时） （一）教学内容 1、函数的梯度与二阶导数
摘要 汽车的总体设计是汽车设计工作中最重要的一环，它对汽车的设计的质量、使用性能和在市场上的竞争力有着决定性的影响。因为汽车性能的优劣不仅与相关总成及部件的工作性能有密切关系，而且在很大程度上还取决于有关总成及部件间的协调与参数匹配，取决于汽车的总体布置。 货车的总体设计主要包括货车的参数确定，发动机和轮胎的选择，总体布置和动力性的计算等一系列重要的步骤。其中参数的确定又包括了汽车的质量参数，主要尺寸和性能参数的计算等。而本次课程设计同时应用到了EXCEL，AutoCAD等计算机辅助软件，再通过多次校核质心位置和各部分的总成以保证货车的轴荷分配合理。 关键词：货车总体设计；整备质量；动力性；燃油经济性。
第1章汽车的总体设计 1.1 汽车总体设计的特点 汽车主要在宽度有限的道路上行驶，同时与汽车比较，还有人、自行车、摩托车等弱势群体也在使用同一道路，因此存在交通隐患。为了在有限的道路上容纳更多的车辆运行，减少交通事故以及从汽车造型和减轻质量等方面考虑，对汽车的外形尺寸需要予以限制。 1.2汽车总体设计的基本要求 (1)汽车的各项性能、成本等，要求达到企业在商品计划中所确定的指标。 (2)严格遵守和贯彻有关法规、标准中的规定，注意不要侵犯专利。 (3)尽量大可能地去贯彻三化，即标准化、通用化和系列化。 (4)进行有关运动学方面的校核，保证汽车有正确的运动和避免运动干涉。 (5)拆装与维修方便。 1.3汽车总体设计的一般顺序 (1)调查研究与初始决策；其任务是选定设计目标，并制定产品设计工作方针及设计原则，调查研究的内容应包括：老产品在服役中的表现及用户意见；当前本行业与相关行业的技术发展，特别是竞争对手的新产品与新技术；材料、零部件、设备和工具等行业可能提供的条件；本企业在科研、开发及生产方面所取得的新成果等等，它们对新产品设计是很有价值的。 (2)总体方案设计；其任务是根据领导决策所选定的目标及对开发目标制定的工作方针、设计原则等主导思想的设想，因此又称为概念设计或构思设计。为此要绘制不同的总体方案图（比例为1 ：10 ）供选择。在总体方案图上进行初步布置和分析，对主要总成只画出大轮廓而突出各方案间的主要差别，使方案对比简明清晰。经过方案论证选出其中最佳者。 (3)绘制总布置草图，确定整车主要尺寸、质量参数与性能指标以及各总成的基本型式。在总布置草图上要较准确地画出各总成及部件的外形和尺寸并进行仔细的布置，对轴荷分配和质心高度作计算与调整，以便较准确地确定汽车的轴距、轮距、总长、总宽、总高、离地间隙、货厢或车身地板高度等，并使之符合有关标准和法规；进行性能计算及参数匹配。
机电工程学院 毕业设计方案 论证报告 设计题目：轿车总体设计 学生姓名： 学号: 专业班级： 指导教师： 年月日
目次 １轿车的发展现状和发展趋势 (2) 2汽车总体设计分析 (3) 3汽车形式论证选择 (4) 3.1轴数和驱动形式的选择 (4) ３.２布置形式的选择 (4) 4轿车主要参数的选择 (8) 4.1尺寸参数…………………………………………………………………８ 4.2轿车质量参数的选择 (9) 5轿车发动机的选择…………………………………………………………９ ６汽车轮胎的选
择……………………………………………………………１1 论证结果.................................................................................1３参考文献 (13) 1轿车的发展现状和发展趋势 目前，我国汽车产品已形成了涵盖轿车、货车和客车等多品种、多车型的比较齐全的汽车产品体系，汽车产业快速发展，已经成为国民经济的重要支柱产业。未来5～10年是我国由汽车工业大国向汽车工业强国转变的重要时期。 ２0世界90年代以来,我国汽车产业快速发展,产业实力不断增强。随着我国汽车市场需求的快速提高和开放程度的逐步加大，跨国
