时间：2023-05-30 10:37:38
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇机械优化设计，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
引 言
机械优化设计，所涉及的学科众多。其中包含物理学、材料学、应用数学及化学、应用力学以及计算机程序设计等，系处理较为复杂的设计的有效工具之一。此次研究除去阐述优化设计方法，还总结出归纳出无约束优化设计法、有约束优化设计法、基因遗传算法三类优化设计手段，并对三者的特点进行论述，最后，对选取优化设计手段的几大要素进行阐述。
一、优化设计手段的论述
机械优化领域的设计灵魂即是优化设计方法，伴随计算机技术及数学科学迅速发展，解析法、数值分析法及非数值分析法为其所发展经历的三个阶段。
20世纪的50年代初，解决最优化问题的两种最主要的数学方法是，古典的变分法与微分法。此两种手段具计算精准及概念清晰的主要特征，可是，不足之处是仅限于解决一些小型或是特殊问题，于处理大型的实际问题之时，因过大的计算量，无形中增加了计算的难度。
20世纪50年代末，于优化设计中，其求优方法的理论基础即是数学规划手段。该方法是以数值分析为前提，结合已知的信息及条件，最后通过一连串的迭代过程得出问题最优解。但是其相关的理论还是比较简单的，计算的过程亦相对容易，只是计算的量极其大，可是此亦正是计算机所有工作中最为擅长的一项，当然，计算机也就归为了数值优化措施工具中最关键的那一类。
20世纪80年代末，如模拟退火、进化规划、混沌、人工神经网络、遗传算法及禁忌搜索等一些优化方法层出不穷，上述算法经模拟自然现象及规律而获得某些结论，一步步产生具有特点的优化方法，它的内容涉及到物理学、统计力学、数学、生物学、神经学、人工智能等。
二、设计方法
该设计方法被大量的应用到机械工程中，主要是因为它可以在特定的背景中确保方案最为合理，而且不需要使用太多的人力物力。该方法从最初的数值法到后来的数值分析，最后过渡到非数值分析。最近几年由于电脑技术的广泛应用，在设计的时候可以通过合理的选取设计数值进而得到最为优秀的方案，而且还能够大大的缩短用时。将该方法和电脑科技有效的融会到一起，是时展的产物，必将得到发扬。
三、类型和特征简介
1、无约束优化设计法
具体的说分成两个类型，一种是像共轭梯度法、最速下降法、牛顿法等方法，它是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法。另一种是像单形替换法、坐标轮换法等，利用目标函数值的无约束优化方法。
2、遗传算法
该方法是对随机群体不断的演变选择，进而获取最为合理的方法。它非常的类似于自然界的淘汰法则，适应社会发展的必然得到发展，而落后的必然会被遗弃。该方法有两大特点，即能够起到优化整体的作用，同时还有很好的适应能力。它被应用到很多领域中，比如问题诊断等等。最近几年它在工程方面也体现出了自身的巨大价值。接下来就具体的展开论述。第一是它能够论述可靠性问题。第二是能够辨别参数。它能够大体的分辨结论数值，明确了大体的区间之后，再通过遗传措施对设定的数值以及结论数值一起优化处理。第三，能够设计机械方案。为了和目前的编码体系保持一致，其设置了一系列的遗传方法，通过这些方法掌控它的搜索活动，而且通过复制等活动不断的迭代，进而得到最为优秀的方案。除此之外，它还可以应用到很多的其他行业中，比如节能设计以及数控加工误差等。上文讲述了很多它的优点，不过它也并非是完美的。比如目前还无法优化其自身的数值，无法通过新的设置来提升效率，目前的操作方法还不是很完善等等的一些问题。一般采用惩罚函数法求解约束优化问题时，其难点是如何选择合适的惩罚因子。该因子太大的话，会使得搜索工作变得困难，但是如果设置得太小的话，可能造成整个惩罚函数的极小解不是原目标函数的极小解。
3、约束优化设计法
根据处理约束条件的方法不同可分为间接法和直接法。间接法常见的有增广乘子法、惩罚函数法。它是将非线性优化问题转化成线性规划问题或是将约束优化问题转化成无约束优化问题来求解。直接法常见的方法有复合形法、网络法和约束坐标轮换法等。它的本质是创造一个迭代的步骤，确保所有的迭代点都能够在可行区间之中，进而不断的降低数值，一直到最为合理为止。
4、蚁群算法
是通过人工模拟蚂蚁搜索食物的过程来求解旅行商问题，在1991年由意大利学者M.Dorigo等人提出。蚁群算法适合非线性问题的求解，避免了导数等数学信息，对系统优化问题的数学模型没有很高的要求。主要应用在：交通建模及规划电信路由控制、集成电路布线设计、有序排列问题、二次分配、车间任务调度等问题的求解。虽然蚁群算法具有并行计算、正反馈选择和群体合作等优点，但也存在着容易出现“停滞”现象和需要较长的搜索时间两个缺陷。吴庆洪等提出了应用改进型蚁群算法解决有序排列问题，运用新的状态转移规则，讨论不同的轨迹更新规则对仿真结果的影响的一种具有变异特征的蚁群算法，并通过统计数据验证了相对于标准的蚁群优化算法中，改进型蚁群算法的优势所在。
5、模拟退火算法
模拟退火算法，最早在1953年由Metropolis提出，1983年Kirkpatrick成功地应用在组合最优化问题。模拟退火算法是一种通用的优化算法，用以求解不同的非线性问题；能够发挥出良好的收敛性特征，而且适应能力很是强大；对不可微甚至不连续的函数优化，能以较大概率求得全局优化解；能处理不同类型的优化设计变量；并且对目标函数和约束函数没有任何要求；不需要任何的辅助信息。目前已经广泛的应用于：神经网络、图像处理、控制工程、数值分析和生产调度等。这个方法虽然有很多的优点，不过它也存在一些缺点，比如它的效果不是很好，而且整个运算活动耗费的时间非常久。通过上文的分析我们得知了这几种算法本身的优点和缺陷，应该尽量的避免其缺陷，将优势结合到一起，对其进行完善。
四、合理选取方法
通过上文中对设计特征的分析，我们得知要想保证设计合理，就要正确的选取优化方法。这主要是因为即使是一个完全相同的内容它也会存在很多不一样的解决措施。然而并非是并存的这几个措施都能够将问题解决得天衣无缝。比如一些措施会使得设计的最终结果和我们当初的设置不符。要想避免这种现象，就需要我们牢牢此遵守四个基础原则。第一，要保证可靠性好，第二要保证使用的计算程序是合理的，第三要确保其稳定，最后要保证效率。除此之外，还需要工作者的工作经验丰富，只有这样才可以分析相关的函数值，结合复杂性等要素对其进行合理的选取判断。优化设计的选择取决于数学模型的特点，对于只含线性约束的非线性规划问题，最适应采用梯度投影法；对于约束函数和目标函数均为显函数且设计变量个数较少的问题，采用惩罚函数法较好；针对那些求导有难度的要使用直接解法；对于高度非线性的函数，就要选取那些较为稳定的措施。
结束语
从机械产品设计的全局来看，目前比较先进的优化设计，大多数还停留在设计方案后参数优化方面，面向产品设计，应将优化设计拓宽到机械设计产品的全生命周期过程，是适应机械产品设计。随着机械技术不断地发展，在现代科学技术支持下，现代机械先进优化设计技术将进行新一轮的发展。
参考文献
[1]李秀昌.浅谈机械制造中数控技术的应用[J].科技致富向导，2013（9）.
