时间：2023-03-01 16:34:39
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《机械优化设计》课程理论教学体系的建设主要包括优化课程内容、制定课程教学大纲、编写课程教案几个方面。如前所述，机械优化设计课程教学需要克服“四个脱节”。因此在课程体系研究方面主要解决实现理论基础教学和应用能力培养相结合，以及课程内容与技术发展相结合两个问题。
（1）实现理论基础教学和应用能力培养相结合针对因该课程数学基础较多导致工科学生畏难情绪大，学习热情不高等问题，在课程数学理论基础等知识点方面，侧重算法原理的讲解而非算法过程的介绍；侧重使学生掌握使用现有数学工具解决工程问题，而非自行编制算法程序求解数值问题。从而使学生从算法原理和理论基础中跳出来，提升到知识的应用的层次。
（2）课程内容与技术发展相结合机械设计问题已经从求解小规模单一问题发展到求解大规模复杂性问题。因此优化方法也从经典的优化方法发展到多学科设计优化、智能优化方法、基于仿真的优化等领域。因此课程内容应和技术发展相结合，适当引入先进优化方法的介绍。为学生从解决简单数值问题过渡到今后解决复杂工程问题提供知识储备。适应“卓越计划”提出的培养学生工程能力的要求。
1.2《机械优化设计》实验课程体系的建设
《机械优化设计》实验课程体系的建设主要包括实验内容与实验项目的设置、制定实验教学大纲、编写实验指导书几个方面。实验体系建设的主要目的是使实验项目设置与工程问题相结合，实验内容与工程实践所需的综合性知识应用相适应。
（1）首先在实验项目设置时，根据“卓越计划”的要求，以培养学生的工程能力和知识的综合运用能力为目标。通过建立知识-能力-实验内容关系矩阵。将各个知识点的能力培养落实到各个实验项目环节。并且实验项目的设置突出和其他相关课程内容、工程问题相结合。避免知识点与工程应用脱节，从而达到工程技术人才的具备知识的综合运用能力的培养要求。
（2）其次在实验项目设置时，对不同类型的实验项目，优化其实验方法及其目的。主要改革体系现在以下三个方面：算法原理类实验，避免要求学生采用通用语言编写成熟优化算法的实验。而采用数值计算软件验证，并要求主要对比分析不同算法的求解过程的特点。工程问题类实验。侧重于工程优化问题数学模型的构建，如何选择合适的优化方法求解。综合类实验，和考核环节的课程project相结合，采取开放式的实验方式。侧重于培养学生对知识的综合运用能力、工程素质和合作意识。
1.3《机械优化设计》教学方法研究
教学方法有多种，不同的方法有不同的特点和其适应性。本项目研究的一个重要内容之一是拟比较几种方法的特点，将其融入到不同实验的教学过程中。
（1）对于基础理论的介绍，以板书教学为主，多媒体教学为辅。这样有利于学生理解理论基础，克服学生对数学推导的畏惧心理。
（2）对于各种算法的介绍，在简单介绍其原理的基础上，采用对比教学的方法，侧重于各种算法特点和适用性的比较。并应用结合成熟的数值计算软件，采取现场实验教学的方法进行讲解。
（3）在考核形式方面。除日常的考核和实验成绩考核以外，结合课程项目教学的方法，让学生以组为单位完成一个自选的项目（Project），并以组为单位做一个展示（Presentation）。一方面锻炼学生运用知识综合解决问题的能力，另一方面培养学生的团队协作和工程素质。
2改革特色及成效
“卓越计划”强调学生工程实践能力的培养。因此结合“卓越计划”的实施契机，在对课程建设中存在的问题进行系统深入地分析的基础上，经过不断的教学研究与实践，我校《机械优化设计》实验教学已初步形成了特色。并取得了一定的成效。主要体现在以下几个方面：
（1）在理论教学建设方面实现理论基础教学和应用能力培养相结合；课程内容与技术发展相结合。从而使学生从算法原理和理论基础中跳出来，提升到知识的应用的层次。适应“卓越计划”提出的培养学生工程能力的要求。
（2）在实验课程建设方面根据“卓越计划”的要求，以培养学生的工程能力和知识的综合运用能力为目标。通过建立知识-能力-实验内容关系矩阵。将各个知识点的能力培养落实到各个实验项目环节。并针对不同类型实验，优化其实验方法。
模型采用笛卡尔网格系统，I方向两端网格步长为300m，中间网格步长为100m，J方向网格步长为200m，K方向网格步长为5m，总共31层，模型总网格数为19×7×31=4123。在气藏底部采用Fetchovich水体模拟底水，中部布置大斜度井，井斜角为80°。同时，为判断模型压降参数设置是否正确，对研究区大斜度井进行实际测压资料历史拟合，即选择该井处于稳定生产期的测压数据进行拟合，其误差小于5%，吻合效果较好。
2单参数对大斜度井开发效果的影响
为准确分析各参数对底水气藏水淹规律及采出程度的影响，利用数值模拟多段井模型研究了井筒内的能量损失。井筒直径为89mm，示踪剂质量浓度为1.0mg/L，采用示踪剂追踪精确模拟底水见水时间。多段井模型将井筒劈分为多个段，每段拓扑结构保持原井轨迹，且拥有独立的压力、流体密度和相速度。考虑井筒内的能量损失，包括摩擦阻力损失、加速度损失及水静力学压降损失，进而可对井筒内的流体进行详细描述。采用上述模型以某一测试产量模拟生产，通过对每个射孔网格流压和流量的统计，可定量描述大斜度井不同长度的压力变化和气量差异。对于底水气藏而言，若开发过程中底水逐渐上升，气井避水高度和产量设计不合理，将导致过早见水，进而降低无水采出程度。目前，气藏底水锥进研究中，见水时间通常采用经验公式法或利用含水率来间接确定，这样会存在一定的误差。因此，笔者提出利用示踪剂追踪的方法来确定气井产出底水的准确时间，在底水中加入不同的示踪剂，通过模拟判断气井产水的来源，进而确定底水锥进的时间，为相关指标的优化提供依据。
2.1大斜度井的斜井段长度
为对比不同斜井段长度对底水气藏水淹规律的影响，模拟研究大斜度井的斜井段长度分别为200m，400m，600m和800m，斜井趾端避水高度为60m，生产制度为稳定生产（55万m3/d）情况下的水淹规律及开发效果。数值模拟结果表明：随着斜井井段长度的增加，见水时间和无水采出程度均随之增加，但增幅逐渐减小，预测期末采出程度也逐渐增大；当长度超过600m后，增长速度放缓，受长度增加的影响变弱。
2.2斜井段趾端避水高度
为对比不同斜井段避水高度对底水气藏水淹规律的影响，模拟研究大斜度井的趾端避水高度分别为30m，40m，50m和60m，斜井段长度为600m，生产制度为稳定生产（55万m3/d）情况下的水淹规律及开发效果。数值模拟结果表明：随着斜井井段避水高度的增加，见水时间和无水采出程度均随之增加，且增幅逐渐变大，预测期末采出程度逐渐减小；当斜井段避水高度超过40m时，对采出程度的影响变大。
