机械工程博士论文精选(九篇)

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第1篇：机械工程博士论文范文

关键词：工程博士教育；规范管理；特点；课程体系

中图分类号：G72 文献标识码：A

工程博士专业学位研究生教育是适应我国现代化建设对高层次工程技术人才需要而设置的，是将高层次的人才培养与国家重大需求相结合的一种新型专业学位。工程博士专业学位的设置对提升学校专业学位办学层次、完善学位授权体系结构具有极其重要的意义。面对这种新型的专业学位类型，华中科技大学机械学院（以下简称“学院”）试图探索行之有效的工程博士培养质量保障体系。

一、加强培养过程的规范化管理

对于培养单位来说，规范管理主要是在工程博士教育过程中明确培养目标，建立科学的管理体系，从而达到不断提高教育质量的目的。学院秉承“育人为本、创新是魂、责任以行”的办学理念，针对工程博士教育的特殊性，制定了一系列的管理规章制度，有效保证了工程博士的教育质量。

（一）从学术方面到实际应用能力，明确工程博士的培养目标

知识方面：应该具备机械工程领域坚实宽广的理论基础和系统深入的专业知识；

能力方面：要具有科技开拓创新精神和独立研究的能力，对新技术具有敏锐的洞察力；能够引领企业在技术进步和技术创新中不断前进，持续推动企业的技术进步；

素质方面：具有相对专业的领导能力、组织能力和沟通能力，团结并能领导企业的研发团队，实现企业的组织创新；具有对市场的适应能力以及对企业生产发展的改革能力。

成果方面：在推动产业发展和工程技术进步方面要做出创造性成果。

（二）从硬件到软件，注重导师团队的建设

目前，学院拥有数字制造装备与技术国家重点实验室、制造装备数字化国家工程研究中心、国家数控系统工程技术研究中心、国家CAD支撑软件工程技术研究中心、教育部制造技术国际标准研究中心等5个国家级研究平台；拥有国家工科机械基础课程教学基地、国家机械实验教学示范中心等2个国家级基础教学平台；拥有2个国家级教学团队和拥有机械基础课程实验中心、机械学科专业课程实验中心、先进制造与装备技术综合实验中心等3个教学科研实验平台。

除此之外，学院教师队伍中有20多人次分别担任国家“973”项目首席科学家、“863”重点项目负责人、重大专项负责人。学院专门从这些专业教师中选聘承担过国家重大专项的教授、博导担任工程博士的导师。无论是硬件还是软件环境，学院都为工程博士的教育质量保驾护航。

二、探索建立适应工程博士教育特点的课程体系

博士生的课程学习阶段担负着夯实基础、拓宽视野的重要作用，是博士生进行后续课题研究、论文写作的前提和基础。学院根据培养对象的特点和培养目标设计了个性化的工程博士专业学位课程体系，实行多学科交叉培养。学院为此特开设了以下学位要求课程：先进制造工程学、现代设计学、现代优化方法及应用、计算制造工程学、现代管理理论与方法。学生在其课程学习期间， 除校级公共必修课程与跨一级学科选修课程外， 在自己的专业领域从学院设置的学科课程中选修2～3门专业课程进行学习。

依托高档数控机床与基础制造装备、极大规模集成电路制造装备与成套工艺等国家重大专项招收的先进制造工程领域工程博士生，必须实质性地参与国家科技重大专项的研究，是为了服务国家重大专项需求。学院专门为工程博士开设了《先进制造工程学》课程，该课程强调信息学科与传统机械制造学科的融合，要求教师以精密技术和自动化为核心，以制造学科为基础，以数字化装备、汽车工业及信息产业为支撑， 加强先进制造技术在信息产业、生命科学、环境工程等领域中的应用及教学， 并要求逐步加大应用性案例教学的比重。典型科研案例讲座关键在于注重学科交叉，着眼于科研方法的创新、研究思路的拓展， 这种案例教学法近年来在国外的一些博士课程中广泛采用， 并已证明有助于学生创新思维的形成，从而提高工程博士生的综合科研素质。特色课程《先进制造工程学》不仅涵盖了学院的优势与特色专业领域，而且依托学院在机械制造学科发展上的经验和探索，凝炼了众多学科专业博士生导师多年科研成果和学科经验，使得该课程成为工程博士专业学习逐步向科研创新能力培养转化的桥梁。

