機械優(yōu)化設(shè)計

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機械優(yōu)化設(shè)計范文第1篇

1.優(yōu)化設(shè)計可以最大限度地節(jié)約設(shè)計開支和成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益

雖然隨著機械設(shè)計技術(shù)的進步以及管理流程的簡化，新時期的機械設(shè)計成本開支已經(jīng)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(yōu)化設(shè)計的方法對機械設(shè)計的成本開支進行削減，要基于保障設(shè)計質(zhì)量的前提；倘若成本的控制要以犧牲質(zhì)量為代價，則這樣的控制手法必須果斷舍棄。在機械設(shè)計中采取優(yōu)化設(shè)計路線，能夠減輕前期和設(shè)計過程中的成本開支，為設(shè)計單位節(jié)省一筆不小的資金。優(yōu)化設(shè)計的最佳方案往往是符合設(shè)計流程的，是可以發(fā)揮出現(xiàn)有材料、設(shè)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(yōu)化設(shè)計能夠節(jié)約機械設(shè)計的開支成本是有科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)的。

2.優(yōu)化設(shè)計可以提高機械產(chǎn)品的科技附加值，從而提高產(chǎn)品的競爭力和提高企業(yè)的經(jīng)濟效益

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

優(yōu)化設(shè)計為機械設(shè)計產(chǎn)品的技藝提升、附加值增大提供了全新的路徑，也為機械設(shè)計單位和企業(yè)的發(fā)展增添了新的利潤增長點。例如，隨著信息技術(shù)、計算機技術(shù)、材料技術(shù)、液壓技術(shù)、加工制造工藝的不斷發(fā)展和成熟，機械設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)都會有一種或多種新技術(shù)的注入，最終的機械產(chǎn)品往往“飽含科技”，其技術(shù)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(chǎn)品，在市場中的價格是可以預(yù)見的，企業(yè)因此帶來的收益也很高。由此可見，優(yōu)化設(shè)計對于當(dāng)今的機械設(shè)計的重要性。

二、實現(xiàn)機械設(shè)計優(yōu)化設(shè)計的有效策略

優(yōu)化設(shè)計可以為機械設(shè)計提供質(zhì)量和效益的保證，因此必須引入科學(xué)有序的優(yōu)化設(shè)計方案，使之產(chǎn)生明顯的效果。從當(dāng)前的情況看，機械優(yōu)化設(shè)計可以從如下角度考量。其一，機械設(shè)計的一維搜索優(yōu)化方法，這種方法也是當(dāng)前機械設(shè)計優(yōu)化方法的最典型代表，以數(shù)學(xué)函數(shù)為理論基礎(chǔ)，透過搜索區(qū)間的確定，來保證優(yōu)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(shè)計的基礎(chǔ)方法。

眾所周知，機械設(shè)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(chǔ)。就好比數(shù)學(xué)中的從0到9的10個數(shù)字，它們構(gòu)筑了數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，成為數(shù)學(xué)的理論“細胞”。一維搜索方法在機械設(shè)計的應(yīng)用，往往直接影響優(yōu)化設(shè)計問題的求解速度。其二，機械優(yōu)化設(shè)計會用到約束優(yōu)化方法和無約束優(yōu)化方法。在機械優(yōu)化設(shè)計中，經(jīng)常使用的是約束優(yōu)化的方法。除此之外，機械優(yōu)化設(shè)計還可以通過線性規(guī)劃方法、多目標(biāo)及離散變量優(yōu)化方法來實現(xiàn)。總之，諸多優(yōu)化方法的存在和操作為機械優(yōu)化設(shè)計提供了多元化的路徑。（本文來自于《黑龍江科學(xué)》雜志。《黑龍江科學(xué)》雜志簡介詳見。）

三、結(jié)語

機械優(yōu)化設(shè)計范文第2篇

關(guān)鍵詞：機械優(yōu)化設(shè)計；理論；方法

隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械設(shè)計領(lǐng)域的概念和思維方式也在不斷發(fā)生變化，機械設(shè)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(fā)展規(guī)律來開展優(yōu)化設(shè)計。因此加大力度探討機械優(yōu)化設(shè)計理論方法，能夠為機械優(yōu)化設(shè)計的未來發(fā)展指明方向。

