CAD在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用探究

摘 要：計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得CAD技術(shù)成為強(qiáng)有力的工具，而廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，也成為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了很好的手段。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是基于數(shù)學(xué)模型優(yōu)化和計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化的新興學(xué)科。優(yōu)化可以在眾多的設(shè)計(jì)方案中選擇最佳方案，從而達(dá)到提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)選擇的科學(xué)性。本文主要概述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì) 智能CAD 優(yōu)化模型

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0013-01

在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要對參數(shù)模型進(jìn)行求解和優(yōu)化，特別是在大型的復(fù)雜的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，需要重復(fù)建模、重復(fù)優(yōu)化模型。除了遺傳算法等數(shù)學(xué)方法使用外，CAD技術(shù)應(yīng)用對復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化問題取得了較好的效果并產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效果。

1 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的CAD技術(shù)

單體機(jī)械機(jī)構(gòu)的優(yōu)化對象主要是零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，涉及的學(xué)科少、優(yōu)化的功能單一，優(yōu)化的過程只限于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)構(gòu)成之間的關(guān)系。對于復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)，優(yōu)化的對象對體現(xiàn)整體優(yōu)化思維，即整體優(yōu)化大于局部優(yōu)化。在這個(gè)過程中就需要采用合理的手段和方法優(yōu)化的范圍綜合起來。計(jì)算機(jī)輔助手段日臻完善，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中把原理方案、功能，結(jié)構(gòu)方案、總體參數(shù)以及結(jié)構(gòu)性狀的全部設(shè)計(jì)包含在內(nèi)，真正的做到全局優(yōu)化。

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜、方法多變，涉及多學(xué)科多目標(biāo)，而優(yōu)化更要在這些方法找到更有效的方案更為困難。因此單一的方法來解決整體的優(yōu)化問題肯定不行，但是采用CAD進(jìn)行整體的優(yōu)化和分解協(xié)調(diào)優(yōu)化，通過模型建立，減少計(jì)算縮短優(yōu)化時(shí)間。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中器件多，耦合度高，利用CAD技術(shù)可以在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中應(yīng)用網(wǎng)狀分解的方法，將其分解，這種分解方法除了提高CAD利用效率之外還可以解決優(yōu)化過程中的交叉學(xué)科問題，例如利用CAD機(jī)械設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化。在整體優(yōu)化中目前的CAD技術(shù)還沒有形成普遍使用的分解方法，因此分解的正確性并不是可以控制的，這成為CAD的在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用的瓶頸。但是優(yōu)化設(shè)計(jì)分層優(yōu)化取得比較好的效果，由此建立起來的CAD優(yōu)化發(fā)展。

2 CAD機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)建模應(yīng)用

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)就是設(shè)計(jì)者借助CAD技術(shù)將設(shè)計(jì)形體可視化、模擬化、可修改、可分析優(yōu)化，進(jìn)一步通過計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化實(shí)體模型。產(chǎn)品的優(yōu)化可以在CAD中進(jìn)行三維幾何重現(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)通過三維虛擬優(yōu)化，采用幾何模型描述對象的位置、結(jié)構(gòu)、大小和性狀，并尋求最高效的組合途徑，通過優(yōu)化的賦值可以將對象的顏色、紋理等信息進(jìn)行詳細(xì)描述，優(yōu)化產(chǎn)品的原型，在這個(gè)過程中CAD的建模優(yōu)化是最常見的優(yōu)化方法。

2.1 參數(shù)建模優(yōu)化

這種優(yōu)化是通過工程關(guān)系以及幾何方法在CAD中給予產(chǎn)品的性狀特征，從而可以在產(chǎn)品功能上和設(shè)計(jì)方法上尋求類似的模型，通過模型的優(yōu)化達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化。在CAD中建立產(chǎn)品與參數(shù)之間的關(guān)系，而參數(shù)作為變量形成變量集合。在優(yōu)化過程中通過參數(shù)的變化影響設(shè)計(jì)對象的變化，參數(shù)優(yōu)化模型采用修改和定義的幾何建模。參數(shù)建模優(yōu)化包含工程優(yōu)化、拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等，這些都是CAD參數(shù)建模優(yōu)化中需要考慮的因素。

