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机械优化设计绪论

发布时间:
2016-11-25 15:51:52
作者:
月丿流辉
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优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新学科,它将最优化原理和计算机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法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。因此,优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域,它已广泛应用于各工业部门。以下仅对机械优化设计的特点、发展概况以及本课程的主要内容作一简要介绍。
一、从传统设计到优化设计:一项机械产品的设计,一般需要经过调查分析、方案拟定、技术设计、零件工作图绘制等环节。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被始设计方案。然后根据初始设计方案的设计参数进行强度、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。整个传统设计过程就是人工试凑和定性分析比较的过程,主要的工作是性能的重复分析,至于每次参数的修改,仅凭借经验或直观判断,并不是根据某种理论精确计算出来的。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。
传统设计方法只是被动地重复分析产品的性能,而不是主动地设计产品的参数。从这个意义上讲,它没有真正体现“设计”的含义。其实“设计”一词本身就怨念优化的概念。作为一项设计,不仅要求方案可行、合理,而且应该是某些指标达到最优的理想方案。设计中的优化思想在古代就有所体现。例如,我国宋代建筑师李诫在其著作《营造法式》一羽中曾指出:圆木做成矩形截面梁的高宽比应为三比二。这一结论和抗弯理论推得的结果十分接近。简单优化问题用古典微分方法很容易求解,但对于一般工程优化问题的求解,需要采用数学规划理论并借助于计算机才能完成。基于这一原因,“设计”中优化的概念一直未能得以很好体现。直至20世纪60年代,计算机技术和计算技术迅速发展,优化设计才有条件日益发展起来。
近年来,随着计算机的广泛应用,在机械设计领域内,已经可以用现代的设计方法和手段进行设计,来满足对机械产品提出的要求。
现代化的设计工作已不再是过去那种凭借经验或直观判断来确定结构方案,也不是像过去“安全寿命可行设计”方法那样,即在满足所提出的要求的前提下,先确定结构方案,再根据安全寿命准则,对该方案进行强度、刚度等方面的分析、校核,然后进行修改,以确定结构尺寸。而是借助计算机,应用一些精确度较高的力学数值分析方法(如有限元法等)进行分析计算,并从大师的可行设计方案中寻找一种最优化的设计方案,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,用优化设计代替一般的安全寿命的可行性设计。优化方法在机械设计中的应用,既可以使用方案在规定的设计要求下达到某些优化的结果,又不必耗费过多的计算工作量。因此,产品结构、生产工艺等的优化已经成为市场竞争的一种手段。例如,据资料介绍,利用一个化工系统的计算机手段,对一个化工厂进行设计。根据所给数据,在16h内,进行16000个可行性设计的选择,从中选出一个成本最低、产量最大的方案,并给出必需的精确数据。而在这之前,为求解这个问题,一级工程师曾工作了一年,但仅得到了三个设计方案,而它们的效率却没有一个可以和上述优化方案相比。又如,美国贝尔(Bell)飞机公司采用优化方法解决450个设计变量的大型结构优化问题。在对一个机翼进行质量设计中,其质量减少了35%。波音(Boeing)公司也有类似的情况,在747机身的设计中,收到了减少质量、缩短生产周期、降低成本的效果。武汉钢铁公司所引进的1700薄板轧机是德国DMAG公司提供的。该公司在对此产品进行优化修改后,获得了很好的经济效益。在航天器以及地面仿真设备的研制中,优化设计方法也为改善机械系统性能、提高产品经济性能提供了重要的手段。例如,研究人员将优化设计方法运用到固体火箭发动机、火箭形体设计等方面,取得了很好的效果。结合分析方法,采用优化分析理论解决地面仿真转台设备的结构设计、动力学分析等问题已经成为转台设备形制的重要保证。
优化方法不仅用于生产产品结构的设计、工艺方案的选择,也用于运输路线的确定、商品流通量的调配、产品配方的配比等。目前,优化方法在机械、冶金、石油、化工、电机、建筑、宇航、造船、轻工等部门已得到广泛的应用。
二、机械优化设计发展概况:在第二次世界大战期间,由于军事上的需要产生了运筹学,提供了许多古典微分法和变分法所不能解决的最优化方法。20世纪50年代发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支,为优化设计奠定了理论基础。20世纪60年代计算机技术和计算技术的发展为优化设计提供了强有力的手段,使工程人员能够从大量繁琐的计算工作中解放出来,把主要精力放到优化方案选择上。虽然近年来优化设计方法已在许多工业部门得到应用,但最优化技术成功地运用于机械设计还是在20世纪60年代后期开始的;虽然历史较短,但进展迅速。机械优化设计方法在机构综合、机械零部件设计、专用机械设计和工艺设计方面都获得了应用并取得了一定的成果。
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。在机构动力学优化设计方面也有很大进展,如惯性的最优平衡,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在最近十几年也有很大发展,主要是研究各种减速器的优化设计、液压轴承和滚动轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的结构参数优化。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、基本工作机构和主体结构方面也进行了优化设计工作。
机械优化设计的应用范围越来越广,但仍有许多问题需要解决。例如,在机械产品设计中零部件通用化、系列化和标准化,整机优化设计模型及方法的研究,机械优化设计中离散变量优化方法的研究,更为有效的优化设计方法的发掘等方面,都需要作出较大的努力才能适应机械工作发展的需要。近年来发展起来的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAE)以及虚拟设计(VD)
技术,在引入优化设计方法后,既能够在设计过程中不断选择参数并评选出最优化设计方案,又可加快设计速度,缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新周期日益缩短的今天,把优化设计方法与计算机技术结合起来,使设计过程完全自动化,已成为设计方法的一个重要发展趋势。
三、本课程的主要内容:机械优化设计包括建立优化设计问题的数学模型和选择恰当的优化方法与程序两方面的内容。由于机械优化设计是应用数学方法寻求机械设计的最优方案,所以首先要根据实际的机械设计问题建立相应的数学模型,即用数学形式来描述实际设计问题。在建立数学模型时,需要应用专业知识确定设计的限制条件和所追求的目标,确立各设计变量之间的相互关系等。机械优化设计问题的数学模型可以是解析式、试验数据或经验公式。虽然它们给出的形式不同,但所反映的都是设计变量之间的数量关系。
数学模型一旦建立,机械优化设计问题就变成一个数学求解问题。应用数学规划方法的理论,根据数学模型的特点,可以选择适当的优化方法,进而可以选取自行编制计算机程序,心计算机作为工具求得最佳的设计参数。
本书将着重介绍数学规划理论的基本概念、技术术语与基本方法,并通过实例介绍用数学规划理论解决机械优化设计问题的过程。本书共分八章,第一章介绍优化设计的基本概念,其目的在于了解优化设计的步骤及常用术语;第二章介绍某些数学基础知识,以便为以后各章的学习打好基础;第三、四、五、六章分别介绍一维搜索、无约束优化、纯属规划和约束优化的原理及算法;第七章介绍多目标及离散变量优化方法;第八章介绍几个机械优化设计问题的实例,用心说明应用优化方法解决机械优化设计问题的过程。

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