机械优化设计.docx

机械优化设计.docx

《机械优化设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械优化设计.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

机械优化设计

机械优化设计方法

MechanicalOptimizationDesign

本节课程要点:

1、最优化及优化方法概念介绍

2、传统设计与优化设计的区别

3、优化设计学科的发展、作用及特点

4、机械优化设计及应用实例

5、最优化理论的局限性

1、最优化及优化方法概念介绍

所谓最优化，通俗地说就是在一定条件下，在所有可能的计划、设计、安排中找出最好的一个来。

换句话说，也就是在一定的条件下，人们如何以最好的方式来做一件事情。

最优化：

Optimization。

简写：

Opt.

最优化的特点是结论的唯一性，即公认最好。

例如下例子:

优化设计方法是数学规划和计算机技术相结合的产物,它是一种将设计变量表示为产品性能指标、结构指标或运动参数指标的函数（称为目标函数）,然后在产品规定的性态、几何和运动等其它条件的限制（称为约束条件）的范围内,寻找满足一个目标函数或多个目标函数最大或最小的设计变量组合的数学方法。

2、传统设计与优化设计的区别

例1-1设计一个体积为5

的薄板包装箱，其中一边的长度不小于4m。

要求使薄板耗材最少，试确定包装箱的尺寸参数，即长a，宽b和高h。

A、传统设计方法:

首先固定包装箱一边的长度如a=4m。

要满足包装箱体积为5

的设计要求，则有以下多种设计方案:

A、优化设计方法:

在优化设计中，该问题可以用数学的方法描述为：

在满足包装箱的体积abh=5

，长度

b>0,h>0的限制条件下，确定参数a,b和h的值，使得包装箱的表面积s=2（ab+bh+ha）达到最小。

根据这样的描述，可以建立一个优化的数学模型，然后选择适当的优化方法和计算程序，在计算机进行数值迭代、求解，最后得到这个数学模型的结果是

优化设计:

就是借助计算机技术，应用精确度较高的力学数值分析方法进行分析计算，从满足给定的设计要求的许多可行方案中，按照给定的指标自动地选出最优的设计方案。

优化设计与传统设计相比，具有如下三个特点：

3、优化设计学科的发展、作用及特点

古典优化思想：

17世纪发明微积分中的极值问题；

经典优化设计：

20世纪40年代起，数学规划论和计算机技术的发展使做优化设计计算成为可能；

优化设计从无约束----有约束优化问题；连续变量----离散变量；确定型-----随机型模型；单目标优化----多目标优化；

现代优化设计：

20世纪80年代出现许多现代优化算法：

模拟退火法、遗传算法、人工神经网络法、蚁群优化算法等；

并从狭义优化设计（零部件参数）转向广义优化设计（面向产品的全系统、设计全过程、全生命周期）针对涉及多领域复杂系统的多学科设计优化。

随着最优化理论应用领域的不断扩大，一些科学研究和工程应用中的问题对最优化理论的要求也不断增强，伴随着新理论、新方法、新技术的产生和发展，人们在传统最优化理论基础上，不断对最优化理论进行修改、完善，产生了模糊优化、广义优化、智能优化等新的优化理论和方法

广义的优化意味着“次优化”或“准优化”。

是可以实现的实际目标，与传统的最优化方法相比，在基于知识的广义优化中，对优化问题的描述不是采用数学模型而是知识模型：

优化目标不是求一个函数的极大值或极小值，而是寻求具体问题的一个合理而可行的方案；

广义优化的优化目标不是求一个函数的极大值或极小值，而是寻求具体问题的一个合理而可行的方案；传统优化方法中，问题的求解是寻找一个决策变量的值，在基于知识的广义优化中，问题的求解是利用知识的简化等手段由已知明显事实推导出知识，其对应问题的解表达为一组优化决策规则及相应的优化域。

