機械優化設計

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機械優化設計范文第1篇

1.優化設計可以最大限度地節約設計開支和成本，提高企業的經濟效益

雖然隨著機械設計技術的進步以及管理流程的簡化，新時期的機械設計成本開支已經有所降低，但是仍然有可以壓縮的空間。需要注意的是，運用優化設計的方法對機械設計的成本開支進行削減，要基于保障設計質量的前提；倘若成本的控制要以犧牲質量為代價，則這樣的控制手法必須果斷舍棄。在機械設計中采取優化設計路線，能夠減輕前期和設計過程中的成本開支，為設計單位節省一筆不小的資金。優化設計的最佳方案往往是符合設計流程的，是可以發揮出現有材料、設備和人員最大能量的，所以不需要額外耗費多余的人力、財力和物力。因此，優化設計能夠節約機械設計的開支成本是有科學依據和理論基礎的。

2.優化設計可以提高機械產品的科技附加值，從而提高產品的競爭力和提高企業的經濟效益

機械設計的產品是一種自然屬性但是具備商業價值的“商品”，這就必然要與市場發生關聯。同時，優化設計方法在機械設計中的應用，能夠增加機械產品的科技含量和技術附加值，大大提高產品的市場競爭力。例如，隨著現代科技的發展以及相互之間融合度越來越高，機械設計的產業化正在形成，即機械設計可以作為一個單獨的工程鏈條存在。如果把機械設計的產品作為一個普通商品看待，這種商品必須是價格最低、質量最好、科技含量最高的，這樣該產品才能在市場中取得占有率，企業才能因此獲取利益最大化。所以，機械設計企業都在努力追求“這樣的機械產品”，而這樣的產品往往需要通過優化設計來實現。

優化設計為機械設計產品的技藝提升、附加值增大提供了全新的路徑，也為機械設計單位和企業的發展增添了新的利潤增長點。例如，隨著信息技術、計算機技術、材料技術、液壓技術、加工制造工藝的不斷發展和成熟，機械設計的每一個環節都會有一種或多種新技術的注入，最終的機械產品往往“飽含科技”，其技術附加值自然可以達到一個高位。類似這樣的高附加值機械產品，在市場中的價格是可以預見的，企業因此帶來的收益也很高。由此可見，優化設計對于當今的機械設計的重要性。

二、實現機械設計優化設計的有效策略

優化設計可以為機械設計提供質量和效益的保證，因此必須引入科學有序的優化設計方案，使之產生明顯的效果。從當前的情況看，機械優化設計可以從如下角度考量。其一，機械設計的一維搜索優化方法，這種方法也是當前機械設計優化方法的最典型代表，以數學函數為理論基礎，透過搜索區間的確定，來保證優化方案的有效性。一維搜索方法是一維問題的最基本方法，也是多維機械設計的基礎方法。

眾所周知，機械設計大都是多維的，很少有一維的情況，但是這恰恰說明了一維的重要性和基礎。就好比數學中的從0到9的10個數字，它們構筑了數學的基礎，成為數學的理論“細胞”。一維搜索方法在機械設計的應用，往往直接影響優化設計問題的求解速度。其二，機械優化設計會用到約束優化方法和無約束優化方法。在機械優化設計中，經常使用的是約束優化的方法。除此之外，機械優化設計還可以通過線性規劃方法、多目標及離散變量優化方法來實現。總之，諸多優化方法的存在和操作為機械優化設計提供了多元化的路徑。（本文來自于《黑龍江科學》雜志。《黑龍江科學》雜志簡介詳見。）

三、結語

機械優化設計范文第2篇

關鍵詞：機械優化設計；理論；方法

隨著現代社會科學技術的發展，機械設計領域的概念和思維方式也在不斷發生變化，機械設計能夠在一定程度上反映出社會群體對客觀世界的認知，并且遵循客觀事物的發展規律來開展優化設計。因此加大力度探討機械優化設計理論方法，能夠為機械優化設計的未來發展指明方向。

