时间：2023-06-25 16:19:53
导语：在基于模型的优化设计的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
关键词： RFID；食品追溯；模型
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）19-4488-02
最近几年我们国家政府对食品安全问题越来越重视，人民群众也非常关心此类危害生命和健康的事件，该文研究食品追溯模型优化，希望能够从追溯方面对人名群众的食品安全进行保证，并最终达到食品的安全流通与即时检验。
由于我国地大物博，经济的快速增长、社会生活的稳定进步、人民生活水平的不断提高，形成了规模极为庞大的食品行业。同时，食品行业以中小企业为主，生产分散，生产环节到最终消费的质量管理很难进行，造成了食品安全的很多问题。
本模型构建统一的食品安全监管可追溯信息服务模型，希望能在政府、企业、食品消费者之间搭建完整的信息沟通通道。希望能以政府信息化网络为基础，辅以公共事务管理平台，结合食品安全这个民生相关的信息系统，进行资源与相关技术的整合，通过优化模型，形成一个完整食品安全追溯平台，提高食品安全追溯的效率与准确性，以更加统一、协调、共生、便捷的方式服务群众。
1 RFID工作原理
RFID的英文全称是Radio Frequency Identification，射频识别，又称电子标签，包含：无线射频识别、感应式电子晶片、近接卡、感应卡、非接触卡、电子条码等关键器件。
2.1RFID基本工作原理
首先我们把有标签的物体放入磁场后，此时物体就会收到读写器的射频信号，如果是无源标签或被动标签就会凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息；如果是有源标签或主动标签就会主动发送某一频率的信号，最后由解读器读取信息并解码，然后送到相关应用系统进行数据处理其工作原理如图1所示：
1.2 射频识别
射频标签（RFID TAG）是射频识别的基础，它安装在被识别物体上。射频标签用来存储被识别对象信息，也称之为电子标签。射频标签是数据载体，是射频识别系统的核心，由它记录并存储的对象数据非常重要。射频识别标签的组成如下：天线、调制器、编码发生器、时钟及存储器等，具体构成如图2所示。
2 追溯设计
追溯系统的构成中，核心是信息识别标签。我们可以由信息识别标签来存储食品追溯所需的多种关键信息，如：食品的原材料来源、加工、运输、仓储、销售等供应链的各个阶段情况。追溯就是通过对原材料的来源、食品制造商、销售商作加工、仓储及销售的各项信息纪录来完成的，我们通过RFID标签记录信息就能对食品进行追究根源，从而实现粮食品质量追溯系统的建立。具体流程如下：
1）对食品的原材料进行跟踪、记录，把来源记录写入RFID标签，添加食品来源的各种基本信息如：产地、收获时间、净重、有机或化学保护等；
2）通过仓储、运输环节到达食品加工厂，我们需要在标签中添加仓储和运输环节的信息，如：车次、接货时间、到货时间、批号、产品重量等；
3）由加工厂完成食品加工，将原料和辅料的原始记录以及加工过程、质量检测的信息写入RFID标签；
4）最后到批发市场、大型超市，然后将这一层信息写入电子标签，实现跟踪链的最终环节。
在设计追溯系统时候，考虑到工作效率，采用自动数据采集技术为支撑，将条码、射频识别等技术应用到供应链管理中。我们采用了条码技术进行信息传输，它作为供应链管理现代化的关键的信息技术，具有信息采集速度快、可靠性高、灵活、实用等特点。而在追溯系统设计中，广泛使用了射频识别技术，因为它识别速度快、保密性强、可同时识别多个对象等特点，所以主要采用了它来进行信息识别。
3 食品追溯优化模型
食品追溯系统包含了一个完整的供应链，任何一个环节出问题，都会导致食品的追溯达不到预期效果。所以本研究从根本上进行食品追溯系统的模型优化设计，尽可能完善追溯系统，提高追溯效率，对食品从来源地、加工、包装、销售以及仓储、运输等环节构成进行整体监控，实现全过程跟踪。在设计追溯模型时，需要实现各个环节的无缝衔接，使物流与信息流达到统一，这样整个食品的供应链处于透明的状态，从而使系统追溯功能顺利完成。
首先为使信息流能顺利联通，需要在各个环节如：材料来源、运输、加工、包装、销售等供应链进行标识。在此时，由于我们需要采用统一标识代码进行记录，所以对相关供应链中的操作，如数据采集、交换，对编码的唯一性、通用性提出了更高的要求。
在设计追溯模型是，我们会对各环节全过程的每一个节点进行有效的标识。通过标识建立完整的，各个环节信息管理、传递和交换的方案，这样我们就可以对供应链中来源、运输、加工、包装、贮藏、销售等环节进行跟踪与追溯，及时发现存在的问题，进行问题追溯。如图3是我们设计的食品追溯优化模型图：
4 结论
在食品跟踪与追溯系统设计中，涉及了供应链中的每一个环节，需要对食品进行完整的标识，还要能及时采集与录入标识信息，整个环节不能出现差错要求系统可靠性高。如果任何一个环节出差错了，都会导致整个追溯系统的错误，所以在设计系统时候，需要供应链中的所有参与方达成一致，在目前情况下，最好是政府牵头，以政府信息化网络为基础，辅以公共事务管理平台，完成整个供应链的整合。
参考文献：
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[3] 刘鹏，张万昌.基于Web GIS的流域洪水风险信息系统 [J].计算机与数字工程，2008，36（7）：134-136.
[4] 于锐华，益晓新，于全. ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析[J].测控技术，2005，24（6）：50-56.