一般的广义优化主要针对在传统优化基础上对优化的过程和对象进行扩展而形成的优化。

上述的广义优化通过对优化过程和优化对象的扩展，提高了优化的能力和适用性。

下面我们主要介绍一下广义优化的应用。

传统优化设计只适应于简单零部件；广义优化把对象由此扩展到复杂零部件、整机、系列产品和组合产品的整体优化，可统称为全系统优化。

传统优化设计只侧重于某种或某一性能的优化；广义优化把优化准则由某方面性能扩展到各方面性能，要实现技术性、经济性和社会性的综合评估和优化。

仅技术性能而言，追求实现目的性能和约束性能、使用性能和结构性能的综合优化；就结构优化而言，则追求静态性能与动态性能的组合优化，因此可统称为全性能优化；

传统优化设计往往局限于产品技术设计阶段的优化；广义优化则把优化的范围扩展到包含功能、原理方案和原理参数、结构方案、结构参数、结构形状和公差优化的全设计过程，进而面向制造、经销、使用和用后处置的寿命周期设计过程。

特征标志

传统优化

广义优化

优化对象

零件、简单部件

全系统：

部件、整机、系列或组合产品

优化准则

某方面性能

全性能：

技术性、经济性和社会性的综合

优化范围

技术设计阶段

全设计过程，并面向产品寿命周期

优化类型

数值优化

数值与非数值优化

优化建模

手工建模、刚性建模

图形建模、柔性建模

搜索策略

自动或手工搜索

人机合作的智能搜索和交互优化

优化过程

单机串行优化

多机并行的协同优化

研究重点

搜索策略

进程、规划、建模、搜索、控制、评价决策

支撑软件

以搜索为主

支持优化全过程

4、机械优化设计及应用实例

最优化技术这门较新的科学分支目前已深入到各个生产与科学领域，例如：

化学工程、机械工程、建筑工程、运输工程、生产控制、经济规划和经济管理等。

机械优化设计:

就是把最优化方法（最优化理论+计算机）引入机械设计领域，为设计提供一种新的科学设计方法。

自动寻找最优设计方案和最佳设计参数。

一、机械优化设计的作用：

1.使传统机械设计中，求解可行解上升为求解最优解成为可能；

2.使传统机械设计中，性能指标的校核可以不再进行；

3.使机械设计的部分评价，由定性改定量成为可能；

4.使零缺陷（废品）设计成为可能；

5.大大提高了产品的设计质量，从而提高了产品的质量。

二、机械优化设计的主要内容

1.建立优化设计的数学模型

2.选择合适的优化方法

3.编制计算机程序，求得最佳设计参数

三、机械优化设计的发展趋势：

1.对产品的性能要求由单一性要求发展到多性能和全性能要求，这将导致基于复杂系统多性能和全性能要求的优化。

2.从产品的单一设计优化发展到产品的加工制造、使用、维修与管理直至回用的全寿命周期优化。

机械优化设计应用实例：

最优化方法在机械结构和部件设计中具有重要的实用价值，我们以对开组合齿圈的设计为例来说明:

对开组合齿圈造价以数十万元计，在其生产全程中任一关键环节的失误或失控，不仅会造成巨额的废品损失，也将会导致其使用寿命短，甚至酿成设备事故停运，造成更大的社会经济效益的损失。

对于这类高工艺性产品的生产，必须做到工艺施工的精心设计，精心施工和产品质量的严格监控。

确保其工艺设计的合理性、可靠性是至关重要的。

所以要对传统工艺进行最优化设计，过程如下：

1、对传统工艺进行优化设计。

传统工艺工序可划分为以下几个阶段序列：

铸坯准备；

预加工——探伤：

正火+网火——性能检验；

粗加工——探伤；

消除应力退火：

半精加工一一粗切齿；

消除应力退火；

精整加工——全面质量检查。

分析传统工艺可以发现，工件内应力的产生及其消除是贯穿于生产全过程的一条主线，整个工艺路线把握了这样一条主线，也就把握了这种特有结构特征工件的高工艺性要求的生产技术关键，在技术质量上是稳妥的、可靠的，是具有合理性的工艺。