1 機械傳統設計與優化設計的對比

機械優化設計是基于最優化設計的，主要以數學模型作為優化設計的基本途徑。優化設計的方法及思維屬于優化方法的范疇之內，這種設計思想會使得各種參數順著理想的方向能夠自我調節，在這種模型精確計算的條件下，從各種可行性相對較強的設計方案中擇優選取最佳的設計方案。由于設計方案較多，那么就需要使用電子計算機加以篩選，這主要得益于電子計算機的運行速度非常快，從而從諸多設計方案中篩選出最優方案。雖然在實際的數學建模過程中需要進行一定地簡化處理，可能會導致計算所得的結果與實際值存在一定的差距，但是其基于客觀規律以及數據，又無需花費太高的費用，所以說，這種建模計算的方法具有經驗類比或者試驗途徑不可比擬方面的優勢之處，再加上一定的經驗依據，就能夠獲得一個非常理想的設計結果。雖然傳統設計也追求最優化的設計結果，一般是基于調查、分析，按照實際需求以及實踐經驗，參照類似于工程設計，經估算、類比以及試驗等過程，對尋優過程進行構思、評估、再構思以及再評估等，從而最終確定設計方案，最后開展剛度、強度以及穩定性等方面的計算。然而在傳統設計過程中，存在主觀方面、時間以及工作量過多等方面的影響，由于這些影響因素的存在，使得設計結果的最優化選擇無法正常進行，這些設計結果的計算也僅僅具有校對、核驗以及補充等方面的作用，只能對原有方案的可行性加以證實。傳統設計往往需要花費高額的資金以及人力，而且最終結果也與初始設計試驗范圍差不離。所以說，傳統設計主要受到主觀因素的影響，得到的僅僅屬于滿足最初設計要求的設計結果，并非最優化設計結果。

2 優化設計方法的評判指標

效率要高、可靠性要高、采用成熟的計算程序、穩定性要好。另外選擇適當的優化方法時要進行深入的分析優化模型的約束條件、約束函數及目標函數，根據復雜性、準確性等條件結合個人的經驗進行選擇。優化設計的選擇取決于數學模型的特點，通常認為，對于目標函數和約束函數均為顯函數且設計變量個數不太多的問題，采用懲罰函數法較好；對于只含線性約束的非線性規劃問題，最適應采用梯度投影法；對于求導非常困難的問題應選用直接解法，例如復合形法；對于高度非線性的函數，則應選用計算穩定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內點懲罰函數相結合的方法。

3 機械優化設計理論方法

3.1 準則優化法

在機械優化設計理論方法中，所謂準則優化法，就是指以物理學和力學等原則來構造并優化機械設計的方案，以促進機械優化設計的順利進行。準則優化法在實際應用中具有良好的優勢，其概念直觀性較強，并且計算過程簡便，即便是在約束條件相對較少的條件下，準則優化法的實際優化效率相對較高，因此在工程中具有良好的應用效果。但就機械優化設計的實際情況來看，準則優化法也不可避免的存在一些不足，尤其是在實際應用中，其所考慮的范圍具有一定局限性，一旦實際約束條件較多，會嚴重影響機械優化設計的效率，因此在機械優化設計中，應當對此項因素進行深入衡量和分析，以全面提高機械優化設計的質量和效果。

3.2 線性規劃法

在機械優化設計理論方法中，線性規劃法是基于數學極值的基本原理上所提出的，以目標函數、約束條件以及設計變形的線性優化為主要因素進行分析，以此作為主要的求解方式。線性規劃法中常用的兩種方式是單純形法與序列線性規劃法。

其中單純形法是美國學者所提出的一種具有直觀性的線性問題求解方法。單純形法在機械優化設計中也存在一定不足，極易受到收斂條件、壓縮因子以及擴展因子等多種因素的影響導致難以準確計算出機械優化設計的最優解。因此為保障機械優化設計的實際效果，應當全面衡量各項因素，包括初始單純形的各頂點線性獨立情況以及新單純形構成后對實際收斂情況進行準確的驗算，并嚴格檢查計算結果是否滿足相關精度要求，從而全面提高機械優化設計的質量和效果。

序列線性規劃法則相對簡單，主要是在初始位置將目標函數集約條件進行展開，促使非線性規劃向近似線性規劃逐漸轉化，并對最優結果進行求解，并采取科學合理的計算方式進行反復求解，直至滿足機械優化設計的精度標準，從而提高機械優化設計的質量和效果。

3.3 非線性規劃法

就機械工程的實際情況來看，大部分機械工程的性質都屬于非線性規劃，隨著非線性程度的不斷加大，難以將其完全簡化為線性問題。非線性規劃正是基于數學極值的原理所開展的機械優化設計，通過無約束直接法、無約束間接法和約束直接法、約束間接法等對優化問題進行不斷求解，以保證機械優化設計的質量和效果。

