机械优化设计概述

摘要：机械优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新的学科，它将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。采用这种新的设计方法，人们可以从众多的设计方案中寻找出最佳的设计方案，从而大大提高设计的效率和质量。本文就当前机械优化设计的蓬勃发展情况，叙述了机械设计优化研究内容、机械优化设计的基本研究思路以及优化设计的理论方法，并对发展前景进行了展望。

关键词：研究内容；基本思路；常用方法；发展前景

引言

传统的设计方法通常在调查分析的基础上，参照同类产品通过估算、经验类比或试验来确定初始设计方案。然后根据初始设计方案的设计参数对进行强度、刚度、稳定性等性能分析计算，检查各性能是否满足设计指标要求。如果不完全满足性能指标的要求，设计人员将凭借经验或直观判断对参数进行修改。这样反复的进行分析计算—性能检验—参数修改，直到产品性能完全满足设计指标的要求为止。实践证明，按照传统设计方法作出的设计方案，大部分都有改进提高的余地，而不是最佳设计方案。优化设计是借助计算机技术，应用一些精确度较高的力学数值分析方法进行计算分析，并从大量的的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案，从而实现用理论设计代替经验设计，用精确计算代替近似计算，从而得到最优的可行方案，大大提高设计的效率和质量。

1 机械优化设计研究内容

机械优化设计是把数学规划理论与计算方法应用于机械设计，按照预定的目标，借助于电子计算机的运算寻求最优设计方案的有关参数，从而获得好的技术经济效果，是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论，方法和标准规范等建立一反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。作为一门新兴学科，它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上，通过计算机的数值计算，能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案，使期望的经济指标达到最优，它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题。采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。

2 机械优化设计基本研究思路

在保证基本机械性能的基础上，借助计算机，应用一些精度较高的力学和数学规划方法进行分析计算，让某项机械设计在规定的各种设计约束条件下，优选设计参数，使某项或几项设计指标（外观、形状、结构、重量、成本）等获得最优值。

机械优化设计的过程：

一、设计变量的确定

一个设计方案可以用一组基本参数的数值来表示，这些基本参数可以是构件长度、截面尺寸、某些点的坐标值等几何量，也可以是重量、截面二次矩、力或力矩等物理量，还可以是应力、变形、固有频率、效率等代表工作性能的导出量。但是对于某个具体的优化设计问题，并不是要求对所有的基本参数都用优化方法进行修正调改。例如，对某个机械结构进行优化设计，一些工艺、结构布置等方面的参数，或者某些工作性能的参数，可以根据已有的经验预先取为定值。这样对于这个设计方案来说，它们就成为了设计常数。而除此之外的基本参数，则需要在优化设计过程中不断进行修改、调整，一直处于变化的状态，这些基本参数称为设计变量，又叫做优化参数。

二、约束条件的确定

由n个设计变量为坐标所组成的实空间称为设计空间，设计空间是所有设计方案的总和，但这些设计方案有些是工程上所不能接受的。如果一个设计满足所有对它提出的要求，则称为可行设计。一个可行设计必须满足某些设计条件限制，这些限制条件称为约束条件，简称为约束。

三、目标函数的确定

在所有可行设计中，有些设计比另一些要“好些”，则这些设计相比那些较差的设计必定具备某些更好的性质。倘若这种性质可以表示成设计变量的一个可计算函数，则我们就可以考虑优化这个函数，则就可以考虑优化这个函数，以得到“更好的设计”。这个用来使设计得以优化的函数称为目标函数。目标函数可以是结构质量、体积、功耗、产量、成本或其他性能指标和经济指标等。

在明确设计变量、约束条件、目标函数之后，优化设计问题就可以抽象成数学模型。

3 机械优化的设计理论方法

传统的机械优化的设计理论方法形式和种类具有多样化，在机械的发展领域也有广泛的应用，根据机械优化设计的运算方法可以分为三大类，分别为线性规划，非线性规划和准则优化。

3.1 对线性规划的分析

运用数学的极值问题对機械进行优化设计的方法是线性规划方法，它是机械优化的设计理论方法中极其重要的一个方法，其中又可以分为序列线性的规划法和单纯形式两种方法，其中单纯形式是简答机械优化问题的最为直接和简单的一个方法，单纯形式对于单一的优化目标的分析有一定的作用，但是如果在多种函数之间进行运用，那优化效果不是很明显。而序列线性的规划法是把机械优化设计问题进行相应的拆分，对一些优化的模式进行相应的求解，进行分步求解的方式，在解答每一个问题之后再重新进行整合，并且重新求解，以达到解出最为准确的数值的目的，这样虽然对于机械优化的设计过程更准确，但是其工作量过大，步骤过于繁琐，无效率性可言，对于机械优化的设计理论方法并没有太大的用处。

3.2 对非线性规划的分析

在机械优化的设计理论方法中，非线性规划运用的较为广泛，它在机械优化的设计过程中有推动作用，全面的运用线性规划设计是较为片面的，而非线性规划对于机械优化设计的运用是一种革命的新方式，非线性规划的方式使机械优化的设计之中的主要构成部分。

3.3 对准则优化的分析

准则优化对于机械优化的设计是一种较为传统的表现方式，其原理是根据力学和物理学而进行分析的，其具有一定的主观性，但是它对于优化的概念更为的直观，而物理原理又相对的比较简单，在单一的目标函数下进行优化的效果较好，对于传统的机械工程优化更加的适合，但是在多种函数目标的优化时较为容易的出现一些问题，对机械优化的设计效率较低。

参考文献：

[1]陈波.机械优化设计理论方法研究综述[J].科技风.2014（09）：159.

[2]董立立，赵益萍，梁林泉，等.机械优化设计理论方法研究综述[J].机床与液压.2010（15）：114-119.

[3]孙靖民，梁迎春.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社，2012.5.

作者简介：盛浩（1998-），男，汉族，郑州大学机械工程学院2015级学生。