工程博士各专题课程的设置是根据学科发展动态变化的，具体内容由各授课教师策划。近年来，数字制造及微纳制造技术已成为先进制造领域的热门，这在授课教师开设的专题讲座上也得到了充分体现。例如，学院在《先进制造工程学》博士生专业课程中设置的专题讲座有：数字化制造与智能控制类专题讲座、微纳制造类专题讲座、其它先进制造类专题讲座。这些学术专题讲座主要突出一个“新”字，包括本学科最新科研动态、学科领域国内外最新研究进展或前沿性问题的新发现、新学说，以及教师本人的最新科研进展。该课程对学生专业领域创新思维培养是具有一定效果的。

由于工程博士的培养目标是要培养引领企业技术创新的工程技术领域的领军人才，因此与学历博士生相比，工程博士的课程体系还专门增加了15个学分的实践环节，其中，专业课程实习实践4个学分、专业设计3个学分、工业实习8个学分。为工程博士量身定置的实践环节学习年限要求不少于3年，单从时间上看，这在工程博士培养年限中占了相当大的比重，更凸显出工程博士在培养过程中注重工程实践能力的拔高。

三、严把工程博士学位论文关

工程博士的培养实行学校与企业的双导师制，由双方组成指导小组共同指导工程博士生的学位论文。与学历博士相比，工程博士更注重实际科研能力的培养，而工程博士学位论文是这种能力的综合体现，并且最能反映工程博士培养质量的高低，所以，学院拟从以下3个方面保证学位论文的质量：

（一）学位论文的选题与开题

学位论文的选题应在课程学习阶段后期或结束时启动。校、企导师组根据学员的自身条件、企业的实际需求以及企业的未来发展方向，指导学生正确选题；学生在对学位论文的选题进行调研和可行性论证的基础上，形成书面开题报告。开题报告由培养单位组织导师及来自企业的专家进行审议，重点考察学员拟进行的学位论文研究是否有可能达到机械工程领域工程博士专业学位论文的水准。

（二）学位论文中期考核

论文中期考核安排在开题报告后约一年左右进行。学员根据论文研究进展完成如下内容的考核报告：论文研究进展情况、存在问题分析、拟作调整的内容及方案、工作计划调整等等。在研究过程中允许对论文研究范畴作适当调整或补充，凡对开题报告内容不存在颠覆性的改变，则可继续论文研究工作，否则应重新开题。

（三）学位论文的评审

为了保证和提高博士学位论文质量，学院经过多年的探索和实践，从1999年开始就在院系一级试行博士学位论文双盲预审制度。博士学位论文双盲预审指的是评阅人、论文作者及与作者相关的一些信息均予以匿名，然后在博士学位论文正式提交审核之前，所在学院的研究生主管部门对论文所做的最后一次把关。多年的探索充分证明了推行双盲预审制度确实对提高博士学位论文的质量起到了非常有效和不可低估的作用。因此，学院决定沿用博士学位论文双盲预审制度来控制工程博士的学位论文。

四、结语

与学历博士相比，工程博士的答辩增加了论文评阅专家、答辩委员会成员，这在一定程度上提高了工程博士最后答辩管理的监控力度。总之，学院从工程博士的招生到培养以及最后的学位授予，都建立了一系列切实可行的培养质量保障管理条例。尽管如此，工程博士专业学位是我国研究生教育领域的一个新生事物，亟待提高与完善，以便工程博士培养更适应企业的需要和社会的发展。

参考文献

[1]程宜.《先进制造工程学》博士生特色课程建设的探索与实践[J].理工高教研究，2009，（5）.

[2]范巍.中国博士发展质量调查[J].学位与研究生教育，2011，（1）.

[3]程宜.博士学位论文盲预审制度的实践与探索[J].理工高教研究， 2009，（1）.