汽车集团调整了对华战略，提高了对中国市场的重视程度,将中国市场看作其全球市场的重要组成部分。为了使我国汽车企业能抓住机遇，深化改革，发展自己,提升企业竞争力,我们很有必要对我国汽车产业现状及发展趋势进行深入分析。 据国家统计局数据显示，２０09年,我国汽车市场产销1３79.10万辆和13６４.4８万辆，成为世界第一汽车生产和消费国，汽车工业增加值占全国GDP的比重已达1.4%左右，若加上其对上下游行业的带动，汽车产业对国民经济的拉动作用超过1０％。2012年我国汽车产业再创佳绩，产销突破19０0万辆，再次刷新全球记录,连续四年蝉联世界第一。全国汽车产销分别为1927.１8万辆和1930.６4万辆,同比分别增长4.6％和４.3%，比上年同期分别提高3.8和1.9个百分点，增速稳中有进。此外,我国汽车产量已连续三年超过1800万辆,这标志着我国汽车工业已进入总量较高的平稳发展阶段,成为名副其实的世界汽车产销大国。 我国汽车产业在产业政策的推动下逆势增长,以其市场潜力大、产业关联度高、带动就业面广、资金积累能力强等特点，为促进国民经济快速发展作出了重大贡献。可以说在当前和未来一段时间,汽车产业已经成为我国国民经济“保增长、扩内需、调结构”不可或缺的重要产业。 我国汽车产业的发展相对于国外起步较晚，近几年汽车产业发展虽然取得了不俗的成绩,但我国缺乏核心技术和高端研究开发人才,目前国内产品技术多是引进国外技术，自主研发和自主品牌稀缺。只
[1] 《机械最优化设计》，刘惟信主编，清华大学出版社（第二版） 机械优化设计试题 浏览次数：910次悬赏分：20 |解决时间：2009-3-17 10:06 |提问者：xmtxmtxmt9 1、有一圆截面的销轴，一端固定在机架上，另一端作用着集中载荷P和扭矩T，其简化模型如图，由于结构需要，轴的长度不得小于80mm，其材料密度为，许用弯曲应力为[σF]，许用扭剪应力为[τ]，允许挠度为[?]，弹性模量为E。要求设计此梁重量最轻，试写出这一优化问题的数学模型。（圆轴的抗弯截面模量为W=πd3/16，抗扭截面模量为WT=πd3/32，挠度公式为fmax=Pl3/3EI，惯性矩为I=πd4/64）（20分） 2、将优化问题 画出此优化问题的目标函数等值线和约束曲线，并确定： （1）可行域的范围（用阴影线画出）。 （2）在图中标出无约束最优解、和约束最优解、。 （3）若再加入等式约束，在图中标出约束最优解、。 （20分） 3、目标函数，初始点，试用变量轮换法求迭代两轮的设计变量和目标函数的值。（20分） 4、已知约束优化问题 试从迭代点出发，沿方向进行搜索，完成一次迭代，获取一个新的迭代点，并画出本次迭代的搜索路线。（20分） 5、试画出离散变量优化设计方法网格法的算法框图。（20分） 问题补充： 请研究生帮忙做一下，谢谢！原题点下面图片放大即可 一种优化设计方法在圆柱蜗杆减速器设计中的运用
https://www.doczj.com/doc/6b5712142.html, 期刊门户-中国期刊网2009-5-26来源:《中小企业管理与科技》2009年4月下旬供稿文/摆亚辉 [导读]明确设计任务——确定设计参数（变量）——确定设计函数（明确变量的取值范围）——确定优化方法——编写优化程序——得出优化结果并圆整。 期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆 摘要：一般的机械设计都是设计人员按照各种资料提供的数据，结合自己的经验，对已有产品进行类比，初步定出方案，再通过验算确定方案是否是可用的。这样的方案不能说是最优的。优化设计，是利用计算机的计算优势采用数学方法，用数量指标对方案进行评判和选择。通过这样的过程获得的方案不仅是可用的，而且也是相对最优的。