優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐解析

殷延海

摘 要 機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化是最優(yōu)化技術(shù)在設(shè)計(jì)應(yīng)用的應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心思想是按照機(jī)械設(shè)計(jì)的理論進(jìn)行的，根據(jù)其方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建立起一系列能夠反映工程實(shí)際問(wèn)題以及與數(shù)學(xué)規(guī)劃相匹配的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)查找出設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。本文從優(yōu)化設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異入手，分析二者之間的區(qū)別，并深入探究機(jī)械優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法、特征、思路和內(nèi)容，旨在進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)等輔助裝備的性能，促使現(xiàn)代機(jī)械朝著大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，滿足產(chǎn)品創(chuàng)新需求。

關(guān)鍵詞 優(yōu)化設(shè)計(jì);機(jī)械設(shè)計(jì);實(shí)踐

引言

從我國(guó)的機(jī)械化開(kāi)始發(fā)展依賴機(jī)械系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能以及機(jī)械加工等各個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究頗多，主要研究方向?yàn)槿绾翁岣邫C(jī)械性能、節(jié)約能源并降低成本和投入?，F(xiàn)階段我國(guó)已經(jīng)大致掌握了所常用的所有優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和基本程序，期望開(kāi)發(fā)出一些有著更高解題效率的程序，建立起專業(yè)且成熟的程序庫(kù)。

1優(yōu)化設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的差異

優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終目的就是最優(yōu)設(shè)計(jì)，需要利用數(shù)學(xué)手段創(chuàng)建能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的的優(yōu)化模型，在大量能夠落實(shí)的設(shè)計(jì)方案中選擇出最好的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，這一設(shè)計(jì)方案主要運(yùn)用到的手段便是計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)有著較快的運(yùn)行速度，再加上它可以從數(shù)量較多的方案中準(zhǔn)確挑選出最優(yōu)方案，即便在建模時(shí)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪m簡(jiǎn)化，或許會(huì)造成所得到結(jié)果不是完全可行或是實(shí)際最優(yōu)的，然而它以客觀規(guī)律和數(shù)據(jù)作為運(yùn)行基礎(chǔ)無(wú)須在設(shè)計(jì)中投入過(guò)多費(fèi)用，這表明它具備了經(jīng)驗(yàn)類比或是實(shí)驗(yàn)室段中所沒(méi)有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣追尋最優(yōu)結(jié)果，通常情況下以調(diào)查分析作為基準(zhǔn)，要按照設(shè)計(jì)中所需要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參照相似的工程設(shè)計(jì)，按照估算經(jīng)驗(yàn)對(duì)比以及實(shí)驗(yàn)構(gòu)思評(píng)價(jià)等尋優(yōu)步驟進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，從而保障方案的最優(yōu)化。隨后需要?jiǎng)偠葟?qiáng)度以及穩(wěn)定性等其他方面因素綜合考慮進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)有關(guān)實(shí)踐可以看出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中所存在的大量不足之處，需要進(jìn)一步進(jìn)行改善，最后結(jié)果基本上不能離開(kāi)初始設(shè)計(jì)的試驗(yàn)范圍[1]。

2現(xiàn)代機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

首先是反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本內(nèi)容大多是一些雙向相連的神經(jīng)元系統(tǒng)，每個(gè)神經(jīng)元之間的連接具有較為特別的權(quán)值，這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不管是輸出還是反饋都能對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一應(yīng)用，如此一來(lái)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)全部映射出來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化過(guò)程中則應(yīng)該與機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的最優(yōu)過(guò)程相對(duì)應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中找到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和相關(guān)問(wèn)題有著十分重要的含義。其次為多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是現(xiàn)階段中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中應(yīng)用較為廣泛的一種，它通過(guò)輸入層、隱層和輸出層，將模型輸入信息進(jìn)行單項(xiàng)的傳播輸出，在這個(gè)模型各種不論是層內(nèi)還是層間，都不存在反饋鏈接。多層向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著較高的運(yùn)算速度，非線性的映射能力十分突出，在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，能夠借助這一模型特點(diǎn)來(lái)對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行映射。不僅是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，有許多的專業(yè)數(shù)學(xué)軟件也都應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的工作中，例如有MATLAB，這是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的工程數(shù)據(jù)計(jì)算軟件，能夠?qū)⒂?jì)算問(wèn)題和實(shí)際問(wèn)題充分融合起來(lái)，這其中都配備了大量的工程函數(shù)，在解決了大部分的工程問(wèn)題時(shí)能夠節(jié)約很多時(shí)間，并保障計(jì)算結(jié)構(gòu)非常精準(zhǔn)，因此在自動(dòng)化控制和機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍十分廣泛[2]。

3優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用措施

3.1 提高機(jī)械產(chǎn)品附加值

機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品是一種自然屬性，然而其具備一定的商業(yè)價(jià)值，它屬于商品，這表明它會(huì)與市場(chǎng)發(fā)生關(guān)聯(lián)，且兩者之間關(guān)系緊密相互影響。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能夠進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)械產(chǎn)品的科技含量和技術(shù)附加值，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)來(lái)說(shuō)，這是提高經(jīng)濟(jì)效益的有效措施，比如說(shuō)隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及相互之間融合程度越來(lái)越高，機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化隨之形成，單純將它看作是普通商品，則商品要滿足價(jià)格最低、質(zhì)量最優(yōu)、科技水平含量最高，只有這樣商品才能在行業(yè)之中占據(jù)一席之地，取得人們的喜愛(ài)。因此設(shè)計(jì)企業(yè)應(yīng)追求這樣一種適合市場(chǎng)發(fā)展的產(chǎn)品，而這種產(chǎn)品需要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)得到，這表明優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠提升機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的記憶力，提高附加值，為機(jī)械設(shè)計(jì)單位和企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。在機(jī)械設(shè)計(jì)中每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)或多或少注入一種新技術(shù)，最終的機(jī)械產(chǎn)品富含科技水平能夠在市場(chǎng)中獲得較高評(píng)價(jià)，為企業(yè)帶來(lái)收益[3]。

3.2 滿足機(jī)械設(shè)計(jì)中優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本路徑

優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)提供質(zhì)量保障和經(jīng)濟(jì)效益，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)必須通過(guò)科學(xué)有序的設(shè)計(jì)方案落實(shí)，使之效果更加明顯。首先機(jī)械設(shè)計(jì)的一維搜索優(yōu)化方法，這一方法是現(xiàn)階段機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的典型代表，它以科學(xué)函數(shù)為理論基礎(chǔ)，利用搜索區(qū)間的精準(zhǔn)性，保障優(yōu)化方案的可靠性和有效性。一維搜索方法是一維問(wèn)題的基本解決方法，同時(shí)也是多維機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，多維機(jī)械設(shè)計(jì)以它為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化改革和調(diào)整。在現(xiàn)實(shí)情況中，機(jī)械設(shè)計(jì)大多都是多維的，因?yàn)榍闆r出現(xiàn)很少，然而這樣的情況恰好說(shuō)明了一維的重要性和基礎(chǔ)性，例如在數(shù)學(xué)中從0～9這10個(gè)數(shù)字，它們是數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，所有的數(shù)字組合都離不開(kāi)它們，可以說(shuō)它們是數(shù)學(xué)理論的細(xì)胞成分，除此之外，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)用到約束優(yōu)化方法和無(wú)約束優(yōu)化方法，在機(jī)械化設(shè)計(jì)中約束優(yōu)化這一方法使用頻率最高，除此之外機(jī)器優(yōu)化設(shè)計(jì)還可使用機(jī)械規(guī)劃的方法，通過(guò)多目標(biāo)離散變量?jī)?yōu)化方法進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和操作，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供更多可能性[4]。

4結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械設(shè)計(jì)要求的提高致使相關(guān)設(shè)計(jì)工作者要考慮的問(wèn)題越來(lái)越多，整體上都需要解決的問(wèn)題規(guī)模和復(fù)雜程度都有所提高和增強(qiáng)，在傳統(tǒng)優(yōu)化方法中的問(wèn)題紛紛暴露出來(lái)，局部?jī)?yōu)化和最優(yōu)解決方案不適用所有的大規(guī)模問(wèn)題設(shè)計(jì)，這造成機(jī)械設(shè)計(jì)工作者要不但豐富自身關(guān)于其他學(xué)科的理論知識(shí)，生成全新的機(jī)械設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)算法來(lái)解決一些程度復(fù)雜的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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