第2篇：机械工程博士论文范文

关键词：三维建模 脊柱 机械简化模型

0引言

脊柱作为人体骨骼的重要部分，起着"承上启下"的作用，它支撑着头部，又连接着人体的盆骨，是整个人体的中轴支柱，因此其结构特征和作用显得极其重要[53]。脊柱主要具有支撑体重、传递载荷、运动、保护及造血等功能[54]。脊柱主要由椎骨、椎间盘、小关节、关节囊等组成。随着脊柱疾病的日益年轻化及严重化，脊柱疾病的研究显得十分必要，通过查阅文献可知，采用有限元法，研究脊柱力学特性，是可行的。建立完整的脊柱模型是有限元法的前提，但脊柱的结构及外形相对复杂， 要获得准确的有限元模型比较困难，由于脊柱在结构及各部位之间的相对运动关系都与机械零部件有相似之处，因此，本文根据人体脊柱的数据，将脊柱的各个部位简化成一个个机械零件，利用Solid edge软件，建立脊柱的机械简化模型。

1脊柱的解剖结构特征

脊柱处于人体背部中间位置，主要由7块颈椎、12块胸椎、5块腰椎、5节融合骶椎和3-4节融合的尾椎以及连接各椎骨的椎间盘、处于椎骨后方的小关节、关节囊、韧带和肌肉组织等组成。

1.1椎骨的结构特征

人体脊柱主要由颈椎段、胸椎段、腰椎段和骶椎段组成。脊柱的每块椎骨组成是一致的，都是由一块椎体和一块椎弓组成的，椎弓通过椎弓根与椎体连接在一起，椎弓根部分一般比较细，椎体和椎弓之间形成的孔为椎孔，脊柱从上之下的每一个锥孔依次连接，形成椎管，保护着脊髓。

1.2小关节的结构特征

脊柱的每两块椎骨之间通过上面椎骨的下关节突和下面椎骨的上关节突连接起来，构成处于椎体后部的关节囊关节，临床上又名小关节。

1.3椎间盘的结构特征

除了小关节之外，椎间盘也是连接相邻椎体不可或缺的结构，椎间盘位于上下椎骨的椎体之间，正常人体一般有24块椎间盘，高度约占人体脊柱总高度的30%。由上下软骨终板、纤维环和中间的髓核构成，软骨终板通常由透明软骨构成，厚度小于1mm；纤维环由胶原纤维构成的25个同心环状结构组成；

1.4关节囊的结构特征

关节囊是指生长在小关节周围的结缔组织，由外面的纤维层和里面的滑膜层组成，纤维层由结缔组织构成，坚硬而不乏韧性，具有良好的延伸性，滑膜层能够分泌一定的滑夜，对关节运动起着一定的作用，可以减小摩擦，减低小关节的损伤率。

1.5肋骨的结构特征

肋骨作为人体整个胸腔的构架，起着保护肝脏、心脏及肺部等重要器官的作用。正常人体共有12对肋骨，左右对称。肋骨后端与胸椎骨连在一起，前端借助软骨与胸骨长在一起的第1-7根肋骨称为真肋；第8-12根肋骨叫做假肋，其中第8-10根肋骨借肋软骨与上一根肋骨的软骨相连，形成肋弓，第11、12根肋骨前端游离，又称浮肋。

2 Solid edge软件介绍

Solid Edge是美国EDS公司的中端CAD-PDM产品，具有强大的功能模块和广泛的适用范围，是目前最优秀的三维机械设计软件之一。其卓越的性能、优异的实体和曲面造型功能、专业化的设计环境和有口皆碑的易学易用性，赢得了业界广泛的赞誉。Solid Edge功能强大，方便易用，物美价廉，可以说是中小企业进行计算机三维机械设计的首选。Solid Edge主要功能模块包括：零件设计、装配设计、钣金设计、焊接设计、工程制图、管道与线缆设计、干涉分析及测量工具、运动模拟、 虚拟现实、机构运动仿真、数据转换、INSIGHT PDM、二次开发接口、CREAT 3D（二维转三维）、工程设计手册、网络、特征识别等。因此，本文选用Solid Edge建立脊柱的机械简化模型。