3.4 現代優化設計理論方法

在機械優化設計中，往往存在不同種類的約束、變量及目標函數，為保證機械優化設計的質量和效果，機械優化準則法能夠結合機械優化設計的實際情況，積極推導出不同的優化準則，但其實際通用性并不理想。規劃法在實際應用中需要進行多次重復驗算，此種情況下往往需投入大量的人力物力資源，并且實際優化設計的效率并不理想，甚至在一定程度上限制了規劃法在現代機械工程項目優化設計中的應用深度和廣度。隨著現代社會科學技術的發展，機械工程中優化設計的難度也不斷加大，有必要積極選取合理的優化設計方法來提高機械優化設計的總體質量和效果。

結束語

總而言之，機械設計優化是基于傳統機械設計理論基礎上所提出的，通過與現代設計方法的協調配合，促進一種科學化的優化設計方法的形成，在機械工程中，有助于改善機械優化設計的質量和效果，促進機械產品達到高質量和高水平。隨著現代社會科學技術的發展，機械優化設計方法也不斷進步，每一種機械優化設計方法都具有各自的特點和應用領域，能夠針對機械產品的性能及其他因素選取核實的設計變量和最優的設計方法，從而促進機械優化設計目標的實現，為機械優化設計的發展奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1]吳亞明.機械優化設計的應用發展分析[J].中小企業管理與科技（中旬刊），2015（6）.

機械優化設計范文第3篇

關鍵詞：機械結構；優化設計；應用趨勢

隨著現代科學技術的發展，市場產品競爭也越來越激烈，產品品種的換代速度加快，產品的復雜性在不斷增加。所以產品生產正在以小批量、多品種的生產方式取代過去的單一品種大批量生產方式[1]。而這種生產方式，肯定會縮短產品的生產周期，產品的成本也會降低，產品提高市場的占有率和競爭力也會提高。所以在機械結構設計中采用優化設計是滿足市場競爭的需要。

1 機械結構優化設計方法

目前，機械結構優化設計的應用已經應用到各個領域，很多的機械產品在設計中都會采用優化設計，才用優化設計能解決結構重量擴展到降低應力水平，還還能改進結構性能以及提高產品安全壽命等問題。

對機械結構的尺寸優化設計的應用方法有：用遺傳算法對空間桿桁架的桿截面進行尺寸優化，從而得到空間桁架較好的結構。對一些結構的形狀優化設計方法有：用數值解法計算機械產品的形狀優化，并采用數學規劃的方法進行形狀優化設計。下面介紹下在振動機械優化設計中的對比分析 ：

筋板在連接結構的內壁，能提高其抗彎和抗扭剛度；對開式截面的結構，作用很明顯；而對閉式結構作用影響不大。筋板作為壁板加強時，剛度作用增強，能抵抗局部變形。

無論采用何種優化方法，在迭代過程中求解目標函數和約束函數的值是必不可少的，在一些方法中，需要求解目標函數和約束函數的1階甚至2階偏導數。這些約束函數往往是結構的性能要求，如結構的應力、位移、頻率、穩定性、可靠性等，這些性能經常是設計變量的高階非線性函數。如果采用經典的力學公式能獲得滿足工程要求的結果，則在優化過程中，不斷調用這些公式計算當前函數值或導數值，就可以完成優化迭代。在這樣的方法中，由于函數最終表達為顯式，因而計算所化的時間和存儲量以當前的計算機技術看來是不難做到的。但是，對于復雜的機械結構來說，采用力學公式求解往往就不能勝任了。在有限元等數值方法快速發展的今天，自然被用在機械結構優化的分析中。由于這些數值方法應用廣泛，可以求解結構的各類問題，包括靜力、動力、彈塑性、熱傳導等，因此，隨著計算機的軟件和硬件技術快速發展，在過去經常被視作瓶頸的計算速度和存儲量，對于一般的機械結構優化已經不是太大的問題時，機械結構優化中越來越多地采用數學規劃+數值計算的模式。這種模式最大的優點是適應性好，使用方便，適合各類機械結構優化問題，包括大型桿系結構、三維連續體和板殼結構以及各種載荷和約束條件下的優化設計。但是，隨著優化迭代次數的增加，重分析次數也大幅度上升，尤其對于大規模的結構問題，特別是涉及動力、可靠性問題，如果單次有限元分析的時間就很長，再加上求偏導數時的重分析時間將可能使求解變得過于耗時，以致不可行。