关键词：公交行车调度问题；公交线网设计；乘客到达率；Fisher法
引言
公交行车调度问题是地面公交系统运行组织的核心。通常，公交行车调度作业包括：时刻表生成、行车计划编制、劳动配班3部分内容。其中，线路发车时刻表是进行车辆和司售人员调度的基础；行车计划编制是为线路发车时刻表内所有车次任务安排合意的车辆运营；劳动配班又称为驾驶员调度，即为每个车次安排司乘人员。根据运行组织范围的不同，公交行车调度问题可分为单线路行车调度问题及区域行车调度问题两种类型。前者主要考虑线路运行中的乘客和公交公司的利益均衡；后者则允许车辆在不同线路间通过插入一系列空驶车次实现跨线行驶，从而更侧重于线路在区域上的协同。单线路行车调度问题是研究区域行车调度问题的基础。因此，论文关于地面公交行车调度问题的研究主要针对单线路行车调度优化问题展开。
1 文献综述
目前，国内外学者对公交行车调度展开了大量的研究，其模型的建立多以乘客乘车成本最小化和公交公司收益最大化为优化目标。陈芳[1]在发车间隔的研究中以乘客等待时间和公交车运行费用为优化目标，通过权重法建立了分时段调度优化模型，并采用步长法进行仿真求解。张无非，张驰等[2]基于乘客到达数据对公交行车调度模型求解进行了研究。该研究以乘客的等待时间和公交公司的利益为目标进行优化。该研究通过在乘客等待时间量化中引入罚函数机制，避免了乘客等待时间过长。戴连贵和刘正东[3]将乘客时间价值分成两部分内容，一是乘客在车站的停留时间，二是乘客的乘车时间。其中乘车时间又包括两站间的行驶时间、乘客下车时间、车上乘客停站等待时间。孙文霞等[4]则假设公交车单位时间运营成本固定，认为乘客费用包括两部分：一是在公车上的拥挤费用，二是等车费用。Andrede和Robin[5]将公交行车调度看成N中位问题，运用选址理论，分别考虑线性模型和环模型。
在线路乘客到达率处理方面，现有研究多采用移动平均法和插值法。文献[2]用三次样条插值来处理客流数据，将小时上车人数和净上车人数换算到分钟时间刻度引，同时引入站点客流随时间的变化曲线，将其平移叠加处理成发车点的客流量。部分研究采用Fisher算法[6]对有序样品进行聚类划分调度时段。杨新苗等[7]运用Fisher算法，将客流分成时段，以确定了最优客流时段划分，为公交行车调度的优化时段提供依据。
综上，现有关于地面公交行车调度模型虽然较为全面地考虑了调度中的关键因素，但对公交车在各站的上下客情况以及乘客公交出行过程中的时间成本构成分析较为粗糙，这使得其研究应用性较差。基于此，论文通过分析公交线路客流在站点的分布特征，将乘客到达率转化为一个随时间变化的连续函数，并用Fisher法分割公交发车时段，以乘客的等车时间最小和车辆的载客率最大为目标，建立了地面公交行车调度优化模型。
2 线路乘客到达率匡算
3 线路发车时段划分
按照线路客流时辰分布特性，将线路运行时段划分成有序的发车时段，则线路客流特征中各个时刻（时段）的到达人数则为有序样本。论文采用运用有序样品聚类方法来划分发车时段。该类方法中，国内外应用较为广泛是Fisher法（又称最优分割法）。因此，论文运用Fisher法分割公交发车时段。
以步长为 为时间刻度，将一天内的发车总时长等分，则有：
其中 为首班车发车时间， 为末班车的发车时间， 为向下取整函数。该聚类中未考虑首末班车，将其合并到第一个和最后时段。则有中间时刻对应的乘客到达率为：
4 公交行车调度模型建立
5 结论
论文通过分析公交线路客流在站点的分布特征，将线路乘客到达率转化连续函数，并用Fisher法分割公交发车时段，建立了以乘客的等车时间最小和车辆的载客率最大为目标的地面公交行车调度优化模型。论文研究成果对地面公交线路的行车组织具有一定的指导意义，对地面公交行车调度问题的理论研究具有一定的理论价值。
参考文献
[1]陈芳.城市公交行车调度模型研究[J].中南公路工程.2005，30（02）：162-164.
[2]张无非，张驰，严奇琦.对于公交汽车调度问题的求解[J].工程数学学报.2002，19（S1）：81-88.
[3]戴连贵，刘正东.公交行车调度发车间隔多目标组合优化模型[J].交通运输系统工程与信息.2007，07（04）：43-46.
[4]孙文霞，宋倜，乔国会.公交行车调度中发车间隔控制研究[J].河北工业大学学报.2007，36（02）：89-93.
[5]Andrede P，Robin L.Optimal timetables for public transportation[J].TRANSPORTATION RESEARCH PART B-METHODOLOGICAL.2001，35（8）：789-813.
关键词：ANSYS参数化语言； APDL ；钢结构 ；优化设计Abstract: At present, more and more extensive application of steel structure, but the current design method of steel structure is relatively complex, the optimization design of the research is not thorough; at the same time, promotion of steel structure greatly limited because of its high cost is generally the people. This paper discusses the research on Optimization of steel frame structure, introduces the optimization algorithm (complex) and ANSYS in the APDL language. And combined with the practical engineering, and by using the complex method and the finite element software ANSYS optimization module, and at the same time, the lowest for optimization purposes, the beam column section size of a plane steel structure has been optimized and analyzed. Through the comparative analysis of the theoretical analysis and the results, confirmed that the optimization method is feasible, can not only significantly reduce the project cost, promote the popularization and promotion of steel structure. By the design example shows that, based on the two development language APDL ANSYS to establish the optimization of steel structure design module has the advantages of convenient operation, optimization program can be customized to optimize the process and control variables, to adapt to different types of structure and load combination, flexible strong. Optimization of the design idea, can be extended to other forms of structure, can be used for reference to other types of structure optimization.