3脊柱机械简化模型的建立

根据上述部分的真实结构，保持各个结构之间的连接关系和相对位置，查阅成年男性脊柱腰骶段外形结构数据，将椎骨、椎间盘、关节囊和肋骨简化，表1为成年男性脊柱结构参数。在Solid edge软件界面下，图1为椎间盘及关节囊的机械简化模型、图2为肋骨与椎骨的机械简化模型，且保持了肋骨与椎骨之间的连接关系，由于人体脊柱不同节段结构几乎相同，考虑到工作量及电脑性能，本文建立了脊柱部分结构的简化模型。图3为本文建立的脊柱部分结构的机械简化模型。

表1为成年男性脊柱腰骶段结构参数

图1 椎间盘及关节囊的机械简化模型

图2 椎肋骨及椎骨的机械简化模型

图3 脊柱部分结构的机械简化模型

参考文献：

[1]赵迪.成人退变性脊柱侧凸有限元模型的建立及后路三维矫形生物力学研究[博士论文].湖南，中南大学，2010

[2]Hooper.Orthopaedics（第2版）.天津：天津科技翻译出版公司，200

第3篇：机械工程博士论文范文

关键词：车辆；碰撞；吸能；减震

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.058

0 前言

目前，车辆碰撞安全性问题也成了一大隐患，主动安全防护措施已难以提供充分的安全保障，小型轻量化的被动安全防护装置例如吸能器也越来越受到人们的重视，车辆在事故发生的瞬间通过吸能减震装置将巨大的撞击动能耗散，从而最大可能地保护乘员生命安全的目的。该技术的发展对于提高我国轨道车辆的安全性能具有不可忽视的现实意义。

1 吸能器技术原理

交通车辆碰撞时常发生，显然，应该设计出能够忍受碰撞冲击的结构，结构轻量化和高的吸能减震能力已经成为当今的发展趋势，所以各种吸能器相继产生。目前，车辆用吸能器主要分为以下几类：（1）薄壁金属管吸能器，薄壁金属管是传统的吸能结构，其主要是通过圆形管道消耗动能的常见方法就是通过两个板之间的圆形管道的塑形变形来吸收冲击能的，这取决于金属管的几何物理特性、加载条件等因素。它具有结构简单、工作可靠等优点；（2）切削式吸能器，其是一个非常复杂的能量转换和物料消耗的非线性过程，切削式吸能器就是利用这一原理吸收车辆碰撞能量的；（3）胀管式和缩管式吸能器，其是由两种不同的圆环组成。将外部冲击的能量转换为胀环或缩环的弹塑性变形及摩擦热能，从而达到缓冲吸能的目的，它具有结构简单、缓冲力平稳、适应工作环境能力强等优点；（4）金属蜂窝吸能器，对于金属蜂窝吸能器主要是应用金属蜂窝的塑形变形从而达到缓冲吸能的目的。金属蜂窝吸能结构具有工作可靠、质量轻、压缩变形能力大且变形可控等优点，在各种防撞结构中有广泛的应用；（5）泡沫铝填充结构吸能器，对于泡沫状材料是蜂窝状材料的三维形式，最近泡沫金属作为一种新型高级的材料，具有密度小、耐热性好、抗冲击、良好的剪切和断裂强度等优点，在吸能方面上有很大的潜能，（6）碳纤维吸能器，碳纤维吸能器是利用编织纤维的强韧性吸能的，具有缓冲吸能效果优良、缓冲吸能效率高、工作可靠等无可比拟的优点，其吸能效率甚至高于金属材料4-5倍，目前碳纤维吸能器在赛车领域具有广阔的应用。

2 车用吸能器专利基础状况分析

2.1 全球范围车用吸能器专利分析

2.1.1 各国申请量统计与分析

在SIPOABS对分类号F16F7/12下的专利进行统计，得到关于车用吸能器位居前10名的各国专利的申请量，如图1所示。从图1可以看出，该技术在德国的申请量最大，此外，除了车辆吸能器，德国在车辆其它结构方面的技术基本上都是属于世界领先的，其次为欧洲、美国，而我国车辆技术研究相对较落后，中国的申请量排在第9位。

2.1.2 申请人所在国申请量统计与分析

在SIPOABS对分类号F16F7/12下的专利进行统计，得到关于车用吸能器专利的申请人所在国的申请量，如图2所示，德国的申请量是最大的，其次依次为美国，日本和法国，该四强在国际上都属于汽车技术研究大国，且遥遥领先于其它国家。