它的一般过程如下：明确设计任务——确定设计参数（变量）——确定设计函数（明确变量的取值范围）——确定优化方法——编写优化程序——得出优化结果并圆整。 关键词：优化设计减速器运用 本文介绍一种优化设计方法（复合形法）在圆柱蜗杆减速器设计中的运用。 题目：设计一由功率为3KW的电动机驱动的双级圆柱蜗杆减速器，第一级蜗杆转速960r/min，总传动比220.载荷平稳，单向回转。按在保证承载能力的前提下，最大限度的减轻体积。已知:各级许用应力155Mpa、传动效率0.9、载荷系数1.2、蜗杆头数4、蜗杆选用40cr，表面淬火HRC>45.蜗轮材料为铸锡青铜ZQSn10-1。 从题设条件可知啮合参数：传动比[i]、模数[m]、齿数（头数）[z]、直径系数[q]是设计待定参数。结合蜗轮齿面接触强度的计算可确定设计变量如下：X=[x1 x2 x3]T=[i1 q1 q2]T。据蜗轮齿面接触强度设计公式可得题设条件的目标函数如下： 从工程意义上看，确定未知数的范围可以保证蜗杆传动的应有性能，并明确了变量的可行区域，这样就控制了优化结果的搜寻区域。据传动特点可以确定约束条件如下： g1（x）=7-x1≤0g2（x）=x1-33≤0g3（x）=7-x2≤0 g4（x）=x2-18≤0g5（x）=7-x3≤0g6（x）=x3-18≤0 对已定的数学模型，正确选用优化算法，对计算成功有很大关系。本次设计任务选择的依据：设计是有约束问题，规模不大，所要达到的精度较高，目标函数为非线性函数、其他的数学性态未知。为使优化计算过程可靠完成，选择优化算法为：复合形法，它的关键是确定每步迭代的搜索方向和步长。它是利用由若干个顶点构成复合形，通过顶点的不断更迭而发生形变和位移，最终趋向最优点。由于复合形是一种在可行域内直接求优的方法，因此要求第一个复合形就必须在可行域内。这样，其k个复合形顶点才是可行点，通常顶点数取n+1≤k≤2n。则本设计任务的寻优规则如下:①给出四个初始顶点②计算复合形4个顶点的目标函数值，选出最坏点x(H)、次坏点x(G)、最好点x(L)。计算4个顶点的中心点x(C)及其函数值，判断，如成立则停止运行，x(L)即为最优解，否则执行下一步。③计算出最坏点外的3个顶点的中心点x(S)，检验是否可行。如果在可行域内则继续执行下一步，否则结束程序，重新构造复合形。④若在可行域内，则求映射点x(R)=x(S)+a（x(S)-x(H)）。⑤检验映射点是否在可行域内，如在执行下一步，否则转向第8步。⑥若在可行域内，则计算其函数值，判断其与最坏
目录 目录 (1) 摘要 (3) 1 汽车的总体设计 (1) 1.1汽车总体设计的一般顺序 (1) 1.2布置形式 (4) 1.3轴数选择 (4) 1.4驱动形式的选择 (4) 2 载货汽车主要技术参数的确定 (5) 2.1 汽车质量参数的确定 (5) 2.1.1汽车载荷质量的确定 (5) 2.1.2 整车整备质量的预估 (5) 2.1.3 汽车总质量的确定 (5) 2.1.4 汽车的轴荷分配 (5) 2.2汽车主要尺寸的确定 (5) 2.2.1汽车的主要尺寸 (5) 2.2.2 汽车的外廓尺寸 (6) 2.3汽车主要性能参数的确定 (6) 2.3.1 汽车动力性参数的确定 (6) 2.3.2 汽车燃油经济性参数的确定 (6) 2.3.3 汽车通过性性参数的确定 (6) 3 货汽车主要部件的选择及布置 (7) 3.1 发动机的选择与布置 (7) 3.1.1 发动机型式的选择 (7) 3.1.2 发动机主要性能指标的选择 (7) 3.2轮胎的选择 (10) 3.3离合器的选择 (10) 3.4万向传动轴的选择 (10) 3.5主减速器的选择 (10) 4 总体布置的计算 (11) 4.1 轴荷分配及质心位置计算 (11) 4.1.1平静时的轴荷分配及质心位置 (11) 4.1.2 水平路面上汽车满载行驶时各轴的最大负荷计算 (13) 4.1.3 制动时各轴的最大负荷计算 (14) 4.2 驱动桥主减速器传动比的选择 (15) 4.3 变速器传动比的选择 (15) 4.3.1 变速器一档传动比的选择 (15) 4.3.2 变速器档数和各档传动比的选择 (15) 5 汽车动力性及燃油经济性计算 (17) 5.1 汽车动力性能的计算 (17) 5.1.1驱动平衡的计算 (17) 5.1.2动力特性的计算 (19) 5.2功率平衡计算 (22)