1 機械傳統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的對比

機械優(yōu)化設(shè)計是基于最優(yōu)化設(shè)計的，主要以數(shù)學(xué)模型作為優(yōu)化設(shè)計的基本途徑。優(yōu)化設(shè)計的方法及思維屬于優(yōu)化方法的范疇之內(nèi)，這種設(shè)計思想會使得各種參數(shù)順著理想的方向能夠自我調(diào)節(jié)，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(shè)計方案中擇優(yōu)選取最佳的設(shè)計方案。由于設(shè)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(shè)計方案中篩選出最優(yōu)方案。雖然在實際的數(shù)學(xué)建模過程中需要進行一定地簡化處理，可能會導(dǎo)致計算所得的結(jié)果與實際值存在一定的差距，但是其基于客觀規(guī)律以及數(shù)據(jù)，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(jīng)驗類比或者試驗途徑不可比擬方面的優(yōu)勢之處，再加上一定的經(jīng)驗依據(jù)，就能夠獲得一個非常理想的設(shè)計結(jié)果。雖然傳統(tǒng)設(shè)計也追求最優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果，一般是基于調(diào)查、分析，按照實際需求以及實踐經(jīng)驗，參照類似于工程設(shè)計，經(jīng)估算、類比以及試驗等過程，對尋優(yōu)過程進行構(gòu)思、評估、再構(gòu)思以及再評估等，從而最終確定設(shè)計方案，最后開展剛度、強度以及穩(wěn)定性等方面的計算。然而在傳統(tǒng)設(shè)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(shè)計結(jié)果的最優(yōu)化選擇無法正常進行，這些設(shè)計結(jié)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(tǒng)設(shè)計往往需要花費高額的資金以及人力，而且最終結(jié)果也與初始設(shè)計試驗范圍差不離。所以說，傳統(tǒng)設(shè)計主要受到主觀因素的影響，得到的僅僅屬于滿足最初設(shè)計要求的設(shè)計結(jié)果，并非最優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。

2 優(yōu)化設(shè)計方法的評判指標(biāo)

效率要高、可靠性要高、采用成熟的計算程序、穩(wěn)定性要好。另外選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法時要進行深入的分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)復(fù)雜性、準(zhǔn)確性等條件結(jié)合個人的經(jīng)驗進行選擇。優(yōu)化設(shè)計的選擇取決于數(shù)學(xué)模型的特點，通常認為，對于目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計變量個數(shù)不太多的問題，采用懲罰函數(shù)法較好；對于只含線性約束的非線性規(guī)劃問題，最適應(yīng)采用梯度投影法；對于求導(dǎo)非常困難的問題應(yīng)選用直接解法，例如復(fù)合形法；對于高度非線性的函數(shù)，則應(yīng)選用計算穩(wěn)定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內(nèi)點懲罰函數(shù)相結(jié)合的方法。

3 機械優(yōu)化設(shè)計理論方法

3.1 準(zhǔn)則優(yōu)化法

在機械優(yōu)化設(shè)計理論方法中，所謂準(zhǔn)則優(yōu)化法，就是指以物理學(xué)和力學(xué)等原則來構(gòu)造并優(yōu)化機械設(shè)計的方案，以促進機械優(yōu)化設(shè)計的順利進行。準(zhǔn)則優(yōu)化法在實際應(yīng)用中具有良好的優(yōu)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(zhǔn)則優(yōu)化法的實際優(yōu)化效率相對較高，因此在工程中具有良好的應(yīng)用效果。但就機械優(yōu)化設(shè)計的實際情況來看，準(zhǔn)則優(yōu)化法也不可避免的存在一些不足，尤其是在實際應(yīng)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(yán)重影響機械優(yōu)化設(shè)計的效率，因此在機械優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)對此項因素進行深入衡量和分析，以全面提高機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。

3.2 線性規(guī)劃法

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

其中單純形法是美國學(xué)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(yōu)化設(shè)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(dǎo)致難以準(zhǔn)確計算出機械優(yōu)化設(shè)計的最優(yōu)解。因此為保障機械優(yōu)化設(shè)計的實際效果，應(yīng)當(dāng)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(gòu)成后對實際收斂情況進行準(zhǔn)確的驗算，并嚴(yán)格檢查計算結(jié)果是否滿足相關(guān)精度要求，從而全面提高機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。

