摘要：機械優(yōu)化設(shè)計是20世紀60年代初發(fā)展起來的一門新的學科，它將最優(yōu)化原理和計算技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域，為工程設(shè)計提供一種重要的科學設(shè)計方法。采用這種新的設(shè)計方法，人們可以從眾多的設(shè)計方案中尋找出最佳的設(shè)計方案，從而大大提高設(shè)計的效率和質(zhì)量。本文就當前機械優(yōu)化設(shè)計的蓬勃發(fā)展情況，敘述了機械設(shè)計優(yōu)化研究內(nèi)容、機械優(yōu)化設(shè)計的基本研究思路以及優(yōu)化設(shè)計的理論方法，并對發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：研究內(nèi)容；基本思路；常用方法；發(fā)展前景

引言

傳統(tǒng)的設(shè)計方法通常在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，參照同類產(chǎn)品通過估算、經(jīng)驗類比或試驗來確定初始設(shè)計方案。然后根據(jù)初始設(shè)計方案的設(shè)計參數(shù)對進行強度、剛度、穩(wěn)定性等性能分析計算，檢查各性能是否滿足設(shè)計指標要求。如果不完全滿足性能指標的要求，設(shè)計人員將憑借經(jīng)驗或直觀判斷對參數(shù)進行修改。這樣反復(fù)的進行分析計算—性能檢驗—參數(shù)修改，直到產(chǎn)品性能完全滿足設(shè)計指標的要求為止。實踐證明，按照傳統(tǒng)設(shè)計方法作出的設(shè)計方案，大部分都有改進提高的余地，而不是最佳設(shè)計方案。優(yōu)化設(shè)計是借助計算機技術(shù)，應(yīng)用一些精確度較高的力學數(shù)值分析方法進行計算分析，并從大量的的可行設(shè)計方案中尋找出一種最優(yōu)的設(shè)計方案，從而實現(xiàn)用理論設(shè)計代替經(jīng)驗設(shè)計，用精確計算代替近似計算，從而得到最優(yōu)的可行方案，大大提高設(shè)計的效率和質(zhì)量。

1 機械優(yōu)化設(shè)計研究內(nèi)容

機械優(yōu)化設(shè)計是把數(shù)學規(guī)劃理論與計算方法應(yīng)用于機械設(shè)計，按照預(yù)定的目標，借助于電子計算機的運算尋求最優(yōu)設(shè)計方案的有關(guān)參數(shù)，從而獲得好的技術(shù)經(jīng)濟效果，是最優(yōu)化技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域的移植和應(yīng)用，其基本思想是根據(jù)機械設(shè)計的理論，方法和標準規(guī)范等建立一反映工程設(shè)計問題和符合數(shù)學規(guī)劃要求的數(shù)學模型，然后采用數(shù)學規(guī)劃方法和計算機計算技術(shù)自動找出設(shè)計問題的最優(yōu)方案。作為一門新興學科，它建立在數(shù)學規(guī)劃理論和計算機程序設(shè)計基礎(chǔ)上，通過計算機的數(shù)值計算，能從眾多的設(shè)計方案中尋到盡可能完善的或最適宜的設(shè)計方案，使期望的經(jīng)濟指標達到最優(yōu)，它可以成功地解決解析等其它方法難以解決的復(fù)雜問題。采用這種設(shè)計方法能大大提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

2 機械優(yōu)化設(shè)計基本研究思路

在保證基本機械性能的基礎(chǔ)上，借助計算機，應(yīng)用一些精度較高的力學和數(shù)學規(guī)劃方法進行分析計算，讓某項機械設(shè)計在規(guī)定的各種設(shè)計約束條件下，優(yōu)選設(shè)計參數(shù)，使某項或幾項設(shè)計指標（外觀、形狀、結(jié)構(gòu)、重量、成本）等獲得最優(yōu)值。

機械優(yōu)化設(shè)計的過程：

一、設(shè)計變量的確定

一個設(shè)計方案可以用一組基本參數(shù)的數(shù)值來表示，這些基本參數(shù)可以是構(gòu)件長度、截面尺寸、某些點的坐標值等幾何量，也可以是重量、截面二次矩、力或力矩等物理量，還可以是應(yīng)力、變形、固有頻率、效率等代表工作性能的導出量。但是對于某個具體的優(yōu)化設(shè)計問題，并不是要求對所有的基本參數(shù)都用優(yōu)化方法進行修正調(diào)改。例如，對某個機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，一些工藝、結(jié)構(gòu)布置等方面的參數(shù)，或者某些工作性能的參數(shù)，可以根據(jù)已有的經(jīng)驗預(yù)先取為定值。這樣對于這個設(shè)計方案來說，它們就成為了設(shè)計常數(shù)。而除此之外的基本參數(shù)，則需要在優(yōu)化設(shè)計過程中不斷進行修改、調(diào)整，一直處于變化的狀態(tài)，這些基本參數(shù)稱為設(shè)計變量，又叫做優(yōu)化參數(shù)。

二、約束條件的確定

由n個設(shè)計變量為坐標所組成的實空間稱為設(shè)計空間，設(shè)計空間是所有設(shè)計方案的總和，但這些設(shè)計方案有些是工程上所不能接受的。如果一個設(shè)計滿足所有對它提出的要求，則稱為可行設(shè)計。一個可行設(shè)計必須滿足某些設(shè)計條件限制，這些限制條件稱為約束條件，簡稱為約束。

三、目標函數(shù)的確定

在所有可行設(shè)計中，有些設(shè)計比另一些要“好些”，則這些設(shè)計相比那些較差的設(shè)計必定具備某些更好的性質(zhì)。倘若這種性質(zhì)可以表示成設(shè)計變量的一個可計算函數(shù)，則我們就可以考慮優(yōu)化這個函數(shù)，則就可以考慮優(yōu)化這個函數(shù)，以得到“更好的設(shè)計”。這個用來使設(shè)計得以優(yōu)化的函數(shù)稱為目標函數(shù)。目標函數(shù)可以是結(jié)構(gòu)質(zhì)量、體積、功耗、產(chǎn)量、成本或其他性能指標和經(jīng)濟指標等。

在明確設(shè)計變量、約束條件、目標函數(shù)之后，優(yōu)化設(shè)計問題就可以抽象成數(shù)學模型。

3 機械優(yōu)化的設(shè)計理論方法

傳統(tǒng)的機械優(yōu)化的設(shè)計理論方法形式和種類具有多樣化，在機械的發(fā)展領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，根據(jù)機械優(yōu)化設(shè)計的運算方法可以分為三大類，分別為線性規(guī)劃，非線性規(guī)劃和準則優(yōu)化。

3.1 對線性規(guī)劃的分析

運用數(shù)學的極值問題對機械進行優(yōu)化設(shè)計的方法是線性規(guī)劃方法，它是機械優(yōu)化的設(shè)計理論方法中極其重要的一個方法，其中又可以分為序列線性的規(guī)劃法和單純形式兩種方法，其中單純形式是簡答機械優(yōu)化問題的最為直接和簡單的一個方法，單純形式對于單一的優(yōu)化目標的分析有一定的作用，但是如果在多種函數(shù)之間進行運用，那優(yōu)化效果不是很明顯。而序列線性的規(guī)劃法是把機械優(yōu)化設(shè)計問題進行相應(yīng)的拆分，對一些優(yōu)化的模式進行相應(yīng)的求解，進行分步求解的方式，在解答每一個問題之后再重新進行整合，并且重新求解，以達到解出最為準確的數(shù)值的目的，這樣雖然對于機械優(yōu)化的設(shè)計過程更準確，但是其工作量過大，步驟過于繁瑣，無效率性可言，對于機械優(yōu)化的設(shè)計理論方法并沒有太大的用處。

3.2 對非線性規(guī)劃的分析

在機械優(yōu)化的設(shè)計理論方法中，非線性規(guī)劃運用的較為廣泛，它在機械優(yōu)化的設(shè)計過程中有推動作用，全面的運用線性規(guī)劃設(shè)計是較為片面的，而非線性規(guī)劃對于機械優(yōu)化設(shè)計的運用是一種革命的新方式，非線性規(guī)劃的方式使機械優(yōu)化的設(shè)計之中的主要構(gòu)成部分。

3.3 對準則優(yōu)化的分析

準則優(yōu)化對于機械優(yōu)化的設(shè)計是一種較為傳統(tǒng)的表現(xiàn)方式，其原理是根據(jù)力學和物理學而進行分析的，其具有一定的主觀性，但是它對于優(yōu)化的概念更為的直觀，而物理原理又相對的比較簡單，在單一的目標函數(shù)下進行優(yōu)化的效果較好，對于傳統(tǒng)的機械工程優(yōu)化更加的適合，但是在多種函數(shù)目標的優(yōu)化時較為容易的出現(xiàn)一些問題，對機械優(yōu)化的設(shè)計效率較低。

參考文獻：

[1]陳波.機械優(yōu)化設(shè)計理論方法研究綜述[J].科技風.2014（09）：159.

[2]董立立，趙益萍，梁林泉，等.機械優(yōu)化設(shè)計理論方法研究綜述[J].機床與液壓.2010（15）：114-119.

[3]孫靖民，梁迎春.機械優(yōu)化設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.5.

作者簡介：盛浩（1998-），男，漢族，鄭州大學機械工程學院2015級學生。