机械优化设计方法现状及发展趋势 关键词：优化设计现状发展趋势 Key Words：Optimal Design current situation Development trends 摘要：随着科学发展的需要, 机械产品设计质量的不断提高, 设计周期的白益缩短, 要求设计者考虑的因素也愈来愈多, 其计算方法的复杂性和精确性都是二般传统设计难以完成的。面对这种技术发展的现状, 设计者便开始求助于新的理论和新的设计方法。机械优化设计就是在这种情况下, 发展起来的一种现代设计方法。 As the needs of the scientific development, mechanical product design and continuous improvement in quality, design cycle, shortening the require designers to consider more and more of the factors, and its method of calculating the complexity and accuracy are difficult for traditional design like the Second completed. Face in the development of this technology, designers began to turn to new theories and new methods of design. Optimal Design of machinery is in such circumstances, the development of a modern design. 引言 机械优化设计是最优化理论、电子计算机技术与机械工程相结合的一门学科。早在二十世纪五十年代以前, 工程设计问题的最佳决策还只是限于古典数学中的微分法和变分法, 或用拉格朗日乘子法解决等式约束问题。直到四十年代前后, 特别是Dantzing提出大型线性规划技术以后, 使得借用数值算数求解优化问题才成为可能。随着电子计算机和计算技术的迅速发展, 不仅推动了最优化技术的广泛应用, 也促进最优化理论的进一步发展。在此期间, 把最优化技术运用到机械工程设计中的“ 机械工程优化设计” 概念便由此而萌生, 成为了一门工程新学科。 机械优化设计同传统设计相比、具有以下三个特点：（1）采用了最优化思想和策略；（2）建立了一个能正确反映实际工程设计问题的数学模型；（3）用高速计算机寻求最佳方案。实践表明：机械优化设计已成为解决机械设计问题的一种有效方法, 是计算机辅助设计（CAD）应用中的一个重要方面。 1机械优化设计方法概述 设计任何一种机械设备, 都需要预先规定一个设计指标, 即设计要求或追求目标。设计者首先要根据设计要求进行方案设计, 以期能找出一种最佳方案。而以数学规划理论加电子计算机技术为基础的机械优化设计可为解决这类工作设计问题, 提供重要的理论依据和设计方法。 机械优化设计问题渊源于生产实践。对于一般工程问题, 设计者可以根据其实际设计问题的追求目标和限制条件约束, 抽象为如下的数学模型：