序列線性規(guī)劃法則相對簡單，主要是在初始位置將目標(biāo)函數(shù)集約條件進行展開，促使非線性規(guī)劃向近似線性規(guī)劃逐漸轉(zhuǎn)化，并對最優(yōu)結(jié)果進行求解，并采取科學(xué)合理的計算方式進行反復(fù)求解，直至滿足機械優(yōu)化設(shè)計的精度標(biāo)準(zhǔn)，從而提高機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。

3.3 非線性規(guī)劃法

就機械工程的實際情況來看，大部分機械工程的性質(zhì)都屬于非線性規(guī)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(guī)劃正是基于數(shù)學(xué)極值的原理所開展的機械優(yōu)化設(shè)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(yōu)化問題進行不斷求解，以保證機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果。

3.4 現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計理論方法

在機械優(yōu)化設(shè)計中，往往存在不同種類的約束、變量及目標(biāo)函數(shù)，為保證機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果，機械優(yōu)化準(zhǔn)則法能夠結(jié)合機械優(yōu)化設(shè)計的實際情況，積極推導(dǎo)出不同的優(yōu)化準(zhǔn)則，但其實際通用性并不理想。規(guī)劃法在實際應(yīng)用中需要進行多次重復(fù)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(yōu)化設(shè)計的效率并不理想，甚至在一定程度上限制了規(guī)劃法在現(xiàn)代機械工程項目優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用深度和廣度。隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械工程中優(yōu)化設(shè)計的難度也不斷加大，有必要積極選取合理的優(yōu)化設(shè)計方法來提高機械優(yōu)化設(shè)計的總體質(zhì)量和效果。

結(jié)束語

總而言之，機械設(shè)計優(yōu)化是基于傳統(tǒng)機械設(shè)計理論基礎(chǔ)上所提出的，通過與現(xiàn)代設(shè)計方法的協(xié)調(diào)配合，促進一種科學(xué)化的優(yōu)化設(shè)計方法的形成，在機械工程中，有助于改善機械優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效果，促進機械產(chǎn)品達到高質(zhì)量和高水平。隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械優(yōu)化設(shè)計方法也不斷進步，每一種機械優(yōu)化設(shè)計方法都具有各自的特點和應(yīng)用領(lǐng)域，能夠針對機械產(chǎn)品的性能及其他因素選取核實的設(shè)計變量和最優(yōu)的設(shè)計方法，從而促進機械優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)的實現(xiàn)，為機械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]吳亞明.機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用發(fā)展分析[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2015（6）.

機械優(yōu)化設(shè)計范文第3篇

關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；應(yīng)用趨勢

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場產(chǎn)品競爭也越來越激烈，產(chǎn)品品種的換代速度加快，產(chǎn)品的復(fù)雜性在不斷增加。所以產(chǎn)品生產(chǎn)正在以小批量、多品種的生產(chǎn)方式取代過去的單一品種大批量生產(chǎn)方式[1]。而這種生產(chǎn)方式，肯定會縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，產(chǎn)品的成本也會降低，產(chǎn)品提高市場的占有率和競爭力也會提高。所以在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用優(yōu)化設(shè)計是滿足市場競爭的需要。

1 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

目前，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域，很多的機械產(chǎn)品在設(shè)計中都會采用優(yōu)化設(shè)計，才用優(yōu)化設(shè)計能解決結(jié)構(gòu)重量擴展到降低應(yīng)力水平，還還能改進結(jié)構(gòu)性能以及提高產(chǎn)品安全壽命等問題。

對機械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用方法有：用遺傳算法對空間桿桁架的桿截面進行尺寸優(yōu)化，從而得到空間桁架較好的結(jié)構(gòu)。對一些結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設(shè)計方法有：用數(shù)值解法計算機械產(chǎn)品的形狀優(yōu)化，并采用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法進行形狀優(yōu)化設(shè)計。下面介紹下在振動機械優(yōu)化設(shè)計中的對比分析 ：