关键词：机械优化；设计理论；方法研究
引言
机械优化设计在一定程度上是机械领域移植中最优设计，优化设计对机械应该过程有着重要的推动作用。机械设计不仅利于方案的优化设计，能够把繁琐的设计问题进一步的简单化，同时也是机械设计过程中比较重要方案之一。
1.机械优化设计过程中的理论特点
1.1具有一定的针对性
针对机械优化设计而言，其特点在一定程度上具有针对性，相应优化方式能够对应优化问题，每个不同的优化设计形式不仅具有一定的范畴，同时也具有相应的领域要求。在对机械优化进行设计的过程中，要对情况进行具体的分析，对数据进行参考，对其蕴含变量形式进行有效的考虑，在一定程度上对效果的最佳状态进行优化。
1.2具有客观性
客观性体现主要是在数学模型基础上进行建立的，在对机械进行优化的过程中，应该注意把一些具体的设计问题进一步的转换为具体的数学问题。按照可观性进行分析，对其相应的函数变量进行有效的分析，结合具体形式制定出具体的设计优化形式，对数学模型进行建立，分析机械优化数据，对优化的形式进行不断的完善。
1.3具有一定的创新性
针对创新而言，它是新时代的新思想，只要拥有创新，社会经济才能够在一定程度上不断的发展。机械在进行优化设计时，也不能够离开创新思想，优化设计属于传统优化设计所优化的结果，针对传统的优化型设计而言，其设计相对来说比较老旧，不适合现代生活成产中的优化，现代生产过程中的机械优化设计能够对产品的性能进行主动分析。由于科学时代的发展，人们对计算机应用方式进行不断的借助，对函数进行大规模运算，通过运算能够在一定程度上得出机械优化设计中的最优方案。
2.机械优化设计过程中的方法
2.1对准则进行优化
针对准则化而言，它在一定程度上是优化设计过程中一种传统的表现形式，原理的形成不是根据数学进行计算，而是结合物理学角度以及力学角度等进行有效的分析，具有一定的主观性。其优点就是对概念进行更加直观的优化，计算所根据的物理原理相对来说比较简单，在单一目标函数形势下有着更加好的优化效果，在一定程度上适合传统工程的应用。但是有力也有弊，弊端就是在对多目标函数进行优化的过程中，比较容易出现问题，优化效率相对来说也是比较低的。
2.2对于线性规划
针对线性规划而言，在一定程度上对数学极值原理的方式进行有效的运用以及优化，是机械优化设计过程中比较重要的方法。线性规划方法不仅可以分为单纯形法，同时还可以分为序列线性规划法。单纯形法一开始是由美国学者进行提出的，是对优化设计方式进行解答的一个简单和直接的方法，单纯形法对单一目标进行相应的分析，并且具有优化的作用，但是在对多函数进行运算的过程中，显得不是特别有效。序列线性规划法能够在一定程度上拆解机械设计问题，对部分优化模式也能够进行有效的求解，对其进行分步骤的进行求解，在对每部进行解答后在对其进行有效的整合，进行重新求解，最终对准确的数值进行有效的求解。这样能够让机械优化设计过程在一定程度上更具有准确性，但是针对计算形式来说，比较繁琐，具有较大的计算工作量，因此。效率性的缺少，不利于机械优化设计。
2.3对于非线性规划
针对非线性规划而言，在实际生产以及生活的过程中，非线性规划应用相对来说是比较广泛的。对机械优化设计过程中起到推动性作用，对线性规划进行完全运用的解读的结果是比较片面的，因此非线性规划运用在一定程度上是一项比较重要的革新方式。非线性规划在数学模式进行计算的过程中，不仅可以分为无约束直接法，还可以分为无约束间接法。针对无约束直接法在一定程度上主要是对机械优化设计方式中的已有数据进行分析，同时也对再生信息进行试探分析，对最优值形式进行求出。然而无约束间接法在一定程度上是对数学原理进行利用，对函数进行计算求优方式。是机械优化设计过程中比较重要的组成部分。
3.机械在进行优化设计过程中的主要展望
在目前生产生活当中，机械优化设计的应用还不是很广泛，其原因就是具有较大的建模难度，现今技术模式在进行计算的过程中，显得比较低，具有较低的准确性，对复杂的优化产品难以进行处理，对全局进行解答都是比较吃力的，所以在进行研究优化的过程中，可以先从简单的部件进行有效地优化，对优化效率进行不断的提升。在原有基础上加入先进的生产技术，对生产优化的方式和方法进行有效的探究，促进系统优化的全面性。
4.总结
随着经济时代的不断发展，计算机应用技术在一定程度上在机械优化设计中得到了比较广泛的应用，这让优化设计产业得到了一定的发展。所以，在进行优化设计时，应该注意理论和实践这两者的结合，这样才能够让机械化设计得到广阔的发展空间。
参考文献：
[1]董立立，赵益萍，梁林泉，朱煜，段广洪.机械优化设计理论方法研究综述[J].机床与液压，2010，15：114-119.
关键词：机械自动化 优化设计 分析 探讨
1.前言
在机械自动化设计中对于优化设计的应用越来越广泛，在机械设计中利用优化设计，不但可以使机械设备零件得到改善，而且也可以省到10%-35%左右的材料。所以说优化设计受到了人们的高度关注。
2.实现机械自动化优化设计的途径
机械自动化在形式可以代替人或者是人的大脑进和一些劳动及生产；机械自动化在功能上可以取代人力或者脑力劳动者。机械自动化技术之所以可以做到这些，主要是因为利用了自动化技术，使生产周期缩短，生产效率提高，生产成本减少等。让企业可以在保质保量的情况下，利用机械自动化技术。机械自动化技术不仅涉及到机械设备自动化技术应用上，还包括了机械设备自动化的设计中。
根据目前我国的现状，可以有效地实现机械自动化优化设计的重要途径是：利用现在先进的科学技术，提高对机械自动设计，在此基础上对机械自动化优化设计研究新的设计方法，将机械自动化尽快与国际接轨。
3.我国机械自动化的现状分析
机械自动化设计中的CAD技术设计，对于设计的效率的提高以及设计方案的优化都有着一定的功效，还可以减轻设计人员的工作压力，工作周期以及设计标准等。
虽然CAD机械设计技术得到广泛的应用。而且也已经被一些大的企业所应用。但是CAD技术应有较高的局限性。对于一些三维及防真设计上还存在缺陷。CAPP技术的出现对于设计人员的劳动强度，以及设计效率大大提高了，而且对机械自动化设计中的工艺设计也提高了不少，对于数据之间实现了人机一体化。将人作为系统中的核心者，使企业生产中可以将生产效率提高，减少成本消耗，保证了产品的质量问题。
CIMS机械自动化设计技术是集合于CAD、CAPP、QIS等一系列的系统在计算机为基础的条件下所构成的。[1]它是如今机械电子自动化设计中的核心。在如今社会条件下，对于机械自动化的优化设计不是所谓的所有的机械设备连合在一起，所有的生产车间联合在一起，而是将机械自动化为中心，以制造自动化系统为基础。制造自动化系统不只是CIMS的数据汇合地，还是CIMS的一个重要部分。对机械自动化来说，可以有效地利用这一基础。在这种生产条件下，使各个车间的机械设备进行自动化控制，以人为中心，各个部门的机械设备可以做到相互之间的各谐工作与优化运行。
4.对机械自动化设计的优化分析
通过对以上机械自动化设计现状的分析，应当通过以下几个方面对机械自动化设计进行优化设计分析：
4.1.机械自动化设计迈向数字化
作为机械制造技术中的核心环节，通过对数据进行数字化的方式实现快速传递，相互交流，并以机械设备的市场为基础，对机械自动化优化设计进行科学地、正确地、分析处理。[2]以及对机械设备的防真模拟，正确数据的提供，对生机械自动化设计中的信息提供了全面的支持。对于机械设备占领市场也提供了便利的条件，并且对机械设备自动化的市场变化进行有效地调整。
4.2.机械自动化设计走向智能化
自打有了人工智能化这一说法以后，人们就可以逐渐地感觉到智能化将比其它所有的技术能都要强悍，都要有优势。在机械自动化的发展过程上，已经难以离开智能制造系统了，这种系统其实就是将智能化的机器和人们的智慧结合在一起共同地行的人机一体化。[3]在对机械设备进行自动化设计时，人工智能系统不可以解决一些传统方法中不能解决的问题。智能化机械电动化设计不仅可以达到人与机器的和谐合作，还可以使人们更好地利用机械自动化。大大减少了人们脑力劳动。对于人们在机械自动化设计中的脑力劳动可以得到很好地发展及延伸。人类已经可以很好地进行思维的复杂化，而人工智能系统可以将人类的这种复杂化思维能力得以辅地延续，并将有效地利用在机械自动化的优化设计中去。将机械自动化优化设计迈向智能化，达到一个新的飞跃。这就需要我们作出努力加强探索。加大机械自动化迈向智能化设计的分析研究。可以使机械自动化转向智能化在企业自身发展中有一个平稳有效地发展。
4.3.机械自动化优化设计的基础--虚拟自动化
对于每个机械自动化设计中都离不开图纸进行设计，对机械设备成品的试验中也是离不开图纸的展示，最后达到机械自动化设计的完成。这样的操作程序不仅浪费时间，而且对人员的浪费，时间上的浪费，以及企业财力方面的浪费都是一批不小的开支。当下计算机技术的发展迅速，以及各种联系方式的发展，电子，网络的迅速普遍。这就给机械自动化优化设计走向模拟化提供了十分便利的条件。人们可以有效地利用电子计算机技术及设备，对于传统中大量的图纸模型以及一些数据上的统计利用计算机将它们模拟出来。利用网络的模拟，可以节省大量的人力，财力以及时间等。利用计算机网络的模拟不仅可以第一时间对机械自动化设计数据进行沟通，交流。
机械自动化设计中不仅要全面地掌握计算机技术，还应该使虚拟环境下的各种技术之间的相互交换，以及各种设备之间的相互交换做到合理性。在一个充分虚拟的环境中将机械自动化进行优化设计工作。
4.4.机械自动化的环保优化设计
随着人们生活水平的提高，对生活环境的要求也越来越高。由于地球的生态环境正在急剧地下降以及恶化中。 现在的人们已经开始慢慢地认识到对于环境的珍贵与保护当中。
机械制造业作为一个环境污染的重点企业。对于环境的污染已经够成了相当大的危险。[4]如果环境已经出现了非常重要的污染。所以在进行机械自动化设计时，环保是首先要考虑在内的。在对机械自动化进行优化设计时，顺应环保要求下进行优化设计，要降低机械对于能源的消耗，以于机械在排放可以做节能减排。机械自动化设计的必然趋势是迈向环保型优化设计。
5.总结
机械自动化技术应用在每个国家都有着非常重要的地位，在我国更是如此，机械自动化的优化设计不仅要与世界先进的设计水平共求发展，还要在此基础上研究出技术更高的机械自动化设计技术。使我国的机械制造业可以达到一个整体地发展。机械自动化技术的优化设计要基于以上几个方面基础上而创新发展。才可以有效地推进我国机械制造业的迅速发展。
参考文献：
[1]李振华. 机械自动化技术发展趋势探讨[J]. 科技致富向导，2013，21：339.
[2]刘洋. 我国机械自动化发展前景[J]. 黑龙江科技信息，2011，05：7.
