基于机械优化设计的分析

1、基于机械优化设计的分析 摘 要：优化设计理论与方法用于工程设计是在60年代后期开始的，我国则从70年代中期才开始有关研究。20余年的工程优化的设计理论与方法的研究与实践，使传统的工程设计方法发生了根本性变革，从而把经验的、感性的、类比的传统设计方法转化为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法。特别是近年来，随着有限元素法、可靠性设计、计算机辅助设计（cad）的理论与方法的发展及与优化设计方法的综合应用，是整个工程设计过程逐步向自动化、集成化、智能化发展，其前景是令人鼓舞的。 关键词：机械；优化设计；参数化；数学规划；可靠性设计。 一、优化设计的基本理论 优化设计是现代化设计方法的重要内容之一

2、。它以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下，需求满足预定目标的最佳设计。优化设计能比较好的把现代设计理论和经过长期实践验证的设计内容结合起来。这种技术在设计领域中具有巨大的应用潜力，它的推广应用，对促进我国设计工作现代化，起到良好的作用。 优化设计能够成功的解决解析等其他方法难以解决的复杂问题，为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，大大提高了设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面：一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型，建立数学模型包括：选取适当的设计变量，建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标

3、和设计变量之间的函数关系式，约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系；二是如何求得该数学模型的最优解；可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值问题。机械优化设计就是在给定载荷或环境下，在机械产品的形态、几何尺寸关系或其他因素的限制范围内，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，并使目标函数获得最优值一种现代设计方法，目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。 二、机械优化设计特点 传统设计者采用的是经验类比的设计方法。其设计过程可概括为“设计分析再设计”的过程，即首先根据设计任务及要求进行调查，研究和搜集有关资料，参照相同或类

4、比现有的、已完成的较为成熟的设计方案，凭借设计者的经验，辅以必要的分析及计算，确定一个合适的设计方案，并通过估算，初步确定有关参数；然后对初定方案进行必要的分析及校核计算；如果某些设计要求得不到满足，则可进行设计方案的修改，并再一次进行分析及较和计算，如此反复，直到获得满意的设计方案为止。这个设计过程是人工试凑与类比分析的过程，不仅需要花费较多的设计时间，增长设计周期，而且只限于在少数几个候选方案中进行比较。 机械优化设计具备常规设计不具备的特点，主要表现两个方面： 1）优化设计能使各种设计参数自动向更优的方向进行调整，直至找到一个尽可能完善的或最合适的设计方案。 2）优化设计的手段是采用电子

5、计算机，在较短的时间内从大量的方案中选出最优的设计方案。 机械优化设计采用数学规划的方法，并借助于计算机寻求优化参数，获得较好的经济效果。可以降低机械产品成本，提高它的性能；优化过程中获得的大量数据可以帮助我们获得数据的变化趋势，有利于对今后设计结果作出正确的判断，从而不断提高系列产品的性能； 用优化设计方可合理解决多参数、多目标的复杂产品设计问题。 三、可靠性优化设计 机械优化设计能保证产品具有最佳的工作性能和参数匹配，最小的结构尺寸和质量，但不能确保可靠性指标的实现。可靠性设计可以确保或预测所设计的机械产品在规定的使用条件下和规定的使用时间内完成规定的功能的概率，确保产品的可靠性指标实现，

6、但它不能保证产品具有最佳的工作性能和参数匹配，最小的结构尺寸和质量，最低成本和最大效益。因此，要是产品既有可靠性要求，又有最优的设计结果，就必须将可靠性设计理论与最优化技术结合起来，即采用可靠性优化设计。按这种方法进行设计，既能定量的给出产品在使用中的可靠性，又能得到产品在功能、参数匹配、结构尺寸与质量、成本等方面的参数的最优解。另外，在可靠性设计中也常采用最优方法进行系统的可靠性分配。 四、优化设计的发展 随着科学发展的需要， 机械产品设计质量的不断提高， 设计周期的白益缩短， 要求设计者考虑的因素也愈来愈多， 其计算方法的复杂性和精确性都是二般传统设计难以完成的。面对这种技术发展的现状，

7、设计者便开始求助于新的理论和新的设计方法。机械优化设计就是在这种情况下， 发展起来的一种现代设计方法。 机构运动参数的优化设计是机械优化设计中发展较早的领域，不仅研究了连杆机构，凸轮机构等再现函数和轨迹的优化设计问题，而且还提出一些标准化程序。机构动力学优化设计方面也有很大进展，如惯性力的最优平衡，主动件力矩的最小波动等的优化设计。机械零部件的优化设计，最近20多年也有很大发展，主要是研究各种减速器的优化设计，滑动轴承和滚动轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的机构参数优化。除此之外，在机床、锻压设备、压延设备、起重运输设备，汽车等的基本参数、基本工作机构和猪蹄机构方面也进行了优化设计工作。 结束语 现实生活中，优化问题存在于很多方面，已经受到科研机构、政府部门和产业部门的高度重视。随着市场经济的发展，产品市场经济日趋激烈，工矿企业迫切期望提高产品性能，减少原材料消耗，降低生产成本，增