筋板在連接結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁，能提高其抗彎和抗扭剛度；對開式截面的結(jié)構(gòu)，作用很明顯；而對閉式結(jié)構(gòu)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(yōu)化方法，在迭代過程中求解目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的值是必不可少的，在一些方法中，需要求解目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的1階甚至2階偏導(dǎo)數(shù)。這些約束函數(shù)往往是結(jié)構(gòu)的性能要求，如結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、頻率、穩(wěn)定性、可靠性等，這些性能經(jīng)常是設(shè)計變量的高階非線性函數(shù)。如果采用經(jīng)典的力學(xué)公式能獲得滿足工程要求的結(jié)果，則在優(yōu)化過程中，不斷調(diào)用這些公式計算當(dāng)前函數(shù)值或?qū)?shù)值，就可以完成優(yōu)化迭代。在這樣的方法中，由于函數(shù)最終表達為顯式，因而計算所化的時間和存儲量以當(dāng)前的計算機技術(shù)看來是不難做到的。但是，對于復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)來說，采用力學(xué)公式求解往往就不能勝任了。在有限元等數(shù)值方法快速發(fā)展的今天，自然被用在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的分析中。由于這些數(shù)值方法應(yīng)用廣泛，可以求解結(jié)構(gòu)的各類問題，包括靜力、動力、彈塑性、熱傳導(dǎo)等，因此，隨著計算機的軟件和硬件技術(shù)快速發(fā)展，在過去經(jīng)常被視作瓶頸的計算速度和存儲量，對于一般的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)不是太大的問題時，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中越來越多地采用數(shù)學(xué)規(guī)劃+數(shù)值計算的模式。這種模式最大的優(yōu)點是適應(yīng)性好，使用方便，適合各類機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，包括大型桿系結(jié)構(gòu)、三維連續(xù)體和板殼結(jié)構(gòu)以及各種載荷和約束條件下的優(yōu)化設(shè)計。但是，隨著優(yōu)化迭代次數(shù)的增加，重分析次數(shù)也大幅度上升，尤其對于大規(guī)模的結(jié)構(gòu)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(dǎo)數(shù)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用趨勢

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計隨著最優(yōu)化方法的不斷發(fā)展和改善， 已逐漸得以發(fā)展。近些年來， 在結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)算法的方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計偏向于采用接近實際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型來模擬一些大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 由于設(shè)計的變量數(shù)目比較大，所以研究新的準(zhǔn)則優(yōu)化方法非常受到重視，但是如何去針對一些特殊的結(jié)構(gòu)才設(shè)計相應(yīng)的公式，解決在數(shù)值計算與推導(dǎo)實現(xiàn)的相關(guān)問題，同時還可以使用一些機械系統(tǒng)的分解與優(yōu)化方法， 在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，可以按優(yōu)化多級分解或進行子結(jié)構(gòu)分解，對于一些多學(xué)科的較為復(fù)雜的系統(tǒng)可以采用學(xué)科分解優(yōu)化的方法。分解的算法關(guān)鍵在于如何去建立各個子問題之間的耦合關(guān)系，比如可以通過采用線性分解和使用最優(yōu)解對參數(shù)的靈敏度等方法來建立起耦合關(guān)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(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中去。像人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， 遺傳算法等方法， 在最近十余年來被機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展很快。它們對連續(xù)混合與離散變量的全局優(yōu)化， 這對發(fā)展結(jié)構(gòu)近似重分析的專家系統(tǒng)有重要的作用。現(xiàn)在的問題就是該如何去提高優(yōu)化精度、質(zhì)量、加快收斂， 增加方法的通用性[2]。形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化和材料優(yōu)化的集成在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化中具有非常重要的價值，是并行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要組成部分，也是以后的研究重點。

拓撲優(yōu)化在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中是重要的參考依據(jù)， 讓復(fù)雜部件和結(jié)構(gòu)在概念設(shè)計階段即可理性地、靈活地優(yōu)選方案，并有可能解決一些大型實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。拓撲優(yōu)化在研究中所提出的均勻化等方法，可以將形狀優(yōu)化、布局優(yōu)化和材料選擇集成一體，為機械設(shè)計結(jié)構(gòu)、工藝和材料提供科學(xué)的手段。但是如果要處理一些龐大的優(yōu)化模型和有限元的計算量非常大，應(yīng)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(tài)等問題。