Keywords: ANSYS parametric language; APDL; steel structure; optimization design
中图分类号：TU391文献标识码：文章编号:
1.引言
随着我国建筑业的迅速发展，工业与民用建筑中大量采用钢结构，使得建筑用钢量逐年增加。因此，目前结构优化设计越来越受到重视，并引起了社会日趋密切的关注，这不单单是因为要如何响应国家提出建设“节约型社会”的政策，更是因为要如何使得建筑钢材得到节约与合理利用。通用有限元软件ANSYS 以其强大的分析功能、友好的人机交互界面和可开发性，在国内外工程建设和科学研究中得到了广泛的应用。本文通过ANSYS 的二次开发语言APDL 定义了符合钢结构设计规范的优化设计程序，使之得出的计算结果对工程设计有一定的参考价值。同时由文中设计实例可知，基于ANSYS 的二次开发语言APDL 语言建立的钢结构优化设计模块操作方便，优化程序可自定义优化过程和控制性变量，适应了不同的结构类型和荷载组合，具有很强的灵活性。本文的优化设计思想，可以推广到其它结构形式，可对其它类型结构优化起到借鉴作用。
2.结构优化设计的基本理论
2.1结构优化设计概念
假定分析搜索最优设计一般被归纳为结构优化分析过程的流程。而这其中优化分析的核心部分为搜索过程。在包括满足各种给定条件的前提下，是否达到最优是结构优化设计最先对设计方案进行的判断。如果没能达到，但又为了使得预定的最优指标能逐步达到，就需要遵循某一设定的规则进行修改。而以数学规划为基础，进行数学模型建立，并对计算方法进行选择，使得工程结构设计问题转化为数学问题，然后在多种可行性设计中运用计算机选择出相对属于最优设计的方案，这也正是结构优化设计的主要任务。
2.2结构优化设计的数学模型
设计变量、目标函数和约束条件是结构优化设计的主要要素：。其数学模型的一般表达式为
求设计变量
使目标函数
满足约束条件
3.基于APDL的钢结构优化设计
3.1APDL语言简介和使用
APDL是指ANSYS 参数化设计语言，是使得某些功能或建模可以自动完成的脚本语言之一。它提供如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问ANSYS 有限元数据库等一般程序语言的功能，同时其可以实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等，因此它也提供简单界面定制功能。为了扩展了传统有限元分析范围以外的能力，它可以根据指定的函数、变量设定程序的输入，同时选它使用户对任何设计和分析属性有控制权，也就是说其为了为用户提供了自动完成繁琐循环的功能而运用了建立智能分析的手段，从而为优化设计运行繁琐的迭代提供了可能和高效率，具体为参数、函数、分支与循环、重复、宏等功能。
3.2优化基本原理
优化方法采用复形法。复形法优化是一个运用较多且较为成熟的非线性数学规划方法，其基本思路来源于无约束优化算法的单纯形法。而无约束优化算法的单纯形法就是复合形法的基本思路的来源。
3.3优化设计流程
为了将有限元法与优化方法结合起来，可以采用基于APDL语言的ANSYS优化设计模块（OPT）来实现。基本流程图如图1所示。
图1ANSYS软件优化设计程序流程图
3.4APDL优化程序关键技术
首先建立钢框架结构参数化有限模型。参数是指APDL中的变量与数组。参数化模型的建立，便于模型的修改，也便于设置优化设计变量。
其次建立钢框架结构优化设计模型。下面是部分优化命令：
/POST1！进入后处理器
*GET,V,SSUM,,ITEM,EVOL！提取结构体积，赋予参数V
……
/OPT！进入优化设计器
OPANL,1.LGW!指定分析文件
OPVAR,W1,DV,.1,.4!定义设计变量
OPVAR,TW1,DV,0.005,0.02
OPVAR,TY1,DV,0.005,0.02
……
OPVAR,MS1,SV,0,225750!定义状态变量
OPVAR,SS1,SV,0,125000
……
OPVAR,V,OBJ,,,.01!定义目标函数
OPKEEP,ON!要求保留最优设计序列时的数据库和结果文件
OPTYPE,SUBP!使用零阶方法
OPFRST,40!最大40次迭代
OPEXE!运行优化
4.优化设计实例分析
本文以单跨单层钢框架结构厂房为例，跨度为 12m，层高为4.5m，框架梁、柱均采用焊接H 型钢截面且翼缘采用焰切边，材质均为Q235 钢。为简便起见，取恒荷载为0.5kN/m2，活荷载为2.0kN/m2。通过APDL 优化程序，得出用钢量约为18.2kg/m2。优化前后的结果对比分析见表1。
表1 优化前后结果分析
5.结语
本文首先论述了进行钢框架结构优化研究的意义，介绍了优化算法（复形法）和ANSYS 中的APDL语言。并通过与实际工程相结合，并分别采用复形法和有限元软件ANSYS优化模块，同时以最低化用为优化的目的，使一平面钢结构的梁柱截面尺寸得到优化并进行相应的分析。通过理论分析与结果的分析比较，证实了该优化方法是可行的，不仅能明显降低工程造价，促进钢结构的普及和推广。而由设计实例可知，基于ANSYS 的二次开发语言APDL 语言建立的钢结构优化设计模块操作方便，优化程序可自定义优化过程和控制性变量，适应了不同的结构类型和荷载组合，具有很强的灵活性。本文的优化设计思想，可以推广到其它结构形式，可对其它类型结构优化起到借鉴作用。
参考文献：
[1]桂树国.基于ANSYS参数化设计语言APDL的产品结构优化设计[J].组合机床与自动化加工技术,2010,(7):91-96.
