淺談優(yōu)化設(shè)計辦法應(yīng)用機械產(chǎn)品設(shè)計中提高質(zhì)量問題

房毓臣

摘 要：隨著我國社會的經(jīng)濟發(fā)展，從事機械設(shè)計的工作者跟工程技術(shù)人員越來越受到重視，本文分析了采用優(yōu)化設(shè)計辦法能提高機械人員的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，有效提高機械產(chǎn)品的設(shè)計問題，僅供參考。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計；CAE；機械設(shè)計；產(chǎn)品設(shè)計；設(shè)計質(zhì)量

1 引言

機械優(yōu)化設(shè)計是在進行某種機械產(chǎn)品設(shè)計時，根據(jù)規(guī)定的約束條件，優(yōu)選設(shè)計參數(shù)，使某項或幾項設(shè)計指標獲得最優(yōu)值。產(chǎn)品設(shè)計的“最優(yōu)值”或“最佳值”，系指在滿足多種設(shè)計目標和約束條件下所獲得的最令人滿意和最適宜的值。最優(yōu)值的概念是相對的，隨著科學技術(shù)的發(fā)展及設(shè)計條件的變動，最優(yōu)化的標準也將發(fā)生變化。優(yōu)化設(shè)計反映了人們對客觀世界認識的深化，它要求人們根據(jù)事物的客觀規(guī)律，在一定的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件下，得出最優(yōu)的設(shè)計方案。

機械優(yōu)化設(shè)計可解決設(shè)計方案參數(shù)的最佳選擇問題。這種選擇不僅保證多參數(shù)的組合方案滿足各種設(shè)計要求，而且又使設(shè)計指標達到最優(yōu)值。因此，求解優(yōu)化設(shè)計問題就是一種用數(shù)學規(guī)劃理論和計算機自動選優(yōu)技術(shù)來求解最優(yōu)化的問題。

2 機械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的比較

機械產(chǎn)品設(shè)計工作的任務(wù)就是使設(shè)計的產(chǎn)品既具有優(yōu)良的技術(shù)性能指標，又能滿足生產(chǎn)的工藝性、使用的可靠性和安全性要求，且消耗和成本最低等。機械產(chǎn)品的設(shè)計，一般需要經(jīng)過需求分析、市場調(diào)查、方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析計算、工程繪圖和編制技術(shù)文件等一系列工作過程。

傳統(tǒng)設(shè)計方法通常是在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，參照同類產(chǎn)品，通過估算、經(jīng)驗類比或試驗等方法來確定產(chǎn)品的初步設(shè)計方案，然后對產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)進行強度、剛度和穩(wěn)定性等性能分析計算，檢查各項性能是否滿足設(shè)計指標要求。如果不能滿足要求，則根據(jù)經(jīng)驗或直觀判斷對設(shè)計參數(shù)進行修改。

整個傳統(tǒng)設(shè)計的過程是人工試湊和定性分析比較的過程。實踐證明，按照傳統(tǒng)方法得出的設(shè)計方案，可能存在有較大改進和提高的余地。在傳統(tǒng)設(shè)計中也存在“選優(yōu)”的思想，設(shè)計人員可以在有限的幾種

合格設(shè)計方案中，按照一定的設(shè)計指標進行分析評價，選出較好的方案。但是由于傳統(tǒng)設(shè)計方法受到計算方法和手段等條件的限制，設(shè)計者不得不依靠經(jīng)驗，進行類比、推斷和直觀判斷等一系列智力工

作，這是很難找出最優(yōu)設(shè)計方案的。

優(yōu)化設(shè)計理論的研究和應(yīng)用實踐，使傳統(tǒng)設(shè)計方法發(fā)生了根本變革，從經(jīng)驗、感性和類比為主的傳統(tǒng)設(shè)計方法過渡到科學、理性和立足于計算分析的現(xiàn)代設(shè)計方法，機械產(chǎn)品設(shè)計正在逐步向自動化、集成化和智能化方向發(fā)展。

3 優(yōu)化方法與CAE

在保證產(chǎn)品達到某些性能目標并滿足一定約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設(shè)計變量，使產(chǎn)品的指標或性能達到最期望的目標，這就是優(yōu)化方法。

優(yōu)化作為一種數(shù)學方法，通常是利用對解析函數(shù)求極值的方法來達到尋求最優(yōu)值的目的?；跀?shù)值分析技術(shù)的CAE（Computeraidedengineering）方法，顯然不可能對我們的目標得到一個解析函數(shù)，