3复合参数对大斜度井开发效果影响
单参数对大斜度井开发效果的影响在油气田开发方案优化中常常被采用，该方法通过固定部分参数，逐个对其余参数进行优化，当参数之间没有交互作用时，得出的结论是正确的。在实际生产中，不同参数的取值互相影响，即开发指标之间存在交互作用。因此，采用多次单参数优化往往只能得到局部最优结果。复合参数对大斜度井开发效果的影响是指斜井段长度、斜井段趾端避水高度和合理产量的综合作用。若对各参数不同水平组合进行模拟，全面实验则需要模拟较多方案，虽然能得到全局最优结果，但在网格精细划分或者参数较多的情况下，将会耗费大量的机时，甚至难以实现。为此提出将正交设计极差分析法与数值模拟方案相结合，根据正交准则挑选典型代表点，并设计正交表，以提高方案的合理性，减少工作量。
4结论
（1）多段井描述技术将井筒劈分为多个段，每段拓扑结构保持原井轨迹，可实现对大斜度井井筒损失的模拟，以及准确表征斜井段上的压力变化和气量差异。靠近井筒趾端，压力相对较高，靠近跟端压降变化较大。
（2）在实际生产中，各参数对开发效果的影响往往是综合作用的结果，极差分析法可作为优化开发指标的辅助手段，实现开发指标的全局最优。
关键词：机械优化设计；双语教学；教学实践
作者简介：王林军（1982-），男，湖北黄冈人，三峡大学机械与材料学院，讲师；吴海华（1970-），男，湖北黄冈人，三峡大学机械与材料学院，教授。（湖北 宜昌 443002）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）04-0104-01
双语教学不仅在美国、加拿大、卢森堡、新西兰等双语国家或多语国家获得了成功，而且在俄罗斯、日本、澳大利亚、保加利亚、匈牙利等单语国家实施也获得了良好的效果。反思国内的双语教学情况，虽然英语教师非常努力地教，学生也非常认真地学，但所取得的效果十分不理想。[1-2]国内一些211和985重点院校（如浙江大学、北京大学等）的双语教学工作开展顺利，已在双语教学教材、师资队伍建设以及教学内容和教学方法方面取得许多研究成果。但地方本科院校的机械工程类双语教学工作进展十分缓慢，尤其是针对本科生开设的“机械优化设计”双语教学在教学内容与体系、英语教学环境、教学队伍建设、考核方式等方面严重不足，其主要原因是学生英语基础差、自学能力较弱，“机械优化设计”双语教学师资也相对薄弱。[3]上述差异决定了地方本科院校难以照搬重点院校的机械工程类双语教学模式，因此探索一条适合于地方本科院校的“机械优化设计”双语教学模式极为重要。
一、“机械优化设计”双语课程现状
“机械优化设计”是一门把机械设计与优化设计理论及方法相结合、实践性很强的课程，而双语教学主要是指教师采用英语或第二语言进行课堂教学。但如何有系统有组织地开展符合三峡大学（以下简称“我校”）特点的“机械优化设计”双语教学，如何处理教材的问题、如何在学时数原本紧张的前提下开展双语教学、双语教学方法和教学手段该如何改进、如何建立双语教学考核体系、如何提高学生的学习兴趣等等，这些都是在开展“机械优化设计”双语教学时所需要研究的问题。虽然目前不少地方本科院校已经开设了机械优化设计双语课程教学，但大学生英语水平良莠不齐，不少教师的英语水平同样还没有达到能真正像汉语一样熟练地运用英语教学的地步，这使得双语教学在“机械优化设计”课程中的研究与实践中碰到以下问题：[4-6]
1.双语教学效果差
目前国内英语教育主要以应试为目标，大学生的英语听说能力普遍较弱。“机械优化设计”双语教学中涉及许多专业词汇和复杂的句型，如果采用比较单一的授课方式，学生既无兴趣，又感到难以接受，无法准确理解该课程专业知识。
2.教学内容单一
我校该课程双语教学的对象是机械制造及其自动化专业三年级学生，他们虽然已具备一定的数理基础，但许多同学依然对机械优化设计过程和内容无法真正理解，甚至产生厌学情绪。这就要求双语教师在进行教学内容的设计时应更加丰富多彩。
3.教学方法问题
在进行“机械优化设计”双语教学时，若还是采用传统的满堂灌教学模式，课程本身的难度和英语的听力障碍将会导致教学效果不理想。而国际上知名大学多数采取的是引导式、启发式、互动式相结合的教学方法，后者更为有效，与“机械优化设计”双语课程教学相适应。
二、双语教学方法的改革与实践
依据机械工程类专业的特殊性，应从以下几方面进行改革和实践：
1.科学合理选择教学内容
考虑到我校机械制造及其自动化专业本科教学培养方案的特点及人才培养需要，对“机械优化设计”双语教学课程内容进行科学设计，主要包括以下教学内容：绪论（介绍机械优化设计的基本概念与发展趋势）；优化设计方法的数学基础（介绍矩阵运算和微积分的基础知识，凸集、凸函数与凸规划的基本理论）；常用的优化设计方法（介绍一维搜索方法、基于导数的优化方法和非导数优化方法等，包括智能优化方法）；约束优化问题的处理；多目标优化方法和优化设计结果的灵敏度分析技术；MATLAB在机械优化设计实例中的应用。这要求学生一方面掌握优化设计基础理论，另一方面应学会运用大型通用优化设计工具软件解决实际工程问题，真正做到学以致用。此外，在双语教学过程中，应安排大学生讲述自己完成机械优化设计过程，以提高大学生英语表达能力，并达到相互启发的作用。
2.努力营造英文教学环境，提高学生英语水平
作为教师，应认真备好每一堂课，板书、考试和作业批改中都要使用英语，采取全英语对学生进行提问，要求学生用英语回答，这样有助于锻炼学生的专业口语能力。同时，教师在给学生布置作业时，最好也是英语的，严格要求学生用英语完成，这样有助于锻炼学生的专业写作能力，为将来可能地进一步深造学习奠定了坚实的论文撰写基础。实际上，教师在双语教学活动中，除了布置一些该课程的课后英语作业外，还应当引导学生查找和阅读与该课程相关的专业英语读物，比如英文论文等，这样有助于增强学生的专业英语使用能力，而且还能培养该专业大三学生用英语思考的良好习惯，为将来的进一步学习和深造打下一定的基础。
3.努力加强我校双语师资队伍建设
为了提高教师的英语水平，每年安排教师参加由我校国际交流学院主办的暑期雅思培训班，取得雅思6.0分及以上成绩的教师才能担任双语教学课程。为了促进教师英文水平的稳步提高，以提升本校教师科研业务水平，学校定期派中青年教师出国交流学习，这势必将会对双语教学和师资队伍建设有一个很大的促进和提升作用。