[2]孙惠娟,殷国富,尹洋等.基于ANSYS APDL语言的高速主轴参数化有限元分析方法[J].制造技术与机床,2011,(10):53-57.
[3]张欢,徐长生.基于MATLAB及参数化建模的起重机桁架式臂架结构优化设计[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版）,2011,35(1):201-204.
关键词 ANSYS;MATLAB;桥式起重机;优化设计
中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）21-0158-02
对于我国林业产业的发展而言，重型起重机设备在林业生产过程中的实际应用是保证行业产值的重要因素之一。在以往传统设计方法的指引下，所制备出的桥式起重机成品设备往往过于笨重，而且过多地消耗材料，造成了高成本的结果。实际上，通过先进技术的整合应用，利用PROE进行建模，借助ANSYS与MATLAB的技术优势，则可改善设备的设计方案，能够使制造出的成品起重机设备更具应用效能。
1 桥式起重机主梁设计的内容概述
从林业生产所用的桥式起重机设备的本身架构来看，主梁部位是桥式起重机设备的核心部位，设备的承载能力主要就依靠主梁。从机械设备设计的角度来看，主梁设计参数的取值对于整机设计效果有着直接的影响。
1）桥式起重机主梁的载荷计算。
传统的计算方法需要桥式起重机主梁的跨度、小车轮距、腹板高度等项目参数的准确数值，就以主梁跨度为22500 mm、小车轮距为2400 mm、腹板高度为1150 mm数据来计算小车轮的承载负荷，也就是桥式起重机主梁的载荷[1]。
2）桥式起重机主梁的建模依据。
桥式起重机作为一种以主梁为载重核心架构的机械设备，主要承担着林业等企业的装卸任务。通过对传统桥式起重机设计数据的了解与分析，可以在原有设计方案的基础上进行改良设计，通过构建模型的方式来检测主梁承压的极限值，在实际生产制造设备的过程中借鉴其数据进行优化设计（桥式起重机主梁截面如图1所示）。
从图1中可以看到，各个部位的数据需要进行如实测算，然后才能够通过先进的设计软件来对其进行合理化测算，并将结果传递给制造单位，从而将桥式起重机的桥梁结构搭建完好。从具体来看，桥式起重机的桥梁结构为整个设备的主干，其重量占比也较为突出，约占桥式起重机设备总体质量的六成以上，之所以主梁的重量偏高，是为了保证起重机设备的结构稳固，但实质上过高的重量占比也造成了设备制造的物料消耗过大，增加了桥式起重机设备的制造成本。由此可见，探究桥式起重机设备的优化设计方案的首要一点内容便是通过计算设备各项物理变动数值，进而找寻到主梁的承压重心，在保障设备运作安全的同时尽可能减少制造物料的消耗。
2 基于ANSYS与MATLAB的桥式起重机主梁优化设计
在进行桥式起重机主梁优化设计的过程中，可以结合ANSYS软件的设计优势，以及在MATLAB的作用下，构建与传统起重机极为不同的主梁模型，对桥式起重机主梁结构进行轻量化的设计研究。在改进设备主梁部位设计时，需要以主梁结构的强度、主梁刚度、主梁腹板的稳定性为基准，这些指标要符合一定的设计要求。
图1 桥式起重机主梁的截面示意图
1）应用ANSYS与MATLAB软件技术，改进桥式起重机主梁设计方案。
在传统设计方案的基础上，优化设计桥式起重机主梁时，利用PROE的建模优势，经ANSYS应力分析所得出的主梁质量为20000 kg（在公式中用Q来表示，另外，小车的轮压用P表示）。同时，利用MATLAB数值计算的优势，把三个软件起升机构启动制动时会产生竖直的惯性力，计算有效的结合起来对主梁
优化[2]。
从模型构建的进度以及计算过程来看，先用PROE建立主时须考虑动力系数ψ，p小车为小车梁的模型，然后导入ANSYS中进行应力分析[3]。将这些数值代入到设计软件之中，与此同时，通过多次模拟试验后，当确定主梁数据可以优化时，则可以利用MATLAB进行改进，进而得出如下计算公式（在不同的数据参数影响下，其结果略有不同，在制造过程中，要具体问题具体分析）：
p1=p小车-ψp1Q=8.435×104N[4];
然后，按照优化后的参数修改PROE中主梁的参数，即所得公式为：
p2=p小车-ψp2Q=7.615×104N。
2）基于ANSYS与MATLAB的桥式起重机主梁设计优化方案成果综述。
经建模以及测算的过程可以清楚的了解到，在应用ANSYS与MATLAB软件技术以后，桥式起重机主梁设计方案较传统形式有了一些变化，满足了一开始所提出的降低主梁物料消耗的构想，而且，能够保证桥式起重机的运行安全。由此可见，基于ANSYS与MATLAB软件技术的桥式起重机主梁优化设计方案具备一定的可行性与经济性，通过了建模测算，而且能够在实践的过程中实现低成本制造的目标。
3 结束语
通过构建桥式起重机的主梁三维模型，并导入ANSYS对其典型工况进行分析，可以得出合理的优化设计方案，接下来，凭借MATLAB建立数学模型来实践优化设计内容，最终还是利用ANSYS对模型进行验证。实践证明，基于ANSYS与MATLAB的桥式起重机主梁优化设计方案具备一定的可行性与经济性，不仅有效优化了桥式起重机的主梁设计，而且缩减了制造传统机型所需的物料，降低了设备的制造成本，该策略值得进行推广实施。
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
1．引言