2 機械結構優化的應用趨勢

結構優化設計隨著最優化方法的不斷發展和改善， 已逐漸得以發展。近些年來， 在結構優化結構算法的方面，結構優化設計偏向于采用接近實際的復雜結構模型來模擬一些大型結構系統， 由于設計的變量數目比較大，所以研究新的準則優化方法非常受到重視，但是如何去針對一些特殊的結構才設計相應的公式，解決在數值計算與推導實現的相關問題，同時還可以使用一些機械系統的分解與優化方法， 在機械結構優化中，可以按優化多級分解或進行子結構分解，對于一些多學科的較為復雜的系統可以采用學科分解優化的方法。分解的算法關鍵在于如何去建立各個子問題之間的耦合關系，比如可以通過采用線性分解和使用最優解對參數的靈敏度等方法來建立起耦合關系，讓一些子問題的解相容，從而確保迭代收斂，但是問題是怎樣保證一定能求解。并采用計算技術應用到結構優化設計中去。像人工神經網絡， 遺傳算法等方法， 在最近十余年來被機械結構優化設計的發展很快。它們對連續混合與離散變量的全局優化， 這對發展結構近似重分析的專家系統有重要的作用。現在的問題就是該如何去提高優化精度、質量、加快收斂， 增加方法的通用性[2]。形狀優化、拓撲優化和材料優化的集成在機械結構優化中具有非常重要的價值，是并行結構優化的重要組成部分，也是以后的研究重點。

拓撲優化在結構優化中是重要的參考依據， 讓復雜部件和結構在概念設計階段即可理性地、靈活地優選方案，并有可能解決一些大型實際結構優化設計。拓撲優化在研究中所提出的均勻化等方法，可以將形狀優化、布局優化和材料選擇集成一體，為機械設計結構、工藝和材料提供科學的手段。但是如果要處理一些龐大的優化模型和有限元的計算量非常大，應力需要約束處理、對“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失有可能會引起計算模型病態等問題。

機械結構優化技術在工程機械設計中的具有非常重要的實用價值，如要解決優化設計中有限元模型的龐大性問題、多學科設計與解決結構優化問題交叉問題。對于機械設備、結構和機構的健壯性與可靠性是機械設計時非常關心的問題， 綜合考慮健壯性、可靠性及成本的全性能優化設計方法、理論及其應用，則會給出更加接近實際的結果，應當應予重視[3]。在研究這類問題中，對包括隨機性和模糊性的不確定因素也應當應予注意。為增強優化設計盡可能的為工程實際所服務， 進一步開展設計的實用性。所以開發和完善通用性的結構化設計軟件已經變得十分迫切。

從近幾年來國家自然科學基金所資助的項目來看，單就機械學科相關的優化設計的項目就有將近20項，其中包括廣義優化設計，模糊優化，全性能優化設計，分解優化設計，可靠性優化，人機一體化設計與光機電一體化，有機械傳動系統性能優化也有基于人工神經網絡的復雜結構優化研究，復雜機電耦合設計理論與方法與系統解耦研究以及機電產品的綠色設計方法與理論等，在今年還提出的軋制件模具的現代設計方法， 面向產品的創新的概念設計等課題， 這些方面的研究充分反映出我國已經非常重視機械設計的研究工作和機械機構優化設計的發展方向[4]。

參考文獻

[1] 張紅友.優化結構設計減少建筑投資成本[J].陜西建筑，2008（11）.

[2] 秦東晨，陳江義等.機械結構優化設計的綜述與展望[J].工程論壇，2005，（9）：

機械優化設計范文第4篇

關鍵詞：機械結構；結構優化；優化設計

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

一、機械結構動態優化設計的應用概況

在機械結構動態優化設計理論中，其根本思想是按照產品功能的要求來對產品結構進行設計，或者根據機械結構需要改進的部分進行動力學建模，并做動態性分析，然后根據產品在動態性上的要求或預定的動態設計目標，進行結構的修改、再設計，以滿足機械結構在動態性上的設計要求。

