【摘要】本文对机械设计进行了详细的介绍，分析了机械设计程序，阐述了机械设计优化的重要性，并对ACO算法的机械设计优化方法进行研究，以供参考。
【关键词】ACO算法；机械设计；优化
1 机械设计概述
1.1 机械设计的基本思路
机械设计中采用的参数与零部件应尽量保证标准化、系列化以及通用化，也就是“三化”，如此可以使设计工作量得到有效减小，使生产周期得以缩短，增强互换性，实现对制造成本的有效控制。根据规定标准生产的零件成为标准件，在设计过程中，应需要按照设计手册与产品目录对零件型号与尺寸进行选取，并向专业商场或工厂订购即可。
系列化与通用化具有十分重要的意义。设计中标准件的选用往往会受到标准限制而导致灵活性缺失，如果选用系列化产品，那么这一问题就到了有效解决。例如，对于同一类型、同一内径的滚动轴承系列，可以根据滚动体直径的不同，形成不同外径、宽度的滚动轴承系列，进而提高轴承选取的灵活性与便捷性。通用化指的是基于不同规格的同类或不同类产品采用的零件保持结构与尺寸的统一，如此可以使零部件的种类得以减少，使生产管理过程得到简化，有效控制成本，并使生产周期缩短。
1.2 机械设计的基本要求
机械设计主要包括两个形式，第一种是对新技术、新方法的运用以实现新机械的开发与设计；第二种使基于原有机械进行的重新设计或者局部改造，进而使原有机械的性能得到提升。设计质量在很大程度上决定了机械产品的性能、成本以及经济效益，因此必须对此予以重视。关于机械设计的基本要求，具体包括以下几个方面：
第一，功能要求。机械设计是为了使预定的功能得到实现，并基于规定的工作条件与工作期限，确保机械产品能够正常运行；第二，可靠性要求。机械设计的可靠性要求指的是在机械使用过程中保持性能稳定，对于机械设备而言这一指标非常关键。机械涉笔是由若干个零件与部件组成的，零部件的可靠性在很大程度上决定了机械设备的可靠性。如果机械系统有更多的零部件，那么其可靠度也随之降低，因此，在机械设计中，应对零部件数量进行控制；第三，经济性要求。在机械设备的评价指标中，经济性指标具有较强的综合性，其涉及到的环节比较广泛，例如产品设计、制造、使用、维护以及管理等等。经济性要求基于功能要求的满足有效降低机械设备的总费用；第四，工作安全性与操作便捷性。安全性指的是在机械设备使用中能够保障操作人员的安全以及机械设备工作过程中自身的安全。因此采取相应的防护措施非常必要，例如为暴露运动构件配置防护罩、设置过载保护装置等等。而操作的便捷性则是指应有效减小人工操作的劳动强度；第五，外形美观，污染小。根据工业艺术造型设计方法来设计机械产品，可以有效增强其外形的美观程度，并且促使其更具时代特点，使产品的市场竞争力得到提升。总所周知，在机械产品制造与使用中，不可避免会出现噪声污染，这一指标具有较强的综合性，也是反映机械产品质量的重要指标，因此应尽可能孔指噪声，使其对环境的污染得以减轻。
2 机械设计程序分析
机械设计这一个过程十分复杂，需要进行不但的构思、决策与修改。关于新产品的开发与设计，通常的程序包括：
2.1 计划阶段
计划阶段也成为预备阶段。首先要了解用户对机械产品的功能、造价、设计期限的需求，然后在设計中予以考虑，然后展开调查与研究，进行资料的搜集，分析设计任务，并针对设计任务的合理性与先进性与用户进行协商沟通，最后进行任务书的编制。设计任务书应对机械产品的名称、功能、生产效率、工作条件、生产批量、预定成本、主要性能指标、可靠性、使用维护要求。设计与制造完成日期以及其他特殊要求进行明确。
2.2 方案设计阶段
该阶段主要是基于多方面的调查与研究，对国内外有关设计资料进行收集，设计人员用针对机械产品的工作原理加以创新，并提出不同的满足设计任务书要求的设计方案，并对几个具有可行性的方案进行技术经济分析，对技术性能、经济指标进行综合对比，然后选择比较合理的几个方案。对于选定的几个方案，应同步进行下一阶段的设计工作，并等到能够将技术性能、经济指标等较为准确的确定后，在进行最终方案的选定。在这一阶段，设计内容主要有运动学计算、机构原理试验等等，然后对相关图纸进行绘制，例如机构工作原理图、机构运动简图等等。
2.3 技术设计阶段
这一阶段主要包括基于机械产品工作原理图与机构运动简图，对整机及其零部件的具体参数进行设计、零件所用材料的选定与热处理、加工装配以及试验技术条件的制定等等。该阶段的成果主要有机械整机与部件的装配图、零件工作图与计算说明书以及其他技术文件等等。对于技术设计阶段讷言，反复修改是不可避免的，应与用户进行不断的沟通与协商，对设计方案进行反复优化。
2.4 样机试制与鉴定阶段
该阶段根据技术设计提供的相关技术文件，进行样机试制，并测试试制样机的性能，并组织相关人员对其进行鉴定，全面评定其经济技术指标，具体有动力特性审查、标准化审查、工艺审查、成本预测等等。此外，还可以基于此合理修改设计方案，使设计方案得到完善。
2.5 产品投产阶段
该阶段是基于样机试制与鉴定通过的前提，向产品定型鉴定会提交产品的相关文件，并进行评定审核，具体包括机械的全套设计图样以及全套技术文件。待评审通过，就可以开始批量生产并向市场投放产品，向用户交付产品并投入到使用中。