第一章习题答案 1-1 某厂每日（８h 制）产量不低于１800件。计划聘请两种不同的检验员,一级检验员的标准为:速度为25件/ｈ，正确率为98%,计时工资为4元/h;二级检验员标准为：速度为１5件／h ，正确率为95%，计时工资3元/h 。检验员每错检一件,工厂损失2元。现有可供聘请检验人数为:一级8人和二级10人。为使总检验费用最省,该厂应聘请一级、二级检验员各多少人? 解：(1）确定设计变量； 根据该优化问题给定的条件与要求,取设计变量为X = ?? ????=??????二级检验员一级检验员 21x x ; (2）建立数学模型的目标函数； 取检验费用为目标函数，即: ｆ(Ｘ) = 8*4*x 1＋ 8*3*x 2 + 2(８*25*0．02ｘ1 +8*15*0．05x ２ ） =40x 1+ 36x 2 （3）本问题的最优化设计数学模型： min ｆ (X ） = 40x 1+ 3６x ２ X ∈R ３· ｓ.ｔ. g 1（X ) =1800-８＊25x 1+8*１５x 2≤0 g 2(X ） =ｘ1 -8≤0 g ３(X ) =x 2-10≤0 ｇ4(Ｘ) = -x 1 ≤0 ｇ5(Ｘ) = -x ２ ≤0 1-2 已知一拉伸弹簧受拉力F ，剪切弹性模量G ，材料重度r ，许用剪切应力[]τ,许用最大变形量[]λ。欲选择一组设计变量T T n D d x x x ][][2 32 1 ==X 使弹簧重量最轻,同时满足下列限制条件：弹簧圈数3n ≥， 簧丝直径0.5d ≥,弹簧中径21050D ≤≤。试建立该优化问题的数学模型。 注：弹簧的应力与变形计算公式如下 3 22234 881 ,1,(2n s s F D FD D k k c d c d Gd τλπ==+==旋绕比）， 解: （1）确定设计变量； 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = ????? ? ????=??????????n D d x x x 2321； (２)建立数学模型的目标函数； 取弹簧重量为目标函数，即： ｆ（Ｘ） = 322 12 4 x x rx π (3）本问题的最优化设计数学模型:
电动汽车用整车控制器总体设计方案
目次 1 文档用途 (1) 2 阅读对象 (1) 3 整车控制系统设计 (1) 3.1 整车动力系统架构 (1) 3.2 整车控制系统结构 (2) 3.3 整车控制系统控制策略 (3) 4 整车控制器设计 (4) 5 整车控制器的硬件设计方案 (5) 5.1 整车控制器的硬件需求分析 (5) 5.2 整车控制器的硬件设计要求 (6) 6 整车控制器的软件设计方案 (7) 6.1 软件设计需要遵循的原则 (7) 6.2 软件程序基本要求说明 (7) 6.3 程序中需要标定的参数 (7) 7 整车控制器性能要求 (8)
整车控制系统总体设计方案 1 文档用途 此文档经评审通过后将作为整车控制系统及整车控制器开发的指导性文件。 2 阅读对象 软件设计工程师 硬件设计工程师 产品测试工程师 其他相关技术人员 3 整车控制系统设计 3.1 整车动力系统架构 如图1所示，XX6120EV纯电动客车采用永磁同步电机后置后驱架构，电机○3通过二挡机械变速箱○4和后桥○5驱动车轮。车辆的能量存储系统为化学电池（磷酸铁锂电池组○8），电池组匹配电池管理系 统（Battery Management System，简称BMS）用以监测电池状态、故障报警和估算荷电状态（State of Charge，简称SOC）等，电池组提供直流电能给电机控制器○2通过直-交变换和变频控制驱动电机运转。 整车控制器○1（Vehicle Control Unit，简称VCU）通过CAN（Control Area Network）和其它控制器联接，用以交换数据和发送指令。该车采用外置充电机传导式充电，通过车载充电插头利用直流导线联接充电 机○9，充电机接入电网。 ○1整车控制器○2电机控制器○3交流永磁同步电机○4变速箱○5驱动桥 ○6车轮○7电池管理系统○8磷酸铁锂动力电池组○9外置充电机○10电网连接插座 图1 整车动力系统架构简图