機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在工程機械設(shè)計中的具有非常重要的實用價值，如要解決優(yōu)化設(shè)計中有限元模型的龐大性問題、多學(xué)科設(shè)計與解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題交叉問題。對于機械設(shè)備、結(jié)構(gòu)和機構(gòu)的健壯性與可靠性是機械設(shè)計時非常關(guān)心的問題， 綜合考慮健壯性、可靠性及成本的全性能優(yōu)化設(shè)計方法、理論及其應(yīng)用，則會給出更加接近實際的結(jié)果，應(yīng)當(dāng)應(yīng)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(yīng)當(dāng)應(yīng)予注意。為增強優(yōu)化設(shè)計盡可能的為工程實際所服務(wù)， 進一步開展設(shè)計的實用性。所以開發(fā)和完善通用性的結(jié)構(gòu)化設(shè)計軟件已經(jīng)變得十分迫切。

從近幾年來國家自然科學(xué)基金所資助的項目來看，單就機械學(xué)科相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計的項目就有將近20項，其中包括廣義優(yōu)化設(shè)計，模糊優(yōu)化，全性能優(yōu)化設(shè)計，分解優(yōu)化設(shè)計，可靠性優(yōu)化，人機一體化設(shè)計與光機電一體化，有機械傳動系統(tǒng)性能優(yōu)化也有基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，復(fù)雜機電耦合設(shè)計理論與方法與系統(tǒng)解耦研究以及機電產(chǎn)品的綠色設(shè)計方法與理論等，在今年還提出的軋制件模具的現(xiàn)代設(shè)計方法， 面向產(chǎn)品的創(chuàng)新的概念設(shè)計等課題， 這些方面的研究充分反映出我國已經(jīng)非常重視機械設(shè)計的研究工作和機械機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展方向[4]。

參考文獻

[1] 張紅友.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的綜述與展望[J].工程論壇，2005，（9）：

機械優(yōu)化設(shè)計范文第4篇

關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：C35文獻標(biāo)識碼： A

一、機械結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用概況

在機械結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計理論中，其根本思想是按照產(chǎn)品功能的要求來對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，或者根據(jù)機械結(jié)構(gòu)需要改進的部分進行動力學(xué)建模，并做動態(tài)性分析，然后根據(jù)產(chǎn)品在動態(tài)性上的要求或預(yù)定的動態(tài)設(shè)計目標(biāo)，進行結(jié)構(gòu)的修改、再設(shè)計，以滿足機械結(jié)構(gòu)在動態(tài)性上的設(shè)計要求。

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

二、優(yōu)化策略與流程

1.優(yōu)化策略結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)設(shè)計變量的類型和求解難易程度，可分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化三個層次，每個層次對應(yīng)不同的設(shè)計階段。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計自動化，對產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計時：首先，根據(jù)產(chǎn)品功能要求建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，將剛度、強度等約束條件參數(shù)化，利用拓撲優(yōu)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(jié)點的遍歷搜索，結(jié)合實際生產(chǎn)資源情況建立邊界關(guān)鍵點，對原模型進行參數(shù)化變形設(shè)計，得到拓撲優(yōu)化后的模型；然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性要求對其進行邊界形狀優(yōu)化和尺寸參數(shù)的優(yōu)化，并通過參數(shù)化驅(qū)動實現(xiàn)模型的更新，最終得到滿足剛、強度要求的CAD模型。

2.三級優(yōu)化流程

在參數(shù)優(yōu)化三級優(yōu)化設(shè)計過程中，拓撲優(yōu)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(yōu)化后的概念模型。形狀優(yōu)化階段首先針對前期優(yōu)化結(jié)果模型進行微小單元的去除，充分利用曲線擬合技術(shù)構(gòu)建密度較小的冗余單元邊界關(guān)鍵點組成的輪廓，并根據(jù)零部件生產(chǎn)資源情況進行邊界形狀的修正，通過參數(shù)化變形設(shè)計技術(shù)對原模型進行布爾減操作，得到拓撲優(yōu)化后的CAD模型，將其導(dǎo)入CAE系統(tǒng)，然后通過形狀優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型尋找結(jié)構(gòu)的最佳邊界形狀或者內(nèi)部幾何形狀，以改善其力學(xué)特性。尺寸優(yōu)化階段根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況確定設(shè)計變量及其變化范圍，建立目標(biāo)函數(shù)，然后通過遺傳算法迭代求解較優(yōu)的參數(shù)方案，從中選取最優(yōu)方案參數(shù)來驅(qū)動模型，生成優(yōu)化結(jié)果模型。方法流程如圖1所示。

