机械优化设计方法基本理论
一、机械优化概述
机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的一门科学,它包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状的优化设计等诸多内容。该领域的研究和应用进展非常迅速,并且取得了可观的经济效益,在科技发达国家已将优化设计列为科技人员的基本职业训练项目。随着科技的发展,现代化机械优化设计方法主要以数学规划为核心,以计算机为工具,向着多变量、多目标、高效率、高精度方向发展。]1[
优化设计方法的分类优化设计的类别很多,从不同的角度出发,可以做出各种不同的分类。按目标函数的多少,可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法按维数,可分为一维优化设计方法和多维优化设计方法按约束情况,可分为无约束优化设计方法和约束优化设计方法按寻优途径,可分为数值法、解析法、图解法、实验法和情况研究法按优化设计问题能否用数学模型表达,可分为能用数学模型表达的优化设计问题其寻优途径为数学方法,如数学规划法、最优控制法等
1.1 设计变量
设计变量是指在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数,在优化过程中,这些参数就是自变量,一旦设计变量全部确定,设计方案也就完全确定了。设计变量的数目确定优化设计的维数,设计变量数目越多,设计空间的维数越大。优化设计工作越复杂,同时效益也越显著,因此在选择设计变量时。必须兼顾优化效果的显著性和优化过程的复杂性。
1.2 约束条件
约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件,按表达方式可分为等式约束和不等式约束。按性质分为性能约束和边界约束,按作用可分为起作用约束和不起作用约束。针对优化设计设计数学模型要素的不同情况,可将优化设计方法分类如下。约束条件的形式有显约束和隐约束两种,前者是对某个或某组设计变量的直接限制,后者则是对某个或某组变量的间接限制。等式约束对设计变量的约束严格,起着降低设计变量自由度的作用。优化设计的过程就是在设计变量的允许范围内,找出一组优化的设计变量值,使得目标函数达到最优值。
1.3 目标函数
目标函数反映设计变量间的相互关系,可以直接用来评价方案的好坏。根据其个数,优化设计间题可分为单目标优化问题和多目标优化问题。
在优化问题中,按照目标函数的数目,可以分为单目标函数优化问题和多目标函数优化问题。在机械优化设计中,最常见的是多目标函数优化,一般而言,目标函数越多,设计的综合效果越好,但问题求解越复杂。在实际的设计问题中,常常会遇到在多目标函数的某些目标之间存在矛盾的情况,这就要求设计者正确处理各目标函数之间的关系。对这类多目标函数的优化问题的研究,至今还没有单目标函数那样成熟,但有时可用一个目标函数表示若干个所需追求目标的加权和,从而把多目标函数问题转化为单目标函数问题进行求解。这时必须引入加权因子的概念,以平衡各项指标之间的相对重要性,以及它们在量纲和量级上的差异。]2[
二、优化设计方法的分类
优化设计的类别很多,从不同的角度出发,可以得出不同的分类。机械优化设计是通过优化方法确定机构、零件、件乃至整个机械系统的最佳参数和结构尺寸,从而使机械产品达到最佳性能,其数学模型一般包含以下3个要素:①设计变量即在优化过程中经过逐步调整,最后达到最优值的独立参数,其个数就是优化设计问题的维数。②目标函数,反映设计变量间的相互关系,可以直接用来评价方案的好坏,根据其个数优化设计问题可分为单目标优化问题和多目标优化问题。③约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件,按表达方式可分为等式约束和不等式约束,按性质分为性能约束和边界约束,按作用可分为起作用约束和不起作用约束。针对优化设计数学模型要素的不同情况,可将优化设计方法分类如下:
1)按目标函数的多少,可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法。
2)按维数可分为一维优化设计方法和多维优化设计方法。
3)按约束情况可分为无约束优化设计方法和约束优化设计方法。
4)按寻优途径可分为数值法、析法、解法、验法和情况研究法。
5)按优化设计问题能否用数学模型表达,