现有工程机械一体化监测系统常见的问题
现有的工程机械一体化监测系统和设备由于不具有通用性，因此经常出现各种问题，导致工程机械一体化监测系统的功能得不到良好的发挥，效率得不到提升。因此有必要认识到目前监测系统存在的各种问题，然后采取针对性的措施加以解决，目前工程机械监测系统及设备存在的问题主要表现在以下几个方面。系统监测项目不够齐全由于应用到工程机械一体化监测系统的各种配件不够齐全，型号不一，类型不同，因此各种测量型的仪表组合并不能完全满足工程机械的监测要求，从而造成对工程机械的一体化监测无法发挥拥有的功能，存在诸多问题，其中一个突出表现就是监测的项目不齐全。工程机械一体化监测项目涉及的范围和领域非常丰富，常见的监测项目包含了电流、气压、电流、气压、油压、油温、水温、转速等,而对于这些项目仅仅依靠一个设备或者不同类型的设备组合是不行的，因此在系统监测项目不够齐全，直接影响了工程机械一体化监测的效果和质量，例如关于电压的监测设备就一般具有对油压的监测功能，无法计算相应的流量和工作时间数等。监测设备质量不过关，无法实现系统的正常化多数用于工程机械一体化监测的设备在质量上由于无法匹配工程机械的性能和操作系统，因此其监测的仪表过多而且比较复杂，其面板的布置也相当不方便。现有的监测仪表大多是很多厂家外购的产品，其种类型号都是不同的，因此用于工程机械一体化监测的仪表种类繁多，质量上无法完全达到工程机械一体化工作的要求，而且由于大小，样式存在差异，导致工程机械一体化的仪盘表看起来十分混乱，不容易观察和监测到数据，直接影响到了工程机械系统运行的正常化，影响工程机械一体化的工作效率和质量。工程机械一体化监测设备容易损坏而出现故障在工程机械一体化监测设备运行过程中，由于种类、型号繁多，生产厂家不同导致其在工作中无法正常运行。再加上在运行中，如果工程机械的操作使用人员对于某个型号的设备的工作原理不能理解，或者理解不透，都会带来种种问题。此外受到生产厂家技术水平的影响，监测设备由于工作环境不合理，不恰当，导致这些设备容易损坏和失效。如果工程机械在使用与操作过程中，一些监测系统的设备不能经常性的使用，就会导致这些设备在工程机械操作过程中失去作用，而操作人员只能在工程机械监测设备出现故障的情况下，完全依靠自身的经验去判断和操作，直接影响了工程机械的使用效率和质量。2.4工程机械一体化监测系统复杂不容易操作对于工程机械一体化的监测来说，提高其系统的操作性将是一个关键环节。目前很多机械上的监测系统都是安装比较复杂的设备，在信息的传递上效率不高，传递所使用的方式也比较落后。例如有些监测设备的信息传递主要依靠管路传递，这些管路的使用不但增强了监测系统难度而且对于安全性以及信息传递的可靠性也造成影响。因此优化工程机械一体化的监测系统是十分必要的。
工程机械一体化监测系统的优化设计的内容
中央处理器可采用目前比较成熟的单片机处理种功能的软、硬件技术。以日本东芝公司生产的单片机TMP87CH46N/47U为例，其ROM为16kB，RAM为512kB，有8个8位A/D转换器，2个8位计时器和2个16位计时器等，且具有功能强大的指令系统，其RAM可实时采集并存贮机械在一定时间内的测量参数，需要时可通过处理器的输出接口输入到计算机内进行处理。显示装置可采用目前较为流行的彩色图文液晶显示屏，由于采用全固体器件，工作可靠，便于适应工程机械的使用要求。目前常见的此种显示屏可具有内置国标汉字库、串行通讯速率20k/s、指令代码编程、16种颜色、单一电源供电等功能，而且可以以模拟与数字共同显示方式显示所测数据，即直观，又准确，完全可以适应工程机械监测的显示之用。控制装置可随时控制显示模式，选定显示参数，各测量参数即可固定显示，也可按控制装置的设定自动轮流显示。系统开始工作后，各个传感器直接将收集的信号进行转换然后发送至处理器，处理器通过专家系统来进行数据分析并进行判断，如果经过分析判断系统为正常状态，那么则继续监测工作，如果判断系统为异常，则开始报警。然后系统会自行开始对出现的故障和问题进行诊断，以发现其故障原因，并提示出可以采取的维修方式和方法。如果通过诊断发现不了原因，则需要将发生故障时的各种技术参数记录下来，然后借助专家系统数据库将这些故障记录下来，从而形成知识库。系统软件设计系统软件利用中央处理器自身的控制指令，用汇编语言编写，通过编程器输入CPU，机械启动后，该系统自动加电启动，经对各端口及寄存器进行初始化后，开始接收各传感器传来的数据，并对各数据进行处理，经端口检验，将接收到的数据与该端口测量参数的故障极限数据进行比较，若超出正常数据值，则经声光方式给予报警，若所测数据在正常范围内，则不予报警，并将数据存入RAM，然后将数据送入显示模块进行显示。为有效利用该系统的功能，各测量数据由软件设计自动存入其RAM内，需要时可通过系统的输出接口输入到外部计算机内，在计算机上对数据进行详细分析，以进一步了解其工作状况及故障发生时的情况。从以上分析来看，关于工程机械一体化监测系统的优化与设计应该根据工程机械自身的特点来进行，系统的优化设计的一个基本目标是要注重监测系统的可靠性有稳定性，要在注重经济性的同时，采取一些相对简单而又能应付恶劣工作环境的设备，从而提高监测系统的整体性能。
加强工程机械一体化的监测系统的优化设计，已经成为改善工程机械一体化作业精确度和效率的重要途径。针对目前监测设备容易出现各种问题的实际情况，本文对于工程机械一体化监测系统的设计与优化，可以在某种程度上解决当前工程机械一体化操作带来的问题，从而提高工程机械一体化运行的效率和质量。总之，随着现代信息技术的发展，尤其是计算机技术的发展，将微电子控制技术作为核心的机电一体化监测技术必将在工程机械使用以及操作、改造中发挥重要的作用，极大推动工程机械自身性能的改进和技术的创新，这对于推动工程机械技术的发展，提高工程机械的使用效率，将产生重要的影响和价值。相信未来机电一体化技术在工程机械应用的领域和范围将会更加的广泛和深入，因此工程机械一体化监测系统的优化与设计作为一个理论与实践相结合的研究课题具有深远的意义。
本文作者：李国铭申宁工作单位：烟台工程职业技术学院
关键词：结构优化设计技术；矿山机械设计；初步
矿山机械中的一些大型设备大部分是结构件。据不完全统计，装载机、牙轮钻机、挖掘机等设备，其结构件占60%以上。对这些以结构件为主的设备，采用传统的设计方法，其结果是很不理想的。庆幸的是，我们这行业的研究设计人员开始关注这个问题，做了一些有益的工作。如对一些机构进行了优化设计，用有限原方法进行结构的静动强度分析等等。但到目前为止，仍没见到有关矿山机械结构优化的文献。
一、矿山机械结构优化的可行性和必要性
1.尽管有这样那样的困难，对矿山机械进行结构优化设计还是有可能的。结构优化设计应用有三个前提条件：一是电子计算机的发展和普及，二是有限元理论和方法的发展；三是高效的结构优化方法。从目前情况着，电子计算机特别是微型电子计算机在科研、设计部门已日益普及，作为结构优化基础之一的有限元理论和方法是比较成熟的，而且有了不少通用的有限元分析程序；结构优化设计理论，经过二十多年的发展也日臻成熟，无论是优化准则法、数学规划法还是两者的统一方法，其解题效率都比较高。结构优化技术目前已广泛地应用于航空部门、土建部门等。在矿山机械领域由于广大科技工作者的努力，在有限元分析方面已取得了较大的进展。对牙轮钻机、装载机、挖掘机等主要矿山机械的有限元分析已全面展开。这就为结构优化提供了直接的便利条件。给矿山机械的优化提供了可靠的保证。
2.矿机中的一些主要设备如牙轮钻机、装载机、挖掘机等都具有一个比较明显的特点，那就是：十分笨重，运输不便。对这些设备采用传统方法进行设计时，则往往难以找到一个理想的方案。其应力分布和结构往往是不太合理。而采用结构优化设计方法，可以在对原始设计方案进行有限元分析的基础上，采用自动寻优方法，就可以找到一个较理想的方案。使结构的应力分布更加均匀，结构更加合理。而且，从现在的文献来看，设备的自重可以减轻25%左右，其经济效益是十分显著的。因此，有必要对矿机结构进行优化设计。
二、 矿山机械设计中结构优化设计技术
1. 最大可靠性结构优化设计。"可靠性"的概念对我们并不陌生，但将可靠性概率引入超静定结构的设计中，却鲜为人知。而在工程设计中却经常希望在给定材料体积下尽可能合理地分布结构材料，使结构的可靠性尽可能地大，或是研究一个用料省、可靠性大的折衷方案。因此在矿山机械结构件设计中，引入可靠性概率（结构在规定的条件下，在规定的时间内完成预定功能的概率）这一衡量结构可靠性的指标，采用一次二阶矩概率设计理论，以传统的安全系数为目标进行优化，就可以提高结构的安全度，而且使结构更为合理。文献"1"以结构杆件截面积为设计变量进行了可靠性最大的结构优化设计表明这个方法是可行的。
