機械設(shè)計中的優(yōu)化設(shè)計與決策分析

楊磊

（淮安中綠園林機械制造有限公司，江蘇 淮安　223300）

機械設(shè)計中的優(yōu)化設(shè)計與決策分析

楊磊

（淮安中綠園林機械制造有限公司，江蘇 淮安223300）

機械優(yōu)化設(shè)計是結(jié)合先進的設(shè)計理論和優(yōu)化求解方法的一種新的設(shè)計概念，對減小機械尺寸、設(shè)計周期、材料等具有重要作用。文章介紹了優(yōu)化設(shè)計方面的研究內(nèi)容，并對現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計求解方法做出說明，闡述了優(yōu)化設(shè)計的決策方法和原則，對機械設(shè)計領(lǐng)域決策設(shè)計具有參考意義。

機械設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；決策分析；方法原則

1　優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計內(nèi)容

優(yōu)化設(shè)計的目標是多樣的，對于具體的結(jié)構(gòu)而言，優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化目標可以是加工時間最短、材料最省、結(jié)構(gòu)尺寸最小、運動性能最優(yōu)等。優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容也反應(yīng)了人類在追求最優(yōu)的性能要求，對機械設(shè)計具有較深的理解和認識。在工程設(shè)計中，由于優(yōu)化的結(jié)果不一定滿足制造要求或者實際無法達到，所以工程領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計往往只是滿足使用要求的基礎(chǔ)上減少材料和結(jié)構(gòu)尺寸。傳統(tǒng)的機械設(shè)計大多依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗，或者是實驗?zāi)M對比，但是這種設(shè)計需要耗費大量的人力物力，設(shè)計周期長，計算量大且重復(fù)工作現(xiàn)象嚴重。

優(yōu)化設(shè)計通常需要決策變量，決策變量即是導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)變異性的因素。決策變量確定后就是確定目標函數(shù)、約束條件，然后建立優(yōu)化模型，最后優(yōu)化求解。目標函數(shù)容易確定，約束條件的表達也相對簡單，但是注意到求解的困難程度，約束條件是不易確定的，且復(fù)雜的非線性約束表達對于求解時非常不利的。所以許多學(xué)者對復(fù)雜非線性系統(tǒng)求解提出了現(xiàn)代先進的求解方法。

2　優(yōu)化設(shè)計理論與方法

現(xiàn)代設(shè)計通過計算機編程，許多基礎(chǔ)的構(gòu)件均可以進行模型化處理。比如對于桿件設(shè)計，只需要添加桿長條件的約束，滿足使用條件的情況下優(yōu)化桿的各長度，在計算機中實現(xiàn)設(shè)計，直接輸出桿的長度參數(shù)，減少了多次復(fù)雜計算，設(shè)計過程簡單。通過整理文獻，這里列出傳統(tǒng)的機械優(yōu)化設(shè)計理論和現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計的智能算法，如表1所示。

表1　優(yōu)化設(shè)計理論與設(shè)計方法

上面的優(yōu)化設(shè)計方法需要與計算機結(jié)合，因為設(shè)計優(yōu)化模型時較為容易，且目標函數(shù)有約束條件通常具有復(fù)雜的非線性關(guān)系，對于工程實際問題，約束條件就顯得非常繁多。優(yōu)化設(shè)計對于提高設(shè)計精度、保證設(shè)計的效率和質(zhì)量是非常重要的，但是考慮到現(xiàn)實生活的

社會效益和經(jīng)濟效益，工程領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計所需要的約束條件更多。目前優(yōu)化設(shè)計方法理論雖然快速發(fā)展，但是模型求解困難，效果不好。主要原因有：第一，優(yōu)化參數(shù)選擇方面受到限制；第二，數(shù)學(xué)模型和機械設(shè)計理論知識水平要求高，建模難度大，系統(tǒng)誤差大；第三，目前的求解算法不足，算法復(fù)雜度高，求解結(jié)果不易達到全局最優(yōu)，造成部分優(yōu)化效果不明顯；第四，機械性能提高對優(yōu)化設(shè)計提出更高的要求，系統(tǒng)性能數(shù)學(xué)描述不足，多目標難以處理等對優(yōu)化結(jié)果造成影響。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)變異性時，我們就是要進行決策處理，如圖1所示。

圖1　桿件結(jié)構(gòu)示意圖

在圖1中，LAB、LAB'、LBC'、LB'C的長度不同，但是對于四連桿的運動均沒有影響，即可以滿足一定的使用情況，但是由于桿件的長度尺寸不同，所以設(shè)計的原則應(yīng)該是：

L=min｛LAB+LBC'+LAB'+LB'C｝

其中桿的長度由設(shè)計師給出。系統(tǒng)的決策方法很多，通常對一個已經(jīng)設(shè)計好的系統(tǒng)可以進行層次分析法和模糊綜合評價來評價系統(tǒng)性能的好壞，而最終的決策就是通過評價結(jié)果確定的。

3　結(jié)語

優(yōu)化設(shè)計理論發(fā)展迅速，我國許多部門的相關(guān)人員從事這方面的研究，并且取得了一定的成果。在未來計算機發(fā)展和智能算法不斷進步的信息時代，優(yōu)化設(shè)計將成為機械工程領(lǐng)域的主流方法。系統(tǒng)的變異性和優(yōu)化決策是無處不在的，優(yōu)化設(shè)計將為未來制造業(yè)減少巨大的能源。

［1］白新理.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［M］.河南：黃河水利出版社，2008.

［2］王科社.機械優(yōu)化設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［3］王玉新.復(fù)雜機械系統(tǒng)快速創(chuàng)新設(shè)計［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［4］秦東晨，陳江義，胡濱生，等.機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的綜述與展望［J］.中國科技信息，2005，（9）：90-91.

Optimization Design and Decision Analysis in Mechanical Design

YANG Lei
（Huaian Zhonglv Garden Machinery Manufacturing co.，LTD.，Huaian，Jiangsu 223300，China）

Mechanical optimization design is a new design concept that combines with the advanced design theory and optimization method，it has an important role to reduce the size of the machinery，the design cycle and material.This paperintroduces the research content of optimization designandmodern optimization design method，elaborates the design optimization decision method and the principle，which are significant to the field of mechanical design design decisions.

mechanical design；optimization design；decision analysis；method principle

TH122

A

2095-980X（2016）04-0082-01

2016-03-27

楊磊（1984-），男，江蘇淮安人，大學(xué)本科，助理工程師，主要研究方向：園林機械的設(shè)計及制造。