目前，機械結構動態優化設計已經在我國的機械行業中被廣泛應用，其在汽車、航空航天、船舶行業、建筑機械等行業中均取得了重大的成果。在汽車行業中，隨著社會的發展和人們需求的更新，汽車行業已經實現了客車車身輕量化的優化設計、汽車車身形態仿生的優化設計、汽車車身安全性的優化設計以及面向行人下肢碰撞保護的優化設計等目標。在航空航天行業，其作為國家科學技術綜合水平和實力的體現，機械結構動態優化設計在航空航天行業得到了高度的重視，并應用到航空航天技術中每一產品的設計上。在船舶行業，我國經過自主創新研究，對潛艇外部液壓艙、油船剖面、潛艇結構等方面的優化設計進行了研究，旨在提高船舶行業各研究對象的性能。與此同時，結構動態優化設計在高速公路瀝青混凝土路面結構、液壓縮管機模具、雙層組合套管、基床結構等很多方面的優化設計上也發揮著重要的作用，并產生了巨大的經濟效益和社會效益。

二、優化策略與流程

1.優化策略結構進行優化設計

根據設計變量的類型和求解難易程度，可分為尺寸優化、形狀優化和拓撲優化三個層次，每個層次對應不同的設計階段。為了實現結構設計自動化，對產品進行優化設計時：首先，根據產品功能要求建立優化目標函數，將剛度、強度等約束條件參數化，利用拓撲優化方法計算冗余材料所在單元（即要殺死的單元），并進行冗余材料邊界單元和節點的遍歷搜索，結合實際生產資源情況建立邊界關鍵點，對原模型進行參數化變形設計，得到拓撲優化后的模型；然后，根據結構力學特性要求對其進行邊界形狀優化和尺寸參數的優化，并通過參數化驅動實現模型的更新，最終得到滿足剛、強度要求的CAD模型。

2.三級優化流程

在參數優化三級優化設計過程中，拓撲優化階段主要通過變密度法求解密度較小的單元，自動生成拓撲優化后的概念模型。形狀優化階段首先針對前期優化結果模型進行微小單元的去除，充分利用曲線擬合技術構建密度較小的冗余單元邊界關鍵點組成的輪廓，并根據零部件生產資源情況進行邊界形狀的修正，通過參數化變形設計技術對原模型進行布爾減操作，得到拓撲優化后的CAD模型，將其導入CAE系統，然后通過形狀優化的數學模型尋找結構的最佳邊界形狀或者內部幾何形狀，以改善其力學特性。尺寸優化階段根據結構的受力情況確定設計變量及其變化范圍，建立目標函數，然后通過遺傳算法迭代求解較優的參數方案，從中選取最優方案參數來驅動模型，生成優化結果模型。方法流程如圖1所示。

三、機械結構優化分析

1.機械結構的拓撲優化

過去一般機械結構優化設計主要集中在結構參數的優化和設計，而對于機械零部件的拓撲結構很少涉及。但是，隨著人們對機械產品設計創新意識的提高，特別是機械產品概念設計的提出和應用，人們對結構優化設計提出了更高的要求――機械產品的結構拓撲優化設計。1985年，M.P.Bendsoe和N.Kikuchi將均勻化方法應用于連續體的結構拓撲優化，推動了連續體結構的拓撲優化發展。同時，連續體結構的拓撲優化已經從平面問題擴展到板殼和三維連續體問題。另外，一些新的方法，如生物生長模擬法、密度法、泡泡法等，被提出并得到應用。目前，結構拓撲優化方法也已被工業界所接受，例如Ford公司等正在加快研究步伐，推出了一些應用的實例。機械結構拓撲優化將把結構優化推到一個新的、更高的產品設計層次。

2.機械結構的形狀優化

在機械零部件中，連續體結構非常多，形狀比較復雜，結構分析存在一定的難度，而結構形狀對機械零部件的性能影響很大。因此，機械零部件的結構形狀優化可以大大提高其性能。20世紀80年代開始，機械行業開始興起結構形狀優化的研究，Haftka、Ding和Hassani進行了綜述，國內外出現了許多該方面的研究成果，伊莉、錢惠林、林橋等研究了壓力容器部分的結構形狀優化設計；陳汝訓、張東旭等研究了航空器部分零部件的結構形狀優化；Schwarz研究了對應于彈塑性結構響應的拓撲與形狀優化；等等。靈敏度分析是結構形狀優化的關鍵之一，程耿東和Haftka同時提出了半解析法，并被普遍采用。機械結構的形狀優化也是提高零部件機械性能的重要方法之一。