4.充分利用本校网络教学平台
三峡大学求索学堂为全校提供网络教学服务，网络教学平台包括公共教学平台、多媒体课件制作系统、网络实时交互答疑系统。网络公共教学平台包括学生工作区、教师工作区、管理工作区三大部分，主要功能模块有公告栏、答疑、讨论区、在线自测、在线作业、下载区、资源等。多媒体课件制作系统提供辅助教师教学的多媒体课件制作平台；网络实时交互答疑系统是一个可以在网上传递五种不同模式的电子教学、实时协作和通信的平台，提供网络教学中的教学双边多媒体交互环境。充分利用本校求索学堂，可以促使教师和学生的沟通，同时还可以培养学生的知识获取能力和自主学习能力。
5.对本校传统的考核方式进行科学合理的改革
“机械优化设计”课程是机械设计制造及其自动化专业非常重要的一门专业基础课，属于专业必修课程，该课程考核方式过去经常是采取闭卷形式。这种考核方式有很大的不足，例如学生死记硬背优化公式，而忽略了利用该课程核心内容优化设计方法理论从工程上解决实际问题的能力，从而不能体现本校人才培养的要求。针对以上这些弊端，对该门课程的传统考核方式进行了改革，主要分为以下三个部分：闭卷考试成绩（占40%）：主要是考查学生对优化理论方法的理解和掌握程度；上机实验考试成绩（占40%）：重点考核学生运用计算机对优化方法的编程和实现能力；平时成绩（占20%）：主要是考核学生平时表现和出勤情况。
该课程考核方式的改革，势必将会促使学生更好地理解和掌握该课程的重难点内容，也会提高学生利用计算机编写优化程序解决工程实际问题的能力，同时将会提高机械工程类本科生的综合素质和能力，这也非常符合本校这种“高素质、强能力、应用型”的人才培养目标。
三、结论
双语教学不但能够提高学生的学习兴趣，而且还可以提高教师和学生的双语应用能力，对复合型人才的培养具有非常重要的意义。同时，在进行双语教学的过程中，要根据本校教师的英文水平和学生的认知和接受程度，精心准备和设计教学手段，科学合理安排教学内容，科学而有效地使用评价方法，这样不仅有助于学生及时了解和掌握本专业的前沿动态，还可以培养其直接阅读经典、前沿外文资料的能力。本文在对“机械优化设计”课程双语教学进行了多轮教学实践的基础上，对该课程双语教学的背景、教学内容与体系、英语教学环境、师资队伍建设、考核方式等问题进行了总结和改革，以期望对二本院校机械工程类“机械优化设计”课程双语教学与改革有一定的促进作用。
参考文献：
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[4]孙靖民.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社，2007.
关键词：超大型平头塔式起重机；平衡臂；优化设计；有限元
中图分类号：TH2文献标识码：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着有限元技术的不断发展，计算机辅助设计在塔式起重机关键组成部件的优化分析设计中得到了广泛应用。计算机辅助设计及有限元分析技术的引进使用，使得塔机产品使用起来更加安全和高效。超大型平头塔式起重机作为塔机发展的方向，其结构复杂，工况多样，仅仅对其进行整体的综合系统设计是不够的，更应该关注其细节结构设计分析，关注计算机优化设计。
本论文选取T3000160超大型平头塔式起重机作为研究对象，利用计算机辅助设计技术对平衡臂结构进行有限元建模分析，使用APDL算法完成平衡臂结构的优化设计，达到降本增效的目的。
2Ansys有限元分析优化设计的有关概念121设计变量设计方案完成后，其中的设计元素可以用一组基本参数数值来表示，这一组参数数值就是所谓的设计变量。
22目标函数
在产品结构设计中，可以利用一些设计指标衡量一项设计方案的好坏，通过把设计指标参数化得到相关函数来表示这些指标，这些相关函数即是优化设计的目标函数。
计算技术与自动化2017年6月第36卷第2期郭纪斌等：基于Ansys的超大型平头塔式起重机平衡臂优化设计23约束性条件
所谓约束性条件是在对与目标函数相关的设计变量进行取值时加入的限制性条件。约束类型按照目标函数中设计变量的不同性质可分为边界性约束和性能性约束。
24合理性设计
所谓合理性设计是指满足设计方案所有给定约束条件（包括设计变量的约束和状态变量的约束）的设计。倘若给定约束条件中的任一条未满足，该设计就被认为是不合理的。而最优设计就是既能满足所有约束条件同时目标函数值又是最小的设计。
3超大型平头塔机平衡臂优化设计的步骤
在Ansys软件中可以用两种方式进行结构优化设计：图形交互式或者数据批处理来完成。在本论文中，选用数据批处理方式来进行平衡臂结构优化设计，以期提高优化设计效率。
由于用户采用优化方式的差异（批处理或GUI方式），Ansys优化设计步骤会有些许差别。本论文中平衡臂优化设计步骤如下：
31分析文件的生成1311参数化建立模型通过Ansys软件/PREP7命令把设计方案中的设计变量参数化建立数据模型的工作完成。对于本论文选定的T3000160超大型平头塔式起重机平衡臂，设计变量是拉杆和臂架弦杆的尺寸，如表1所示。
表1设计变量
设计变量1初值（mm）1变量含义X112001平衡臂下弦杆角钢L200X36的截面长度X21361平衡臂下弦杆角钢L200X36的截面长度X31651平衡臂拉杆圆钢Φ130的半径
312计算求解
Ansys中的求解器主要是对分析类型和分析选项在优化过程中进行定义，并完成载荷的施加，及对载荷步的指定，最后进行有限元分析计算，同时在分析过程中需要的数据都要在计算求解过程中指出。
在本论文平衡臂的优化分析中，solution 部分输入如下：
/SOLU
PREP7，
…
BEAM，P21X，5，PRES，-0.2c-5，…
Acc1，0，10000，0，
AUTO CP，0，0.65*2，
SOLVE，
FINISH。
313提取参数化分析结果
对分析结果进行提取并给相应的参数赋值，这些参数通常情况下包括目标函数和状态变量。完成本步操作使用POST1命令，尤其是与数据的存储、加减或者其他操作相关时，而对数据的提取通常用*GET命令（Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data）来完成。
在本论文研究中，设置平衡臂总重量为目标函数。因为重量和体积成比例关系，对产品总体积的减小就相当于总重量的减少，因此把总体积设计为目标函数。在优化研究中，把轴向应力、节点位移设置为状态变量。这些参数的设定可以用下面的方法进行定义：
