机械优化设计理论方法研究综述

摘 要：20世纪60年代至今，随着最优化原理和计算机技术的发展，优化设计作为一门新学科，为工程设计提供了重要的科学依据。本文就当前机械优化的发展情况，对机械优化设计的基本思路、存在的问题及其在软件方面应用作简要叙述，并对发展前景作出展望。

关键词：机械优化设计；数字模型；优化软件

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

1 引言

传统的设计模式是“设计-评价-设计”的过程，设计者不得不加入类比和直观判断等一系列智力工作进行分析评价。这样的设计方法不仅需要耗费大量的时间，还使得产品可能潜藏着较大的改进和提升的空间。近代科学与优化设计方法的结合。为设计提供了高效、快速的优势，使设计人员在使用各种有效的方法上开辟了新的道路。

2 机械优化设计应用

20世纪90年代起，优化方法已在许多工业部门取得了重大的发展与广泛的应用。下面所列是优化设计在不同工程学科的应用。

（1）航空、航天工程的机械优化设计（2）桥梁、建筑等土木工程的机械优化设计（3）风力、水力等能源工业优化设计（4）机械产品及零部件优化设计（5）装修、建筑领域优化设计（6）化工处理、化学工业优化设计（7）轻工纺织业、军事工业优化设计（8）汽车、地铁运输行业优化设计（9）食品加工业机械优化设计（10）通讯电子行业机械优化设计（11）石油及石化行业机械优化设计……

优化设计方法还能应用到具体复杂典型问题的设计中，飞行器和宇航结构优化设计；空间运载轨迹优化设计；随机载荷作用下的结构优化设计；金属加工条件选择优化设计；泵、涡轮和热交换装置优化设计；电网优化设计；统计数据分析和建立模型优化设计；制造业管路网优化设计；企业资源分配与利用优化设计等。

3 机械优化设计基本思路

目前，对于某项工程或产品进行优化设计，还很难处理方案设计、全系统和全性能的优化设计问题，一般只能在某个已确定设计方案的前提下，寻求使该方案达到最佳品质、性能或使其达到预定目标的结构参数（设计参数）的最优组合，因而有时又称它为参数优化设计。

优化设计的一般实施步骤可概括为：

（1）由设计要求和目的定义来设计问题；（2）优化设计数学模型的建立；（3）合适的优化计算方法选用；（4）必要的数据和设计初始点的确定；（5）编写计算机程序，其中包括数学模型和优化算法。计算机的求解获取最优结构参数；（6）通过合理性和适用性分析结果数据和设计方案。

其中，最关键的是两个方面的工作：首先将优化设计问题抽象表述为计算机可以接受处理的优化设计数学模型，通常简称它为优化模型；然后选用优化计算方法及计算机程序在计算机上求出这个模型的最优解，一般简称它为优化计算。

4 设计中值得重视的几个问题

（1）設计变量选择。1）设计变量应该由独立参数组成；2）用最少数量的设计变量来阐述设计问题；3）应尽可能用较多的设计参数来阐述设计问题，然后再从中取几个对设计指标影响较大的参数为设计变量。其余的定为常数，即根据设计规范和经验把其余参数定为固定的值。

（2）目标函数与约束的确定。多目标问题比较复杂，目前常见的处理这种问题的方法是将它们组成一个新的复合函数，例如采用线性加权和的形式。在解决优化问题时，选择正确的目标函数十分重要，它决定了整个优化计算的难易程度。

约束条件是对设计变量取值关系和大小的限制条件，通常情况下，一个优化设计问题的等式约束数必须少于设计变量的维数。

（3） 数学模型的确立。1）在模型中，若一个函数与任何一个设计变量都无关，则完全可以将其删除。2）在建模时，其等式约束个数p必须少于设计变量维数n。当p>n时，在建模中将会存在一个超定方程组，这时建模可能是矛盾的，甚至是不合理的。3）当目标函数乘以一个正的常数c，它的优化结果不变，仅改变目标函数值。

（4）数学模型的计算方法。求解数学模型的方法统称为优化方法。好的优化方法有总的计算量少、精度高、逻辑结构简单等要求。求解无约束非线性优化问题的方法有数值法和解析法。求解约束非线性优化问题的方法有直接法、间接法和用约束线性优化去逼近约束非线性优化方法。求解模糊优化问题的方法统称模糊优化方法。现代设计方法之一的遗传算法，也是一种求解优化问题的方法。

5 优化设计在CAD中的应用

CAD技术在20世纪80年代以来得到广泛应用，设计人员借助CAD系统进行设计工作，形成了一种全新的设计过程，即从电子数据处理开始，由几何建模和图形表达方式的变化到仿真技术和知识处理到最终发展到产品开发的最优化和虚拟化。

专业机械CAD软件系统由设计资源数据库、图形库、方法库等资源系统所组成。方法库中包括机械常规设计方法、优化设计方法、有限元分析、可靠性分析、动态分析等先进的设计分析方法库。在CAD中应用优化设计方法时，尤其迫切需要解决两个关键问题：一是选择适用的机械设计优化方法，要弄清楚这种优化方法的适用范围及其使用的经济性；二是能自动的根据设计要求建立优化设计的数学模型。这是CAD系统中进行优化设计的关键技术。

6 设计展望

根据产品设计的全局，目前多数的优化设计还仅仅停留在确定设计方案后的参数优化计算方面。面向产品设计的过程，当中迫切需要解决的几个问题是：

（1）其中面向产品的建模理论及技术，要利用多学科优化建模。（2）三大依赖于21世纪计算智能的关键技术：模糊理论、神经网络和进化计算。是一种协同算法，为了解决数学与非数学模型的计算处理，发展出能模仿人类大脑拓扑结构和思维方式，具有智能性、结构性、容错性、并行性、自组织和自学习等许多优良特性。（3）发展和完善产品设计各阶段的分析、评价与决策系统。（4）发展和完善多学科面向产品协同优化设计的软件总体结构设计，软硬件支持系统的运行方案。

参考文献：

[1]梁尚明，殷国富主编.现代机械优化设计方法[J].北京：化学工业出版社，2005.

[2]陈立周，俞必强主编.机械优化设计方法[J].北京：冶金工业出版社，2014.

作者简介：杨厚林（1996-），男，湖北武汉人，本科。endprint