机械优化设计理论方法研究

郭永凤

摘 要：作为一种有效的现代化的设计方法，机械优化设计是若干设计方案中最有效的设计方案，提高了设计的效率和质量。现在机械优化设计变得越来越困难的原因是工程装备变得越来越复杂，所以找到新的优化理论设计方法成为了该领域的重要解决部分。在前人研究的基础上，解释优化设计的概念整理机械优化设计的特点及设计方法，描绘机械设计的前景。机械优化设计主要研究两方面的内容：建模和求解的过程。最优质参数的确立需要在设计过程中不断的筛选调整，以达到最优。优化设计的维数会影响设计工作的复杂程度，维数多就意味着难度系数大，但是经济效益以及社会效益会随之增加若干倍。

关键词：机械；优化设计；优化方法；创新理论

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）02-0083-02

1 机械优化设计理论概述

所谓优化设计，即利用计算机技术，应用高精确度的力学数值分析法来分析与计算，从若干符合给定的设计要求的可行方案中，按预定的指标自动进行选择，最终选出最优的设计方案。伴随计算机技术的发展，优化设计于二十世纪六十年代发展，构成了现代设计方法出现与兴起发展[1]。机械优化设计的综合性和实用性都很强，能够使机械设计更加可靠、高效，大大节约原材料降低成本。我国优化设计起步晚于国外，但通过大量科研人员与相关工作者的辛勤付出，机械优化设计迅猛发展，取得了可喜的成果，但是与国外先进的技术相比，差距在所难免，有效益的优化设计方案在总体设计方案中所占比例不高。计算机等先进仪器以及高超的技术使得机械设计和制造的应用得到了广泛的应用空间。

2 机械优化设计过程中的理论特点

2.1 针对性

机械优化设计在一定程度上具有针对性，相应的优化方式能够解决相应的问题，在特定领域满足特定的需求，解决需要解决的问题。对机械设计优化的过程中，要具体问题具体分析，参考数据，对其中制约的变量进行有效分析，使其结果达到最优的状态。

2.2 客观性

建立数学模型要遵循一定的客观性规律，这也是机械有化过程中要遵循的。建立数据模型的过程就是将一些优化设计问题转化成为数学问题，按照可行性分析，将问题的关键因素转化成数学变量，结合具体要求建立数学模型，分析变量数据，完善优化的形式[2]。

2.3 创新性

创新的力量不得不说，他关系个人的成长，企业的发展，社会的前进，只有创新，民族才会不断壮大成长。所以，机械在进行优化设计的时候也不能够离开创新力量，脱离保守迂腐的思想，更新完善传统优化设计没有创新的地方，使结果更加优化。传统的优化设计只能处理简单的工程问题，工作量大，复杂的问题解决不了。现代优化设计方法不同与传统优化方法，不需要选取设计变、约束条件、目标函数等，就能够获得全局性的解决办法，节约了人力、时间成本。

3 机械优化设计过程中的设计方法

3.1 优化准则

准则在一定程度上保留了传统的表现形式。结合物理学角度以及力学角度等进行有效分析，具有一定的主观性。更加直接的更新优化概念，在相应的物理学原理达到更简单的计算，在单一目标函数的情况下具有更好的优化效果，更加适合传统工程的应用。事物都有两面性，有利就有弊，弊端就是，在多目标函数好的情况下比较容易出现问题，大大降低优化效率。

3.2 对于线性规划

所谓线性规划，是机械优化设计的一种重要方法，有效运用及优化数学极值原理。线性规划方法可以分为单纯形式和有序列形式。单纯形式一开始由美国的专家提出，针对单一目标对优化设计方案提供了简单和直接的方法，并且具有优化的作用[3]。对于多函数的运算过程就显得不那么有效。序列线性形式在一定程度上将机械问题进行拆解，在将每一部分进行优化，对其整体分步骤的进行求解优化，最终对准确的数有效求解。这样做的目的会让机械优化设计更加准确、可靠。

