機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

黃一軒

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

關(guān)鍵詞：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得大量的機(jī)械制造要求要很高的技術(shù)水平，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作變得越來(lái)越復(fù)雜，要求考慮的內(nèi)容也越來(lái)越多，精確性和科學(xué)性都與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)有巨大差別。面對(duì)這種情況，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論應(yīng)運(yùn)而生，逐漸發(fā)展成為一種現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只是一種定性分析的結(jié)果，沒(méi)有經(jīng)過(guò)精確的理論計(jì)算，期間造成了很多人力，財(cái)力的浪費(fèi)，具有很大的改進(jìn)潛力。為此，一種現(xiàn)代的設(shè)計(jì)理念——優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生了。

1 傳統(tǒng)工業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法大多應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能和形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)優(yōu)化法，能夠?qū)偠群蛪簭澖M合強(qiáng)度結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)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(duì)部分兩岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確保持運(yùn)動(dòng)平衡性，提高了傳力性能。這樣看來(lái)，傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法依然能夠取得良好的效果，所以在機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)應(yīng)用

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

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)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(jì)使用。對(duì)于在線機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件來(lái)說(shuō)，亟待解決的問(wèn)題就是模型問(wèn)題，對(duì)于非常復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(jì)算對(duì)象比較模糊，運(yùn)算效率會(huì)受到嚴(yán)重的影響，這就給在線優(yōu)化軟件帶來(lái)了巨大的困難。為了解決這種情況，通過(guò)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(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的識(shí)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(guó)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(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化工作中。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)在MATLAB中的應(yīng)用

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

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(wèn)題，特別擅長(zhǎng)處理那些需要人直觀判斷的信息匱乏的問(wèn)題，如不完全數(shù)據(jù)集合，模糊信息以及高度復(fù)雜問(wèn)題等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

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

2.4 模糊優(yōu)化方法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用應(yīng)用模糊優(yōu)化理論能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)中的模糊因素和模糊主觀信息定量化，通過(guò)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(lái) “軟化”邊界條件，擴(kuò)大尋優(yōu)范圍和體現(xiàn)專家的經(jīng)驗(yàn)、觀點(diǎn)和某些公認(rèn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。把模糊技術(shù)應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)建模，其特長(zhǎng)不僅在于它善于表達(dá)模糊概念，處理模糊因素，而且還可將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)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(jì)模型對(duì)求解復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題具有重要意義。

3 總結(jié)

從上述可知機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門應(yīng)用前景十分廣泛的學(xué)科，無(wú)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(jì)算機(jī)后使計(jì)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。

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