2.1.3 申请量发展趋势

在SIPOABS中，对上述F16F7/12分类号下的有关车辆专利采用年份进行统计，得到专利申请量随年份的变化趋势，如图3所示，在1995年到2004 年十年间该项技术呈现发展的黄金时期，申请量也达到了高峰，随后的2005年至今，申请量下降很快，说明该技术已经基本成熟，需要在更广的思路上对其进行探索。

2.1.4 主要申请人统计与分析

在SIPOABS中，对上述分类号下的专利依据申请人进行统计，取前10位排名如图4所示，其中美国的ENERGY ABSORPTION SYSTEM INC公司的申请量最大。其次为日本的丰田和本田公司，除了该三个公司，其它公司的申请量上下波动并不是很大，相对较为平稳，由此可见，美国的ENERGY ABSORPTION SYSTEM INC公司对该方面的投入较大。排名第二和第三的分别为日本的本田和丰田汽车集团，该两家汽车集团的汽车产量和规模也名列世界十大汽车厂家之列，属于全球化名牌企业，其技术研发实力也不容小觑。

3 总结

通过前面章节对车辆吸能器的相关技术原理、专利分布的分析，一方面对其现有的技术有了整体的把握，对吸能器的研究具有重大的参考意义。

参考文献：

[1]廖昌s，汽车悬架系统磁流变阻尼器研究[D].重庆大学博士论文，2001，重庆大学，P21-34.

第4篇：机械工程博士论文范文

[关键词]3D打印技术；钢铁行业；冲击；措施

中图分类号：F104 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0072-01

一、概述

3D打印技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状，根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效、低成本的实现手段。

3D打印机的原理：3D 打印机可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体零件。每个截面数据相当于医学上的一张CT 像片；整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。当然，整个过程是在电脑的控制下，由3D打印机系统自动完成的。

二、国内、外发展现状

目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。

自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。

三、经典的应用案例

（一）3D打印汽车

2011年，世界上首款应用3D打印技术的汽车“Urbee”在经过15年的艰苦研制后在加拿大亮相，这辆名为“Urbee”的汽车包括玻璃嵌板在内的所有外部组件都是通过大型3D打印设备生产。 2012年8月，世界上第一辆3D打印赛车“阿里翁”，在德国霍根海姆赛道完成测试，最高时速达141公里。从设计到打印，“阿里翁”车身的出炉仅用时3周，所使用的3D打印机，能打印最大尺寸达到210×68×80厘米的零部件。

（二）3D打印飞机零件

北京航空航天大学材料学院王华明教授是国内激光成型技术的领军人物。王教授提出“激光熔覆多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料”研究新领域，研制出迄今世界最大、拥有核心关键技术的飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形工程化成套装备，制造出中国最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件，并通过装机评审。我国成为目前世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。

四、技术优劣势和对钢铁行业的影响

（一）3D打印技术的技术优势

1.个性化、定制化。

3D打印这种全新的生产工艺，以及在线制造协作服务的普及，使得生产方式像轮子一样兜了个圈又回到了原点，从大规模生产转到更加个性化的生产定制方式。“这种新型的生产方式是“社会化制造”，当它得到广泛运用，每个人都可以是一家工厂。”

2.节省劳动力。

3D打印技术会使传统的，以廉价劳动力取胜的制造业发生根本性变化。一种可能的趋势是，过去为追逐低劳动力成本转移到发展中国家的资本，会很快移回到发达国家中去。传统工厂需要大面积的车间，大量的工人，可未来，这些也许会被十几台3D打印机和几名工人代替。一些专家乐观表示，随着3D打印技术的普及，有望缓解制造业用工荒的难题，甚至中国、印度等国所拥有的低成本劳动优势也会随之减弱。

（二）3D打印技术的不足之处

1. 打印材料。

3D打印技术难点主要在于硬件，最典型的就是打印材料。目前，不同品牌的3D打印机能支持不同的材料，树脂、尼龙、石膏、塑料使用较为普遍，随着业界研发的进步，支持钛、不锈钢或铝、铁金属材料的打印机也已经出现。不过，大多数个人桌面级3D打印机只能使用易加工、便于回收的塑料，其他只限于工业级3D打印机使用。对于工业级打印机来说，所用材料既要满足打印精细度，还要满足强度，这类材料的研发成本至少是千万元级别。

2.打印精度。

由于3D打印工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用，不能作为功能性部件，只能做原型使用。

3. 打印速度。

现阶段，3D打印机无法作为大规模生产的手段，只能作用于原型开发或者单件制造。在生产效率上，3D打印技术虽发端于“快速成型”，耗时还是得以小时来计，尚难满足批量生产的要求。无论是性能虽好但价格高昂的工业级3D打印机，还是性价与之对立的个人桌面级打印机，要真正革传统工业的命，还有很长的路要走。

4.机械强度。

以Stratasys公司3D打印车为例，车子固然能“打印”出来了，但是否能在路上顺利跑起来？使用寿命又有多长？从现有的技术来看，尚有差距：由于采用层层叠加的增材制造工艺，层和层之间的粘结再紧密，也无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美，这意味着在一定外力条件下，“打印”的部件很可能会散架。

五、结论

3D打印技术可以使金属粉末按设计图精确成型，形成各种复杂精密的结构，但对其内部的组织性能却无法保证。与铸造技术相比，3D成型技术在机械性能及组织结构上还是有一定差距的。钢铁产业的下游为家电、汽车、造船、建筑、机械制造等产业，以造船为例，其制造方式为将高性能的中、厚板采用焊接的方式组装起来，这样操作简单，成本低廉。若将3D打印技术引入造船行业，不仅庞大的3D打印机难以制造，但就从经济角度上讲也是不可取的。同样，对于建筑上的钢结构，如桥梁，钢结构的房屋等，3D打印技术也不适用。

现代钢铁生产的主要特点是批量化和规模化，处于产业链的中游，主要为下游产品提供原材料。3D打印技术的主要特点是小批量和个性化，主要是生产终端产品，位于产业链的末端，与钢铁行业的定位不同。因此，从生产的特点与产品的定位来讲，3D技术的发展对钢铁行业冲击较小。

但从另一个角度考虑，当3D打印的产品为金属制品时，钢铁产业需为其提供原材料――粉末金属。随着3D打印技术的发展，3D打印材料尤其是粉末金属材料的研发与制造将成为一个炙手可热的课题，也将是钢铁企业一个新的高附加值产品，一个新的利润增长点。

参考文献

[1] 王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企事业.2012（9）.

第5篇：机械工程博士论文范文

关键词：蚁群算法；物流配送；路径优化；数学模型

DOIDOI：10.11907/rjdk.161974

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2016）011014004

基金项目基金项目：

作者简介作者简介：袁文涛（1993-）男，安徽马鞍山人，上海理工大学光电信息与计算机工程学院硕士研究生，研究方向为模式识别与智能系统；孙红（1964-）女，上海人，上海理工大学光电信息与计算机工程学院副教授、硕士生导师，研究方向为模式识别与智能系统、 控制理论与控制工程、企业信息化系统与工程。

0 引言

解决组合优化问题的最优化求解算法有多种现代人工智能算法方案，优化算法用来处理问题最优解的求解，该问题通常由多个变量共同决定。当前，求解最短路径问题是图论研究中的一个典型求解组合优化算法问题，旨在寻找图表（由节点和路径构成）中两节点或多节点之间的最短路径。常用的最优化路径求解方法有Bellman-Ford算法、Dijkstra算法、A*算法和蚁群算法。这些算法都有自身的优点和不足。在对不同算法作出比较后，可以得出蚁群算法在解决网络路由和城市交通系统的问题中是相对有利的。

就目前研究来看，随着实际组合问题的变化，基本的智能算法已经不能满足解决这类组合优化问题，同时其优势也在减弱[1]。本文采取改进后的组合优化蚁群算法以弥补传统蚁群算法易陷入局部最优解的不足，加快了求全局最优解的构造速率。