2. 结构模糊优化设计。从目前的有限元程序，对于所给定的计算模型，其结果是比较精确的。但是对实际结构而言，这个结果是不大可信的。这是与模型、载荷，约束的简化等多方面因素有关。本来，这些因素在实际工作或结构中是不大容易确定的，也就是说具有一定的"模糊性"。另外，对于有限元分析的计算工况的确定也是比较困难的。目前，我们在有限元分析中，一般是选择典型工况进行，至于这典型工况的"典型性"则是由分析者自己确定。此外，在结构优化设计中，还有许多东西是模糊的，目标函数、约束条件、约束条件的右端项等等均具有一定的模糊性。最后，为了真正地得到满足所有可能约束的结构最佳组成，我们要对最后的尺寸和形状作出决策。因为，对每种不同的工况，计算得到的"最优值"是各不相同的，那么，在综合所有计算工况时，究竟如何确定其最终尺寸呢？显然，按满应力法则不大可行，因为满应力法是要求每一单元至少在一种工况下达到满应力状态，这样综合的结构就不可能是最轻结构。因此，最后尺寸和形状的决定也要借助模糊理论来解决。从模糊到精确，再从精确到模糊，这是符合历史发展规律。
3.研制、推广、应用CAD软件。根据现代结构设计的需要，借助计算机辅助设计，不但能对结构的初始方案和改进方案快速地进行结构分析和强度校核。而且还能开展以最轻重量的单目标优化设计和以机器工作性能、节省钢材和结构强度三大要素为出发点的多目标优化设计。因此加速研制一些多功能的计算机辅助设计软件，对于提高矿山机械设计的质量，是很有必要的。目前，在农机领域已经有了用于微型机的大型多功能的MAS程序系统，不过，在优化设计等方面，还有待进一步完善。应用CAD软件，可以在以下几个方面起到明显作用：一是提供合理的设计方案、节省钢材和成本。二是提高产品设计水平。三是可找出结构损坏的原因和有害振动的根源。四是可以对机器系统进行多目标的优化设计。在研制CAD系统时，应该注意的是：一是发掘较为普及的微型机的潜力。二是结构设计和分析的完备性（结构静动分析、结构静动优化计算机绘图等）。三是适用于多种结构型式，即适用于多单元的结构（如杆、梁、板、壳等）。
三、发展方向
1.大力推广应用结构优化设计的发展方向。航空、国防、造船等行业分别召开了结构优化设计的学术交流会。土建部门还举办了结构优化设计的专门讲习班。机械工程学会召开的强度学术会议上也交流了结构优化方面的论文。这说明在这些行业和部门，结构优化设计已经受到重视。因此，矿山机械设计部门的工作者（包括设计师、研究生和教师）应该注意推广和应用结构优化设计技术。可以举办结构优化枝术讲习班，召开矿山机械结构优化设计学术交流会。学习工程设计人员应该掌握结构优化设计的基本知识，学会使用一些结构优化设计软件。对具体的结构采用优化设计，以提高整个矿山机械的设计水平。
2.矿机结构从静力优化向动力优化过渡。首先，我们要大力开展矿机结构的静力优化设计，推广应用和完善现有的结构优化程序，研制和发展一些通用性较强而且又适合矿机特点的软件包。其次，我们应该在结构静力优化的基础上，对矿机结构进行动力优化设入计。因为在静力优化时没有考虑结构的动力特性。如固有频率、动态响应等。而这些动力特性对于大部分矿山机械来说是比较重要的。如固有频率对司机乘坐的舒适性以及共振破坏等都是很重要的。而结构的动力优化设计就是在静力优化的基础上引进频率约束，动强度约束，动刚度约束等。在理论上，进行动力优化是没有困难的，静力优化的结果可以作为动力优化的初始值。
我们建议，在近几年内，应该集中精力着手研究一些具有专业特色的典型的程序包。如底盘、车架、机架等结构件的优一化程序。按照结构的通用性、统一性和组合性原则建立程序包，对结构件进行选型优化设计。当然，如果在程序包中加上对整机参数的优化、液压系统优化设计、传动系统优化设计等等，可以使矿山机械的设计更趋自动化。
参考文献：
[1]程耿东。可靠性最大的结沟优化设计.计算结构力学及其应用.2010，No4
关键词：零部件 可靠性 优化设计
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0083-01
1 机械零部件可靠性设计的作用
可靠性设计是指以形成产品可靠性为目标的设计技术，又称概率设计，将外载荷、承受能力、零部件尺寸等各设计参数看作随机性的变量，并服从一定的分布，应用数理统计、概率论与力学理论，综合所有随机因素的影响，得出避免零部件出现破坏概率的相关公式，由此形成与实际情况相符合的零部件设计，确保零部件的可靠性和结构安全，控制失效的发生率在可接受的范围内。概率设计法的作用体现在两个问题的解决。首先，分析计算根据设计而进行，确定了产品的可靠度；其次，根据任务提出的可靠性指标，确定零部件的参数，从而帮助设计者和生产者对零部件可靠性有清晰明确的了解。
2 机械零部件可靠性优化设计现状
目前，主要使用可靠性优化设计方法还是传统的设计方法。这种方法在设计机械零件时，一般都将零件的强度、应力和安全系数都是当作是单值的，将安全系数与根据实际使用经验规定的某一数值相比较，如果前者大于后者，就说明零件是安全的。但是由于没有考虑到各参数的随机性，把各个设计参数看成是单一的确定值，因此并不能预测零部件可靠运行的概率，很难与客观实际的最优化方案相符，设计人员也不好把握其设计产品的可靠性。
以概率论和数理统计等作为工具的可靠性设计方法，避开了主观的人为因素在设计过程中的影响，外界条件变化得到了从整体上的把握，设计结果更贴近客观情况。可靠性设计广泛应用在机械零部件可靠性设计的各种问题中，更科学地解决了许多繁琐的传统设计方法有心无力的问题。
3 机械零部件可靠性设计方法
机械零部件可靠性的设计不仅需要的是与时俱进、把脉时代的创新精神，更需要把握零部件质量保证和可靠性优化设计的科学方法。机械零部件可靠性设计是基于传统机械设计以及其他的优化设计方法进行的，由于机械产品有着千差万别的功能和结构相异之处，因此，机械零部件可靠性的设计方法以及优化方式的选择需要因地制宜。
3.1 权衡与耐环境设计
权衡设计是对可靠性、质量、体积、成本等要素进行综合衡量后，制定出最佳方案的设计方法。耐环境设计也是进行综合考虑的一种优化设计方式，从机械零部件生产之初，就将零部件在整个寿命周期内可能遭遇的各种环境影响考虑在内，包括运输的碰撞、空气干湿程度对设备的作用、设备保养合理程度等，通过对这些环境因素的分析，在零部件生产用料和生产技艺上加以优化，从而进行保护和保证零部件自身乃至机械设备的可靠性。
3.2 预防故障设计法
机械设备的运作是整体性运作，处于完整的串联式系统中。实现“整体功能大于部分功能之和”的目标，优化机械设备的可靠性，首先需要优化零部件的可靠性。机械设备的零部件需要进行严格的选择和控制，对外购件需要严格把控，标准件和通用件要优先选用。选用之前要对零部件进行分析验证，最大程度利用故障分析成果，以成熟的经验和经过分析验证证实的方案。
3.3 简化与余度设计
简化设计指的是在满足特定功能的条件下，设计应该合理简化，如零部件的数量尽量避免冗余。所谓“多个香炉多只鬼”，越复杂越容易出现错误和故障，可靠性的优化就更无从谈起了。这不仅是可靠性优化设计的一个基本原则，也是避开故障、提高可靠性的最有效方式。简化意味着减少不必要的部分，而并非依靠少部分超负荷承担大部分的工作，零部件的简化需要从整体着眼，仔细分析零部件的组合与配合的最佳方式。余度设计则是从整体入手，类似于计算机中的备份功能。通过对完成规定功能设置重复的结构、备件等，以防局部故障或失效时，机械设备整体系统依然保存着规定的功能。
3.4 概率设计法
将应力一强度干涉理论作为基础原理支撑，把应力和强度作为服从一定分布的随机变量处理。处理设计对象中与设计有关的参数、变量等部分，成为服从特定的统计规律的随机变量，建立符合可靠性设计标准的概率数学模型，通过概率与数理统计理论和强度理论，得出在给定条件下零部件产生破坏的概率公式，求出在给定的可靠度中零部件的尺寸、寿命等，使其在符合要求并且得出最好的设计参数。这种方法巧妙地填补了常规设计的缺陷，而且较为贴近生产实际。
4 结语
综上所述，机械可靠性设计的方法是在传统方法以及旁支方式上得到发展与完善的。成功的机械零部件可靠性优化设计，在把握设计参数的随机性、多参数的设计以及在设计中预测该零部件的可靠度等问题上都有全局性思路的贯穿。想要在国际市场竞争上占据一席之地，拥有良好的可靠性是我国机械产品生产商努力的大方向，机械零部件的可靠性优化设计其重要性不言而喻。因此，在对这个问题进行研究时，不仅要有创新的思想，还要有科学可靠的设计方法。
参考文献
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【关键词】 自动化技术；应用；前景
中图分类号：B819文献标识码： A
随着工业革命的不断深化，科学技术获得了飞速的发展和进步，也给新时期的机械制造工业带来了巨大的发展机遇和严峻的挑战。机械自动化技术，正是机械制造在发展过程中应对挑战的产物。对于我国而言，虽然机械自动化技术发展的时间较短，但是已经在许多领域得到了广泛应用，成为一种全新的生产力表现形式，引起了社会各界的广泛关注和重视，甚至直接影响着社会的稳定和发展。
一、机械自动化技术发展概述
机械自动化技术，其实质就是将机械制造技术和自动化技术进行结合，对需要加工的对象，进行自动化、连续性的生产作业，从而使得机械制造的生产过程更加高效化、安全化和自动化，在确保产品质量的同时，提高生产效率。
机械自动化技术属于一门专业性较强、应用范围较广的学科技术，一般来说，可以将其简单地理解为系统工程的一种表现形式，其系统主要有以下几个方面构成：
（1）程序单元
是机械自动化系统中，最为关键的组成部分，主要功能在于对系统的工作进行判断，明确系统“做什么”以及“怎么做”的问题。
（2）作用单元
主要是对系统进行能量的施加和定位明确，确保系统功能的有效发挥。
（3）传感单元
传感单元是机械自动化系统中的基础性单元，可以实现对系统工作状态的实时监测，以及对系统性能参数的分析。
（4）制定单元
制定单元属于系统的核心部分，其主要功能是利用相应的设备，对传感单元传输的数据信息进行整理、对比和分析，根据分析结果，制定出相应的动作信号。
（5）控制单元
指用于确保系统正常工作，对系统动作进行调节和管理的保障性单元部分。
机械自动化技术对于机械制造行业的意义是十分重要的，主要表现在：首先，可以使机械制造的过程更加高效和迅速，从而减少制造过程中的人力成本，降低设备的成本造价；其次，可以显著提高机械制造的产品质量，强化生产效率，不仅可以控制产品的生产周期，便于产品的批量化生产，还可以提高机械产品更新换代的速度，提升机械制造企业的经济效益；然后，机械自动化技术的应用，可以实现机械制造的自动化，降低工作人员的劳动强度，改善作业环境，提高工作人员的积极性和主动性。
二、机械自动化技术的发展应用
机械自动化在机械制造中的发展应用，主要表现在以下几个方面：
1、自动化应用
自动化的应用是机械自动化技术的基础，也是最为关键的部分，涉及的应用范围极为广泛，可以集中体现在以下几点：
（1）信息的自动化
机械制造中的信息自动化，主要包括对产品数据的计算机辅助设计、工艺辅助设计以及数据库管理等，通过对设备信息的管理和分析，可以在自动化系统中输入相应的参数信息，从而实现控制生产的目的，是产品质量和实用性的有力保障。
（2）物资供输的自动化
物资传输的自动化，可以利用系统，实现对于生产过程的监督和管理，结合实际情况，将生产所需的原材料自动运输到相应的位置，也可以将成品进行收集和整理后，运出生产线。对于机械制造的生产过程而言，可以为企业节省大量的人力和物力资源，减少机械制造的生产成本。通常情况下，物资传输的自动化系统，必须包括自动传输装置、自动控制装置和单机自动装置等。
（3）生产的自动化
生产自动化是自动化的关键，是指生产过程中，不需要进行人为操作，系统可以根据事先设定的参数和数据，自动完成生产过程，从原料的运输、抽检、装配一直到包装，完全由系统自动完成。在这样的情况下，一条生产线往往只需要几个管理人员，极大地节约人力资源。而由于完全由机械自动生产，不存在疲劳操作，可以在机械能够承受的范围内，进行持续重复生产，从而极大地提高产品的生产效率，减少出错率，确保产品的质量。
（4）设备装配的自动化
设备装配的自动化，主要是针对生产设备而言。可以利用机械自动化技术，结合相应的参数、规格、形态等，对生产中需要用到的设备进行自动化装配，之后结合相应的数据信息，对设备进行调试和组装，形成一条相对完整的生产工艺流水线。
2、集成化应用
集成化在机械制造中的应用，主要是指对技术功能和技术经营的集成。在当前信息化时代的背景下，现代化信息技术获得了飞速发展，计算机集成技术的应用，可以对机械制造的过程进行优化。在机械制造技术的发展过程中，可以通过对机械自动化技术的合理应用，实现计算机技术、企业管理技术以及数控技术等的有效集成，确保其各自的功能可以得到充分地发挥，推动机械制造行业的发展。就目前而言，较为常见的集成方式，是CAD/CAM 为主的 CIMS工程应用方式，可以切实保证机械制造的稳定和发展，在机械制造行业得到了广泛的应用和普及，基本上完成了对整个行业的全面覆盖，其本身的适用性和有效性，也决定了在不久的将来，必然会成为机械制造行业最为核心的生产方式之一。
3、智能化应用
智能化应用，是指融合了自动化技术、机械制造技术、人工智能技术和系统工程管理技术在内的多项技术措施，是在自动化的基础上，通过与专家系统的结合，实现智能化生产的技术措施。智能化技术的应用，可以使得系统能够自主对生产中遇到的问题进行分析和处理，结合实际情况，对生产进行管理和控制。就目前而言，智能化应用的重点和关键，在于专家系统。所谓的专家系统，是一种先进的智能计算机程序系统，其内部数据库中集成了大量的专家水平的知识和经验，可以利用人类专家的知识和经验，对相应的问题进行解决。专家系统属于人工智能技术和计算机技术的结合，形象地说，应用专家系统对机械制造的过程进行管理，就好比聘请了一位专业技术人员进行管理，可以对系统运行的实际情况进行实时检测，从而及时发现问题，解决问题，确保机械制造的顺利进行。
4、柔性化应用
柔性化，是指机械自动化系统可以在面对不同的环境时，表现出相应的适应力，具备良好的可操作空间。也可以说，在这种情况下生产出的产品，对于市场有着极强的适应力，可以从容面对市场的变化情况。在当前的机械制造行业，不仅需要对产品的质量进行保证，还必须针对市场的实际需求，及时做出反应，对生产结构和产品类型进行适当调整，避免生产与市场的脱离。而在当前的技术条件下，柔性化应用在机械制造中表现为敏捷制造，体现在以下几个方面：
①有效提高企业的生产效率，提升产品的质量；
②以客户需求为导向，保证产品的生产周期；
③对信息系统的可靠性进行强化；
④对企业结构进行优化，满足市场对于机械制造产品多样化和个性化的发展需求。
柔性化应用对于企业发展的影响是十分巨大的。举一个较为显著的例子，在某县城拥有两家农机生产企业，企业规模和产品结构相似，相互之间的竞争十分激烈。在发展过程中，甲公司实行技术保密措施，固守自身的生产方式，一味埋头生产；而乙公司实行柔性管理，安排专人到农户家中，了解农户对于农机的实际需求，并努力做好技术攻关，以客户需求为导向，对产品的生产工艺和规格进行了适当调整，虽然在一段时期中加大了成本的投入，但是由于顺应了农民的实际需求，其产品的市场占有份额迅速扩大，一举超过了甲公司，使得企业的经济效益得到了巨大的提高。
三、机械自动化技术前景展望
在计算机技术不断发展的推动下，机械自动化技术开始逐渐向着数字化的方向发展，主要体现在：
①数字化环节：可以使用相应的计算机软件，对产品的零件使用情况进行模拟，从而对产品的生产工艺进行改进和创新，确保自动化生产的合理性。
②数字化生产：自动化的生产过程，离不开计算机技术和软件技术的支持。实现企业机械自动化的过程，实际上正是数字化生产的形成过程。
③数字化管理：数字化管理，是指通过对系统数字信号的处理和传输，实现对于机械制造过程的管理，以提高整体管理水平。
机械自动化技术开始出现虚拟化的趋势。虚拟化制造技术实际上与数字化环节存在很大的一致性，同样是利用计算机技术、多媒体技术、数控技术、人工智能技术等，对机械制造的实际生产过程进行仿真模拟分析，从而对生产过程中可能出现的问题进行预测，并在实际生产中尽量避免类似问题的发生，从而确保生产的顺利进行，提高生产效率。
综上所述，在经济发展的影响下，机械制造行业面临着巨大的发展机遇，但是也面临着严峻的挑战。因此，我们要高度重视自动化技术在机械制造中的应用，将机械自动化技术和机械制造的相关工艺技术进行融合，才能推动机械制造行业的稳定发展。同时，也必须清楚地认识到，与发达国家相比，我国的机械化水平尚处于发展阶段，差距巨大，但是也在不断缩小，相关技术人员要加强对于机械自动化技术的研究和创新，切实提高我国的机械化自动化水平，推动社会的全面进步。
【参考文献】
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[3] 黄永亮.机械自动化在机械制造中的应用[J].科技创业家，2013（4）95.