三、优化设计方法的评判指标
优化设计方法的选择是解决优化设计问题的前提,选用哪个方法好,需视优化设计方法的特性和实际设计问题具体情况而定。一般来说评价一种优化设计方法的优劣可以从以下几个方面进行考察。
1)可靠性,指在合理精度要求下 ,在一定时间内求解各种不同类型问题的成功率
2)精度
3)效率,指对同一问题、统一精度要求和同一初始点的情况下,所需的机时数或函数求值次数,即相同条件下的计算成本。计算效率是影响计算成功主要因素之一
4)通用性,指是否有对函数性态的限制,占用内存的限制等,方法的使用范围及其对各类优化设计问题的适用性
5)稳定性,指方法的求解稳定性
6)全局收敛法,指方法是否会陷入局部最优。优化设计方法的适应性和收敛性影响计算效率,对整个优化设计有着重要影响。实践证明任何一种优化设计方法都不可能在计算全过程中均保持较好的收敛性
7)初始条件敏感性,指初始条件对能否收敛到最优的影响程度。如果即使从一个不好的初始点出发也能够收敛到最优解,则说明其初始条件敏感性低
8)多变量敏感性,指设计变量的个数即维数的敏感程度,特别是对于直接法求解的优化方法,设计变量过多将会导致计算工作量加大,计算精度降低。
9)约束敏感性,指对约束条件多少的敏感程度。约束条件过多导致设计空间减小,多变量敏感性加大,使计算过程的稳定性降低]16[
结语:
总之 ,每一种优化设计方法都是针对某一类问题而产生的,都有各自的特点,都有各自的应用领域,机械优化设计就是在给定的载荷和环境下,在对机械产品的性能、几何尺寸关系或其它因素的限制(约束)范围内,选取设计变量,建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设计方法,其方法多样依据不同情形选择合理的优化方法才能更简便高效的达到目标。
基于MATLAB工具箱的机械优化设计 长江大学机械工程学院机械11005班刘刚 摘要:机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法,能从众多的设计方案中找出最佳方案,从而大大提高设计效率和质量。本文系统介绍了机械优化设计的研究内容及常规数学模型建立的方法,同时本文通过应用实例列举出了MATLAB 在工程上的应用。 关键词:机械优化设计;应用实例;MATLAB工具箱;优化目标 优化设计是20世纪60年代随计算机技术发展起来的一门新学科, 是构成和推进现代设计方法产生与发展的重要内容。机械优化设计是综合性和实用性都很强的理论和技术, 为机械设计提供了一种可靠、高效的科学设计方法, 使设计者由被动地分析、校核进入主动设计, 能节约原材料, 降低成本, 缩短设计周期, 提高设计效率和水平, 提升企业竞争力、经济效益与社会效益。国内外相关学者和科研人员对优化设计理论方法及其应用研究十分重视, 并开展了大量工作, 其基本理论和求解手段已逐渐成熟。 国内优化设计起步较晚, 但在众多学者和科研人员的不懈努力下, 机械优化设计发展迅猛, 在理论上和工程应用中都取得了很大进步和丰硕成果, 但与国外先进优化技术相比还存在一定差距, 在实际工程中发挥效益的优化设计方案或设计结果所占比例不大。计算机等辅助设备性能的提高、科技与市场的双重驱动, 使得优化技术在机械设计和制造中的应用得到了长足发展, 遗传算法、神经网络、粒子群法等智能优化方法也在优化设计中得到了成功应用。目前, 优化设计已成为航空航天、汽车制造等很多行业生产过程的一个必须且至关重要的环节。 一、机械优化设计研究内容概述 机械优化设计是一种现代、科学的设计方法, 集思考、绘图、计算、实验于一体, 其结果不仅“可行”, 而且“最优”。该“最优”是相对的, 随着科技的发展以及设计条件的改变, 最优标准也将发生变化。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化, 要求人们根据事物的客观规律, 在一定的物质基和技术条件下充分发挥人的主观能动性, 得出最优的设计方案。 优化设计的思想是最优设计, 利用数学手段建立满足设计要求优化模型; 方法是优化方法, 使方案参数沿着方案更好的方向自动调整, 以从众多可行设计方案中选出最优方案; 手段是计算机, 计算机运算速度极快, 能够从大量方案中选出“最优方案“。尽管建模时需作适当简化, 可能使结果不一定完全可行或实际最优, 但其基于客观规律和数据, 又不需要太多费用, 因此具有经验类比或试验手段无可比拟的优点, 如果再辅之以适当经验和试验, 就能得到一个较圆满的优化设计结果。 传统设计也追求最优结果, 通常在调查分析基础上, 根据设计要求和实践
