機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用

黃一軒

摘 要：機械優(yōu)化設(shè)計是一門以數(shù)學(xué)計算為基礎(chǔ)，旨在優(yōu)化機械制造，設(shè)計，使設(shè)計達到最有利的學(xué)科，那么能看出來機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用前景是很廣泛的。本文本文主要介紹機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用和發(fā)展情況，從傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代化方法進行分析，以及討論未來優(yōu)化的發(fā)展情況。

關(guān)鍵詞：機械優(yōu)化設(shè)計；應(yīng)用

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得大量的機械制造要求要很高的技術(shù)水平，機械產(chǎn)品的設(shè)計工作變得越來越復(fù)雜，要求考慮的內(nèi)容也越來越多，精確性和科學(xué)性都與傳統(tǒng)機械設(shè)計有巨大差別。面對這種情況，機械優(yōu)化設(shè)計理論應(yīng)運而生，逐漸發(fā)展成為一種現(xiàn)代化的機械設(shè)計方法。傳統(tǒng)的設(shè)計方法只是一種定性分析的結(jié)果，沒有經(jīng)過精確的理論計算，期間造成了很多人力，財力的浪費，具有很大的改進潛力。為此，一種現(xiàn)代的設(shè)計理念——優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)生了。

1 傳統(tǒng)工業(yè)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法大多應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)和零件功能的優(yōu)化設(shè)計，針對機械結(jié)構(gòu)的性能和形態(tài)進行優(yōu)化。在機械結(jié)構(gòu)上，內(nèi)點罰函數(shù)優(yōu)化法，能夠?qū)偠群蛪簭澖M合強度結(jié)構(gòu)進行良好的優(yōu)化，既能夠滿足尺寸要求又能良好的控制結(jié)構(gòu)自重。在形態(tài)方面，典型的是軸對稱鍛造部件的毛坯形狀的優(yōu)化。在性能方面，采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法和黃金分割法對部分兩岸結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使得機械結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確保持運動平衡性，提高了傳力性能。這樣看來，傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法依然能夠取得良好的效果，所以在機械設(shè)計發(fā)展中不能忽略傳統(tǒng)優(yōu)化方法的

作用。

2 現(xiàn)代工業(yè)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

現(xiàn)代高新設(shè)計方法在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用已越來越廣泛。但應(yīng)該看到，現(xiàn)代的設(shè)計不僅僅是單一的完成給定產(chǎn)品的設(shè)計，而應(yīng)該要將產(chǎn)品使用及設(shè)備維修等因素統(tǒng)一進行考慮。所以，機械優(yōu)化設(shè)計在強調(diào)環(huán)保設(shè)計和可靠性設(shè)計等考慮綜合性因素的機械優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用工作更為活躍，機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，涉及到航空航天工程機械及通用機械與機床的機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到水利、橋梁和船舶機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到汽車和鐵路運輸行業(yè)及通訊行業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到輕工紡織行業(yè)、能源工業(yè)和軍事工業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到建筑領(lǐng)域機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到石油及石化行業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到食品機械等機械優(yōu)化設(shè)計。機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用還能夠解決具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)問題。

2.1 優(yōu)化設(shè)計網(wǎng)絡(luò)軟件的應(yīng)用

優(yōu)化算法的研究已經(jīng)有所成績，利用網(wǎng)絡(luò)平臺逐漸開發(fā)一些工業(yè)化在線優(yōu)化軟件，便于工業(yè)設(shè)計使用。對于在線機械優(yōu)化設(shè)計軟件來說，亟待解決的問題就是模型問題，對于非常復(fù)雜的系統(tǒng)來說，結(jié)構(gòu)、流程、物料和系統(tǒng)參數(shù)等，都非常復(fù)雜，如果計算對象比較模糊，運算效率會受到嚴(yán)重的影響，這就給在線優(yōu)化軟件帶來了巨大的困難。為了解決這種情況，通過合適的算法解決辨別模型，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和學(xué)習(xí)特點進行數(shù)據(jù)的識別，讓在線優(yōu)化軟件也能夠良好的應(yīng)用于各種模型，比如國內(nèi)比較成熟的 NEUMAX 軟件包，基于神經(jīng)遺傳算法的在線優(yōu)化軟件包，都能夠良好的實現(xiàn)各種模型的遺傳算法，這些軟件已經(jīng)成功應(yīng)用于甲醇合成機械設(shè)計的優(yōu)化工作中。

2.2 優(yōu)化設(shè)計在MATLAB中的應(yīng)用

在機械設(shè)計中引入優(yōu)化設(shè)計方法不僅能使設(shè)計的機械零件滿足性能要求，還能使其在某些特定方面達到最優(yōu)。利用 MATLAB優(yōu)化工具箱求解機械優(yōu)化設(shè)計問題不僅避免了傳統(tǒng)的設(shè)計方法中人工試湊、分析比較過程中的繁雜與重復(fù)，而且編程簡單、結(jié)果可靠。在上述實例中，利用 MATLAB 軟件中FEMINCON函數(shù)求解夾具設(shè)計問題，最 終設(shè)計的 夾具要比采用傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的質(zhì)量輕、成本低，并且設(shè)計效率高。

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人類模仿大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能而建立的一種信息處理系統(tǒng)，是理論化的人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從事例中學(xué)習(xí)，可以處理非線性問題，特別擅長處理那些需要人直觀判斷的信息匱乏的問題，如不完全數(shù)據(jù)集合，模糊信息以及高度復(fù)雜問題等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

Hopfield 網(wǎng)絡(luò) 2.BP 網(wǎng)絡(luò)

2.4 模糊優(yōu)化方法在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用應(yīng)用模糊優(yōu)化理論能夠?qū)⒃O(shè)計中的模糊因素和模糊主觀信息定量化，通過合理給定約束函數(shù)、目標(biāo)函數(shù)的容許值、期望值及其模糊分布 （隸屬函數(shù)） 來 “軟化”邊界條件，擴大尋優(yōu)范圍和體現(xiàn)專家的經(jīng)驗、觀點和某些公認的設(shè)計準(zhǔn)則。把模糊技術(shù)應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計建模，其特長不僅在于它善于表達模糊概念，處理模糊因素，而且還可將復(fù)雜問題簡化，使優(yōu)化模型更加合理。采用模糊理論建立優(yōu)化設(shè)計模型對求解復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計問題具有重要意義。

3 總結(jié)

從上述可知機械優(yōu)化設(shè)計是一門應(yīng)用前景十分廣泛的學(xué)科，無論是傳統(tǒng)還是現(xiàn)代方法都顯得尤為重要，特別是在應(yīng)用了計算機后使計算優(yōu)化更加智能方便，所以這是一門值得深入研究開發(fā)其應(yīng)用的學(xué)科。

參考文獻

[1] 唐小兵，沈成武，陳定方.遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，1999，5.

[2] 王瑾.面向環(huán)境的產(chǎn)品設(shè)計制造及應(yīng)用研究[J].機械管理開發(fā)，2011.

[3]陳 新.機械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計理論與方法.北京：機械工業(yè)出版社， 1997： 247～ 253