[关键词]稳健优化；机械结构；动态特性；双层更新Kriging模型
中图分类号：TQ320.66 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0225-01
现在机械设备的结构越来越大，也越来越精密和复杂，这使得某些关键零部件结构的动态特性和综合性能影响越发明显，但是在现代机械结构的设计中并没有较好的顾及到关键部件的结构特性，导致机械设备的噪声和震动等问题日益严重，故障率也随之增加，同时机械结构设计中也存在着多种不稳定因素的影响，这些问题的出现都使得相关的稳健优化设计的必要性，本文通过设置机械结构动态特性指标的Kriging模型，能够快速的获得给定的结构设计方案中的动态特性指标值，旨在降低优化求解中的相关数值计算，实现最终对机械结构的优化设计方法。
一、 机械结构动态特性的多目标稳健优化模型
首先我们要明确机械结构动力学分析的基本原理，根据结构动力学，相关的振动方程为：
如何根据机械机构动态特性建立多目标稳健优化模型，是我们要思考和解决的问题，现在衡量机械结构动态特性好坏的重要标准就是其固定频率是不是避开了来自外界的激励频率。基于这一情况的考虑，建立一下形式的动态特性好坏的标准函数：
其中，f为设计矢量的函数，d为确定变量，s为随机变量，为激振频率。由于稳健优化设计的目标是为了使得结构动态特性指标趋向于平均值，而且方差尽可能的缩小，所以可以建立多目标的问价优化模型：
二、 基于双层更新Kriging模型的结构动态特性多目标稳健优化求解
从上文中我们知道，结合机械结构动态特性的优化设计是需要对动态特性指标的方差和均值同时达到最优的多目标优化方案，优化设计的过程中需要多次进行大规模的有限元仿真分析来获取对应的约束函数值和目标函数，由于整合的数据量非常大，求解的效率相对较低，为了解决这一难题，通过优化设计来获取足够多的样本点，建立拟合效果更好的Kriging模型，采取双层更新策略使得设计空间和区域有更高的契合度，从而快速而精确的获得优化函数的函数值和约束函数值。在这个思路的参考下，利用优化模型的算法，提高了对全局数据的搜索能力。
1、Kriging模型
工程领域有很多个常见的模型，分别为人工神经网络模型、Kriging模型和多项式响应面模型等。针对不同的问题，每个模型都有着一定的局限性，而Kriging模型由于具备局部随机误差和全局相似的双重特点 ，所以其有效性不受随机误差的影响，对局部响应突变问题以及非线性成都较高的问题都有较好的拟合效果。
Kriging模型可以看成是一个多项式和随机分布函数的和，如下：
y（x）即为一个位置的Kriging模型函数，f（x）是一个二阶回归函数，β、z（x）分别为待定系数和随机过程模拟函数。通过带入数据的相关矩阵，并根据Kriging模型理论，可以求得最后相关参数的特殊的特征是最大函数：
上式即为该值组成的Kriging模型下最优化拟合方案的模型
2、Kriging模型的双层更新方案
通过分析最优化的函数模型，我们可以得知Kriging模型的在优化设计方面的主要思路为，首先把需要设计的空间里的局部和全局误差带入样本点，在确保全局的精度的前提下更新模型，随后，在优化的数据中寻找近似最优解并且把这个最优解添加到样本点中来，具体的操作方法是，首先要构建初始模型，利用初始的样本点和双层最优化模型，建立局部的随机样本点集合，加上对有限元的分析获得相关的最优函数值，并将局部的点集带入到模型中，对比检验获得的数据是否满足拟合度要求。满足局部精度是远远不够的，在此基础上还要满足全局的精度，那么久需要对模型进一步的优化和更新，具体的方法是判断R值的收敛性的条件，若收敛，则要继续判断RMAE的收敛性，如果不收敛，则在该值的最大样本点附近新增少量的点并对其进行加密。最后是模型内部的更新策略，具体的方法是使用遗传算法，搜索最优解的数值，并带如模型中计算看是否能达到精度要求，如果能达到，那就保留模型，如果达不到的话，就使用迭代的方法，重新带入更新优化模型，知道达到为止。
3、结构动态特性多目标稳健优化问题的求解算法
基于该模型解决方案下，对于问题的稳健优化流程步骤为：1首先根据具体的设计要求，确定相关的变量，并确定变量的取值空间；2构建以设计变量的参数化有限元分析模型，模型使用的是拉丁超立方采样数值实验表，具体包括了两类变量的变化空间要求；3通过参数化有限元分析的模型和拉丁超立方采样实验表综合分析结构的有限元，通过对比各个实验方案的输出响应值，得到了我们需要的双层更新Kriging模型的初始样本点集；4通过初始的方案，来预算Kriging模型的结构动态特性指标的优化方案设计；5在双层更新Kriging模型和蒙特卡罗计算方法求出动态特性指标的方差和均值；6最后得出机械机构动态特性的文件优化模型，使用领域培植遗传学算法求解得到相关的最优解集，并判断解集是否满足条件，如果不满足，就要重新对设计变量进行筛选，然后改变变量的取值范围，返回第一步，重新开始稳健优化的计算。
结论：把机械结构动态特性指标看成需要优化的目标，在这个过程中把材料属性不确定性和装备的综合性能列入考虑的范畴，构建相关的机械结构特性的多目标优化模型，是对装备设计方案的基础方法，构建高精度高契合度的Kriging模型，能够提高对于机械结构稳健优化模型的约束函数和目标函数值获取的快速和准确。
参考文献
[1] 何欢，朱广荣，何成等.基于Kriging模型的结构耐撞性优化[J].南京航空航天大学学报，2014，46（2）：297-303.
关键词：动态优化设计 深层次动态优化设计 非线性理论
中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（b）-0111-01
现代机械动态优化设计是在产品的研究和开发过程中，对机械产品的运动学和动力学等问题进行分析和计算，以保证所研究和开发的设备具有优良的结构性能及其他相关性能[1]。
随着科技的发展，动态设计的广度与深度正发生变化，总体上分为以下三个方向：（1）就广度而言，由狭义的向广义的方向发展；（2）就深度而言，由传统的动态优化设计向深层次的动态优化设计发展；（3）就内容而言，从一般机械的动态设计扩展到包括振动机械在内的动态设计[2]。
1 深层次动态优化设计的内涵
传统的动态优化以提高产品结构性能为主要目标、以线性动力学理论为基础的动态优化设计法。
深层次的动态优化设计主要是以非线性动力学理论为基础，使产品能够获得优良的结构性能，研究内容包括以非线性动力学理论为基础的动态设计和以非线性可靠性理论为基础的机器及其零部件可靠性设计。
2 深层次动态优化设计法的研究意义
动态优化设计是机械设计内容中最重要和最具广泛性的问题。而目前机械设计中，以静态设计为主，或采用传统动态设计方法。但这对大型机械装备来说，这远远不能满足需要的。对重大机械产品设备进行深层次的动力学设计，引入非线性动力学理论与方法，是十分必要的[3]。
3 深层次动态优化设计的应用现状
3.1 在振动机械中的应用
振动机械是泛指利用振动原理而工作的机械，它是化工、冶金、建筑等领域常见的设备，虽种类繁多，但基本工作原理相同[4]。随着振动机械向大型化发展，对机械性能的要求越来越高。例如对冶炼设备中的关键设备—— 振动筛的动负荷的要求随即增大，所以在振动状态下常会引起筛体结构强度和刚度不足，导致筛体变形过大，甚至使筛体出现断梁、侧板断裂等故障，造成严重后果。以往对这种设备结构上的不合理设计可能引起的故障缺少测试手段，因此往往在故障发生后才被重视，造成难以挽回的损失。随着振动机械性技术的发展和社会对振动机械要求的不断提高，传统的动态优化设计方法已经不能满足要求，以非线性理论为基础的深层次动态优化设计理论的研究和应用将会成为振动机械领域的主流方向。
3.2 在机床领域中的应用
现代机床要求高的加工精度和表面质量，并具有高的生产率。由于加工过程存在各种振动，机床主轴受迫振动的干扰力主要来自轴上不平衡旋转零件所产生的周期变化的惯性力和不均匀切削时时变的切削力。机床运转时，由于强迫干扰谐振力引起主轴上工件或刀具切削部位的振幅等，使加工过程达不到预定的加工精度和表面质量[5]。
在机床设计方面，优化设计方法也得到了应用，取得了一定的成果。在国外，Michigan大学的T.jiang和M.Chiredast[6]在应用有限元法和动态分析的基础上，提出一种数学模型来模拟机床结构的联结形式，建立整机的模型并对机床结合面的联接件的位置和数量进行优化设计。在国内，西安交通大学张波、陈天宁[7]等在ANSYS环境中建立了机床主轴部件的有限元动力学模型，并对主轴部件进行了静、动态特性的计算和动态优化设计。他们建立了简化的有限元动力学模型，在ANSYS中分析其前8阶的模态频率，确定动态优化设计的目标，然后设计和修改主轴的结构使之达到预期的动态特性。
随着技术的进步，社会对机械零部件的加工精密度要求越来越高，深层次动态优化设计的应用空间也将越来越大。
3.3 在交通工具研究中的应用
随着社会的进步，生活水平的提高，人们对交通工具的要求也越来越高，这体现在对交通工具乘坐舒适性、安全性、外观的美观性等。
目前，我国大力发展高速列车的研究和使用。据报道，2010年5月27日，新一代高速列车“和谐号”380A首辆车在长春下线，最高时速可达380km。对于高速列车这样的复杂系统，传统的动态优化设计方法已经失去了作用，深层次动态优化设计法成为了必然的理论基础。
在汽车领域，汽车在行驶时，路面的不平度会引起汽车的振动。为提高汽车的平顺性，减少其振动，一方面要改善路面质量，减少振动的来源；另一方面要求汽车对路面不平度有良好的隔振特性。车辆的减振一般有三个环节，即轮胎、悬架和座椅，其中，起重要作用的是由弹性元件和阻尼元件构成的车辆悬架系统。而车辆悬架系统是典型的非线性模型，只有利用深层次动态优化设计法才能建立其准确的模型。
