关于机械优化设计中的可视化方法

马福全 张建华

【摘  要】机械优化设计是当代设计中的一个主要研究课题，更是机械领域中最优化计算的实际反映。然而，当代的机械优化设计技术变得越来越复杂，传统的可视化方法已无法满足复杂工程对象设计的要求，所以将可视化技术引入到机械优化设计中。

【关键词】机械优化设计;可视化;计算

引言

优化设计作为机械领域一种重要的设计方法，伴随着电子信息技术的不断发展，优化设计方法越来越先进，与此同时，工程设计问题也越来越多，这些都极大的限制了实际工程生产。而借助计算机信息技术，可视化设计方法的引进，能够将抽象的数字符号转化成直观的几何图形，极大的丰富了科学研究的过程，提高了机械生产工艺及生产效率，成为了当下机械设计优化方法的研究热点，可以说研究可视化计算理论，建立可视化系统平台，是现代机械生产优化的必然趋势。

1可视化优化建模的基本理论

传统的机械设计主要是采取形象设计方法，所有设计对象均是根据设计者的工作经验设计，并非以数据的方式呈现。如何将设计以数据化的方式表现，使设计者可以依据数据精准地评估每次的设计产品，这是值得所有机械设计工作人员不断探索与研究的一个重要课题。开展机械优化设计工作，首先必须构建优化的数学模型，同时必须保证数据所描述产品的真实性;其次，针对所设计的数学模型，不能为了追求细化而增加数学模型的复杂程度，以免加大后续科学计算的难度。具体地，可从以下三方面对一个数学模型的好坏进行评估。第一，设计变量。设计变量主要是指设计期间的参数，部分参数从完成数学模型构建后便可确立，还有部分参数必须在实际设计过程中结合现场的具体状况确立，如产品的应力、长度、截面尺寸等。针对不确定的变量，可采取可视化方法计算出与实际状况最接近的值，即最优值。第二，目标函数。数学模型构建过程中，目标函数的选择是较为重要的一个内容，也是评估数学模型好坏的一个重要量化指标。第三，约束函数。针对设计的方案必须制定某些约束条件，从而有效地优化设计方案。机械设计的约束函数主要包括两种：一是性能约束;二是边界约束。性能约束主要是指设计的规范，性能约束函数的计算可借助机械学、几何学以及物理学等基础知识;边界约束主要取决于机械产品设计中的刚度条件、震动、强度条件以及稳定性等。站在整体设计角度，不能过分追求性能约束与边界约束的范围，否则会陷入无限循环计算中。

2机械优化设计中可视化方法应用的必要性分析

可视化归属于计算方法的范畴，其能够借助图形对相关的物理现象进行描述，可使模型中的数学符号转化为各种几何图形，由此能使数据的表达更加直观、形象，有助于设计人员对计算过程进行模拟和交互控制。在传统的机械优化设计中，设计人员通常需要完成如下操作：对设计中变量的个数进行确定，依托优化问题构建数学模型，据此进行主程序的编制，并在主程序中选取包含优化方法的子程序，最后运行程序获得最优解。在相当长的一段时期内，机械工程设计领域中采用的都是这种方法。然而，通过实际应用后发现，该方法存在诸多的不足之处。比如，编写完的程序需要进行反复调试后才能使用，整个过程的工作量相对较大，耗时长，不利于效率的提升;又如，无法实现人机交互，致使设计人员不能实时了解优化的进展程度。近年来，随着技术的飞速发展，机械设备从最初简单的机器，变成了集光、机、电、液等多种先进于一身的产品，如果在机械设计中，仍然使用传统的优化方法，极有可能导致最终的设计无法满足实际需求。鉴于此，在机械优化设计中对可视化方法进行合理应用显得尤为必要。

3可视化方法在机械优化设计中的具体应用

可视化的实现过程模型、计算过程及结果是优化设计中的关键因素，所以可视化的方法应用，需要实现这三个环节的可视化。

3.1模型可视化

在可视化方法中，一个完整的数学模型应当至少包括两类函数，即目标与约束。设计人员可根据实际需要，对输入的目标函数进行增加或是删除，当所输入的目标函数达到要求之后，可通过点击界面中的确定按钮来完成输入。而数学模型中的约束函数即约束条件，它的输入与目标函数的方法基本相同，在此不进行累述。输入到数学模型中的函数全部都是以字符串的形式存在，需要将它们转化为可被计算机识别的图形，进而完成模型可视化。

3.2计算过程可视化

按照具体的设计问题，设置初始参数，当所有的参数输入完毕之后，设计人员可以点击界面中的确定按钮，进入优化算法的选择页面，在该页面当中有多种参数设计选项，点击参数设置进行选取，再点击确定便可进入到優化跟踪页面，最后点击确定，即可开始优化计算，此时设计人员可借助可视化软件，绘制出迭代次数与目标函数之间的关系图像，由此可直观地看到增加函数值后的变化情况，若是优化结果不符合要求，则可终止运行，重新对参数进行设定，并进行计算，直至达到最优化的目标为止。

3.3结果可视化

通过优化计算得出的结果中包含以下内容：初始数据值、迭代优化数据值以及优化结果数据值。在可视化的数学模型中，设计人员能够直观地看到这些数据值，由此可为进一步的分析研究提供参考依据。点击保存，可将优化后的结果以数据文件的形式存储到计算机系统当中。

4可视化优化软件的关键技术

传统的优化设计方法主要是优化设计机械机构与零部件。现阶段的优化设计方法主要分为以下两种。第一，机械优化设计中的遗传算法。在机械优化设计中采取遗传算法，在开始搜索最优结果时，主要是先开始搜索多个点，然后持续开展适应度的计算，淘汰掉适应度较差的点或数据，从而得到最优结果，而并非从某个点或某个数据着手。采取此种计算方法得到的点或数据更加趋近于最佳结果。第二，机械优化设计中的进化策略。进化策略是由最初的自然进化模型发展而成的，在机械优化设计中采取进化策略，所获得的结果主要取决于相应的目标函数，其主要是通过重组与随机变异数据获得全新的数据，从而得到最优的结果。对机械优化设计而言，遗传算法的设计思路等同于进化策略方法。

结语

总而言之，若要将可视化方法有效地使用于机械优化设计，必须借助强大的计算机硬件和软件设施。从目前的机械加工生产来看，机械优化设计人员必须充分掌握可视化方法的基础与理论，努力学好、掌握好可视化技术，这样才能在机械优化设计中科学、恰当地使用可视化方法，从而更快、更好地发展机械加工生产行业。

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（作者单位：沈阳远大智能高科机器人有限公司）