电子设计自动化（EDA）是以电子系统设计软件为工具，借助于计算机来完成数据处理、模拟评价、设计验证等工序，以实现电子系统或电子产品的整个或大部分设计过程的技术。它具有设计周期短、设计费用低、设计质量高、数据处理能力强，设计资源可以共享等特点。电路通用分析软件OrCAD/PSpice9以其良好的人机交互性能，完善的电路模拟、仿真、设计等功能，已成为微机级EDA的标准系列软件之一。本文基于OrCAD/PSpice9的电路优化设计方法，通过实例分析了有源滤波器的优化设计过程。
2．OrCAD/PSpice9软件的特点
OrCAD/PSpice9是美国OrCADINC.公司研制的一种电路模拟及仿真的自动化设计软件，它不仅可以对模拟电路、数字电路、数/模混合电路等进行直流、交流、瞬态等基本电路特性的分析，而且可以进行蒙托卡诺（MonteCarlo）统计分析，最坏情况（WorstCase）分析、优化设计等复杂的电路特性分析。相比PSpice8.0及以前版本，具有如下新的特点：
·改变了批处理运行模式。可以在WINDOWS环境下，以人机交互方式运行。绘制好电路图，即可直接进行电路模拟，无需用户编制繁杂的输入文件。在模拟过程中，可以随时分析模拟结果，从电路图上修改设计。
·以OrCAD/Capture作为前端模块。除可以利用Capture的电路图输入这一基本功能外，还可实现OrCAD中设计项目统一管理，具有新的元器件属性编辑工具和其他多种高效省时的功能。
·将电路模拟结果和波形显示分析两大模块集成在一起。Probe只是作为其中的一个窗口，这样可以启动多个电路模拟过程，随时修改电路特性分析的参数设置，并可在重新进行模拟后继续显示、分析新的模拟结果。
·引入了模拟类型分组的概念。每个模拟类型分组均有各自的名称，分析结果数据单独存放在一个文件中，同一个电路可建立多个模拟类型分组，不同分组也可以针对同一种特性分析类型，只是分析参数不同。
·扩展了模型参数生成软件的功能。模型参数生成软件ModelED可以统一处理以文本和修改规范两种形式提取模型参数；新增了达林顿器件的模型参数提取；完成模型参数提取后，自动在图形符号库中增添该器件符号。
·增加了亚微米MOS器件模型EKV2-6。EKV2-6是一种基于器件物理特性的模型，适用于采用亚微米工艺技术的低压、小电流模拟电路和数/模混合电路的模拟分析。
3．电路优化设计
所谓电路优化设计，是指在电路的性能已经基本满足设计功能和指标的基础上，为了使得电路的某些性能更为理想，在一定的约束条件下，对电路的某些参数进行调整，直到电路的性能达到要求为止。OrCAD/PSpice9软件中采用PSpiceOptimizer模块对电路进行优化设计，可以同时调整电路中8个元器件的参数，以满足最多8个目标参数和约束条件的要求。可以根据给定的模型和一组晶体管特性数据，优化提取晶体管模型参数。
3.1电路优化基本条件
调用PSpiceOptimizer模块对电路进行优化设计的基本条件如下：
·电路已经通过了PSpice的模拟，相当于电路除了某些性能不够理想外，已经具备了所要求的基本功能，没有其他大的问题。
·电路中至少有一个元器件为可变的值，并且其值的变化与优化设计的目标性能有关。在优化时，一定要将约束条件（如功耗）和目标参数（如延迟时间）用节点电压和支路电流信号表示。
·存在一定的算法，使得优化设计的性能能够成为以电路中的某些参数为变量的函数，这样PSpice才能够通过对参数变化进行分析来达到衡量性能好坏的目的。
3.2电路优化设计步骤
调用PSpiceOptimizer进行电路优化设计，一般按以下4个步骤：
(1)新建设计项目，完成电路原理图设计。这一歩的关键是在电路中放置OPTPARAM符号，用于设置电路优化设计过程中需要调整的元器件名称及有关参数值；
(2)根据待优化的特性参数类别调用PSpiceA/D进行电路模拟检验，确保电路设计能正常工作，基本满足功能和特性要求；
(3)调用PSpiceOptimizer模块，设置可调整的电路元器件参数、待优化的目标参数和约束条件等与优化有关的参数。这一歩是优化设计的关键。优化参数设置是否合适将决定能否取得满意的优化结果；
(4)启动优化迭代过程，输出优化结果。
电路优化设计的过程框图如图1所示。
3.3电路优化设计实例
滤波器电路如图2所示。优化目标要求中心频率（Fc）为10Hz；3dB带宽(BW)为1Hz，容差为10%；增益（G）为10，容差为10%。
在图2中，滤波器电路共有三个可调电位器R
gain、Rfc和Rbw，用来调整中心频率、带宽以及增益，且这种调整是相互影响的。三个可变电阻的阻值是由滑动触点的位置SET确定的，显然SET值的范围为0～1，所以将三个电位器的位置参数分别设置为aG、aBW和aFc。
由于对滤波器的优化设计是交流小信号分析，因此应将分析类型“Analysistype”设置为“ACSweep/Noise”；扫描类型“ACSweepType”设置为“Logarithmic”;“Points/Decade”设置为100；起始频率“Start”和终止频率“End”分别设置为1Hz和100Hz。
为了进行优化设计，在电路图绘制好后，应放置OPTPARAM符号并设置待优化的元器件参数。本例中参数属性设置值如表1所示。
设置好待调整的元器件参数以后，调用PSpiceOptimizer模块并在优化窗口中设置增益（G）、中心频率（Fc）和带宽(BW)三个优化指标。并利用PSpice中提供的特征值函数定义这三个优化指标，具体设置见表2。
调用PSpiceA/D进行模拟计算，在相应窗口中显示中心频率的值为8.3222，带宽为0.712187，增益为14.8106。显然这与要求的设计指标有差距，需要通过优化设计达到目标。