4 结论
本文对深层次动态优化设计理论的研究内容及意义进行了分析，并通过在振动机械、机床、交通工具等典型领域为例，介绍了深层次动态优化设计的应用现状。
在过去的这些年里，深层次动态优化设计理论的研究已经取得了很大的进步，也有了很多比较成功的应用实例。但是科技是不断向前进步的，对机械设备各方面性能的要求也越来越高，深层次动态优化设计理论依然有待于完善，其应用前景将会更加光明。
参考文献
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[关键词] 机械安全； 机械设备； 优化设计； 遗传算法
一 引言
煤矿行业作为我国的一种重要的传统能源行业，在国民经济、人民生活等众多领域中起着举足轻重的作用。但现阶段我国的煤矿企业普遍存在着机械化的建设水品严重的滞后，在生产中，技术资源严重的不足，开挖的成本居高不下。而与其相对的是近些年来，机械安全技术的兴起，改变了传统机械设备的诸多不足之处，使得机械化技术渗透了人们生活的每个角落。在很多地方已经将引进机械安全技术这种重要的辅技术作为一种衡量公司运营好坏的标准。
而现阶段我国的煤矿企业基本上受制于机械化系统不发达，从而使得各个单位之间缺乏机械运转中的协调，同时，机械内部的各个应用之间也难以连通，不利于系统集成，致使系统内沟通繁琐。不止如此，缺乏有效的机械化技术也使得领导缺乏及时有效的数据用于推断预测企业的发展与行业的发展趋势。这些问题在一定程度上严重的制约了我国的煤矿行业发展，利用现有基于机械安全的煤矿机械设备优化技术完全可以大大改善这种现象。因此，将机械安全的技术引入我们煤矿行业势在必行。而将机械设备的优化方案在煤矿行业可以有效的将信息资源集中到各个管理机构，从而推进煤矿行业的机械化进程，促进煤矿行业的发展。
二 煤炭机械的危害
1 静止的危险
设备处于静止状态时存在的危险即当人接触或与静止设备作相对运动时可引起的危险。包括：
（l）切削刀具有刀刃。
（2）机械设备突出的较长的部分，如设备表面上的螺栓、吊钩、手柄等。
（3）毛坯、工具、设备边缘锋利和粗糙表面，如未打磨的毛刺、锐角、翘起的铭牌等。
（4）引起滑跌的工作平台，尤其是平台有水或油时更为危险。
2 直线运动的危险
指作直线运动的机械所引起的危险，又可分接近式的危险和经过式的危险。
（l）接近式的危险：这种机械进行往复的直线运动，当人处在机械直线运动的正前方而未及时躲让时将受到运动机械的撞击或挤压。
①纵向运动的构件，如龙门刨床的工作台、牛头刨床的滑枕、外国磨床的往复工作台等。
②横向运动的构件，如升降式铣床的工作台。
（2）经过式的危险指人体经过运动的部件引起的危险。包括：
①单纯作直线运动的部位，如运转中的带键、冲模。
②作直线运动的凸起部分，如运动时的金属接头。
③运动部位和静止部位的组合，如工作台与底座组合，压力机的滑块与模具。
3 机械旋转运动的危险
指人体或衣服被卷进旋转机械部位引起的危险。
（l）卷进单独旋转运动机械部件中的危险，如主轴、卡盘、进给丝杠等单独旋转的机械部件以及磨削砂轮、各种切削刀具，如铣刀、锯片等加工刃具。
（2）卷进旋转运动中两个机械部件间的危险，如朝相反方向旋转的两个轧辊之间，相互啮合的齿轮。
三 煤炭机械安全的优化
煤炭机械安全优化方案在煤矿机械设备建设的领域有不俗的变现。在基于安全的煤矿机械设备优化设计方案中，改善了原有的单一矩阵单点计算的方法，加强了数据终端的信号联接，让显影的图像和数字更加直观的显现在屏幕上。在动态扑捉成像中，有更多的高保真设计，完全可以满足在煤矿生产中对机械情况安全的有效控制。
安全技术正由于其强大的数值处理能力，因而用于机械的优化设计，这种设计也是最近几年才开始使用，它将机械的运转原理与计算机技术应用联接在一起，最生产中自动得出施工的最佳方案组合，为生产提供了很好的科学方案设计。在使用了机械安全技术优化机械系统后，可以大大提高设计效率和质量，还保障了煤矿生产中的安全。基于安全技术的煤矿机械设备优化设计方案优化的目的是让机械在最少的材料和最低成本的情况下，用最合理的技术完成要求的工作，最大程度的完成机械在结构方面的性能指标，把机械内部的强度、刚度、稳定性能都 发挥出来该技术就是比人工系统多出了智能识别，自动的在系统内部生成机械的最有配置，这样也可以合理的使用材料的性能，在一些技术，如切割上，达到更大的精度，对于几何尺寸要求高的构建，使用优化技术后可以完全达到设计的要求。接下来我们就优化的方法进行简单的叙述。
（1）非线性的优化设计法
非线性的优化设计是不同的约定的函数数值所产生的一种优化方案。系统在使用时，会自动生成约定之外的函数数值，这些数值直接用于机械的编程使用中，指导机械运行。这种非线性方案可以分为两种。一种是利用目标定位将一次积分和二次积分在相乘的情况下，再次加权，以得到相应的优化设计方案。这种方法具体有共轭替代法、变化模式阶层法以及多普勒开根号法。这些在基于机械安全的机械优化方案中正是由于稳定性能良好，计算较为简便，所以使用比较广泛。另外一种就是假定一个多元函数，将函数在定义域范围内缩减至有效值，把目标函数的第三种类型编程可分析区域加以利用。这种方法虽然比较简单，但是用于机械优化中却很少，最主要的原因是在转变编程中多次使用机械安全。
（2）线性优化设计法
在机械设备优化设计问题大多要使用线性函数，根据线性函数出来数据时又可以分为直接法和间接法。直接法通常有复杂图形静态变现法，在机械设备在运转中会遇到一些人为情况下无法处理的事情，这时利用机械安全所生成的处理技术，可以很好的在具体的点位固定目标，将机械设备指引到正确的位置。构造中，函数不断的迭代，自动加载出合适的运行模式，在一系列的数学计算后，得出线性解答，最终得到合理的解决方案。
四 基于机械安全的煤矿机械设备优化设计分析
基于机械安全的煤矿机械设备优化设计是在以往传统的机械设计理念上加上了更多的计算机数据编程，是一种更加科学的现代化手段。为在煤矿生产效率中也得到了很好的优化，也能使机械产品的质量达到更好、更高的要求。接下来，我们将着重介绍在煤矿机械设备中使用机械安全优化方案中的遗传算法。
遗传算法，是20世纪70年代初期由美国密执根大学霍兰教授提出的一种基于机械安全下全新机械设备全带概率优化方法。GA是一种在人为施工条件下非确定性的拟自然算法，这种算法是根据自然界仿照生物的固有进化规律，对一个大的群体进行随机抽样，观测其繁衍变化以及淘汰机制。其中就会有适者生存，不适者就会被淘汰，按照这样的规律不断重复，使整个群体在繁衍的素质上和种群的数量上都会有很大的提高。
主要应用领域有：函数优化方面、机械的组合优化、机器概念学习、设备的控制方面、三维图型显示、机械设备故障诊断、人工生命、神经网络等最近几年中遗传算法在机械工程领域也开展了多方面的应用。本文中提到的基于机械安全下的设计优化就是选取这样的设计理念，在优势上有了很大的突显，主要表现在：
（1）煤矿机械设备结构优化设计：在煤矿生产中，多考虑到机械的方便和使用性，遗产法在结合机械安全软件后，针对多样的遗传算法中的弹性改变量、固定动态与波段概率等是不能够改变机械设备的运行模式，也就不能对煤矿机械设备有任何的优化过程。在提出了交叉适应变于线替改变的方法后，弹性改变量就会维持在一个平稳的状态，遗传算法中的频率会体现在设备的转动上，这种遗传算法为解决机械设备在工程使用中结构优化设计、多峰值函数求极值等问题提供了参考。
（2）可行性分析：在机械的整个框架系统中，模拟了固定模式中的运行，加上基于机械安全下的运转方式，把整个系统的优化性再次提升，能够在加工材料和零件上的加工都有很好的保护作用，避免了很多机械设备在使用中对于不明施工环境变化导致的机械损坏，提出框架结构系统可靠性优化的遗传算法在机械设备升级优化都有积极的帮助。
尽管遗传算法在机械安全指导下已解决煤矿生产中了许多难题，但还存在许多不足之处，如算法本身的参数优化问题、如何避免过早收敛、如何改进机械有效的工作时间和工作方法来提高算法的效率、遗传算法与其它优化算法的结合问题等。用遗传算法求解约线性和非线性优化问题时，一般采用共轭发散函数法，如何合理的选择共轭因子是算法的难点之所在。共轭因子取得过小时，可能造成整个发散函数的极小解不是原目标函数的极小解；共轭因子取得过大时，搜索过程增加困难，所以对基于机械安全的煤矿机械设备优化中遗传算法中的一系列问题还有待于进一步研究、讨论。
五 结束语
基于机械安全的煤矿机械设备优化创新设计作为一项革命性的技术，在许多行业中都有着巨大的发展空间及应用价值。在煤矿企业机械化进程中引入机械安全技术有着明显的优势，它在简化管理，加强安全监控等方面具有不可比拟的优势，十分适合我国煤矿企业的发展。利用机械设备的优化方能能实现对煤矿资源的合理开发利用，使得煤矿行业能可持续发展。
将机械设备安全优化创新方案引入到煤矿企业的机械化建设中是一种十分有前景的尝试，可以预见的基于机械安全的煤矿机械设备优化设计能推进我国煤矿企业的升级。但作为一个长期复杂的建设工程，在这个建设过程中定会有一些困难的出现。希望通过相关部门的共同努力，让基于机械安全的煤矿机械设备优化设计的整体系统能早日实现，并且进一步推进我国煤矿企业的发展。
[参考文献]
[1] 濮良贵. 机械零件[M]. 北京高等教育出版社， 1982，5（13）：23-26.
[2]蒲 俊，吉家锋. 机械安全数学手册[M]. 上海浦东电子出版社，2002，9（11）：100-108.