/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对计算结果优化分析
建立完成分析文件之后，就可以利用计算机进行优化分析。在优化处理器中，这些相关参数的值被假定为一个设计序列，所有参数会在Ansys数据库中被自动设置为设计序列1。
4超大型平头塔机平衡臂优化设计结果
通过10次迭代计算完成对模型参数的优化，目标函数与设计变量的变化如图1―图3所示。
图1设计变量X1优化示意图图2设计变量X2优化示意图图3设计变量X3优化示意图通过上面的优化示意图可以看出，三个设计变量都是平衡臂主结构件的截面尺寸，经过优化计算，截面尺寸都得以减小，而与其相关的目标函数（平衡臂总体积）有总体减小的趋势。
在优化计算时不仅要减少平衡臂体积，同时其结构对强度和刚度的设计要求也要满足，所以本研究增设状态变量1（平衡臂端部位移）和状态变量2（截面危险节点的应力值）为研究对象，其优化过程如图4―图5所示。
图4状态变量1优化示意图图5状态变量2优化示意图从两个状态变量的优化过程可以看出，在经过多次迭代优化后各状态变量值变量均在设定值范围内变化，变化非常小。
目标函数的最优解在Ansys优化设计过程可以自动选出，在本论文中得出的最优解见表2。
由优化计算结果可以看出，平衡臂总质量由18.87吨优化到了17.13吨，p少了1.74吨，减重百分比为9.22%。与初始设计方案相对比，优化后主体结构件截面尺寸减小，从而降低了平衡臂总质量，达到了减轻平衡臂总重量的优化设计目标。通过对优化模型有限元分析结果的检查，其结构刚度、强度均符合设计要求，如表2所示。
本论文选用Ansys一阶优化方法对以平衡臂总质量为目标函数的方案进行计算优化，优化后平衡臂结构强度刚度均在设计允许值范围内。通过定义主要结构件尺寸的优化，平衡臂总重量减少1.74吨，降幅9.22%。
5结论
本论文以T3000160超大型平头塔式起重机平衡臂的优化设计为研究对象，采用现代设计理论和方法，使用主流有限元分析软件Ansys完成对平衡臂结构的优化分析，其过程主要如下。
（1）建立T3000160塔机平衡臂有限元分析模型，选用BEAM188，MASS21等作为模型分析单元，确保有限元模型结构、重量等参数的设置符合实际情况。
（2）各项参数满足设计方案要求。通过优化分析，得到平衡臂主体结构件的最优截面尺寸，同时有限元分析结果表明整体结构强度和刚度满足设计方案需求。
（3）本论文选取T3000160超大型平头塔式起重机的平衡臂进行有限元分析优化设计，为超大型平头塔式起重机平衡臂及其他相关部件结构的强度分析和设计提供一个理论性的支撑，同时提高工程机械设计质量，缩短设计周期，促进优化设计法在起重机设计中的应用。
参考文献
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（1）过滤元件。过滤原件是净化系统的最后屏障，是液压系统污染的关键步骤，是主要的元器件，对环境起到一个保障作用，具有一定的实际应用价值。
（2）液压净化系统简化模型。建立简化的模型必须进行推导，利用数学公式建立逻辑模型，通过逻辑模型建立实际应用模型，模型的建立需要一个严谨的推导过程，液压净化系统简化。
2液压净化系统的优化设计
本论文对液压净化系统进行优化选择设计主要从元件级参数设置及系统布局两方面进行阐述，对液压系统进行优化及升级提高环境保护，对机械设备的使用寿命等有一定的延长，提高其工作效率有一定使用价值。
2.1元件级的优化设计
基于以上液压污染动态平衡方程，对过滤元件过滤器进行优化选择，主要从确定过滤时间、过滤比两个方面进行优化选择。
（1）临界时间的确定。临界时间是针对一定污染度油液的独立过滤系统而言，当过滤时间达到，过滤系统的固体颗粒浓度不会随时间的改变而改变，这个时间就称为临界时间。临界时间对元件级的优化设计有一定的帮助，是对整个元件的优化设计有一定指导作用，对元件级的优化设计能顺利进行提供有力保障。
（2）基于Matlab的过滤比的优化选择。通过Matlab的过滤比进行优化选择，对液压系统产生的标准污染油液进行过滤比较。
2.2系统级优化与设计
根据液压系统目标污染度的要求，适当选择过滤管路及过滤器过滤精度，用于滤除系统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组件能耐受的污染限度之内。
（1）液压净化系统的布局。液压净化系统在实际使用过程中必须进行合理化地布局，布局采用多种方式，有时候多种方式进行合理布局，可提高过滤效果，增大系统的纳污量，减少清洗次数及延长液压系统的寿命。
（2）不同组合方式的过滤效果。通过实验进行验证，应用一种过滤方式过滤效果一般，通过多种形式与方式进行过滤能产生不同的效果，在工业实际生产过程中，经常选用多种组合方式进行过滤，其过滤效果是非常理想的，应用各种过滤方式的优势，达到一定效果。
3基于HyPneu的仿真验证
关键词：MATLAB 行星减速器 优化设计
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
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
工程机械是一种运行缓慢，体积大，承受的载荷也大的设备。它的行走驱动系统有两种方案：一为高速方案，即用高速液压马达和齿轮减速器组合驱动；二是低速方案，即采用低速大扭矩液压马达驱动。后者可省去减速装置，使机构大为简化，但由于低速大扭矩液压马达的成本较高，维修困难，所以一般的工程机械都采用前者。又因行星减速器相对于其它类型的齿轮减速器具有较大减速比，所以工程机械的行驶系统驱动中多采用行星减速器实现减速增扭的目的。
1、MATLAB语言及优化设计简介
MATLAB语言是由美国Mathworks公司开发的集科学计算、数据可视化和程序设计为一体的工程应用软件，现已成为工程学科计算机辅助分析、设计、仿真以至教学等不可缺少的基础软件，它由MATLAB主包、Simulink组件以及功能各异的工具箱组成。MATLAB优化工具箱的应用包括：线性规划和二次规划，求函数的最大值和最小值，多目标优化，约束优化，离散动态规划等，其简洁的表达式、多种优化算法的任意选择、对算法参数的自由设置，可使用户方便地使用优化方法。[1]