在优化窗口中选择执行Tune/Auto/Start子命令，即可开始优化过程。优化结束后，优化窗口中给出最终优化结果，如图3所示。
由图3可见，系统共进行了三次迭代，自动调用了9次电路模拟程序。当3个待调整的元器件参数分别取aG=0.476062；aFc=0.457928；aBW=0.702911时，可以使3个设计指标达到G=10.3499，Fc=9.98953，BW=1.00777。
可见，对电路进行优化设计后，电路指标均能满足设计要求。另外，完成优化设计后，还可以从不同角度显示和分析优化结果。
4.结束语
关键词：优化设计；农业机械；应用研究
1优化设计在农业机械设计中应用的意义
要提高我国农机产品的质量，就要大力提高农机生产制造水平和设计水平，对传统的农机产品设计进行改进。传统的农业机械零部件设计一般采用经验类比，通过力学简单计算来完成。传统的设计优化方式对设计人员的经验要求较高，很多创新设计和优化设计都缺乏数据支持，过度的设计导致机械综合性能提高的同时，制造成本大幅上升。
2优化设计的基本思路
优化设计是从若干种可行性方案中择优选出一种最佳的设计方法，这种选择是以初始数据为基础，采用计算机技术联合实现的。优化设计对软件计算能力和模型构建能力有较高的依赖，近年来随着计算机科技的不断发展和软件开发能力的不断提高，计算机在机械设计中发挥了重要的作用。同时，计算机的发展也使优化设计理念得以实现，优化设计的思路也越来越开阔。
3计算机软件在优化设计中的应用
要实现优化设计在农业机械设计中的应用，先进的软件技术是必不可少的。设计软件是设计者的工具，对于农业机械设计者来讲，能够熟练应用软件完成虚拟制造、实验和测试，对参数进行分析，是实现农业机械优化设计的必要因素[2]。
3.1ANSYS软件
ANSYS软件是一种大型有限元分析软件，由美国ANSYS公司研发，这种软件能够与多种计算机辅助设计软件实现数据的共享和交换，被普遍应用于汽车工业、建筑桥梁等方面设计中。
3.2ADAMS软件
ADAMS软件是一种对机械系统动力学进行自动分析的软件，由美国机械动力公司开发，通过ADAMS软件，能够建立机械系统几何模型，对虚拟机械系统进行动力学分析，预测机械系统的性能、碰撞加速和运动范围等[3]。
4优化设计在农业机械设计中的应用
4.1几何模型的建立
结合设计零部件的特征、材质和其他约束条件，通过Pro/E软件进行几何模型的建立，本次研究基于Pro/E软件应用的基础上，采用旋转建模的方法，建立齿轮轴模型。齿轮过渡段圆的半径R=8.6mm。
4.2模型材料属性设置
模型材料属性包含材料材质、密度、弹性模量、泊松比等。
4.3约束与载荷
齿轮的驱动轴两端，靠的是轴承作为支撑，加载载荷较为复杂，本文通过两种方式加载扭矩，一种是通过运动学模块进行扭矩分析，分析的受力情况信息传递到结构分析模块中；一种是取相近的加载扭矩数值输入到结构分析模块中。经过判定，本文采用第二种方式。沿着轴向建立起圆柱坐标系，加载圆柱面的壳，厚度取值1mm，这种取值也是为了便于分析，然后找到扭矩加载点，进行扭矩加载。这个环节需要注意，驱动力矩要在轴的中部位置加载，扭矩为8600N.mm，在轴的两端加阻力扭矩，两端本别为4300N.mm。
4.4模型分析
在模型分析环节中，完成受力和约束参数设置后，在利用Pro/E软件进行静态模型构建，然后对静态模型进行相应的分析。通过软件对构建模型的分析结果可以确定，最大的应力为16.7N/mm2,而设计所用材料材质为45号钢，最大的屈服应力能够达到350N/mm2以上，钢材的屈服应力范围远远大于设计零部件的最大应力，可见在尺寸选择中相对比较保守。
4.5设计参数的建立
设计的过程主要是模型建立的过程，而在模型建立的过程中，设计者将要建立许多参数，其中包括物理性能参数、结构设计参数等，这些参数代表着所用材料的基本属性和要达到的设计性能，当参数发生了变化，建立的模型性能也将随着发生变化。如果针对所有参数进行优化，将增加设计过程中庞大的计算量，这样就需要设计者对这些参数进行优选，结合不同参数对模型的影响程度，和对设计部件的使用性能的影响，可以优先选择对模型性能影响最大的参数设置，这种处理方式，也体现出优化设计的理念，实现参数选择上的优化，最有效的、影响最大的参数信息将被利用，而影响较小的参数将被忽略。在本次分析案例中，将过渡段尺寸参数当做设计变量，设计变量的初始值为8.6mm。
4.6优化设计
在农机设计中采用优化设计的目的在于能够实现通过模型的各项功能计算和设计，达到降低成本，能够发挥最优性能。在优化设计的过程中，要对具有影响效果的约束条件和各类参数进行设置。本案例设计中，满足各项受力条件下，所使用的材料质量最小，采用过渡段半径作为设计参数，部件的最大应力小于材料许用应力。本案例中选择的45号钢，最大的屈服应力大于350N/mm2，安全系数设定为3.0，轴最大应力＜114N/mm2，结合各参数和约束条件，从而分析出最优的结果。
关键词： 油底壳； 条纹优化； 振动性能
中图分类号： TK421；TB115.1文献标志码： B
引言
油底壳是薄壁类零件，工作时在整机影响下会产生复杂的振动，其辐射噪声有时可占发动机总噪声的15%～22%[13].目前的研究主要针对油底壳的动力学特性，通过改善结构的动刚度或增加阻尼等措施抑制振动.因此，通过提高油底壳结构的刚度和调整结构固有频率等措施改善结构振动性能，对减振降噪有重要意义.