3.3 对于非线性规则

非线性规则在实际生活中的应用非常广泛，推动了机械优化设计的过程进程。线性规划的求解是比较片面的，在此非线性规划的运用将查漏补缺。它在运算过程中不用约束直接法，也可以无约束间接法。无约束直接法在一定程度上是将机械优化设计中的现有数据进行分析，同时将再生信息试探分析，求出最优值。并且，无约束间接法是机械优化设计过程中重要的组成内容，是在利用数学原理的基础上对函数进行的求优方法。

4 机械优化设计的展望

优化设计的出现是设计质量有了保障，大大缩短了设计周期，前景应用广阔，必将在市场占有一席之地，成为机械设计必不可少的一个重要环节。现在，优化设计已经取得了不少的成就，不管是经济方面还是社会方面。但，工程应用上的成绩远比预期值要低很多。可以归纳为以下四点原因：①仅仅优化了参数和结构方面取得了有效的反馈，在方案的诸多方面比如设计、选取、决定有一定不足[4]。②数学建模方面需要很高的专业技能与知识积累，建模难度系数高，技术专业性强，更不用说在动态系统的应用了，及时数学模型建立起来，但其描述出来的东西很有限，错误率极高。③对于一些程序问题，如何做到有效的求解要求很高，更不用说复杂的和形态不稳定的设计了，很难求出全局最优解。④目前机械产品更新换代日新月异，对于复杂程度和性能的要求越来越高，这就需要创新力来帮助实现复杂化和多功能的机械优化设计，当然传统的优化设计早已跟不上时代潮流显得势单力薄，不能满足创新时代的需求。

以下几个方面能够有效提高优化设计的求解能力和使用效率：①实先从简单到复杂，从不分到整体的整合，整合优化，实现全过程的优化设计。②在研究方法方面，实现多角度、多方位的的优化研究，利用各个学科：力学、数学、物理学、计算机学、等，将各学科融合为一体服务于机械优化设计，形成新的求解理论体系；③建立有效的数学模型，寻求有效的目标函数和约束函数，向自动化、智能化的方向发展优化建模；④优化目前现有的计算方法，寻找新的创新性计算方法，产漏补缺，各取所长，发挥优势，相互结合解决复杂的机械设计问题；⑤优化程序，将每个程序的的編码优化简单，将集成环境优化改善。

5 结 语

机械优化设计将所有满足要求的设计方案中找出最优的方案，包括几个主要环节：数学建模、选择优化方法、分析结果。纵观机械优化设计的历史，相信每个人都会体会到新方法带来的效益，其发展迅速，并且取得了可喜的成绩。虽然存在建模难、选取优化方法难的难题，但是不能否认其前景的宽阔。研究机械化优化设计理论具有重要的理论意义和实际意义。经济时代的不断发展，计算机技术成为人们生活、学习、工作中不可或缺的一部分，计算机技术是的机械优化设计的应用得到了广泛的推广。同样也使得优化设计产业蒸蒸日上。有一点建议在机械优化设计领域，应注重理论和实际的相互结合，理论指导实践。实际生活中，优化问题已经波及到生活的方方面面，得到各个领域：科研、政府机关、产业部门等相关部门的重视。市场经济的不断发展，产品更新换代的周期短之又短，竞争激烈，企业追求高利润低成本，增强产品的竞争力，使得机械优化设计的应用会越来越广泛，得到的效益肯定也会越来越多。

参考文献：

[1] 孙全颖，王艺霖，杜须韦.遗传算法在机械优化设计中的应用研究[J].哈 尔滨理工大学学报，2015，（4）.

[2] 曾志华，虞伟建.ANSYS 结构优化技术在机械设计中的应用[J].航空制造技术，2013，（10）.

[3] 陈波.机械优化设计理论方法研究综述[J].科技风，2014，（9）.

[4] 孙靖民，梁迎春.机械优化设计[M].北京：科学出版社，2012.