通常多目标优化问题在求解时应作适当的处理，一种方法是将多目标优化问题重新构成一个新的函数，即评价函数，从而将多目标优化问题转变为求评价函数的单目标优化问题，如线性加权和法，理想点法，目标达到法等。另一种是将多目标优化转化为一系列单目标优化问题来求解，如分层序列法等。MATLAB优化工具箱采用改进的目标达到法使目标达到问题变为最大最小问题来获取合适的目标函数值。
该论文中，行星减速器的设计就采用将多目标的优化问题转化为单目标，多约束条件的优化问题。
2、行星减速器模型的建立
工程机械使用行星减速器的设计是一项较复杂的工作，一般采用经验设计。经验设计不仅对于一个新的企业很难进行设计，而且往往找到的不是最优方案。
2.1确定优化设计的目标函数
工程机械的体积较大，对其灵活运行带来一定的影响，因此对行星减速器进行最优化设计时，取行星减速器最小重量为优化目标，不但可以减小行星减速器的重量，而且可以改善工程机械的灵活机动性、节约材料和降低成本。
行星减速器由太阳轮、行星轮、行星架和齿圈构成。由于太阳轮和全部行星轮的重量之和能影响和决定齿圈和整个机构的重量，由于太阳轮和全部行星轮的重量与它们的体积成正比，因此可选择太阳轮和全部行星轮的体积为最优化设计的目标函数。
…………………（1）
式中： 为太阳轮的体积； 为行星轮的体积； 为行星轮的个数； 为太阳轮或行星轮模数； 为太阳轮或行星轮齿宽； 为太阳轮齿数； 为行星轮齿数。
2.2约束条件：
（1）传动比条件[2]：
…………………（2）
式中： 为齿圈的齿数。
（2）为了使内外啮合齿轮副强度接近相等，并提高外啮合承载能力，应限制齿轮内外啮合角在给定的范围内，即：
…………………（3）
…………………（4）
式中： 、 为太阳轮和行星论、行星轮和齿圈的啮合角。
（3）齿轮不发生根切的最少齿数为17，但太阳轮的齿数常小于规定的标准齿轮不根切最小齿数17，为保证不根切，太阳轮变位系数应满足以下条件：
…………………（5）
式中： 太阳轮的最小变位系数
（4）各齿轮应满足强度要求，即齿轮的齿面接触强度和弯曲强度的安全系数均大于给定值，亦即
…………………（6）
…………………（7）
式中： 、 ——给定的齿轮接触强度、弯曲强度安全系数；
、 ——各齿轮的接触强度、弯曲强度的安全系数。
（5）为了保证传动连续和平稳性，齿轮的重合度必须大于规定值，即
…………………（8）
…………………（9）
式中： 、 ——分别为太阳轮和行星轮、内齿圈与行星轮的重合度
（6）行星轮根圆直径 不宜过小，以保证在行星轮内孔能安装上符合寿命要求的滚动轴承，即
…………………（10）
式中： ——滚动轴承外径 ;
m——齿轮的模数
（7）模数约束
…………………（11）
（8）齿宽约束
…………………（12）
（9）行星轮个数约束
…………………（13）
（10）变位系数的约束[3]
…………………（14）
…………………（15）
…………………（16）
式中： 、 、 分别为太阳轮、行星轮和齿圈的变位系数
通过以上分析，知以上建立的模型是一个具有7个设计变量，15个约束条件的单目标优化设计。
3、应用举例：
某工程机械的轮边减速器采用行星减速器，其具体要求为：转速： ；功率： ；寿命：10a；工况：中等冲击；日工作时间：14h；年工作天数300天；传动比： ； ；精度：6级；太阳轮：材料为20CrMnTi，热处理为渗氮渗碳；行星轮：材料为20CrMnTi，热处理为渗碳淬碳；内齿轮为40Cr，热处理为调质[4]。
经使用MATLAB程序优化设计后行星减速器的主要参数和采用常规设计的主要参数的比较，如表1。
表1使用MATLAB优化设计和常规设计的参数比较
4、结论
（1）利用MATLAB优化设计的行星减速器的体积比常规设计的少了12%。
（2）建立目标函数时只考虑太阳轮和行星轮的体积，对内齿圈和行星架的体积没有考虑，这样可以减小计算量和提高计算速度。但是也存在着相应的问题，目标函数中没有将齿圈的强度考虑在内，会对设计的结果产生一定的影响。
参考文献
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[2]徐灏.机械设计手册.[M]北京:机械工业出版社
[3]王永乐.机械优化设计基础.[M]哈尔滨:黑龙江科学技术出版社
【摘要】减速器是各类机械设备中广泛应用的传动装置。减速器设计的优劣直接影响机械设备的传动性能。本文通过对两种减速器主要优化设计方法的分析，提出了减速器设计中应考虑的约束条件、目标函数和变量等。
【关键词】减速器优化设计
传统的减速器设计一般通过反复的试凑、校核确定设计方案，虽然也能获得满足给定条件的设计效果，但一般不是最佳的。为了使减速器发挥最佳性能，必须对减速器进行优化设计，减速器的优化设计可以在不同的优化目标下进行。除了一些极为特殊的场合外，通常可以分为从结构形式上追求最小的体积(重量)、从使用性能方面追求最大的承载能力、从经济效益角度考虑追求最低费用等三大类目标。第一类目标与第二类目标体现着减速器设计中的一对矛盾，即体积(重量)与承载能力的矛盾。在一定体积下，减速器的承载能力是有限的；在承载能力一定时，减速器体积(重量)的减小是有限的。由此看来，这两类目标所体现的本质是一样的。只是前一类把一定的承载能力作为设计条件，把体积(重量)作为优化目标；后一类反之，把一定的体积(重量)作为设计条件，把承载能力作为优化目标。第三类目标的实现，将涉及相当多的因素，除减速器设计方案的合理性外，还取决于企业的劳动组织、管理水平、设备构成、人员素质和材料价格等因素。但对于设计人员而言，该目标最终还是归结为第一类或第二类目标，即减小减速器的体积或增大其承载能力。
一、单级圆柱齿轮减速器的优化设计
单级主减速器可由一对圆锥齿轮、一对圆柱齿轮或由蜗轮蜗杆组成，具有结构简单、质量小、成本低、使用简单等优点。但是其主传动比i0不能太大，一般i0≤7，进一步提高i0将增大从动齿轮直径，从而减小离地间隙，且使从动齿轮热处理困难。单级主减速器广泛应用于轿车和轻、中型货车的驱动桥中。单级圆柱齿轮减速器以体积最小为优化目标的优化设计问题，是一个具有16个不等式约束的6维优化问题，其数学模型可简记为：
minf(x)x=[x1x2x3x4x5x6]T∈R6
S.t.gj(x)≤0(j=1，2，3∧，16)