机械优化设计综述与应用 苟晓明 (重庆理工大学重庆汽车学院,重庆市400054) 摘要:机械优化设计是一门实践性很强的综合性学科,在现代机械设计中占有非常重要的地位,其应用价值十分高,是非常有发展潜力的研究方向。文章对机械优化设计的基本理论,基本研究思路、优化设计方法、软件的应用情况以及应用中可能遇到的问题等分别进行了简述,分析了优化设计应用的发展趋势。并应用Matlab优化工具箱对产品进行了优化设计应用实例分析。 关键词:机械优化设计;优化方法;蜗杆传动;Matlab Summary of Mechanical Optimal Design and Application GOU Xiao Ming (Chongqing University of Technology, Chongqing Automobile Institute,Chongqing,400054,Chain) Abstract: Mechanical optimal design is a very practical comprehensive discipline, it plays a very important role in modern mechanical design. Its value is very high, and is very promising research direction. This article summarized the basic theory of optimal design, research ideas, optimal design method, the application of software and possible problems in use the software. Analyze the application and trends of optimization methods. And use Matlab optimization toolbox to analyze the optimal design of products. Key words:mechanical optimal design; optimization method;worm transmission; Matlab 0 引言 优化设计是20世纪60年代发展起来的,以数学规划理论为基础,根据最优化的原理和方法,应用计算机技术,寻求最优设计参数的一种新方法,为工程设计提供了一种重要的科学设计方法。优化设计首先需根据工程需要将实际问题转化成数学模型,然后选择合理的优化方法,通过计算机求得最优解。能使设计周期大大缩短,提高计算精度、设计效率和设计质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域,它已广泛应用于各个工业部门,已成为设计方法的一个重要发展趋势。 1 优化设计基本概念 机械优化设计就是在满足给定的载荷、环境条件、产品的形态、几何尺寸关系或其它约束条件下,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立目标函数和约束条件, 利用数值优化计算方法使目标函数获得最优设计方案一 种现代设计方法]3 1[ 。进行最优化设计时,首先必须将实际问题加以数学描述,形成一组由数学表达式组成的数学模型,然后选择一种最优化数值计算方法和计算机程序,在计算机上运算求解,得到一组由数学表达式组成的最优设计参数。利用优化设计,可进一步改善和提高产品的性能;在满足各种设计条件下减少产品或工程结构重量,从而节省产品成本消耗、降低工程造价;可以进一步提高产品或工程设计效率。因此,优化设计是直接提高产品设计性能、降低产品成本的有效设计方法。优化设计可给企业带来直接的经济效益,从而提高企业产品的竞争能力。 优化设计的目标是使设计对象最优,而优化设计的手段是计算机及优化计算软件。优化计算软件是以优化计算方法为基础而形成的应用程序系统。因此,优化设计还可以被理解为采用计算程序的从设计空间搜索最佳设计方案的现代设计手段。优化设计与常规设计相比具有借助计算机为工具的明显特征。优化设计中优化计算方法的数学基础包括线性规划、非线性规划、动态规划、几何规划等内容的数学规划理论。 优化设计一般包含如下主要内容:①将设计中的实际物理模型抽象为数学模型。确定设计过程中主要的设计目标和设计条件,在此基础上构造评价设计方案的目标函数和约束条件等。②数学模型的求解。根据数学模型的性质,选择合适的优化方法,并利用计算机进行数学模型的求解,得到优化设计方案。 任何机械设计问题,总是要求满足一定的工作条件、载荷和工艺等方面要求,并在强度、刚度、
