淺談現代機械優化設計先進技術

劉宏秋

（北方重工礦山冶金設備公司設計所，遼陽 沈陽 110141）

現代設計方法是隨著當代科學技術的飛速發展和計算機技術的廣泛應用而在設計領域發展起來的一門新興的多元交叉學科。工程實際中還逐漸出現了許多新的設計思想和設計方法。隨著社會的發展、人們思想觀念的更新和科學技術的發展而提出，對節能、環保、改進產品性能和增加產品市場競爭能力等方面的重要性而受到越來越多的重視。傳統的設計運用力學和數學形成經驗作為設計的依據，通過經驗公式、近似系數或類比等方法進行設計。我們熟悉的優化設計、可靠性設計、計算機輔助設計、有限元法等,這些設計方法已經較為成熟,形成了完整的設計體系。機械優化設計是在進行某種機械產品設計時，根據規定的約束條件，優選設計參數，使某項或幾項設計指標獲得最優值。

它是以設計產品為目標的一個總的知識群體的統稱，提高設計質量和縮短設計周期，是為了適應市場劇烈競爭的需要，以及計算機在設計中的廣泛應用。60年代以來，在設計領域相繼誕生與發展的一系列新興學科的集成。產品設計的“最優值”或“最佳值”，系指在滿足多種設計目標和約束條件下所獲得的最令人滿意和最適宜的值。最優值的概念是相對的，隨著科學技術的發展及設計條件的變動，最優化的標準也將發生變化。這種選擇不僅保證多參數的組合方案滿足各種設計要求，而且又使設計指標達到最優值。由于傳統設計所用的計算方法和參考數據偏重于經驗的概括和總結，往往忽略了一些難解或非主要因素。在信息處理、參量統計和選取、經驗或狀態的存儲和調用等還沒有一個理想的有效方法，解算和繪圖也多用手工完成，這不僅影響設計速度和設計質量的提高，也難以做到精確和優化的效果。因此，求解優化設計問題就是一種用數學規劃理論和計算機自動選優技術來求解最優化的問題。優化設計反映了人們對客觀世界認識的深化，它要求人們根據事物的客觀規律，在一定的物質基礎和技術條件下，得出最優的設計方案。機械優化設計可解決設計方案參數的最佳選擇問題。

1 現代設計方法

1.1 創新設計

創新是設計的本質，隨著科學技術突飛猛進的發展，產品的市場競爭也日益激烈。們消費觀念不斷變化，產品的創新性，創新產品能滿足甚至創造出新的需求宜人性等因素愈來愈受到重視，大量科技成果轉化為生產力，在競爭中占據著突出地位。在這種形勢下，創新設計是產品適應新的市場形勢的最好途徑，因而必然有較強的市場競爭力。

1.2 智能設計

為了提高制造業對市場變化，在CIMS環境下，設計正在向集成化、自動化等方向發展。就必須大大加強設計專家與計算機工具，使計算機能在更大范圍內，這一人機結合的設計系統中機器的智能，更高水平上幫助或代替人類專家處理數據、信息與知識，大幅度提高設計自動化的水平。智能設計就是要研究如何提高人機系統中計算機的智能水平，做出各種設計決策，使計算機更好地承擔設計中各種復雜任務，智能化是設計活動的顯著特點，也是走向設計自動化的重要途徑。

1.3 響應設計

隨著市場競爭的加劇，使得產品的更新換代不斷加快，市場壽命周期不斷縮短。現代科技的日新月異，建立快速捕捉市場動態需求信息的決策機制。實施快速響應設計技術，適應市場環境的變化，面對瞬息萬變的市場環境，用戶需求的轉移，增強企業市場競爭的有效途徑。更要求企業具有高度的靈敏性，不斷地迅速開發新產品，能抓稍縱即逝的機遇，變被動適應用戶，這樣才能保證企業在競爭中立于不敗之地。在這種時代背景下，市場競爭的焦點就轉移到速度上來，快速提高更高的性能/價格比產品的企業，將具有更高的競爭力。為提高快速響應能力，企業首先應當能迅速捕捉復雜多變的市場動態信息，并及時作出正確的預測和決策。

2 現代設計優化技術方法

2.1 現代方法與傳統方法比較

整個傳統設計的過程，參照同類產品，通過估算、經驗類比或試驗等方法來確定產品的初步設計方案，是人工試湊和定性分析比較的過程。機械產品的設計，一般需要經過需求分析、方案設計、分析計算、市場調查、結構設計、工程繪圖和編制技術文件等一系列工作過程。傳統設計方法通常是在調查分析的基礎上，優化設計理論的研究和應用實踐，從經驗、感性和類比為主的傳統設計方法過渡到科學、理性和立足于計算分析的現代設計方法，又能滿足生產的工藝性、使用的可靠性和安全性要求，使傳統設計方法發生了根本變革，機械產品設計正在逐步向自動化、集成化和智能化方向發展，按照傳統方法得出的設計方案，可能存在有較大改進和提高的余地。機械產品設計工作的任務就是使設計的產品既具有優良的技術性能指標，且消耗和成本最低等。根據經驗或直觀判斷對設計參數進行修改。但是由于傳統設計方法受到計算方法和手段等條件的限制，設計人員可以在有限的幾種合格設計方案中，這是很難找出最優設計方案的。

2.2 優化設計

隨著計算機及其計算技術的迅速發展，對結構的參數化模型進行加載與求解。工程設計中較復雜的一些優化問題取得了較好的技術和經濟效果，把狀態變量提取出來供優化處理器進行優化參數評價。促進了工程優化設計理論和方法的發展，并結合工程優化設計的特點，為以后軟件修正模型提供可能。如果最優，完成迭代，退出優化循環圈。利用CAE軟件的參數化建模功能，將要參與優化的數據定義為模型參數，重新投入循環，與上次循環提供的優化參數作比較之后確定該次循環目標函數是否達到了最小。在多目標優化，混合離散變量優化、模糊優化以及人工智能、神經網絡及遺傳算法，應用于優化設計等方面都獲得一些顯著的成果，已完成的優化循環和當前優化變量的狀態修正設計變量，逐步形成以計算機和優化技術為基礎的近代優化設計。

結論

從機械產品設計的全局來看，目前比較先進的優化設計，大多數還停留在設計方案后參數優化方面，面向產品設計，應將優化設計拓寬到機械設計產品的全生命周期過程，是適應機械產品設計。隨著CAD技術不斷地發展，現代科學技術支持下，現代機械先進優化設計技術將進行新一輪的發展。

[1]現代設計方法[M].武漢:武漢理工大學出版社，2001.

[2]先進制造技術[M].北京:機械工業出版社，2000.

[3]現代設計方法[M].西安:西安交通大學出版社，1999.

[4]周廷美.機械零件與系統優化設計建模及應用[M].北京：化學工業出版社，2005.