三、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

1.機械結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化

過去一般機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和設(shè)計，而對于機械零部件的拓撲結(jié)構(gòu)很少涉及。但是，隨著人們對機械產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新意識的提高，特別是機械產(chǎn)品概念設(shè)計的提出和應(yīng)用，人們對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提出了更高的要求――機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計。1985年，M.P.Bendsoe和N.Kikuchi將均勻化方法應(yīng)用于連續(xù)體的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，推動了連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化發(fā)展。同時，連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化已經(jīng)從平面問題擴展到板殼和三維連續(xù)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(yīng)用。目前，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法也已被工業(yè)界所接受，例如Ford公司等正在加快研究步伐，推出了一些應(yīng)用的實例。機械結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化將把結(jié)構(gòu)優(yōu)化推到一個新的、更高的產(chǎn)品設(shè)計層次。

2.機械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化

在機械零部件中，連續(xù)體結(jié)構(gòu)非常多，形狀比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)分析存在一定的難度，而結(jié)構(gòu)形狀對機械零部件的性能影響很大。因此，機械零部件的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化可以大大提高其性能。20世紀(jì)80年代開始，機械行業(yè)開始興起結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的研究，Haftka、Ding和Hassani進行了綜述，國內(nèi)外出現(xiàn)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(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計；陳汝訓(xùn)、張東旭等研究了航空器部分零部件的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化；Schwarz研究了對應(yīng)于彈塑性結(jié)構(gòu)響應(yīng)的拓撲與形狀優(yōu)化；等等。靈敏度分析是結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的關(guān)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(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化也是提高零部件機械性能的重要方法之一。

3.智能優(yōu)化算法和仿生優(yōu)化

算法優(yōu)化算法的研究一直是優(yōu)化設(shè)計的重要研究領(lǐng)域，特別是機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中一般零部件的結(jié)構(gòu)分析非常復(fù)雜，有限元分析需要很長的計算時間，優(yōu)化迭代次數(shù)很多。因此，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對優(yōu)化算法要求很高，主要要求優(yōu)化算法具有強收斂性、高可靠性、強穩(wěn)定性等，研究人員不斷地進行優(yōu)化算法的發(fā)展和改進。目前，數(shù)學(xué)規(guī)劃法中一些算法（如SQP等）比較適合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題的求解，優(yōu)化準(zhǔn)則法也是一種有效的算法，國內(nèi)也開發(fā)了一些優(yōu)化設(shè)計軟件包，例如大連理工大學(xué)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序系統(tǒng)DDDU、華中科技大學(xué)（原華中理工大學(xué)）的優(yōu)化方法程序庫OPB―2等。由于現(xiàn)代學(xué)科之間的大量交叉，特別是人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、不確定數(shù)學(xué)、基因遺傳等理論和方法的引入，為優(yōu)化算法的發(fā)展提供了新的發(fā)展空間，例如遺傳算法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法、螞蟻算法、模擬退火法等等。這些新的算法已經(jīng)成功應(yīng)用于優(yōu)化問題的求解，用于結(jié)構(gòu)優(yōu)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(jīng)過研究人員的努力，一定能夠在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中得到推廣和應(yīng)用。

