機械優(yōu)化設計理論方法研究綜述

摘 要：20世紀60年代至今，隨著最優(yōu)化原理和計算機技術的發(fā)展，優(yōu)化設計作為一門新學科，為工程設計提供了重要的科學依據(jù)。本文就當前機械優(yōu)化的發(fā)展情況，對機械優(yōu)化設計的基本思路、存在的問題及其在軟件方面應用作簡要敘述，并對發(fā)展前景作出展望。

關鍵詞：機械優(yōu)化設計；數(shù)字模型；優(yōu)化軟件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.018

1 引言

傳統(tǒng)的設計模式是“設計-評價-設計”的過程，設計者不得不加入類比和直觀判斷等一系列智力工作進行分析評價。這樣的設計方法不僅需要耗費大量的時間，還使得產(chǎn)品可能潛藏著較大的改進和提升的空間。近代科學與優(yōu)化設計方法的結合。為設計提供了高效、快速的優(yōu)勢，使設計人員在使用各種有效的方法上開辟了新的道路。

2 機械優(yōu)化設計應用

20世紀90年代起，優(yōu)化方法已在許多工業(yè)部門取得了重大的發(fā)展與廣泛的應用。下面所列是優(yōu)化設計在不同工程學科的應用。

（1）航空、航天工程的機械優(yōu)化設計（2）橋梁、建筑等土木工程的機械優(yōu)化設計（3）風力、水力等能源工業(yè)優(yōu)化設計（4）機械產(chǎn)品及零部件優(yōu)化設計（5）裝修、建筑領域優(yōu)化設計（6）化工處理、化學工業(yè)優(yōu)化設計（7）輕工紡織業(yè)、軍事工業(yè)優(yōu)化設計（8）汽車、地鐵運輸行業(yè)優(yōu)化設計（9）食品加工業(yè)機械優(yōu)化設計（10）通訊電子行業(yè)機械優(yōu)化設計（11）石油及石化行業(yè)機械優(yōu)化設計……

優(yōu)化設計方法還能應用到具體復雜典型問題的設計中，飛行器和宇航結構優(yōu)化設計；空間運載軌跡優(yōu)化設計；隨機載荷作用下的結構優(yōu)化設計；金屬加工條件選擇優(yōu)化設計；泵、渦輪和熱交換裝置優(yōu)化設計；電網(wǎng)優(yōu)化設計；統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和建立模型優(yōu)化設計；制造業(yè)管路網(wǎng)優(yōu)化設計；企業(yè)資源分配與利用優(yōu)化設計等。

3 機械優(yōu)化設計基本思路

目前，對于某項工程或產(chǎn)品進行優(yōu)化設計，還很難處理方案設計、全系統(tǒng)和全性能的優(yōu)化設計問題，一般只能在某個已確定設計方案的前提下，尋求使該方案達到最佳品質(zhì)、性能或使其達到預定目標的結構參數(shù)（設計參數(shù)）的最優(yōu)組合，因而有時又稱它為參數(shù)優(yōu)化設計。

優(yōu)化設計的一般實施步驟可概括為：

（1）由設計要求和目的定義來設計問題；（2）優(yōu)化設計數(shù)學模型的建立；（3）合適的優(yōu)化計算方法選用；（4）必要的數(shù)據(jù)和設計初始點的確定；（5）編寫計算機程序，其中包括數(shù)學模型和優(yōu)化算法。計算機的求解獲取最優(yōu)結構參數(shù)；（6）通過合理性和適用性分析結果數(shù)據(jù)和設計方案。

其中，最關鍵的是兩個方面的工作：首先將優(yōu)化設計問題抽象表述為計算機可以接受處理的優(yōu)化設計數(shù)學模型，通常簡稱它為優(yōu)化模型；然后選用優(yōu)化計算方法及計算機程序在計算機上求出這個模型的最優(yōu)解，一般簡稱它為優(yōu)化計算。

4 設計中值得重視的幾個問題

（1）設計變量選擇。1）設計變量應該由獨立參數(shù)組成；2）用最少數(shù)量的設計變量來闡述設計問題；3）應盡可能用較多的設計參數(shù)來闡述設計問題，然后再從中取幾個對設計指標影響較大的參數(shù)為設計變量。其余的定為常數(shù)，即根據(jù)設計規(guī)范和經(jīng)驗把其余參數(shù)定為固定的值。