浅析机械优化设计方法基本理论 【摘要】在机械优化设计的实践中,机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法,能从众多的设计方案中找出最佳方案,从而大大提高设计的效率和质量。每一种优化方法都是针对某一种问题而产生的,都有各自的特点和各自的应用领城。在综合大量文献的基础上,总结机械优化设计的特点,着重分析常用的机械优化设计方法,包括无约束优化设计方法、约束优化设计方法、基因遗传算方法等并提出评判的主 要性能指标。 【关键词】机械;优化设计;方法特点;评价指标 一、机械优化概述 机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的一门科学,它包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状的优化设计等诸多内容。该领域的研究和应用进展非常迅速,并且取得了可观的经济效益,在科技发达国家已将优化设计列为科技人员的基本职业训练项目。随着科技的发展,现代化机械优化设计方法主要以数学规划为核心,以计算机为工具,向着多变量、多目标、高效率、高精度方向发展。]1[ 优化设计方法的分类优化设计的类别很多,从不同的角度出发,可以做出各种不同的分类。按目标函数的多少,可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法按维数,可分为一维优化设计方法和多维优化设计方法按约束情况,可分为无约束优化设计方法和约束优化设计方法按寻优途径,可分为数值法、解析法、图解法、实验法和情况研究法按优化设计问题能否用数学模型表达,可分为能用数学模型表达的优化设计问题其寻优途径为数学方法,如数学规划法、最优控制法等。 1.1 设计变量 设计变量是指在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数,在优化过程中,这些参数就是自变量,一旦设计变量全部确定,设计方案也就完全确定了。设计变量的数目确定优化设计的维数,设计变量数目越多,设计空间的维数越大。优化设计工作越复杂,同时效益也越显著,因此在选择设计变量时。必须兼顾优化效果的显著性和优化过程的复杂性。
机械优化设计——复合形方法及源程序 (一) 题目:用复合形法求约束优化问题 ()()()2221645min -+-=x x x f ;0642 2211≤--=x x g ;01013≤-=x g 的最优解。 基本思路:在可行域中构造一个具有K 个顶点的初始复合形。对该复合形各顶点的目标函数值进行比较,找到目标函数值最大的顶点(即最坏点),然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行的新点,并用此点代替最坏点,构成新的复合形,复合形的形状每改变一次,就向最优点移动一步,直至逼近最优点。 (二) 复合形法的计算步骤 1)选择复合形的顶点数k ,一般取n k n 21≤≤+,在可行域内构成具有k 个顶点的初始复合形。 2)计算复合形个顶点的目标函数值,比较其大小,找出最好点x L 、最坏点x H 、及此坏点x G .. 3)计算除去最坏点x H 以外的(k-1)个顶点的中心x C 。判别x C 是否可行,若x C 为可行点,则转步骤4);若x C 为非可行点,则重新确定设计变量的下限和上限值,即令C L x b x a ==,,然后转步骤1),重新构造初始复合形。 4)按式()H C C R x x x x -+=α计算反射点x R,必要时改变反射系数α的值,直至反射成功,即满足式()()()()H R R j x f x f m j x g ?=≤;,2,1,0,。然后x R以取代x H,构成新的复合形。 5)若收敛条件()()[] ε≤?? ? ?????--∑=2 1 1211k j L j x f x f k 得到满足,计算终止。约束最优解为:() ()L L x f x f x x ==*,*。 (三) 复合形法程序框图见下图: