机械优化设计论文

1、机械优化设计论文 班 级：11机自1班 学 号：1110121121 姓 名：张 杰 授课教师：屈光老师 摘 要：机械优化设计是一门综合性的学科，非常有发力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。本文重点介绍机械优化设计方法的同时，对其优化方法、数学模型及优化应用进行了总结，并分析了优化方法的最新研究进展。 关键词：机械优化设计；优化方法；数学模型；优化应用。 一、械优化设计的基本理论 优化设计是20世纪60年代随计算机技术发展起来的一门新学科，是构成和推进现代设计方法产生与发展的重要内容。机械优化设计是综合性和实用性都很强的理论和技术，为机械设计提供了一种可靠、高效的科学设计方法，使设

2、计者由被动地分析、校核进入主动设计，能节约原材料，降低成本，缩短设计周期，提高设计效率和水平，提升企业竞争力、经济效益与社会效益。国内外相关学者和科研人员对优化设计理论方法及其应用研究十分重视，并开展了大量工作，其基本理论和求解手段已逐渐成熟。国内优化设计起步较晚，但在众多学者和科研人员的不懈努力下，机械优化设计发展迅猛，在理论上和工程应用中都取得了很大进步和丰硕成果，但与国外先进优化技术相比还存在一定差距，在实际工程中发挥效益的优化设计方案或设计结果所占比例不大。计算机等辅助设备性能的提高、科技与市场的双重驱动，使得优化技术在机械设计和制造中的应用得到了长足发展，遗传算法、神经网络、粒子群法

3、等智能优化方法也在优化设计中得到了成功应用。 二、机械优化设计数学模型建立方法 （1）、目标函数的建立 目标函数是以设计变量表示设计所要追求的某种性能指标的解析表达式，目标函数的构造与选择，关系到优化结果的实用性，从不同角度出发或根据设计对象和要求的不同，可能条件中筛选出最合理的标准作为目标函数，一般没有量化的原则和规律可以遵循，但根据以往机械优化设计的许多案例作参考。  （2）、约束条件的确定 产品的设计过程通常对设计变量有各种限制，这些限制用函数的形式反映在模型中，就称为设计变量的约束条件，或简称为设计约束。在机械设计领域，设计的限制是多种多样的，但一般都归属

4、于两大类，第一类称为性态约束，是预测可能被破坏或失效的特征，性态约束具体表现为设计对象的某项性能指标，因而一般性态约束也可以当作目标函数来处理。从计算角度上讲，性态约束的检验相对容易处理，因此可利用目标函数和设计约束相互置换的特点，根据具体问题的具体要求，更加灵活地处理和利用。第二类称为边界约束，用来规定设计变量的取值范围。不论是哪一类的约束条件，为了能定量处理，都必须是连，还可同时使用一个排烟道。随着人们生活水平不断提高，电冰箱已不再做为奢侈品放在起居厅，微波炉、电烤箱等厨房电气产品不断 增多，若将厨房使用面积增加2.ore左右，使用功能却会大大提高，这样的厨房一定会身受广大住户的喜爱。&#

5、160; （3）、数学模型的尺度变换 数学模型的尺度变换就是通过放大和缩小某些坐标的比例尺，从而改善数学模型的性态使之易于求解的技巧，多数情况下，数学模型经过尺度变化后，可以加速优化计算的收敛，提高计算过程的稳定性，   （4）、数据表和线图资料的使用 在机械优化设计中，经常需要使用以数据表、线图等形式给出的设计数据，不同的数据来源其特点也有所；   （5）、优化结果的分析与处理 优化设计方法和其它的设计方法一样，是一种解决复杂问题的工具，而不是解决问题的原则。在优化设计中，建立正确的数学模型和选用适当的优化方法固然是取得正

6、确设计结果的先决条件，但绝非充要条件。由于工程问题的复杂性，在优化求解后，还必须依据初始数据、中间结果和最终结果进行认真对比、分析，以查明优化计算过程是否正常和最终结果是否具有合理性和可行性。目标函数的最优值是对计算结果分析的重要依据。将它与原始方案的目标函数值作比较，可以看出优化设计比原设计方案改进的效果。若多给几个不同的初始点进行计算，从其结果可大致看出全局最优解。利用目标函数值的几组中间输出数据作曲线或列表，可查看其最优化过程进行的是否正常。对于大多数机械优化设计问题，最优解往往位于一个或几个不等式约束条件的约束界面上，其约束函数值应等于或接近于零。若约束函数值全部不接近于零。即其所有的

7、约束条件都不起作用，这时必须进一步研究所给约束条件对该设计问题是否完善、所取得的最优解是否正确。如有错误，可尝试改变初始点甚至重新选择优化方法重新进行计算。在机械优化设计的实际应用中，其最后的分析与处理，常常是不容忽视的，特别是对设计变量的敏感度分析对进一步提高工程优化设计的质量很有意义。  总之，在进行机械优化设计时，建立模型一定要根据实际情况而建立，考虑周全实际影响因素，将每个因素考虑在内而建立模型，然后利用误差更小化的计算方法来求解，越接近实际情况优化就越合理，最终实现误差为零的优化设计方案。 三、优化设计方法的选择 优化设计方法是机械优化设计的灵魂,随着数学科学和计算机技术的

8、飞速发展,优化方法的发展经历了解析法、数值分析法和非数值分析法3个阶段。20世纪50年代以前,古典的微分法和变分法是解决最优化问题的最主要的两种数学方法。这两种方法具有概念清晰和计算精确的特点,但只限于解决小型或特殊的问题,在处理大多数实际问题时,由于计算量很大,计算难度也增加很多。20世纪50年代末,数学规划方法成为了优化设计中求优方法的理论基础。这种方法建立在数值分析的基础之上,利用已知的信息和条件,通过一系列迭代过程求得问题的最优解。它的相关理论并不复杂,计算过程也很简单,但计算量非常大,而这正是计算机所擅长的工作,因此计算机成了解决数值优化方法的重要工具。在这个时期涌现出了很多其他的优

9、化算法,其中比较常用、效果较好的优化算法有简约梯度法、复合形法、约束变尺度法、罚函数法、随机方向法、可行方向法等。20世纪80年代后,一些新颖的优化方法逐渐出现,如模拟退火、混沌、进化规划、遗传算法、人工神经网络、禁忌搜索等,这些算法通过模拟自然现象或者自然规律得出一些结论,逐渐形成了其具有鲜明特色的优化方法,其内容涉及生物学、神经学、物理学、数学、人工智能、统计力学等。在优化设计中,对于同一优化问题往往可以有不同的优化方法。有的优化方法效果较好,有的则较差,甚至会导致错误的结果。因此,根据优化设计问题的特点(如约束条件),选取适当的优化方法是非常关键的。以下列举了4个选择优化方法的基本原则:

10、(1)效率要高。所谓效率要高就是所采用的优化算法所用的计算时间或计算函数的次数要尽可能地少。(2)可靠性要高。可靠性要高是指在一定的精度要求下,在一定迭代次数内或一定计算时间内,求解优化问题的成功率要尽可能地高。(3)采用成熟的计算程序。解题过程中要尽可能采用现有的成熟的计算程序,以使解题简便并且不容易出错。(4)稳定性要好。稳定性好是指对于高度非线性偏心率大的函数不会因计算机字长截断误差迭代过程正常运行而中断计算过程。除了上述4个基本原则外,选择恰当的优化方法还需要个人的经验,这样可以运用一些技巧,简便解题程序和步骤。这些经验包括对各种常用优化算法的特点要非常清楚,比如它们的计算精度、收敛性

11、、稳定性等等,这样才能互相比较,从中找到一个最合适的算法出来。此外,还需深入分析优化模型的约束条件、约束函数、设计变量以及目标函数,根据复杂性、准确性等条件对它们进行正确地选取和建立。综上,机械优化设计是适应现代设计要求而发展起来的一门崭新学科。它是在传统机械设计理论的基础上结合各种现代设计方法而出现的一种更科学的设计方法,可使机械产品的设计质量达到更高的水平。机械优化设计的研究必须与工程实践、力学理论、数学、电子计算机技术紧密联系起来,才能具有更加广阔的发展前景。 四、机械优化应用实例与产品开发 1、汽车变速器的最优化设计  减小体积和质量，提高传扭能力，是当前汽车变速器强化设计的

12、主要目的，是设计师们追求的目标。因为减小变速器的体积和质量可减少制造费用、降低轮齿动载荷、提高齿轮寿命、使汽车的总体布置更为方便和灵活。因此，汽车变速器的最优化设计，常常在保证零件的强度、刚度、使用寿命等条件下，以使变速器齿轮及轴系的质量最小作为追求的目标，建立目标函数。 2、弹簧的最优化设计  弹簧的用途极广，结构类型繁多。作为一种具有弹力的机械元件，广泛用于各种机械装置及机构中。例如，汽车悬架是用螺旋弹簧、扭杆弹簧或叶片钢板弹簧来支承汽车的车架或车厢，作缓冲、减振之用；汽车离合器是用螺旋弹簧或膜片弹簧、内燃机气门是用螺旋弹簧来控制运动的；钟表是用盘簧来储蓄能量的；弹簧秤

13、是用螺旋拉伸弹簧来测量载荷的。 3、离合器盖结构形状的最优化设计  离合器盖与飞轮固定在一起，通过它传递发动机的部分扭矩。它还是离合器压紧弹簧和分离杆的支承壳体。设计时要求质量小、刚度好，便于通风散热，且相对于飞轮轴线必须有良好的对中以保持离合器的平衡为了减轻重量和增强刚度，小轿车和一般载货汽车的离合器盖常选用低碳钢板冲压成带有加强筋和卷边的复杂形状。以复杂的形状增强刚度从而避免受力变形引起的离合器分离不彻底和摩擦片早期磨损。因此，离合器盖的设计关键在于其结构形状的尺寸选择。 五、总结 机械优化设计作为传统机械设计理论基础上结合现代设计方法而出现的一种更科学的优化设计方法，可使机械产品的质量达到更高的水平。近年来，随着数学规划理论的不断发展和工作站计算能力的不断挖掘，机械优化设计方法和手段都有非常大的突破。且优化设计思路不断的开阔，仿生学理论、基因遗传学理论和人工智能优化等现代设计理论的引入，都大大促进优化设计方法的更新和完善。机械优化设计给机械工程界带来了巨大经济效益，随着技术更新和产品竞争的加剧，优化设计的发展前景非常的广阔。当今的优化正逐步的发展到多学科优化设计，