四、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展展望

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計隨著最優(yōu)化方法的不斷發(fā)展和改善，已逐漸得以發(fā)展。近些年來，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計趨向于采用接近實際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型模擬大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，由于設(shè)計變量數(shù)目大，研究新的有效的準(zhǔn)則優(yōu)化方法受到重視，但仍有如何去解決針對各種特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題建立相應(yīng)的公式，解決解析推導(dǎo)和數(shù)值計算的實現(xiàn)問題；再是使用大型系統(tǒng)的分解優(yōu)化方法，對于大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以按子結(jié)構(gòu)分解或者進行多級分解優(yōu)化，對于多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)可以按學(xué)科分解優(yōu)化。分解算法的關(guān)鍵在于建立各個子問題之間的稿合關(guān)系，比如通過使用最優(yōu)解對參數(shù)的靈敏度和采用線性分解等法建立起稿合關(guān)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(shù)引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一個較新的方向。像遺傳算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，在近十年來被引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計并發(fā)展很快。它們對離散與連續(xù)混合變量的全局優(yōu)化，對發(fā)展結(jié)構(gòu)近似重分析的專家系統(tǒng)有其獨到之處。現(xiàn)在的問題是怎樣提高優(yōu)化質(zhì)量、精度、加快收斂，增加方法的通用性。

拓撲優(yōu)化、材料優(yōu)化和形狀優(yōu)化的集成在機械結(jié)構(gòu)和部件設(shè)計中具有重要的實用價值，是近年來出現(xiàn)的并行設(shè)計的重要組成部分，仍將是下一步研究工作的重點。拓撲優(yōu)化能夠為結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)和部件在概念設(shè)計階段即可靈活地、理性地優(yōu)選方案，有望用于大型實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計求解。但是要處理龐大的有限元和優(yōu)化模型計算量增大，應(yīng)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(tài)等問題。動態(tài)特性優(yōu)化是機械系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用研究的一個重要方向f}P-zo。特征向量、動力響應(yīng)量的靈敏度分析、高度密集頻率的動力學(xué)問題的分析和優(yōu)化設(shè)計，大型動力優(yōu)化問題的建模和求解方法，非線性分析在優(yōu)化中的應(yīng)用，使優(yōu)化技術(shù)的作用從對設(shè)計方案的優(yōu)化延伸到加工工藝過程的優(yōu)化，仍是極富有研究和應(yīng)用價值。

綜上所述，未來，機械行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計、動態(tài)化的優(yōu)化設(shè)計和技術(shù)的運用，還需要不斷分析與探討.只有不斷完善技術(shù)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用與趨勢研究[J].邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2008,03:46-48.

機械優(yōu)化設(shè)計范文第5篇

【關(guān)鍵詞】機械；優(yōu)化設(shè)計；方法特點

一、機械優(yōu)化概述

機械優(yōu)化設(shè)計是為了適應(yīng)于不斷發(fā)展的生產(chǎn)現(xiàn)代化而發(fā)展起來的。它建立在數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計算機程序設(shè)計基礎(chǔ)上，通過有效的實驗數(shù)據(jù)和科學(xué)的評價體系來從眾多的設(shè)計方案中尋到盡可能完善的或最適宜的設(shè)計方案。該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進展非常迅速，并且取得了可觀的經(jīng)濟效益。那就讓我們關(guān)注機械優(yōu)化設(shè)計中那些重要的量。

1.設(shè)計變量

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

2.約束條件

約束條件是設(shè)計變量間或設(shè)計變量本身應(yīng)該遵循的限制條件，而優(yōu)化設(shè)計問題大多數(shù)是約束的優(yōu)化問題。針對優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型要素的不同情況，可將優(yōu)化設(shè)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(shè)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(shè)計變量的約束嚴(yán)格，起著降低設(shè)計變量自由度的作用。優(yōu)化設(shè)計的過程就是在設(shè)計變量的允許范圍內(nèi)，找出一組優(yōu)化的設(shè)計變量值，使得目標(biāo)函數(shù)達到最優(yōu)值。

3.目標(biāo)函數(shù)

在優(yōu)化設(shè)計過程中，每一個變量之間都存在著一定的相互關(guān)系這就是用目標(biāo)函數(shù)來反映。他可以直接用來評價方案的好壞。在優(yōu)化設(shè)計中，可以根據(jù)變量的多寡將優(yōu)化設(shè)計分為單目標(biāo)優(yōu)化問題和多目標(biāo)優(yōu)化問題，而我們最常見的就是多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化。