但是，合理的不等于是最佳的，工艺设计最优化追求的目标是使其在确保产品质量标准的前提下，具有最低的材料消耗和制造成本，以便获得最佳的社会经济效益。

基于这一原则，把最优化的突破点建立在“应力产生——应力去除”这一关键环节，因此，提出如下优化方案：

铸造毛坯一一高温退火：

粗加工——正火；

半精加工一一粗切齿——消除应力退火；

精整加工。

2、对传统工艺进行优化设计。

1）方案的“工艺关键环节”序列组合是一条连续链，符合将贯穿于生产全程矛盾转化为工艺关键环节内部矛盾的工艺设计原则，在设计上是可靠的、稳妥的。

2）方案将工艺中的粗加工工序调到正火工序之前，使其兼具传统工艺预加工工序和粗加工工序二者的功能，为后续的热处理工序和半精加工工序准备了施工技术条件。

这一工艺关键环节的调整结果是，预加工工序被取代了，消除应力退火工序也相应消失了，这样工序简化了，大大缩短了生产周期，降低了制造成本，获得了经济技术综合效果。

5、最优化理论的局限性

最优化理论作为一套较为完善和系统的理论从其出现到今天，对人类社会的发展做出了巨大的贡献，但同样最优化理论也存在其局限性，概括起来有以下几点：

（1）、最优化理论对许多问题不能求解。

最优化理论及方法已经过几十年的蓬勃发展与完善，从传统优化理论到工程优化、智能优化和广义优化，它们都基于最优化理论的一些核心思想。

多年来，这些优化技术和方法已经成功地应用于求解多类优化问题。

但在处理许多优化问题时往往会遇到困难。

比如组合最优化问题、随机优化问题、非可导优化问题等。

（2）最优化理论的一些理论不够合理。

在人类决策领域中，有足够的证据表明：

效用理论及其优化方法的基本假设经常无法满足。

在机械设计系统中，我们也发现一些基于优化设计策略理论的假设经常不能满足。

优化方法的一个主要的优势就是其数学化的结构以及它不需要完全反映现实。

我们经常使用不真实的假设，把真实系统扭曲为不可认知但可以分析的抽象系统。

因而，优化理论的优势经常正是它的缺点。

（3）最优化理论对一些问题不值得。

从另外一个角度来讲，人们处理实际问题时，人们衡量处理问题的质量依据往往是满意性而不是最优性。

对于一些优化问题，为了求得比现在解更好的解，可能需花费大得多的代价，这对工程应用来讲却意义不大或者根本就不需要。

因此，基于以上的理论，每种设计方法都有自己的优势和缺点，所以在机械设计中选用某种设计方法时，要因地制宜，充分分析工件的属性、欲要达到的效果等参数来慎重选择方法。

主要参考文献:

[1]陈立周.机械优化设计方法[M].北京.冶金工业出版社.2005年.

[2]梁尚明，殷国富.现代机械优化设计方法[M].北京.化学工业出版社，2005年.

[3]周廷美.机械零件与系统优化设计建模及应用[M].北京.化学工业出版社，2005年.

[4]孙靖民.机械优化设计[M].北京.机械工业出版社，2006年.

[5]郭立山，沈祖诒．约束非线性规划的神经网络算法[J].运筹与管理，2001，10（3）.

[6]黄海汤，升林，赵振华．最优化设计方法及其在机械设计中的应用[J].硅谷（SILICONVALLEY），2011，8（3）.

[7]冯培恩，邱清盈，潘双夏．机械广义优化设计的理论框架[J].中国机械工程，2000，12.

[8]刘扬松．机械结构的创新设计及其优化[J].石油机械，2000，10（3）.

[9]郭立山，沈祖诒．约束非线性规划的神经网络算法[J].运筹与管理，2001，02.

[10]杨凌霄，周换章，余发山．基于非线性有约束最优化的路径规划研究[J].计算机仿真，2011，12（5）.