CAE計算所求得的結(jié)果只是一個數(shù)值。然而，樣條插值技術(shù)又使CAE中的優(yōu)化成為可能，多個數(shù)值點可以利用插值技術(shù)形成一條連續(xù)的可用函數(shù)表達的曲線或曲面，如此便回到了數(shù)學意義上的極值優(yōu)化技術(shù)上來。樣條插值方法當然是種近似方法，通常不可能得到目標函數(shù)的準確曲面，但利用上次計算的結(jié)果再次插值得到一個新的曲面，相鄰兩次得到的曲面的距離會越來越近，當它們的距離小到一定程度時，可以認為此時的曲面可以代表目標曲面。那么，該曲面的最小值，便可以認為是目標最優(yōu)值。以上就是CAE方法中的優(yōu)化處理過程。一個典型的CAE優(yōu)化過程通常需要經(jīng)過以下的步驟來完成：

（1）參數(shù)化建模：利用CAE軟件的參數(shù)化建模功能把將要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)（設(shè)計變量）定義為模型參數(shù)，為以后軟件修正模型提供可能。

（2）求解：對結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型進行加載與求解。

（3）后處理：把狀態(tài)變量（約束條件）和目標函數(shù)（優(yōu)化目標）提取出來供優(yōu)化處理器進行優(yōu)化參數(shù)評價。

（4）優(yōu)化參數(shù)評價：優(yōu)化處理器根據(jù)本次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)、設(shè)計變量、狀態(tài)變量及目標函數(shù)與上次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)作比較之后確定該次循環(huán)目標函數(shù)是否達到了最小，或者說結(jié)構(gòu)是否達到了最優(yōu)。如果最優(yōu)，完成迭代，退出優(yōu)化循環(huán)圈，否則，進行下步。

（5）根據(jù)已完成的優(yōu)化循環(huán)和當前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設(shè)計變量，重新投入循環(huán)。數(shù)值優(yōu)化的過程如圖1所示。

4 優(yōu)化技術(shù)研究現(xiàn)狀

在設(shè)計領(lǐng)域中，追求最優(yōu)的設(shè)計方案一直是設(shè)計人員不懈努力、奮斗不止的理想和目標，并且在長期的設(shè)計實際中產(chǎn)生了諸如進化優(yōu)化、直覺優(yōu)化、試驗探索優(yōu)化等一些優(yōu)化策略和方法，并在“設(shè)計———評價———再設(shè)計”的過程中，自覺或不自覺地利用經(jīng)驗、知識、圖解分析、黃金分割和分析數(shù)學等一些經(jīng)典的優(yōu)化方法進行優(yōu)化設(shè)計，解決了一些簡單的單變量的優(yōu)化設(shè)計問題。在此階段，沒有形成完整的優(yōu)化設(shè)計的理論體系，因而可稱它為古典優(yōu)化設(shè)計。

隨著近代數(shù)學的分支———數(shù)學規(guī)劃論的創(chuàng)立，特別是近50年來計算機及其計算技術(shù)的迅速發(fā)展，對工程設(shè)計中較復雜的一些優(yōu)化問題的計算有了重要的工具，并在航空航天、汽車和船舶等民生要害工業(yè)部門及一些重大工程設(shè)計的應(yīng)用中取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟效果，同時也促進了工程優(yōu)化設(shè)計理論和方法的發(fā)展，如開發(fā)出優(yōu)化方法程序庫、機構(gòu)與零部件優(yōu)化設(shè)計程序庫、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序庫等一些大型的工程優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用軟件，并結(jié)合工程優(yōu)化設(shè)計的特點，在多目標優(yōu)化、混合離散變量優(yōu)化、隨機變量優(yōu)化、模糊優(yōu)化以及人工智能、

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計等方面都獲得一些顯著的成果，逐步形成以計算機和優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)的近代優(yōu)化設(shè)計。

5 結(jié)束語

綜上所述：針對產(chǎn)品設(shè)計的過程，我們應(yīng)將優(yōu)化設(shè)計拓寬到產(chǎn)品的全系統(tǒng)、全性能和全生命周期的優(yōu)化，是適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計、CAD技術(shù)發(fā)展需求和在現(xiàn)代科學技術(shù)支持下的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的新發(fā)展。