结构优化设计在油底壳的设计过程中已有广泛应用，如拓扑优化[45]、形状优化[6]和结构参数化优化[7]等.通常在优化过程中仅考虑刚度和固有频率的性能，很少有拓扑优化和形状优化等对振动特性的研究.
油底壳通常由薄钢板冲压成型或铝合金高压铸造，相较而言铝合金油底壳强度高，NVH性能好，但是成本也相对较高.[8]本文采用Tosca软件中的条纹优化技术（由德国卡尔斯鲁厄大学制造发展协会（IPEK）对金属板壳结构开发），通过布置条纹的凸起形式，提高其刚度和固有频率或者降低噪声和振动.在研究中考虑油底壳的振动响应特性，通过在油底壳底面上布置条纹的凸起形式改善其动力学特性，并且验证条纹优化技术对油底壳性能的提高有积极意义.
1油底壳初始设计方案
根据油底壳的结构特点，选择三角形和四边形的壳单元进行模拟，在与机体相连的螺栓孔位置施加垂向的单位激励，见图1.由于1阶模态频率为1 420.52 Hz，因此在进行频率响应分析时，忽略对低阶频率区域的振动响应考察，仅分析1 200～2 400 Hz范围内的振动响应.图1中圈出区域内的节点位置作为频率响应分析的研究域.
图 1油底壳有限元模型
初始方案在所分析频域内的振动速度响应曲线见图2，可知，在2 200 Hz后，速度响应快速增大，需要对其进行优化设计，以降低其振动响应.
图 2初始方案振动速度频率响应
2优化问题定义
根据油底壳初始方案的分析结果，需要提高该设计方案的结构刚度，降低其在中频段的振动响应，从而减少噪声的来源.首先选择油底壳的底面和侧壁区域作为条纹优化的设计区域，图3所示为底面区域，该区域内节点的法向位移作为设计变量的约束条件，并设定其法向位移的绝对值为5 mm.图 3条纹优化底面设计区域
将分析频域内振动速度的峰值最小化，作为优化设计的目标函数，见图4.
3优化结果
经过Tosca 25次的条纹优化迭代，最终推荐如图6所示的条纹布局方案.表面振动速度响应的整个优化历史见图7，在迭代到第10步时基本找到最优方案.
图 6几何光顺后的油底壳模型
图 7振动响应优化历史
将最优方案与初始方案进行比较，表面振动速度响应优化前后对比见图8，油底壳底面的振动速度响应有很大的改善，表面分析点的速度和为1.22E-8，较初始方案减小3.03E-7，降低96.11%；同时，2阶模态频率为2 908 Hz，较初始方案提升14.6%，其振型见图9.
图 8表面振动速度响应优化前后对比图 9条纹优化后2阶模态振型
条纹优化的设计结果中，某些凸起部位并不能完全符合设计制造工艺要求，且不方便加工，经过二次设计后的模型见图10.对新设计的模型进行方案验证，通过对底面中心位置振动速度响应的优化前后比较（见图11），振动响应有很大的改善.
图 10油底壳二次设计模型
图 11中心点位置振动响应优化前后比较
4结束语
采用条纹优化技术对某油底壳的振动响应速度进行优化，结果表明通过条纹优化能很好地挖掘结构优化潜力，改善结构性能.在二次模型设计后，结构更加满足制造要求，并且不损失性能，在实际研究中具有广阔的应用前景.
参考文献：
[1]袁兆成， 张亮， 方华， 等. 4118Z型柴油机油底壳模态与结构分析[J]. 汽车工程， 2001， 23（3）： 156159.
[2]张俊红， 蓝军， 倪广健. 车用柴油机机体及油底壳的动态特性分析[J]. 中国机械工程， 2004， 15（16）： 14331436.
[3]郑中华， 蒋维铭. 6015QA柴油机油底壳模态参数的识别及辐射噪声的控制[J]. 内燃机学报， 1991， 9（4）：369374.
[4]康元春. 基于HyperWorks的发动机油底壳优化设计[J]. 研究与开发， 2010（2）： 5557.
[5]张光炯， 张保成. 基于HyperWorks的柴油机油底壳拓步优化设计[J]. 柴油机设计与制造， 2010， 16（1）： 1821.
[6]耿广锐， 郎宝永， 陈世明. 基于形貌优化技术的发动机油底壳设计方法分析[J]. 汽车科技， 2011（5）： 4951.
