優(yōu)化理論在機械設(shè)計中的應(yīng)用與展望

李淵 張明慧 蘇芳

摘 要：隨著新時期以來經(jīng)濟的發(fā)展與轉(zhuǎn)型，國內(nèi)國外對現(xiàn)代化機械設(shè)備的功能及技術(shù)參數(shù)都有了更進一步的要求，基于過去經(jīng)驗的設(shè)計顯然不能滿足人們的需求，在機械設(shè)計的持續(xù)發(fā)展和研究中，優(yōu)化理論逐漸發(fā)揮出較大的作用。本篇文章說明了優(yōu)化理論在機械設(shè)計中的發(fā)展?fàn)顩r，設(shè)計思路，運用情況和前景，以及對機械優(yōu)化設(shè)計的熱點問題進行了進一步的探討。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化理論;機械設(shè)計;工程應(yīng)用;展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.177

0 引言

每一部機械都是一套精密的系統(tǒng)，若想改進設(shè)計的質(zhì)量，就需要科學(xué)合理的方法。過去的機械設(shè)計所采用的主要為設(shè)計及操作人員的經(jīng)驗，在不同的方案之間做出取舍和對比，從中選取較好的方案，然而這種情況僅能在有限數(shù)目的方案中做出取舍，并不是所有情況中的最優(yōu)解，這種過去的方式明顯缺乏整體性，僅僅是一些條件下的最好情況。

1 優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展簡述

優(yōu)化這一理念很早就被人們用于各種領(lǐng)域中，在十四世紀(jì)時就有一些如黃金比例分割及分?jǐn)?shù)法的數(shù)學(xué)優(yōu)化概念萌生，但是能夠系統(tǒng)并科學(xué)地表述優(yōu)化的理念還要追溯到十七世紀(jì)時數(shù)學(xué)方面的理論的發(fā)展。上世紀(jì)40年代，古典的優(yōu)化方法主要是運用微分法和變分法來進行問題的優(yōu)化處理，五十年代時則運用線性及非線性規(guī)劃以及梯度法來進行問題優(yōu)化，到了六十年代時就出現(xiàn)了更為先進的多維非線性約束條件規(guī)劃的罰函數(shù)方法。二戰(zhàn)時，因為戰(zhàn)爭的原因誘使運籌學(xué)出現(xiàn)，從而解決了很多古典微分法及變分法無法得到的優(yōu)化解，此時優(yōu)化設(shè)計就能被適用于具體問題的解決和優(yōu)化了。自一九七零年外國科學(xué)家發(fā)表了一篇使用幾何規(guī)劃方法解決了液體動壓軸承的優(yōu)化設(shè)計，可以說優(yōu)化設(shè)計真正在機械設(shè)計中開始了應(yīng)用以及發(fā)展的步伐。同時，因為數(shù)學(xué)思想方法和現(xiàn)代化計算機技術(shù)的不斷進步優(yōu)化設(shè)計正成為一門擁內(nèi)容豐富的工學(xué)學(xué)科，在機械設(shè)計中起到了重要的作用[1]。

2 優(yōu)化設(shè)計主要過程及應(yīng)用實例

2.1 過程及思路

優(yōu)化設(shè)計即將最優(yōu)解從不同的方法中找到或者逼近，其基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)中的最優(yōu)解理論，計算機為輔助手段通過一定的條件和設(shè)計目的給出目標(biāo)函數(shù)，在符合不同的邊界和初始條件的情況下接近最優(yōu)解，找到最佳的解決方案。機械設(shè)計通過這種辦法能夠很快的革新和達成技術(shù)突破[2]。機械優(yōu)化設(shè)計的過程與過去老式的設(shè)計方式相比，優(yōu)化設(shè)計的主要特征為其思想為最有設(shè)計，其方法為優(yōu)化方法，其采用的工具是計算機。