3 机械设计优化的重要性
3.1 提高机械设计的工艺与质量
在机械设计中，设计人员除了要对流程、时间、成本与功效等方面进行考虑，还需要对设计产品的工艺水准与使用价值进行研究，换言之就是设计产品的质量。通常情况下，在工业生产与大型工程项目中机械产品的运用比较广泛，其质量十分关键，因此必须予以高度重视。也就是说，机械设计质量应放在首位，如果质量失去保障，那么机械设计就毫无意义与价值可言。因此，应不断寻求更优的设计路径与方法，使设计质量与工艺得到维持。实践中设计人员通常会采用数学函数与模型技术来综合评定设计方案，并选择最优的方案。对于最佳方案，其具备的特点往往包括以下几点：第一，效率最高，成本最小；第二，具有较强的操作性与可行性，能够使设计规划得以实现。
3.2 有效控制设计成本
机械设计这一工程十分繁琐庞大，通常很短时间内是无法完成的。因此，在维持长时间设计流程的过程中，还应控制好成本。实践表明，很多机械设计的成本开支往往大大增加了主管单位的经济负担。尽管机械设计技术不断进步，管理流程也得到很大的简化，现代机械设计成本得到了一定的降低，然而其压缩空间仍然存在。值得一提的是，设计优化方法的运用以较少设计成本，必须要建立在设计质量得到保障的前提之下，否则该方法是不可取的。在机械设计中，应采用优化设计路线，使前期与设计中的成本得到有效控制，使企业资金得到节省。优化设计的方案应与设计流程相符合，并实现资源的优化配置与充分利用，降低对人力、财力与物力的需求。由此可见，机械设计中的优化设计是基于科学的依据与理论实现的成本的控制。
3.3 提高产品的附加值
机械设计优化方法的运用，可以使产品的科技附加值得到提升，进而使产品更具竞争力，并为企业的经济效益提供强有力的保障。机械设计产品本身就具有较高的商业价值，因此必然与市场有着密切的联系。此外，在机械设计中运用优化方法，可以使机械产品的技术含量更高，提高其技術附加值，使产品的市场竞争力大大提升。例如，在科学技术不断发展与相互融合的背景之下，机械设计正不断趋于产业化发展，并可以以一个单独工程链条的形式存在于行业当中。如果以看待商品的态度来看待机械设计产品，那么对其价格、质量与科技含量就会提出更高的要求，如此产品的市场占有率才能够得到有效提高，使企业利益的最大化得以实现。因此，机械设计优化中，企业应不断重视其技术含量的提升，如此才能够提高其对企业带来的收益。
4 机械设计优化方法研究
本文以基于ACO的石油机械设计优化方法为例进行详细阐述。ACO意为蚁群优化算法，其在通讯网络、函数优化、系统辨识以及机器人路径规划等综合布线设计中的应用十分广泛，并且随着ACO算法的不断发展，这种遗传算法逐渐形成了通用的框架，采用的是分布式正反馈并行计算机制，与其他方法能够很好的融合，鲁棒性也相对较强。
在现代石油机械系统中，由于结构的复杂程度越来越高，例如对其静态性能与动态性能的综合优化问题，在规模与数学复杂程度的计算上显然与以往有着很大的不同。通过对这类全局优化问题的分析可知，在尺寸优化、拓扑优化以及性能优化等各方面中，基于数学规划的传统优化理论显然实际运用效果并不理想。而ACO算法的鲁棒性较强，并且其采用的是正反馈的并行机制以及非确定性的全局搜索策略，因此对于这些问题的求解而言具有相对较强的适用性。ACO算法在各个优化领域都有所涉及，然而在石油机械优化设计中的应用仍然缺乏深度，就目前公开发表的成果来看，其也局限于仿真阶段。然而，ACO算法在石油机械优化设计中表现出的实用性有目共睹。例如深井采油管内减速器的优化设计，可以充分展现出ACO算法在求解此类问题上的优势。
就深井采油管内减速器的优化设计而言，采用ACO算法进行寻优，将每一个变量视为一层，每一层都会通过人工蚂蚁来搜索最优解，直到在所有目标值中求得一个最优解。在这一改进中，ACO算法还对内点罚函数法加以融合，实现了模型中有约束问题向无约束问题的转化，以此来搜索解。关于该算法的具体描述，如图1所示。
关于ACO算法在石油深井采油管内减速器的优化设计中的运用，具体流程为：对设计变量进行确定，然后分析并计算约束条件，建立目标函数，最后分析优化结果，并选择最优解。ACO算法具有较高的效率，并且具有较强的寻有能力，在优化领域中属于新型的仿生学算法。实践表明，通过ACO优化算法的运用，优化效果十分理想，与实际情况相符合，同时也证明了了该算法在石油机械设计优化中具有较强的适用性与可行性，随着石油系统日益发展，系统结构越来越复杂，这种机械设计优化方法在石油机械设计优化领域中将会有着巨大的发展前景。
5 结语
综上所述，机械设计优化方法的应用能够有效提高机械设计产品的各项指标，对于提高机械产品的价值而言有着十分重要的意义。目前，我国机械产品设计行业在某些方面仍然需要进行完善，需要我们对此展开研究，并不断提出有效的改进方法，促使机械设计得到进一步优化。
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作者简介：孟亚婷，女，1988.04.12，安徽新华学院，电子通信工程学院，讲师，机械优化设计及研究，皖寿县人。