第一章汽车的总体设计 §1 概述 §2 汽车形式的选择 §3 汽车主要尺寸和参数的选择 §4 汽车发动机选择 §5 车身形式 §6 轮胎的选择 §7 汽车的总布置 §8 运动校核
第一节概述 一、汽车设计的内容： 总体设计 系统设计（总成设计） 零部件设计
二、汽车设计技术的发展 （一）、发展过程 1、经验设计 以经验数据和经验公式为主要方法 2、“科学实验+ 技术分析”的设计 3、计算机辅助设计 （二）、发展特点 1、基础理论成果的应用 2、测试与实验新技术不断发展 道路实验（实验场），室内实验（测功、风洞、电液振动），虚拟实验 3、新工艺、新材料的应用
（三）、发展趋势 1、更注重安全性 主动和被动安全 2、更注重节能与环保 代用燃料，电动汽车，绿色设计 3、向高速化、轻量化、低噪音方向发展 NVH（Noise,Vibration,Harshness) 4、向自动控制、智能化方向发展
三、总体设计应满足的要求 1、公路上行驶，外形尺寸应予以限制； 2、排放要满足环保要求——排放法规； 3、使用环境复杂，应满足安全性要求－强制性 安全法规； 4、汽车各性能应满足开发所确定的指标； 5、知识产权保护； 6、“三化”要求：系列化，通用化，标准化; 7、避免部件发生运动干涉； 8、质量可靠，拆装维修方便…
四、汽车开发程序 1 、新产品开发流程：商品规划：商品计划和概念设计 商品计划的内容：商品开发的必要性、目 的、主要性能、造型风格、目标价格；目标用户和市场、适用地区、商品用途及级 别；生产纲领、目标利润、投产时间等。
第一章习题答案 1-1 某厂每日(8h 制)产量不低于 1800件。计划聘请两种不同的检验员，一级检验员的标准为：速度为件/h,正确率为98%，计时工资为 4元/ h;二级检验员标准为：速度为元/h。检验员每错检一件，工厂损失 2元。现有可供聘请检验人数为： 省，该厂应聘请一级、二级检验员各多少人？解：(1 )确定设计变量； g2( X) = X1 -8 w 0 g3( X) = X2-10 w 0 g4( X) = -X1 w 0 g5( X) = - X2 w 0 X3 (2)建立数学模型的目标函数； 取弹簧重量为目标函数，即: 2 2 f(X)=——rx1 X2X3 4 (3)本问题的最优化设计数学模型: 2 2 min f (X) = —rx1 X2X3 4 25 15件/h,正确率为95%，计时工资 3 —级8人和二级 10人。为使总检验费用最 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X= X1 X2 一级检验员二级检验员 (2)建立数学模型的目标函数；取检 验费用为目标函数，即： f(X) = 8*4* X1+ 8*3* X2 + 2 =40x1+ 36x2 ( 8*25*0.02x1 +8*15*0.05 X2) s.t. min f (X) = 40X1+ 36X2 g i(X) =1800-8*25 3’ X € R X i+8*15X2< 0 1-2已知一拉伸弹簧受拉力选择一组设计变量X [X1 X2F，剪切弹性模量G，材料重度 X3]T[d D2 n]T使弹簧重量最轻，同时满足下列限制条件：弹簧圈数 r，许用剪切应力[],许用最大变形量[]。欲 簧丝直径d 0.5，弹簧中径10 D2 50。试建立该优化问题的数学模型。 注：弹簧的应力与变形计算公式如下 ks^ , k s 1 ± d 2c D2 (旋绕 比)， 8F n D Gd4 解：(1)确定设计变量; X1 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X2 D2 3 ? X€ R