蚁群算法（Ant Colony Optimization， ACO），是一种模拟蚂蚁群体智能行为的进化仿生类优化算法，在求解性能上具有强鲁棒性、优良的分布式计算能力、便于与其它算法相结合等优点[2-3]。通常作为一种用来在多变量组合优化问题的多候选解中寻找最优化路径的机率型算法。它由Marco Dorigo于1992年在其博士论文《Ant system： optimization by a colony of cooperating agents》中首先提出，其灵感来源于通过对蚁群社会的长期跟踪观察后发现，虽然单个蚂蚁没有视力、智慧程度低、工作方式简单，但它们却有强大的执行能力和协同工作能力，依靠复杂群体的自组织协同能力发挥出超出单个个体累加的智能，是一种超个体（superorganism，又称超有机体）存在现象。蚁群是在这样的超个体案例中最有名的例子。虽然蚁群算法的严格理论基础和实际应用尚未成熟，国内外相关研究暂处于实验阶段，但这并不妨碍人们对蚁群算法的研究已经由当初单一的解决商旅问题（TSP）发展到解决调度问题、网络通信等多个方向的最优化求解应用。

目前，蚁群优化算法已广泛应用于多种求组合最优化问题，在面临路例如作业安排调度问题和路由车辆的二次分派问题上表现出了良好的性能，也经常被用来求旅行推销员问题的拟最优解。它在图表动态变化情况问题的求解上相比萤火虫算法和遗传算法具有绝对优势：蚁群算法的最大优点在于可以连续运行并适应实时变化；缺陷是在处理较大规模和复杂数据问题时，容易存在运算耗时长、收敛速度慢、得不到全局最优解等问题。

在求最优解的历次迭代中，单个蚂蚁会根据给定的规则和限定条件选择从一个城市（节点）转移到另一个城市（节点）：它必须对所有城市访问一次，而相对距离越远的城市被选中为下一个访问点的机会越少（能见度低）；相反，在两个城市（节点）边际的一边形成的信息素越浓烈，则该边际作为路径被选择的概率越大；在较短路程情况下，短时间内更多蚂蚁会在所有走过的路径上留下更多信息素，在每次迭代更新后，信息素轨迹浓度会按百分比挥发从而反馈给下一只途经的蚂蚁并影响它作出路径选择。

1 车辆路径问题

传统的车辆路径问题也叫VRP（Vehicle Routing Problem）问题，是关系到现代物联网发展过程中物流配送系统的一个关键问题，属于NP难题。一直以来，该问题也是管理科学和物流运输方面的重要课题[4]，受到国内外学者的广泛关注。

VRP问题描述如下：在一些由于经济或者地理限定的条件约束下，组织一个车队，从一个或者多个初始点出发，规定达到多个不同的地点，设计一个成本最小、路程最短的路线集，使得：① 每个城市只能被一辆车访问，只访问一次；②所有送货车辆必须从起始点出发再回到起始点；③某些特定的约束条件需要被满足。

VRP的数学模型表示如下：一共有k个客户，第i个客户的货物需求为gi，配送中心派出车辆承担运输任务，其载重为q。设gi

如果前提有约束条件用于车辆本身，即容量限制和总长限制，则称为有能力约束的车辆路径问题（Capacitated Vehicle Routing Problem）。此模型是车辆路径问题的基本模型，这类VRP问题叫作CVRP问题[5]。

设每个客户点只允许被访问一次，车辆所访问的客户点的需求总和不能超过车辆的负载能力，且总行驶的路程也不得超过其最大的行驶距离，达到用最少的车辆最短的路径完成既定任务。

。

2 可约束蚁群算法实现

2.1 算法实现方式

当前蚁群算法领域存在MPDACO局部更新和MPDACO全局更新两种方式。前者指当单个蚂蚁从一个节点到达下一个节点完成转移后就立刻更新蚂蚁通过路径时所留下的的信息素，后者是当蚂蚁遍历完所有给定节点后再更新整条路径上的信息素，不再是对所有的蚂蚁，而是仅对全局最优的蚂蚁得到的路径使用。从两种更新方式得到的结果作对比可以得出，全局信息素更新方法虽然可以加快收敛速率，但是存在着一定的缺陷和不足，易使路径更快地集中于单一解，易陷入局部最优，这些缺点限制了它的广泛传播及应用。

本文综合上述两种更新方法的优点和不足，列出了一种新的组合叠加更新方法：在路径搜索的前十次循环中，采用局部最优解更新，十次固定循环结束后，再采用全局最优解进行更新，这种更新方式可以有效避免蚁群搜索得到的路径沉入局部最优解中，有利于发现更多较优解。