3.智能優化算法和仿生優化

算法優化算法的研究一直是優化設計的重要研究領域，特別是機械結構優化設計中一般零部件的結構分析非常復雜，有限元分析需要很長的計算時間，優化迭代次數很多。因此，機械結構優化設計對優化算法要求很高，主要要求優化算法具有強收斂性、高可靠性、強穩定性等，研究人員不斷地進行優化算法的發展和改進。目前，數學規劃法中一些算法（如SQP等）比較適合結構優化設計問題的求解，優化準則法也是一種有效的算法，國內也開發了一些優化設計軟件包，例如大連理工大學的結構優化程序系統DDDU、華中科技大學（原華中理工大學）的優化方法程序庫OPB―2等。由于現代學科之間的大量交叉，特別是人工智能、神經網絡、模糊數學、不確定數學、基因遺傳等理論和方法的引入，為優化算法的發展提供了新的發展空間，例如遺傳算法、基于神經網絡的算法、螞蟻算法、模擬退火法等等。這些新的算法已經成功應用于優化問題的求解，用于結構優化問題的求解目前正處于研究階段。這些算法具有很好的特性，經過研究人員的努力，一定能夠在機械結構優化設計中得到推廣和應用。

四、機械結構優化的發展展望

結構優化設計隨著最優化方法的不斷發展和改善，已逐漸得以發展。近些年來，在結構優化算法方面，結構優化設計趨向于采用接近實際的復雜結構模型模擬大型結構系統，由于設計變量數目大，研究新的有效的準則優化方法受到重視，但仍有如何去解決針對各種特殊的結構優化問題建立相應的公式，解決解析推導和數值計算的實現問題；再是使用大型系統的分解優化方法，對于大型結構優化，可以按子結構分解或者進行多級分解優化，對于多學科的復雜系統可以按學科分解優化。分解算法的關鍵在于建立各個子問題之間的稿合關系，比如通過使用最優解對參數的靈敏度和采用線性分解等法建立起稿合關系，使得子問題的解相容，從而保證迭代收斂，問題是如何保證一定能求解。并行計算技術引入結構優化設計是一個較新的方向。像遺傳算法，人工神經網絡的方法，在近十年來被引入結構優化設計并發展很快。它們對離散與連續混合變量的全局優化，對發展結構近似重分析的專家系統有其獨到之處。現在的問題是怎樣提高優化質量、精度、加快收斂，增加方法的通用性。

拓撲優化、材料優化和形狀優化的集成在機械結構和部件設計中具有重要的實用價值，是近年來出現的并行設計的重要組成部分，仍將是下一步研究工作的重點。拓撲優化能夠為結構的方案設計提供科學的依據，使復雜結構和部件在概念設計階段即可靈活地、理性地優選方案，有望用于大型實際結構優化設計求解。但是要處理龐大的有限元和優化模型計算量增大，應力約束處理、對“多孔狀”材料分布圓整化，單元消失可能會對計算模型造成病態等問題。動態特性優化是機械系統和結構設計應用研究的一個重要方向f}P-zo。特征向量、動力響應量的靈敏度分析、高度密集頻率的動力學問題的分析和優化設計，大型動力優化問題的建模和求解方法，非線性分析在優化中的應用，使優化技術的作用從對設計方案的優化延伸到加工工藝過程的優化，仍是極富有研究和應用價值。

綜上所述，未來，機械行業產品結構的設計、動態化的優化設計和技術的運用，還需要不斷分析與探討.只有不斷完善技術力量，才能更好地跟隨科技的變化而不斷地進步。

參考文獻：

[1]王麗敏,計小輩,李穎芝.機械結構優化設計應用與趨勢研究[J].邢臺職業技術學院學報,2008,03:46-48.

機械優化設計范文第5篇

【關鍵詞】機械；優化設計；方法特點

一、機械優化概述

機械優化設計是為了適應于不斷發展的生產現代化而發展起來的。它建立在數學規劃理論和計算機程序設計基礎上，通過有效的實驗數據和科學的評價體系來從眾多的設計方案中尋到盡可能完善的或最適宜的設計方案。該領域的研究和應用進展非常迅速，并且取得了可觀的經濟效益。那就讓我們關注機械優化設計中那些重要的量。

1.設計變量

設計變量是指在設計過程中我們必須全面考慮確定的各項獨立參數，一旦這些設計參數全部確定了，設計方案也就完全確定了。他們在整個設計過程中相當于一個個變量，變量的多少與數值大小直接影響著優化工作的復雜程度。也就是說，設計變量數目越多，設計空間的維數越大，優化設計工作也就越復雜，同時效益也越顯著。因此在選擇設計變量時。必須兼顧優化效果的顯著性和優化過程的復雜性。