2.2 特征建模優(yōu)化

這種優(yōu)化是在CAD環(huán)境下從整個(gè)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段來優(yōu)化設(shè)計(jì)，可表述為集成優(yōu)化。進(jìn)行集成優(yōu)化需要在CAD條件下建立系統(tǒng)的、完整的、全面的描述需要優(yōu)化的信息，使得各種特征能夠從設(shè)計(jì)中顯現(xiàn)優(yōu)化的策略。特征建模優(yōu)化可以明確的表示優(yōu)化邏輯關(guān)系、互動關(guān)系以及關(guān)聯(lián)特征方面進(jìn)行表述和描述。特征建模優(yōu)化能夠在CAD環(huán)境中建立高層次的產(chǎn)品功能要素，對優(yōu)化的信息進(jìn)行聯(lián)動管理，體現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，對形狀、結(jié)構(gòu)等復(fù)雜產(chǎn)品優(yōu)化建模是思想，將產(chǎn)品的多特征進(jìn)行特征分解，根據(jù)分解的特征相互建立優(yōu)化途徑，通過特征之間的運(yùn)算達(dá)到優(yōu)化整個(gè)設(shè)計(jì)的目的。

3 具備知識庫智能CAD在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的發(fā)展

優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)高度智慧的創(chuàng)新的活動。CAD技術(shù)系統(tǒng)引入知識庫，產(chǎn)生智能的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這成為ACD機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向之一。知識庫智能CAD能夠在信息優(yōu)化、知識優(yōu)化的基礎(chǔ)上建立基于優(yōu)化思維的知識庫。它能夠及時(shí)對優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向進(jìn)行評估，利用知識庫的評價(jià)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)信息的交換和共享，解決優(yōu)化設(shè)計(jì)中對信息和知識和需求。機(jī)械設(shè)計(jì)問題是模糊的，而優(yōu)化的方式和途徑也多樣，對復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，建立知識庫信息獲取、組織和表達(dá)。因此具備知識庫智能CAD快速發(fā)展，為CAD在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了新的途徑。在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)不僅具有創(chuàng)意，而且優(yōu)化應(yīng)具備整體性和科學(xué)性。優(yōu)化設(shè)計(jì)可以根據(jù)優(yōu)化的途徑分為優(yōu)化搜索和優(yōu)化創(chuàng)新。優(yōu)化搜索可以根據(jù)各種方案選擇一種最好的組合達(dá)到優(yōu)化目的。在知識庫智能CAD中具備的專家系統(tǒng)，采用參數(shù)匹配、信息匹配、結(jié)構(gòu)匹配的方法將優(yōu)化的產(chǎn)品進(jìn)行搜索，選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，遍歷知識庫中相似結(jié)構(gòu)的模型。如果知識庫建立的足夠大，足夠科學(xué)則搜索優(yōu)化的優(yōu)化度更高；優(yōu)化創(chuàng)新是直接通過知識庫得到最佳的優(yōu)化結(jié)果。這種優(yōu)化方法可以通過CAD的知識庫，將設(shè)計(jì)的參數(shù)、模型、結(jié)構(gòu)導(dǎo)入直接產(chǎn)生優(yōu)化結(jié)果。但是不論是那種優(yōu)化方法都要依據(jù)設(shè)計(jì)的原始信息，根據(jù)實(shí)際情況綜合分析智能CAD優(yōu)化結(jié)果，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。

4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能CAD在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的發(fā)展

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中如果將優(yōu)化的任務(wù)進(jìn)行分解，形成各階段優(yōu)化的方案過多，而后面的的優(yōu)化組成數(shù)量也迅速增加，這樣就容易形成優(yōu)化組合爆炸。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中面臨如此大的優(yōu)化結(jié)構(gòu)時(shí)，往往需要更高層次的歸納和綜合，對綜合的信息進(jìn)行少量分析即可找到優(yōu)化的決策。一般CAD的優(yōu)化只能在參數(shù)、簡單結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化，而在如此復(fù)雜的框架優(yōu)化、整體優(yōu)化中顯然不能滿足優(yōu)化要求。因此具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能CAD能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)的信息通過人工網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化決策方式進(jìn)行模擬。將優(yōu)化的各層次和任務(wù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，共同完成階段的優(yōu)化工作。

5 結(jié)論

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要的工具。在知識庫研究、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究、以及模糊控制研究方面已經(jīng)取得了很多經(jīng)驗(yàn)并發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要借助CAD這個(gè)途徑將這些研究的思維移植并實(shí)現(xiàn)將大大提高CAD機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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