采用优化设计方法后，在满足强度要求的前提下，减速器的尺寸大大地降低，减少了用材及成本，提高了设计效率和质量。优化设计法与传统设计密切相关，优化设计是以传统设计为基础，沿用了传统设计中积累的大量资料，同时考虑了传统设计所涉及的有关因素。优化设计虽然弥补了传统设计的某些不足，但该设计法仍有其局限性，因此可在优化设计中引入可靠性技术、模糊技术，形成可靠性优化设计或模糊可靠性优化设计等现代设计法，使工程设计技术由“硬”向“软”发展。
二、混凝土搅拌运输车减速器的优化设计
1.主要参数
混凝土搅拌运输车搅拌筒(罐)的设计容积为8～10m3，最大安装角度12°，工作转速2～4r/min和10～12r/min(卸料时的反向转速)；减速器设计传动比131∶1，最大输出转矩60kN·m，要求传动效率高、密封性好、噪声低、互换性强。2.2结构设计主要包括前盖组件、被动轮组件、第一级行星轮总成、第二级行星轮总成、机体中部组件和法兰盘组件6大部分。机体间采用螺栓和销钉连接与定位，机体与内齿圈之间采用弹性套销的均载机构。为便于用户在使用时装配与拆卸，减速器主轴线与安装面设计有15°的倾角，法兰盘轴线可以向X、Y和Z方向摆动±6°，并选用专用球面轴承作为支承。轴承装入行星轮中，弹簧挡圈装在轴承外侧且轴向间隙≤0.2mm，减速器最大外形尺寸467mm×460mm×530mm，总质量(不含油)为290kg。
2.传动系统设计
该减速器采用3级减速方案：第一级为高速圆柱齿轮传动，其余两级为NGW型行星齿轮传动。其中，第二、三级分别有3个和4个中空式行星轮，行星轮安装在单臂式行星架上，行星架浮动且采用滚动轴承作为支承；第二级行星架与法兰盘之间采用鼓形齿双联齿轮联轴器连接，混凝土搅拌运输车减速器对齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度和齿面磨损等要求十分苛刻，因此合理地选择变位系数和进行修形计算十分重要。
三、减速器优化设计的数学模型
1.目标函数
对于C型问题，目标函数是A=min{f(x)}=min{f(x1，x2，…，xn)}式中：A——减速器总中心距，即各级中心距之和；x——各设计变量(包括各级中心距、模数、螺旋角、齿数、齿宽和变位系数等)；n——设计变量的个数。对于P型问题，目标函数是P=max{f(x)}=max{f(x1，x2，…，xn)}。式中：P——减速器的许可承载功率；x——同C型；n——同C型。
2.约束条件
约束条件是判断目标函数中设计变量的取值是否可行的一些规定，因此减速器优化设计过程中提出的每一个供选择的设计方案；都应当由满足全部约束条件的优化变量所构成。对于减速器来说，在列出优化设计的约束条件时，应当从各个方面细致周全的予以考虑。例如，设计变量本身的取值规则，齿轮与其它零件之间应有的关系等等。减速器优化设计应考虑以下约束条件：
（1）设计变量取值的离散性约束
齿数：每个齿轮的齿数应当是整数；模数：齿轮模数应符合标准模数系列(GB1357-78)；中心距：为避免制造和维护中的各种麻烦，中心距以10mm为单位步长。
（2）设计变量取值的上下界约束
螺旋角：对直齿轮为零，斜齿轮按工程上的使用范围取8°~15°；总变位系数：由于总变位系数将影响齿轮的承载能力，常取为0~0.8。
（3）齿轮的强度约束
齿轮强度约束是指齿轮的齿面接触疲劳强度与轮齿的弯曲疲劳强度，这两项计算根据国家标准GB3480-83中的方法进行。强度是否够，根据实际安全系数是否达到或超出预定的安全系数进行检验。
（4）齿轮的根切约束
为避免发生根切，规定最小齿数，直齿轮为17，斜齿轮为14~16。
（5）零件的干涉约束
要求中心距、齿顶圆和轴径这三者之间满足无干涉的几何关系。对于三级传动的减速器(如图1)，干涉约束相当于两个约束：第二级中心距应大于第一级大齿轮齿顶圆半径与第三级小齿轮顶圆半径之和；第三级中心距应大于第二级大齿轮顶圆半径与第4轴半径之和。而二级齿轮传动类推。
关键词：上肢康复训练机器人 青岛大学硕士开题报告范文 青岛论文 开题报告
一、 选题的目的和意义
据统计,我国60 岁以上的老年人已有1.12 亿。伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，与之相对的是通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高，因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。
目前世界上手功能康复机器人的研究出于刚起步状态，各种机器人产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器人的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。
目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题：康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。本课题针对以上问题，采用气动人工肌肉驱动的手指康复训练机器人实现手指康复训练的多自由度运动，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性，且具有体积小，运动的强度和速度易调整等特点。
课题的研究思想符合实际国情和康复机器人对系统柔顺性、安全性、轻巧性的高要求 。它将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研究一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健。
综上所述，气动人工肌肉驱动手指康复训练机器人的设计是气压驱动与机器人技术相结合在康复医学领域内的新应用，具有重要的科学意义。
二、 国内外研究动态
2.1 国外研究动态
美国是研究气动肌肉机构最多的国家，主要集中在大学。
华盛顿大学的生物机器人实验室从生物学角度对气动肌肉的特性作了深入研究，从等效做功角度建模，并进行失效机理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射运动控制研究。
vanderbilt 大学认知机器人实验室(cognitive robotics lab, crl)研制了首个采用气动肌肉驱动的爬墙机器人，并应用于驱动智能机器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。