2.約束條件

約束條件是設計變量間或設計變量本身應該遵循的限制條件，而優化設計問題大多數是約束的優化問題。針對優化設計數學模型要素的不同情況，可將優化設計方法進行分類。約束條件的形式有顯約束和隱約束兩種，前者是對某個或某組設計變量的直接限制，后者則是對某個或某組變量的間接限制。等式約束對設計變量的約束嚴格，起著降低設計變量自由度的作用。優化設計的過程就是在設計變量的允許范圍內，找出一組優化的設計變量值，使得目標函數達到最優值。

3.目標函數

在優化設計過程中，每一個變量之間都存在著一定的相互關系這就是用目標函數來反映。他可以直接用來評價方案的好壞。在優化設計中，可以根據變量的多寡將優化設計分為單目標優化問題和多目標優化問題，而我們最常見的就是多目標函數優化。

一般而言，目標函數越多，設計的綜合效果越好，但問題求解越復雜。在實際的設計問題中，常常會遇到在多目標函數的某些目標之間存在矛盾的情況，這就要求設計者正確處理各目標函數之間的關系。對這類多目標函數的優化問題的研究，至今還沒有單目標函數那樣成熟。

二、機械優化設計的特點

在優化設計過程中，每一種優化方法都是針對某一種問題而產生的，都有各自的特點和各自的應用領域。優化設計是以建立數學模型進行設計的。它引用了一些新的概念和術語，如前面所述的設計變量、目標函數、約束條件等用來作為機械優化設計的理論依托。設計師可以將機械設計的具體要求構造成數學模型，將機械設計的問題轉化為具體的數學問題，然后應用理論推理和驗算來找到最優解決途徑。優化設計改變了傳統的設計方式，開創了應用新的有效的解決機械設計問題的途徑。傳統設計方法是被動地重復分析產品的性能，而現代的優化設計卻能夠主動設計產品的參數，從整體的大局出發找尋最優方案。優化設計的一般過程與傳統設計方法有所不同。它是以計算機自動設計選優為其基本特征的。借助于計算機的高速高效率，我們可以可以從大量的方案中選出最優方案。

作為一項設計不僅要求方案可行、合理，而且應該是一些指標達到最優的理想方案，這樣才能使機械產品為企業帶來可觀效益。

三、優化設計方法的評判指標

根據優化設計中所要解決問題的特點，選擇適當的優化方案是非常關鍵的。因為解決同一個問題可能有多種方法，而每一種方法也有可能會導致不同的結果，而我們需要的是可以更加體現生產目標的最優方案。所以我們在選擇方案時一定要考慮一下四個原則：（1）效率要高。（2）可靠性要高。（3）采用成熟的計算程序。（4）穩定性要好。另外選擇適當的優化方法時要進行深入的分析優化模型的約束條件、約束函數及目標函數，根據復雜性、準確性等條件結合個人的經驗進行選擇。優化設計的選擇取決于數學模型的特點，通常認為，對于目標函數和約束函數均為顯函數且設計變量個數不太多的問題，采用懲罰函數法較好；對于只含線性約束的非線性規劃問題，最適應采用梯度投影法；對于求導非常困難的問題應選用直接解法，例如復合形法；對于高度非線性的函數，則應選用計算穩定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內點懲罰函數相結合的方法。

四、結論

機械優化設計作為傳統機械設計理論基礎上結合現代設計方法而出現的一種更科學的優化設計方法，可使機械產品的質量達到更高的水平。近年來，隨著數學規劃理論的不斷發展和工作站計算能力的不斷挖掘，機械優化設計方法和手段都有非常大的突破。且優化設計思路不斷的開闊。總之，每一種優化設計方法都是針對某一類問題而產生的，都有各自的特點，都有各自的應用領域，機械優化設計就是在給定的載荷和環境下，在對機械產品的性能、幾何尺寸關系或其它因素的限制范圍內，選取設計變量，建立目標函數并使其獲得最優值的一種新的設計方法，其方法多樣依據不同情形選擇合理的優化方法才能更簡便高效的達到目標。當今的優化正逐步的發展到多學科優化設計，充分利用了先進計算機技術和科學的最新成果。所以機械優化設計的研究必須與工程實踐、數學、力學理論、計算機緊密聯系起來，才能具有更廣闊的發展前景。

參考文獻

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