关键词：机械工程；可靠性；优化设计
现代社会属于信息化社会，科学技术已经是日新月异，因此，人们在对多功能产品感兴趣的同时更多的是注重其各项功能的运行能力。把生产可靠性高的多功能产品作为最终目标，随之创造了可靠性优化设计，从这个概念的确立到现在，显然已经得到了飞速的发展和应用。创建机械工程产品设计的过程中，同时要将可靠性原理和技术有效的结在一起，并按照相关的标准需求，可以把产品的可靠性放在首要位置，在延长设计时长，提高成本和功能的基础下，尽量是机械工程产品达到一定的可靠性标准。因为可靠性设计属于多领域学科范围的现代化设计，所以可靠性设计会包括很多方面的技术应用。
1.机械工程设计的可靠性常用方法
1.1.鲁棒设计方法
鲁棒设计方法着重强调减弱产品的敏感度。保证产品的各项功能在应用条件改变的情况下依然稳定运行，同时确保产品在规定的使用时长期间，不会因为产品内部组成产生改变，系统陈旧或者参数不稳定等原因影响产品正常运行的设计方法。此方法是以综合分析处理为前提由日本著名机械设计师――田口玄一首先提出来的，主要是依据产品的使用对使用者产生的经济损失程度的大小作为设计可靠性的评价标准，可以说是它的基础理论，所说的损失程度大体是说用户经济流失与产品目的和功能的正比大小，简而化之就是损失越大证明偏差越大，客观的区分出产品质量的优劣，降低偏差程度会使产品质量得到有效的提升，绝大部分经过严格筛选的材料和产品技术，都是把最大程度降低错误的出现率作为最终目标。
1.2.降额设计
降额设计方法是指产拼运行过程中零部件受到的应力大小没有超过其规定的应力范围，为了有效的减少部件所受应力，可以提高质量或者在选材上加以深究。大量的机械工程实践记录显示，机械工程零部件在低于它额定的使用压力下进行工作的时候机械工程事故率是十分低的，也就是说可靠性是十分高的。因此反复的进行研究和设计就成为了降额的有效途径，可以通过降低平均应力，提高零件使用强度等方法改变应力、降低强度，达到提升可靠性的目的。
2.可靠性优化设计在机械工程中的应用
2.1.工程机械产品的使用和维护的可靠性优化设计
对机械类的相关产品进行定期的维护和检修，这种措施能够很大程度上延长产品的工作寿命，公司的发展和扩大始终需要一个强大的售后服务系统，所以，售后维修系统的运行关系到所有机械设备生产厂家的生死存亡，通过现代化的数据分析，根据人们需求和使用环境的不同，制定全面的维护和检修方案，再依照机械使用程度和参数规定合适使用寿命。机械工程产品的可维护性也可以看成是可靠性，二者没有什么本质的区别，工程机械产品设计最开始的时候要最先考虑产品的可维护性，产品结构越是不复杂，出现故障需要对其进行维修时的处理速度就会越快，切实的减少了经济损失。机械工程产品维修可靠性的优化设计时，维护费用则是需要讨论的重中之重，要尽量用最少的资金达到最大限度的可靠标准，努力降低维修的时长，设计职工要以此作为设计基准实现机械工程可靠性优化设计。所以，把维修设计作为可靠性优化设计的前提是切实可行的。由此可以看出，设计和创建既保证经济性有保证合理性的维修方案是非常重要的。进行维修的过程中，必须使用规范的维修机械设备，工作人员也要不断提高自身的技术能力，使维修工作得到进一步的提升。
2.2.机械工程产品设计环节可靠性优化设计
零件安装设计和整体规划设计是机械工程设计的两个主体设计。而进行产品可靠性优化设计的过程中可以将它们视为一个整体，主要分为以下两种设计方法，一种是：首先对整体的机械体系进行综合分析，同时估算并掌握零部件的最大可靠性，通过对零部件结构组成的可靠性分析，估测出得到的结果必须要强于设计目标或者与设计目标持平。另一种是：在优化可靠性设计过程中将所有参数平均分配到各个零部件上，每个零部件都一定要符合这些参数的标准要求，按比例、综合分配以及等参数分配是经常用的可靠性分配方法，在设计机械结构时，零部件的选取首先考虑的必须是达到国家标准的同时已经大批生产的零部件，这样能够适当且合理的节省资金和生产时间，对于关键结构的部件要试着改变零件的使用方式并对其进行优化设计，与可靠性有关的实验要在设计之前就完成，另外，机械工程产品设计的可靠性要不断重复检验，直到所有参数都达到设计指为止，机械工程设计的人机设计也具有重要的意义，其中包括机械的可操作性和零部件适应性。
2.3.工程机械产品在可靠性优化设计制造
为了保证产品的质量，企业必须对生产过程中的所有环节都进行严格的掌控，所以机械工程的可靠性优化设计就显得尤为重要。因此要加强对工艺流程的选择以及对技术操作水平的提升，工艺流程包含许多分系统，在设计的最后要将所有分系统的数据进行整合分析，并通过有效的措施和手段进行可靠性优化。
总而言之，机械工程产品所涉及的技术研究随着时代的进步变得更加复杂化，因此机械工程产品的可靠性优化设计就成为了产品设计的主要研究对象，前景十分广阔，其可靠性优化设计会越来越得到更多人的使用和肯定。
参考文献：
[1]万耀青。机电工程现代设计方法[M ] 。北京理工大学出版社，2009 （ 03 ） ： 183 -184
在少数几个待选方案中进行比较分析，寻找最优方案的技术称为优化设计。与传统的机械产品设计相比，它既不需要参考通过估算、经验定义出的同类产品基本结构，与检查各性能指标是否满足设计要求。更不需要人工试凑类比与分析，这样可以大幅度的缩短设计周期。因此，优化设计是现代设计方法的重要内容之一。为了提高产品的竞争力，缩短开发周期，CAE以及优化方法已经频繁的引入到产品的设计，生产的各个环节。特别是综合运用拓扑优化和尺寸优化可以协助设计员在设计全新产品时，即使没有参照物也能设计出满足要求的产品。
2结构优化的方法与分层
由研究对象、约束对象、变量、目标函数与最佳策略的要求不同，我们便可衍生出不同结构的优化方法。根据优化目标的深浅可将优化分为尺寸优化、形状优化、拓扑优化，三个不同层次的优化方法，它们的难度依次加大，与此同时它们收益也相应的提高。
2.1尺寸优化
原有组件的结构形状与拓扑结构不变的同时，通过分析重组设计变量，进而寻找出最好的性能组合关系的优化方法。
2.2形状优化
保证设计域内拓扑关系不变，从而求得结构的边界，并且用这些边界组成的新结构能达到理想的几何形状，同时能表现出某种性能的最佳状态，这种方法称为形状优化设计。
2.3拓扑优化
连续体结构拓扑优化和离散结构的拓扑优化组成结构拓扑优化。孔洞数目、形状分布的优化，结构边界形状的优化均称为连续体结构拓扑优；确定各给定节点位置的最佳联结关系的优化，称为拓扑优化。
3结构优化设计的过程及一般步骤
3.1目标函数
怎样减小变形和应力是机械设计中的最关心的因素，我们可定义其目标函数为极小化变形或应力。由此可以知道，依据设计中最关注的因素是我们来确定目标函数。
3.2设计变量
设计变量是指参与结构优化设计的所有参数。在工程优化设计时，通常所用的设计变量有表征结构外型的几何参数和物理参数两大类。例如：板的长、宽、高尺寸，圆孔半径、材料的弹性模量、密度、屈服极限、安全系数等。
3.3约束条件
约束条件是指在迭代计算中，优化过程的设计变量要受到某些限制的条件。例如装配位置的限制条件，确保运动可能性的极值条件等，这些条件均可称为约束。
3.4选择优化方法并分析评估
现在解决机械优化设计的方法很多，但一种普遍适用的有效方法却是少之又少。因为机械优化设计解决的主要问题是约束的非线性规划问题，因此必须具体问题具体分析，从中选择优化方法，并对优化计算结果进行分析评估。
4产品设计的优化应用分析
4.1支承结构拓扑优化的应用
在一个原本模糊的形状，底部不动，里面有受力圆孔的支承结构中，拓扑形状分别取不同材料减少率为60%，80%时所形成的模型。在优化过程中连续减重，材料减少率达80%时，能清晰加强筋的脉络。根据结构上的分杈可设计出带有加强筋的新概念模型。根据拓扑优化结果设计支撑结构的变形和应力分布。
4.2拓扑优化分析
当前，优化分析功能是大多数有限元分析软件所具备的。设计变量（DV）、状态变量（SV）和目标函数（OBJ），CAE优化模块均可定义，但它却只能设定一个目标函数，其它需要优化的目标只有通过定义状态变量的方式来实现。定义多个设计变量和状态变量在分析课题中比比皆是，设计变量也称自变量，通过改变设计变量的数值来取得优化结果，设计变量的函数有状态变量和目标函数。
例如结构的长宽高尺寸，筋板厚度等定义为设计变量，结构变形和应力随设计变量的变化而变化，为设计变量的函数，可以定义为状态变量，使结构重量极小化定义为目标函数。设计变量，状态变量和目标函数组成优化变量。这些变量在多数的分析软件中，都是由用户定义的参数来指定。用户必须指出在参数集中的设计变量，状态变量和目标函数。满足所有给定的约束条件（设计变量的约束和状态变量的约束）的设计才能称得上是合理的设计。假如其中任一约束条件不被满足，设计就是不合理的。既满足所有的约束条件又能达到最小目标函数值的设计才能算优设计。
5机械产品设计中结构优化技术的应用
5.1机床横梁的最佳截面设计
桥式高速数控龙门铣床是在国内推出的新一代航空制造装备，其中横梁是很关键的结构，设计水平的好坏直接影响整个设备性能，对于横梁的优化主要从两方面考虑：（1）在不增加重量的前提下，使横梁上的最大变形极小化，提高横梁的静刚度；（2）优化中初阶固有频率不小于设定值，提高横梁的动刚度。
5.2机床横梁的布筋优化
原始横梁是某机械公司采用的结构，如图1所示。优化设计横梁采用了筋格的拓扑优化结果，但筋格由于太复杂，加工制造非常不利，因此从加工方面考虑这种方案采用的可能性不大，如图2所示。