伊利诺伊大学香槟分校的贝克曼研究所对图像定位的5自由度soft arm 机械手采用神经网络进行高精度位置控制和轨迹规划。亚利桑那州立大学设计了并联弹簧的新结构气动肌肉驱动器，可以同时得到收缩力和推力，并与工业界合作开发了多种用于不同部位肌肉康复训练的小型医疗设备。
英国salford 大学高级机器人研究中心对气动肌肉的应用作了长期的系统研究，开发了用于核工业的操作手、灵巧手、仿人手臂以及便携式气源和集成化气动肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的远程控制。
法国国立应用科学学院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了气动肌肉的动静态性能和多种控制策略，目前正在研制新型驱动源的人工肌肉以及在远程医疗上的应用。
比利时布鲁塞尔自由大学制作了新型的折叠式气动肌肉用于驱动两足步行机器人，实现了运动控制。
日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又发明了多种不同结构的气动肌肉。德国festoon 公司发明了适合工业应用的气动肌腱fluidic muscle，寿命可达1000万次以上，同时还对气动肌肉的应用作了许多令人耳目一新的工作。英国shadow 公司研制了目前世界上最先进的仿人手。美国的kinetic muscles 公司与亚利桑那州立大学合作开发了多种用于肌肉康复训练的小型医疗设备。
lilly采用基于滑动模的参数自适应控制策略，实现了单气动肌肉驱动的关节位置控制。
2.2 国内研究动态
自20 世纪90 年代以来，我国陆续开始了气动肌肉的研究。
北京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研究，分析了其非线性特性、橡胶管弹性及其自身摩擦对驱动模型的影响，并应用于五连杆并联机构，通过刚度调节实现柔顺控制。
上海交通大学的田社平等运用零极点配置自适应预测控制、非线性逆系统控制以及基于神经网络方法，实现单自由度关节的快速、高精度位置控制。
哈尔滨工业大学的王祖温等分析了气动肌肉结构参数对性能的影响、气动肌肉的静动态刚度特性以及与生物肌肉的比较，提出将气动肌肉等效为变刚度弹簧，设计了气动肌肉驱动的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反馈数据手套和6 足机器人，采用输入整形法解决关节阶跃响应残余震荡问题。
北京理工大学的彭光正等先后进行了单根人工肌肉、单个运动关节以及3 自由度球面并联机器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神经网络等多种智能控制算法，并设计了6 足爬行机器人和17 自由度仿人五指灵巧手。
哈尔滨工业大学气动中心的隋立明博士也通过实验得到了气动人工肌肉的一个更简洁的修正模型和经验公式并对两根气动人工肌肉组成的一个简单关节系统进行实验建模和采用位置闭环的控制方法进一步验证气动人工肌肉的模型。
上海交通大学的林良明也对气动人工肌肉的轨迹学习控制进行了仿真研究给出了学习的收敛性的初步结论为下一步的学习控制奠定了基础。其中田社平通过对气动人工肌肉收缩在频率域上的数学模型并对它的结构及其静动态特性进行了理论分析建立了相应的静态力学方程。
2003年付大鹏等，以机械手抓取物体为分析对象，采用矩阵法来描述机械手的运动学和动力学问题，以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础，将运动、变换和映射与矩阵计算联系起来建立了机械手的运动数学模型，并提出了机械手运动系统优化设计的新方法，这种方法对机械手的精密设计和计算具有普遍适用意义。
2005年车仁炜，吕广明，陆念力对5自由度的康复机械手进行了动力学分析，将等效有限元的方法应用到开式的5自由度的康复机械手的动力分析中，这种方法比传统的分析方法建模效率高、简单快捷，极其适合现代计算机的发展，的除了机械臂的动力响应曲线，为机械手的优化设计及控制提供理论依据。
2008年北京联合大学张丽霞，杨成志根据拿取非规则物品的任务要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手，手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式,对实用型仿人机器手的机构设计有参考意义。
2009年杨玉维等人对轮式悬架移动2连杆柔性机械手进行了动力学研究与仿真，。采用经典瑞利.里兹法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题， 综合利用拉格朗日原理和牛顿.欧拉方程并在笛卡尔坐标系下，以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型并进行仿真。
2009年罗志增，顾培民研究设计了一种单电机驱动多指多关节机械手，能够很好的实现灵巧、稳妥的抓取物体，这个机械手共有4指12个关节。每个手指有3个指节，由两个平行四边形的指节结构确保手指末端做平移运动，这种设计方案很好的实现了控制简单、抓握可靠的目的。
从目前来看，国内对气动人工肌肉的研究仍处于刚起步的阶段。有关气动人工肌肉的研究与国外还有相当的差距对气动人工肌肉中的许多问题，还没有进行深入的研究。此外，采用气动人工肌肉作为机器人驱动器的研究还不成熟。
三、 主要研究内容和解决的主要问题
目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题:康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。为此，课题主要研究内容：设计一种结构简单，易于穿戴，并且安全、柔顺、低成本，使用方便的气动手功能康复设备。对气动手指康复系统进行机构运动学分析、用mat lab软件对康复训练机器人的康复治疗过程的力位信息进行仿真分析。
要实现上述的目标，系统中需要着重解决的关键技术有：
(1)基于已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分的设计，对手指康复训练方法分析和提炼。 主要包括：人手部的手指弯曲抓握动作分析，气压驱动关节机构自由度的优化配置。使机械手能够实现手指的弯曲、物体的抓握等手部瘫痪患者不能实现的动作。