一般而言，目標(biāo)函數(shù)越多，設(shè)計的綜合效果越好，但問題求解越復(fù)雜。在實際的設(shè)計問題中，常常會遇到在多目標(biāo)函數(shù)的某些目標(biāo)之間存在矛盾的情況，這就要求設(shè)計者正確處理各目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系。對這類多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題的研究，至今還沒有單目標(biāo)函數(shù)那樣成熟。

二、機械優(yōu)化設(shè)計的特點

在優(yōu)化設(shè)計過程中，每一種優(yōu)化方法都是針對某一種問題而產(chǎn)生的，都有各自的特點和各自的應(yīng)用領(lǐng)域。優(yōu)化設(shè)計是以建立數(shù)學(xué)模型進行設(shè)計的。它引用了一些新的概念和術(shù)語，如前面所述的設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件等用來作為機械優(yōu)化設(shè)計的理論依托。設(shè)計師可以將機械設(shè)計的具體要求構(gòu)造成數(shù)學(xué)模型，將機械設(shè)計的問題轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)學(xué)問題，然后應(yīng)用理論推理和驗算來找到最優(yōu)解決途徑。優(yōu)化設(shè)計改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方式，開創(chuàng)了應(yīng)用新的有效的解決機械設(shè)計問題的途徑。傳統(tǒng)設(shè)計方法是被動地重復(fù)分析產(chǎn)品的性能，而現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計卻能夠主動設(shè)計產(chǎn)品的參數(shù)，從整體的大局出發(fā)找尋最優(yōu)方案。優(yōu)化設(shè)計的一般過程與傳統(tǒng)設(shè)計方法有所不同。它是以計算機自動設(shè)計選優(yōu)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(yōu)方案。

作為一項設(shè)計不僅要求方案可行、合理，而且應(yīng)該是一些指標(biāo)達到最優(yōu)的理想方案，這樣才能使機械產(chǎn)品為企業(yè)帶來可觀效益。

三、優(yōu)化設(shè)計方法的評判指標(biāo)

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計中所要解決問題的特點，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方案是非常關(guān)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(dǎo)致不同的結(jié)果，而我們需要的是可以更加體現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)的最優(yōu)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(wěn)定性要好。另外選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法時要進行深入的分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)復(fù)雜性、準(zhǔn)確性等條件結(jié)合個人的經(jīng)驗進行選擇。優(yōu)化設(shè)計的選擇取決于數(shù)學(xué)模型的特點，通常認為，對于目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計變量個數(shù)不太多的問題，采用懲罰函數(shù)法較好；對于只含線性約束的非線性規(guī)劃問題，最適應(yīng)采用梯度投影法；對于求導(dǎo)非常困難的問題應(yīng)選用直接解法，例如復(fù)合形法；對于高度非線性的函數(shù)，則應(yīng)選用計算穩(wěn)定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內(nèi)點懲罰函數(shù)相結(jié)合的方法。

四、結(jié)論

機械優(yōu)化設(shè)計作為傳統(tǒng)機械設(shè)計理論基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計方法而出現(xiàn)的一種更科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計方法，可使機械產(chǎn)品的質(zhì)量達到更高的水平。近年來，隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論的不斷發(fā)展和工作站計算能力的不斷挖掘，機械優(yōu)化設(shè)計方法和手段都有非常大的突破。且優(yōu)化設(shè)計思路不斷的開闊。總之，每一種優(yōu)化設(shè)計方法都是針對某一類問題而產(chǎn)生的，都有各自的特點，都有各自的應(yīng)用領(lǐng)域，機械優(yōu)化設(shè)計就是在給定的載荷和環(huán)境下，在對機械產(chǎn)品的性能、幾何尺寸關(guān)系或其它因素的限制范圍內(nèi)，選取設(shè)計變量，建立目標(biāo)函數(shù)并使其獲得最優(yōu)值的一種新的設(shè)計方法，其方法多樣依據(jù)不同情形選擇合理的優(yōu)化方法才能更簡便高效的達到目標(biāo)。當(dāng)今的優(yōu)化正逐步的發(fā)展到多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，充分利用了先進計算機技術(shù)和科學(xué)的最新成果。所以機械優(yōu)化設(shè)計的研究必須與工程實踐、數(shù)學(xué)、力學(xué)理論、計算機緊密聯(lián)系起來，才能具有更廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

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