关键词：机械优化设计；理论；方法
随着现代社会科学技术的发展，机械设计领域的概念和思维方式也在不断发生变化，机械设计能够在一定程度上反映出社会群体对客观世界的认知，并且遵循客观事物的发展规律来开展优化设计。因此加大力度探讨机械优化设计理论方法，能够为机械优化设计的未来发展指明方向。
1 机械传统设计与优化设计的对比
机械优化设计是基于最优化设计的，主要以数学模型作为优化设计的基本途径。优化设计的方法及思维属于优化方法的范畴之内，这种设计思想会使得各种参数顺着理想的方向能够自我调节，在这种模型精确计算的条件下，从各种可行性相对较强的设计方案中择优选取最佳的设计方案。由于设计方案较多，那么就需要使用电子计算机加以筛选，这主要得益于电子计算机的运行速度非常快，从而从诸多设计方案中筛选出最优方案。虽然在实际的数学建模过程中需要进行一定地简化处理，可能会导致计算所得的结果与实际值存在一定的差距，但是其基于客观规律以及数据，又无需花费太高的费用，所以说，这种建模计算的方法具有经验类比或者试验途径不可比拟方面的优势之处，再加上一定的经验依据，就能够获得一个非常理想的设计结果。虽然传统设计也追求最优化的设计结果，一般是基于调查、分析，按照实际需求以及实践经验，参照类似于工程设计，经估算、类比以及试验等过程，对寻优过程进行构思、评估、再构思以及再评估等，从而最终确定设计方案，最后开展刚度、强度以及稳定性等方面的计算。然而在传统设计过程中，存在主观方面、时间以及工作量过多等方面的影响，由于这些影响因素的存在，使得设计结果的最优化选择无法正常进行，这些设计结果的计算也仅仅具有校对、核验以及补充等方面的作用，只能对原有方案的可行性加以证实。传统设计往往需要花费高额的资金以及人力，而且最终结果也与初始设计试验范围差不离。所以说，传统设计主要受到主观因素的影响，得到的仅仅属于满足最初设计要求的设计结果，并非最优化设计结果。
2 优化设计方法的评判指标
效率要高、可靠性要高、采用成熟的计算程序、稳定性要好。另外选择适当的优化方法时要进行深入的分析优化模型的约束条件、约束函数及目标函数，根据复杂性、准确性等条件结合个人的经验进行选择。优化设计的选择取决于数学模型的特点，通常认为，对于目标函数和约束函数均为显函数且设计变量个数不太多的问题，采用惩罚函数法较好；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；对于求导非常困难的问题应选用直接解法，例如复合形法；对于高度非线性的函数，则应选用计算稳定性较好的方法，例如BFGS变尺度法和内点惩罚函数相结合的方法。
3 机械优化设计理论方法
3.1 准则优化法
在机械优化设计理论方法中，所谓准则优化法，就是指以物理学和力学等原则来构造并优化机械设计的方案，以促进机械优化设计的顺利进行。准则优化法在实际应用中具有良好的优势，其概念直观性较强，并且计算过程简便，即便是在约束条件相对较少的条件下，准则优化法的实际优化效率相对较高，因此在工程中具有良好的应用效果。但就机械优化设计的实际情况来看，准则优化法也不可避免的存在一些不足，尤其是在实际应用中，其所考虑的范围具有一定局限性，一旦实际约束条件较多，会严重影响机械优化设计的效率，因此在机械优化设计中，应当对此项因素进行深入衡量和分析，以全面提高机械优化设计的质量和效果。
3.2 线性规划法
在机械优化设计理论方法中，线性规划法是基于数学极值的基本原理上所提出的，以目标函数、约束条件以及设计变形的线性优化为主要因素进行分析，以此作为主要的求解方式。线性规划法中常用的两种方式是单纯形法与序列线性规划法。
其中单纯形法是美国学者所提出的一种具有直观性的线性问题求解方法。单纯形法在机械优化设计中也存在一定不足，极易受到收敛条件、压缩因子以及扩展因子等多种因素的影响导致难以准确计算出机械优化设计的最优解。因此为保障机械优化设计的实际效果，应当全面衡量各项因素，包括初始单纯形的各顶点线性独立情况以及新单纯形构成后对实际收敛情况进行准确的验算，并严格检查计算结果是否满足相关精度要求，从而全面提高机械优化设计的质量和效果。
序列线性规划法则相对简单，主要是在初始位置将目标函数集约条件进行展开，促使非线性规划向近似线性规划逐渐转化，并对最优结果进行求解，并采取科学合理的计算方式进行反复求解，直至满足机械优化设计的精度标准，从而提高机械优化设计的质量和效果。
3.3 非线性规划法
就机械工程的实际情况来看，大部分机械工程的性质都属于非线性规划，随着非线性程度的不断加大，难以将其完全简化为线性问题。非线性规划正是基于数学极值的原理所开展的机械优化设计，通过无约束直接法、无约束间接法和约束直接法、约束间接法等对优化问题进行不断求解，以保证机械优化设计的质量和效果。
3.4 现代优化设计理论方法
在机械优化设计中，往往存在不同种类的约束、变量及目标函数，为保证机械优化设计的质量和效果，机械优化准则法能够结合机械优化设计的实际情况，积极推导出不同的优化准则，但其实际通用性并不理想。规划法在实际应用中需要进行多次重复验算，此种情况下往往需投入大量的人力物力资源，并且实际优化设计的效率并不理想，甚至在一定程度上限制了规划法在现代机械工程项目优化设计中的应用深度和广度。随着现代社会科学技术的发展，机械工程中优化设计的难度也不断加大，有必要积极选取合理的优化设计方法来提高机械优化设计的总体质量和效果。
结束语
总而言之，机械设计优化是基于传统机械设计理论基础上所提出的，通过与现代设计方法的协调配合，促进一种科学化的优化设计方法的形成，在机械工程中，有助于改善机械优化设计的质量和效果，促进机械产品达到高质量和高水平。随着现代社会科学技术的发展，机械优化设计方法也不断进步，每一种机械优化设计方法都具有各自的特点和应用领域，能够针对机械产品的性能及其他因素选取核实的设计变量和最优的设计方法，从而促进机械优化设计目标的实现，为机械优化设计的发展奠定坚实的基础。
参考文献
[1]吴亚明.机械优化设计的应用发展分析[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2015（6）.
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