(2)对机器人机械机构的运动学分析。主要包括：气压驱动的手指关节外骨骼机械机构的运动学分析。
(3)机器人机构的力位信息仿真。主要包括：用mat lab软件进行机器人气压驱动终端的力位信息 仿真。
根据总体方案设计以及工作量的要求，外附骨骼机械手系统是上肢康复训练机器人的一部分，本文主要是研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。
四、论文工作计划与方案
论文工作计划安排：
2010年9月——2011年6月准备课题阶段：
主要工作：学习当今最先进的机器人设计技术;学习用matlab软件进行计算仿真及优化，查阅国内外的资料，对康复机械手作初步了解。
2011年7月——2011年9月课题前期阶段
主要工作：课题方案设计，拟写开题报告，开题。
2011年10月——2012年7月课题中期阶段
主要工作：开始具体课题研究工作，根据已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分设计，对手指康复训练方法分析和提炼。研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。
2012年8月——2012年12月课题后期阶段
主要工作：对手指康复机器人进行模拟仿真，对设计进行优化，并在此基础上进一步完善课题。
2013年1月——2013年4月结束课题阶段
主要工作：整理相关资料，撰写论文，准备进行毕业论文答辩。
2013年5月——2013年6月论文答辩阶段
主要工作方案：
1. 完成学位课与非学位课学习的同时，进行市场调研，对手指康复机械手作初步了解。
2. 查阅资料，了解气动手指康复机器人的国内外发展现状。
3. 分析已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构的部分设计。
4. 对现有手指康复训练方法设计进行分析和提炼，分析其优缺点。
5. 开始具体设计工作。
关键词：种分槽，IMIG桨叶，优化设计
1前言
拜耳法生产氧化铝的关键工序之一就是晶种分解，在种分槽内将铝酸钠溶液降温并加入氢氧化铝作为晶种进行搅拌，使其析出氢氧化铝[1]。晶种分解过程对产品的产量、质量以及全厂的技术指标有着重大的影响。毕业论文，种分槽。
2桨叶简介
晶种分解溶液为固液悬浮溶液，需借助搅拌器的作用，使固体颗粒均匀悬浮在液体中，要求悬浮物完全离开罐底并均匀悬浮起来，由于不能破坏晶种，所以搅拌转速不能太大。目前分解槽的搅拌一般采用IMIG型多层搅拌的结构。IMIG桨叶内外浆在搅拌转动时所形成内扬、外压的作用，能让晶种均匀悬浮在液体中且长时间不会沉淀[2]。毕业论文，种分槽。目前国内大部分氧化铝分解槽搅拌都采用IMIG型搅拌。
3 优化改造
桨叶主要由轮毂、内浆和外浆三部分组成。以前采用的轮毂为铸件，由于结构的不对称性经常有铸造缺陷。2006年以来通过对中铝河南分公司九组种分槽现场运行情况的分析和对IMIG桨叶结构的不断分析，得出一套适合该桨叶强度计算的方法。通过该方法分别对内桨叶和外桨叶进行优化设计，节省了材料，并对轮毂的结构进行的全面的改进，不仅缩短了制造工期，也大大节约了生产成本。
4桨叶强度的计算
为了保证搅拌过程能正常地运行，搅拌器必须有足够的强度。搅拌器强度的计算主要是用来确定搅拌器桨叶的厚度。为了简化计算首先对运行情况进行假设
a 外桨叶承担该整层桨叶弯矩
b 设计过程中不考虑加强筋的作用，其造成的截面数据也不予以考虑
c 双桨叶搅拌具有两个完全一样的对称桨叶，其桨叶计算功率可看作均匀分配于两个桨叶上，而作用在桨叶上的液体阻力使桨叶产生弯矩，其最大弯矩出现在内桨叶和轮毂的连接处。
4.1外桨叶筋板厚度的确定[3]
图1为IMIG桨叶的受力简图。
图1：IMIG桨叶的受力图
公式中
在计算该断面弯矩时需要找到桨叶上液体阻力的合力作用点。液体阻力合力的作用点x0大小可由下式计算。毕业论文，种分槽。
公式中
M1即是作用于x01处合力对桨叶根部的弯矩。外桨叶端部处断面的弯矩计算应当是由下式求得。
θ是外浆叶和水平面的夹角
外桨叶的抗弯截面系数
外桨叶断面处的弯曲应力，计算应力值应小于许用应力值。
4.2内桨叶管子壁厚的确定
内桨叶管轴抗弯截面模量
内桨叶所受的最大弯矩
内桨叶断面处的弯曲应力，计算应力值应小于许用应力值。
4.3桨叶强度计算中的安全系数
在上述桨叶的强度计算中，没有涉及到的因素还有不少，如液体的阻力的不均衡性、液体对桨叶的冲击，桨叶后表面所受到的气蚀作用等，这些因素都要影响桨叶的强度，所以单从弯曲应力来计算桨叶厚度可能还不够安全。另外制造过程中出现的缺陷也应加以考虑。为了保证桨叶在操作中的安全，采用安全系数的办法来处理这些问题。毕业论文，种分槽。根据桨叶的材料不同，制造工艺不同，桨叶强度计算的安全系数也不同，碳素钢一般取n=3。毕业论文，种分槽。对于底层桨叶，考虑到底层桨叶对整个搅拌的重要性，以及生产过程一旦出现沉槽现象，因此设计底层桨叶时的弯矩应按照电机功率的50%作为液体阻力合力产生的弯矩。
在一般的产能大于40万吨氧化铝的设备中，种分槽直径为14m。电机功率75KW，搅拌转速4.8r/min.桨叶的直径为8400mm。代入公式求得外桨叶的壁厚为16mm时完全满足强度要求，内桨叶管轴壁厚为20也满足强度要求。这样从原来外桨叶24mm的壁厚，内桨叶管壁厚28mm变为现在的壁厚，一台种分槽节省材料约3000Kg。
5连接桨叶用螺栓的计算
机械搅拌中桨叶和轴的联接大部分都是通过螺栓连接的方式来满足结构、制造、运输、检修维护、安装等方面的要求。通过对IMIG在搅拌过程中流体作用的观察得出桨叶的受力情况，以此来计算螺栓的强度。
将桨叶和轴的连接简化为下面结构，如图2所示：
图2：载荷与螺栓的布置
5.1受力分析
5.2初定螺栓直径
由上述公式计算出来的螺栓直径大于16就满足要求。考虑刚度及疲劳强度选用M24的螺栓连接。而原来桨叶和轴的连接采用的是M36的双头螺柱，一台种分槽用在桨叶连接上的螺栓数量约为60个，所以仅此一项的优化就节约标准件上千元的费用。毕业论文，种分槽。
6.结束语
改造后的IMIG桨叶较改造前重量减轻，节约了设备的成本；结构更加合理、简单化，使加工更容易，减轻了工人的劳动强度，同时缩短了加工时间，提高了生产效率，为公司创造了更大的效益。
参考文献
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