2.2 算法实现步骤

根据改进的蚁群算法，将优化后的蚁群算法应用于CVRP问题的实现步骤如下：

（1）参数初始化。设迭代次数 Nc=0；每条路径上的信息素浓度Δτij（0）=c（c为常数），并且Δτij=0；随机将m个蚂蚁放置到初始点上。

（2）更新迭代（循环）次数，即Nc=Nc+1。

（3）初始化禁忌表，蚂蚁禁忌表的索引号k=1。

（4）更新蚂蚁数目k=k+1。

（5）判断路径是否在搜索热区内。按照式（a）～（f）计算出每只蚂蚁应当转移至下一个城市（节点）的概率并完成移动。

（6）当蚂蚁从i城市（节点）出发到达j城市（节点）时，对其所经过的路径上的信息素进行更新，并修改禁忌表，将禁忌表指针按照当前状况进行修改，即将新城市（节点）j置于禁忌表tabuk中。

（7）执行步骤（b）～（f），直到所有蚂蚁都找到了一条包含所有城市（节点）的可行路径解。

（8）在新生成的所有可行解中找到一条最短路径作为本次迭代中的最优路径解。

（9）判断循环次数是否小于十次，若小于十次，则对蚂蚁找到的最优路径按照本次迭代最优值进行信息素更新；若循环次数超过十次，则按照全局信息素进行更新。

（10）对所有蚂蚁经过的路径，按式（1）进行一次全局更新。

（11）循环执行（b）～（j），直到连续多次的迭代中得到的解已收敛或循环次数Nc的值已经达到给定的最大迭代次数的情况下选取当前输出值作为本次最优解。

3 实验仿真

设存在一个物流中心有4辆运输车， 单辆车最大载重为1 000kg， 现需要同时向7个随机分布的客户点派送货物， 蚁群算法的初始化参数为： 蚂蚁总数为20只， 算法的最大迭代数为100次， α和β分别为1，2， 信息素的挥发速度为0.75， 实验重复运行100次， 求得的平均结果为最终结果。同时初始时刻各边上的信息痕迹为1，残留信息的相对重要度为1，设置预见度为5。原始数据进行处理结果分析如图3所示。按本文提出的优化蚁群算法求解CVRP后的处理仿真结果如图4所示。

观测图3、图4的收敛曲线，可以知道蚁群算法优化后的结果相比之前的行车路径有大幅度优化[810]，如图5所示。针对每个收敛的点结合数据可以看出，传统蚁群算法的平均路径在迭代次数为45时可以得到最优解，而改进后的蚁群算法可以在第5次左右得到最优解，相当于收敛速度提高了近80%。

4 结语

在当今应用数学和理论计算机科学的领域中，组合优化（Combinatorial Optimization）是在一个有限的对象集中找出最优对象的一类重要课题，属于运筹学的一个重要分支。在很多组合优化问题中，穷举搜索/枚举法是不可行的。组合优化问题的特征为可行解的集是离散或者可以简化到离散的，并且目标是找到最优解。解决组合优化问题一般采用智能算法，而这些算法都有自身的优点和缺点。组合优化的难处，主要是加进来拓扑分析，在不同的拓扑形态下，算法也需随着不同部分的约束关系作出相应调整。从目前研究来看，随着实际组合问题的变化，基本的智能算法已不能解决这类组合优化问题。

蚁群算法作为一种仿生类进化算法在求路径最优化解方面具有很好的效果。本文首先引出蚁群算法可以用于解决这一类问题，然后介绍了约束车辆路径问题，也即CVRP问题，说明了其约束模型；接着研究了基本的蚁群算法步骤，并对其中信息素更新和改进了启发因子，解析并改良了蚁群算法应用于CVRP问题的实现步骤和处理方法。

本文提出的组合叠加更新方法可有效克服传统蚁群算法收敛质量低、耗时长、易陷入局部最优解等缺陷，使蚁群算法的全局优化能力得到大幅度提高。对比实验前数据可以看出，蚁群算法找到最短路径的收敛速度比传统方法快了80%左右，确实是一种求解最短物流配送路径的有效算法。

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