2.2 應(yīng)用范圍及發(fā)展趨勢

優(yōu)化設(shè)計用在機械設(shè)計領(lǐng)域時間并不久，在全世界的范圍中大概是從二十世紀(jì)六十年代末期才開始快速發(fā)展，在我們國家優(yōu)化設(shè)計被用于機械設(shè)計是近些年才開始的，盡管起步的時間很晚但是在機械綜合、通用零件設(shè)計和工藝設(shè)計的各個方面都發(fā)展的十分迅速。現(xiàn)階段機械優(yōu)化設(shè)計正被用在航空、船只制造、機床、化工設(shè)備、車輛制造、建筑機械等各方面，效果非常明顯。根據(jù)優(yōu)化的實際案例我們可以知道優(yōu)化設(shè)計是能夠保證產(chǎn)品性質(zhì)優(yōu)良基礎(chǔ)上對于減負(fù)及降低成本的一種優(yōu)質(zhì)設(shè)計方式，這種設(shè)計方式的運用不僅能保證方案于設(shè)定的需求下取得一些優(yōu)化效果，還可以免除設(shè)計和探究人員繁復(fù)的計算和比對工作，很大程度上提高了方案設(shè)計和優(yōu)化的效率。

至于發(fā)展趨勢的問題目前仍被限制于參數(shù)優(yōu)化這類數(shù)值方面的優(yōu)化階段，對于結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化和選擇仍有很大的探究空間。并且優(yōu)化設(shè)計作為一門比較新興的技術(shù)能力，很多傳統(tǒng)的機械產(chǎn)業(yè)還不能很高的適應(yīng)和普及。

3 優(yōu)化設(shè)計展望及熱點問題探討

優(yōu)化設(shè)計將最優(yōu)理論及計算機技術(shù)共同兼容并用于設(shè)計的方面，給工程設(shè)計提供了新的思路，其未來發(fā)展的熱門方向應(yīng)為：

3.1 算法方面

算法是工程設(shè)計中重要的鑰匙，更為縝密和先進的算法可以用于解決工程中不斷出現(xiàn)的具體問題，高效和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃惴梢允沟糜嬎愕臅r間和難度大幅降低，并且提高容錯率降低出錯的可能性。通過對算法方面的優(yōu)化顯然是機械設(shè)計優(yōu)化設(shè)計過程中的熱門方向。

3.2 應(yīng)用軟件方面

好的算法要通過軟件來實現(xiàn)，算法的不斷更新需要能夠配適的軟件來完成。能夠用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的軟件很多，然而在通用性、上手難度和實用性等方面還存在不足，尤其是機械優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型建立很有難度，在大型的機械系統(tǒng)設(shè)計中，這個問題需要不斷的研究和修改。

3.3 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化及總體化優(yōu)化

以往機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可能將重點放在單一的零部件上，或者僅僅考慮某個方面的參數(shù)及相關(guān)學(xué)科的影響，致使最后的優(yōu)化效果不好，甚至出現(xiàn)了由于考慮不周全導(dǎo)致的自相矛盾，這就意味著優(yōu)化設(shè)計一定會向著多交叉學(xué)科和總體化的趨勢發(fā)展。例如在進行車輛的優(yōu)化設(shè)計中，僅僅從降低車身重量的方面考慮，若是單純追求減輕質(zhì)量，可能會因為某些參數(shù)的變化使得車輛的動力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，不僅降低了使用的舒適程度還可能影響安全性。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的理論提出給機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計帶來了新的方向。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代化的機械設(shè)計不能再被傳統(tǒng)老舊的設(shè)計方式所滿足，然而由于數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)的不斷研究和發(fā)展，優(yōu)化理論被逐漸用于機械設(shè)計的領(lǐng)域中。現(xiàn)代機械設(shè)計的發(fā)展情況對我們國家工業(yè)生產(chǎn)有著重要的影響，對于機械設(shè)計理論和方法的創(chuàng)新和優(yōu)化都能有效提高機械的作業(yè)效率。機械設(shè)計研究人員對于設(shè)計的革新和優(yōu)化可以從集成、變形、移植、仿生等各個方面切入，從而設(shè)計出更加先進的現(xiàn)代化機械成品。

參考文獻：

[1]趙小慧.現(xiàn)代機械設(shè)計的創(chuàng)新設(shè)計理論與方法[J].內(nèi)燃機與配件，2019（06）：170-171.

[2]周劍琦，王茁.探究基于機械制造工藝的機械設(shè)計優(yōu)化策略[J].內(nèi)燃機與配件，2019（01）：92-93.