（2）目標函數(shù)與約束的確定。多目標問題比較復雜，目前常見的處理這種問題的方法是將它們組成一個新的復合函數(shù)，例如采用線性加權和的形式。在解決優(yōu)化問題時，選擇正確的目標函數(shù)十分重要，它決定了整個優(yōu)化計算的難易程度。

約束條件是對設計變量取值關系和大小的限制條件，通常情況下，一個優(yōu)化設計問題的等式約束數(shù)必須少于設計變量的維數(shù)。

（3） 數(shù)學模型的確立。1）在模型中，若一個函數(shù)與任何一個設計變量都無關，則完全可以將其刪除。2）在建模時，其等式約束個數(shù)p必須少于設計變量維數(shù)n。當p>n時，在建模中將會存在一個超定方程組，這時建?？赡苁敲艿?，甚至是不合理的。3）當目標函數(shù)乘以一個正的常數(shù)c，它的優(yōu)化結果不變，僅改變目標函數(shù)值。

（4）數(shù)學模型的計算方法。求解數(shù)學模型的方法統(tǒng)稱為優(yōu)化方法。好的優(yōu)化方法有總的計算量少、精度高、邏輯結構簡單等要求。求解無約束非線性優(yōu)化問題的方法有數(shù)值法和解析法。求解約束非線性優(yōu)化問題的方法有直接法、間接法和用約束線性優(yōu)化去逼近約束非線性優(yōu)化方法。求解模糊優(yōu)化問題的方法統(tǒng)稱模糊優(yōu)化方法?，F(xiàn)代設計方法之一的遺傳算法，也是一種求解優(yōu)化問題的方法。

5 優(yōu)化設計在CAD中的應用

CAD技術在20世紀80年代以來得到廣泛應用，設計人員借助CAD系統(tǒng)進行設計工作，形成了一種全新的設計過程，即從電子數(shù)據(jù)處理開始，由幾何建模和圖形表達方式的變化到仿真技術和知識處理到最終發(fā)展到產(chǎn)品開發(fā)的最優(yōu)化和虛擬化。

專業(yè)機械CAD軟件系統(tǒng)由設計資源數(shù)據(jù)庫、圖形庫、方法庫等資源系統(tǒng)所組成。方法庫中包括機械常規(guī)設計方法、優(yōu)化設計方法、有限元分析、可靠性分析、動態(tài)分析等先進的設計分析方法庫。在CAD中應用優(yōu)化設計方法時，尤其迫切需要解決兩個關鍵問題：一是選擇適用的機械設計優(yōu)化方法，要弄清楚這種優(yōu)化方法的適用范圍及其使用的經(jīng)濟性；二是能自動的根據(jù)設計要求建立優(yōu)化設計的數(shù)學模型。這是CAD系統(tǒng)中進行優(yōu)化設計的關鍵技術。

6 設計展望

根據(jù)產(chǎn)品設計的全局，目前多數(shù)的優(yōu)化設計還僅僅停留在確定設計方案后的參數(shù)優(yōu)化計算方面。面向產(chǎn)品設計的過程，當中迫切需要解決的幾個問題是：

（1）其中面向產(chǎn)品的建模理論及技術，要利用多學科優(yōu)化建模。（2）三大依賴于21世紀計算智能的關鍵技術：模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡和進化計算。是一種協(xié)同算法，為了解決數(shù)學與非數(shù)學模型的計算處理，發(fā)展出能模仿人類大腦拓撲結構和思維方式，具有智能性、結構性、容錯性、并行性、自組織和自學習等許多優(yōu)良特性。（3）發(fā)展和完善產(chǎn)品設計各階段的分析、評價與決策系統(tǒng)。（4）發(fā)展和完善多學科面向產(chǎn)品協(xié)同優(yōu)化設計的軟件總體結構設計，軟硬件支持系統(tǒng)的運行方案。

參考文獻：

[1]梁尚明，殷國富主編.現(xiàn)代機械優(yōu)化設計方法[J].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[2]陳立周，俞必強主編.機械優(yōu)化設計方法[J].北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

作者簡介：楊厚林（1996-），男，湖北武漢人，本科。endprint