淺談機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：本文簡單介紹了機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展概況，其基本概念和的經(jīng)濟(jì)效果，以及其優(yōu)化問題的分類，優(yōu)化方法的選擇，優(yōu)化課題的選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；優(yōu)化方法

1.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的發(fā)展，經(jīng)歷了由懷疑、提高認(rèn)識到實(shí)踐收效，從而引起廣大工程界日益重視的過程。在上世紀(jì)60～70年代，計(jì)算機(jī)價格昂貴，優(yōu)化設(shè)計(jì)在應(yīng)用實(shí)踐方面僅限于高等院校、研究所和少數(shù)大型企業(yè)中。從70～80年代，由于市場競爭日益激化，產(chǎn)品的開發(fā)和更新如何縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和降低設(shè)計(jì)成本已成為企業(yè)生存的生命線，用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法來改造傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念已成為廣大企業(yè)和設(shè)計(jì)師競相研究和推廣的課題，優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中開拓了新的途徑。

2.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是將機(jī)械工程的設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題，然后選擇適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法，利用電子計(jì)算機(jī)從若干可行設(shè)計(jì)方案中自動尋找實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)與手段

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使設(shè)計(jì)對象最優(yōu)，而優(yōu)化設(shè)計(jì)的手段是計(jì)算機(jī)及優(yōu)化計(jì)算軟件。優(yōu)化計(jì)算軟件是以優(yōu)化計(jì)算方法為基礎(chǔ)而形成的應(yīng)用程序系統(tǒng)。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以被理解為采用計(jì)算程序的從設(shè)計(jì)空間搜索最佳設(shè)計(jì)方案的現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段。優(yōu)化設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)相比具有借助計(jì)算機(jī)為工具的明顯特征。優(yōu)化設(shè)計(jì)中優(yōu)化計(jì)算方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、幾何規(guī)劃等內(nèi)容的數(shù)學(xué)規(guī)劃理論。

4.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)時，首先必須將實(shí)際問題加以數(shù)學(xué)描述，形成一組由數(shù)學(xué)表達(dá)式組成的數(shù)學(xué)模型，然后選擇一種最優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)程序，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算求解，得到一組由數(shù)學(xué)表達(dá)式組成的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。利用優(yōu)化設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步改善和提高產(chǎn)品的性能；在滿足各種設(shè)計(jì)條件下減少產(chǎn)品或工程結(jié)構(gòu)重量，從而節(jié)省產(chǎn)品成本消耗、降低工程造價可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品或工程設(shè)計(jì)效率。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)是直接提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能、降低產(chǎn)品成本的有效設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)可給企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，從而提高企業(yè)產(chǎn)品的競爭能力。

5.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

把實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特性，選擇某種適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法及程序，通過電子計(jì)算機(jī)，求得最優(yōu)解。

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是把數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與計(jì)算方法應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)，按照預(yù)定的目標(biāo)。借助于電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的有關(guān)參數(shù)，從而獲得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

6.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（1）可以降低機(jī)械產(chǎn)品成本，提高它的性能；

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中所獲得的大量數(shù)據(jù)，可以幫助我們摸清各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律，有利于對今后設(shè)計(jì)結(jié)果作出正確的判斷，從而不斷提高系列產(chǎn)品的性能；

（3）用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可合理解決多參數(shù)多目標(biāo)的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題。

7.優(yōu)化設(shè)計(jì)的分類

（1）按約束分為無約束優(yōu)化問題和有約束優(yōu)化問題。

（2）按設(shè)計(jì)變量的性質(zhì)分為連續(xù)變量、離散變量和帶參變量。

（3）按問題的物理結(jié)構(gòu)分為優(yōu)化控制問題個非優(yōu)化控制問題。

（4）按模型所包含方程式的特性分為線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、二次規(guī)劃和幾何規(guī)劃等。

（5）按變量的確定性質(zhì)分為確定性規(guī)劃個隨機(jī)規(guī)劃。

（6）按優(yōu)化狀態(tài)可分為靜態(tài)優(yōu)化問題和動態(tài)優(yōu)化問題；

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的特點(diǎn)，恰當(dāng)選擇優(yōu)化算法是一個重要的問題。一般要對優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)變量數(shù)、約束條件數(shù)、目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的復(fù)雜程度等進(jìn)行分析，并深人了解各種優(yōu)化方法的特點(diǎn)，才能作出恰當(dāng)?shù)倪x擇。

8.選擇優(yōu)化算法應(yīng)遵循的原則

8.1 可靠性要好

算法的可靠性是指在合理的精度要求下，在一定計(jì)算時間或一定迭代次數(shù)內(nèi)，求解優(yōu)化問題的成功率，越高則可靠性越好。

8.2 效率要高

算法的效率是指解題的效率，一般可用算法所用計(jì)算時間或計(jì)算函數(shù)的次數(shù)來衡量。如果目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的數(shù)值計(jì)算比較復(fù)雜時，最好選用不計(jì)算梯度與海色矩陣的優(yōu)化方法，盡可能選用計(jì)算過程中調(diào)用函數(shù)值次數(shù)少的優(yōu)化方法。

8.3 穩(wěn)定性要好

算法的穩(wěn)定性指遇到高度非線性的偏心率大的函數(shù)時，不會因?yàn)橛?jì)算機(jī)字長截斷誤差迭代過程正常運(yùn)行，而中斷計(jì)算過程。

9.未來優(yōu)化設(shè)計(jì)的課題及發(fā)展方向

9.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的課題

（1）優(yōu)化方法學(xué)的研究。

（2）復(fù)雜系統(tǒng)建模策略與方法研究。

（3）復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化搜索策略研究。

（4）復(fù)雜系統(tǒng)智能化優(yōu)化研究。

（5）優(yōu)化設(shè)計(jì)的可視化研究。

（6）復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化模型的特征識別及優(yōu)化方案的敏度分析研究。

9.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向

（1）對產(chǎn)品的性能要求由單一性要求發(fā)展到多性能和全性能要求，這將導(dǎo)致基于復(fù)雜系統(tǒng)多性能和全性能要求的優(yōu)化。

（2）從產(chǎn)品的單一設(shè)計(jì)優(yōu)化發(fā)展到產(chǎn)品的加工制造、使用、維修與管理直至回用的全壽命周期優(yōu)化。

10.結(jié)語

如今，最優(yōu)化技術(shù)這門較新的科學(xué)分支目前已深入到各個生產(chǎn)與科學(xué)領(lǐng)域，例如：化學(xué)工程、機(jī)械工程、建筑工程、運(yùn)輸工程、生產(chǎn)控制、經(jīng)濟(jì)規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)管理等，并取得了重大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益?？梢灶A(yù)測，隨著現(xiàn)代技術(shù)的迅速發(fā)展，最優(yōu)化技術(shù)必將獲得更廣泛、更有效的應(yīng)用，它也必將得到更完善、更深刻的進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)：

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