機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)-Read.doc

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)一、目的通過課程設(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)化問題的簡圖和已知條件；2. 建立優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型（設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件）；3. 簡單敘述所用算法的基本原理（如內(nèi)、外罰函數(shù)法、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、調(diào)試程序過程中遇到的主要問題及解決辦法；6. 請(qǐng)你談?wù)剬?duì)學(xué)習(xí)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)這門課的體會(huì)，并提出你的意見和建議。四、優(yōu)化設(shè)計(jì)題目(一) 對(duì)稱人字架的優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖1所示，在對(duì)對(duì)稱人字架頂端作用一個(gè)P294300N的靜載荷，人字架跨度B1520mm，人字架桿件為壁厚T2.5mm的空心圓管，材料的彈性模量E2.119105N/mm2，許用壓應(yīng)力=690N/mm2。設(shè)計(jì)滿足強(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，2001200mm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V=2DT (mm3)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 (2)穩(wěn)定性條件(3) 圓管平均直徑D和人字架高度H不超過給定范圍，即(二) 單級(jí)漸開線直齒圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)有一單級(jí)漸開線直齒圓柱齒輪減速器，如簡圖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），兩齒輪各部圖2 單級(jí)直齒圓柱齒輪減速器簡圖分尺寸如圖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B1=B2=B=230mm, 小齒輪齒數(shù)Z1=21，模數(shù)m=8mm, 軸的支撐跨距1=420mm,兩軸的直徑分別為ds1=120mm,ds2=160mm。現(xiàn)要求在保持 承載能力的情況下，通過優(yōu)選上述有關(guān)參數(shù)，使減速器的重量達(dá)到最輕。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)到最小作為優(yōu)化目標(biāo)。 減速器有兩個(gè)齒輪和兩根軸，為了簡化計(jì)算，將軸視為光軸，則有： V=Vs1+Vs2+Vg1+Vg2式中： Vs1,Vs2 -兩軸體積，單位：mm3 ； Vg1,Vg2-兩齒輪體積，單位：mm3 ； 另外： ds1,ds2-兩軸直徑，單位：mm； 1,2,3-軸的各段長度，單位：mm； d1,d2-兩齒輪的分度圓直徑，單位：mm，d1=mz1,d2=mz2； m-齒輪的模數(shù)，單位：mm； B1，B2-兩齒輪的寬度，單位：mm，近似取B1=B2=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)) ； =1.6； ； d0=0.25()； C=0.2B。 并取2=320mm，3 =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 x6T =B z1 m 1 ds1 ds2T 2、確定約束條件(1)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/m 35；(3)傳遞動(dòng)力的齒輪，模數(shù)一般應(yīng)大于2mm；(4)根據(jù)工藝裝備條件，小齒輪直徑不能超過300mm,即d1300mm；(5)主、從動(dòng)軸的直徑范圍按經(jīng)驗(yàn)取為100mmds1150mm，130mmds2200mm；(6)軸的支撐跨距按結(jié)構(gòu)關(guān)系1B+2+0.5ds2，其中為箱體到軸承中心線的距離，現(xiàn)取=20mm；(7)按齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度條件，有 (Mpa)式中：ZE-材料的彈性影響系數(shù)，這里取ZE=189.8()； 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=2M1/d1，其中d1為小齒輪分度圓直徑，M1為小齒輪傳遞的扭矩，由功率和轉(zhuǎn)速計(jì)算可得 B-齒輪的寬度，mm；-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=855Mpa。(8)按齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度條件，有 式中：d1-小齒輪分度圓直徑； -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=261Mpa,大齒輪的許用彎曲應(yīng)力=213Mpa； yF-齒形系數(shù)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，通過曲線擬合得小齒輪 yF1=0.169+0.00666z1-0.000085z12 ，大齒輪yF2=0.2824+0.0003539z2-0.000001576z22 ；其它字母的含義與條件（7）中相同。 (9)主動(dòng)軸剛度條件 f=f (mm)式中：P-作用在小齒輪上的法向壓力，N,P=2 M1/mz1cos,其中為齒輪壓力 角，取= （注意：三角函數(shù)中角度的單位在FORTRAN語言 中是“弧度”而不是“度”） ； I-軸的慣性矩，對(duì)圓形剖面 I=ds14/64； E-軸材料的彈性模量，E=2105Mpa； f-軸的許用撓度，mm,取f=0.003 。 (10)主動(dòng)軸的彎扭合成強(qiáng)度條件 式中：T-軸所受的扭矩