机械设计优化设计应用与研究

机械设计优化设计应用与研究

杨振波

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摘要：机械设计优化的目的在于考虑节省材料、简化工艺流程的基础上实现产品的形态结构以及功能创新。本文结合结构优化的概念、必要性以及内容，进一步阐述了设计优化的主要方法。充分发挥智能化技术的作用提升机械设计工作质量，进一步满足时代的发展需求，实现机械设计数字化，是摆在机械设计制造企业面前的首要问题。只有把自动化技术、数字化技术融入到机械设计制造企业中，才能推动企业的可持续发展，才能进一步实现我国资源的节约型发展，才能更好地保护环境，同时机械设计的数字化能源驱动将很好地推动机械制造业由传统型向信息数字化改进，使得机械设计自动化技术的发展，实现计算机技术、数据统计处理和现代化的管理技术多种先进的技术融合，很好地将机械设计加以数字化和智能化改革。

关键词：机械设计；优化；研究

1.机械设计优化的概念

机械设计优化是指在进行某种机械产品设计时，根据规定的条件，优选设计参数，使其中的一项或多项设计指标获得最优值。产品设计的“最优值”是指在满足多项设计目标和约束条件下获得的最令人满意和最适宜的值，也是根据事物的客观规律，在一定的物质基础和技术条件下得出最优的设计方案。机械设计优化可解决设计方案参数的最佳选择问题。这种选择在保证多参数的组合方案满足各种设计要求的前提下，使设计指标达到最优值。实际上，解决优化设计问题的过程，就是一种用数学规划理论和计算机自动选优技术来求解最优化问题的过程。

2.在实践中采用设计优化的必要性

机械产品的设计一般要经过需求分析、市场调查、方案设计、结构设计、分析计算、工程绘图和编制技术文件等一系列工作过程。传统设计方法一般是通过调查分析、参照同类产品估算、经验类比或试验等方法来确定产品的初步设计方案，对产品的设计参数进行强度、刚度和稳定性等性能分析计算，并与设计指标要求进行比较，根据经验或直观判断对设计参数进行修改，整个过程是人工试凑和定性分析比较的过程。由于传统设计方法受到计算方法和手段等各种条件的限制，设计者主要依靠经验，进行类比、推断和直观判断等一系列智力工作，因此也很难找出最优设计方案。优化设计理论的研究和应用实践，使机械设计从经验、感性和类比为主的传统设计方法过渡到科学、理性和立足于计算分析的现代设计方法，机械产品设计正在向自动化、集成化和智能化方向发展。

3.机械设计优化的主要内容

优化设计首先是选择设计变量、确定目标函数、列出约束条件、构建优化模型，然后选择合适的优化方法进行优化求解,主要包含建模和求解两部分内容。建模要熟悉和掌握优化设计方法的基本理论、设计问题抽象和数学模型处理的基本技能具有丰富的设计经验和专业知识，根据各设计参数对目标函数的影响程度尽量减少设计变量的数目，以简化设计问题。在优化求解的过程中,要分析实际问题与数学模型间的差距,不断修正优化模型,以建立正确、简洁的优化模型。优化设计的目标函数一般比较容易确定，而约束函数大多是设计变量的非线性函数,确定比较困难。因此，优化设计的核心问题是约束方程的建立和优化方法的选择,它们是影响优化设计效率和效果的重要方面。

4.优化方法

在保证产品达到某些要求的性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产品的指标或性能达到最期望的目标，这就是优化方法。作为一种数学方法，优化通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目标。选择优化方法应遵循效率要高、可靠性要高、采用成熟的计算程序。和稳定性要好等四项原则。

可靠性优化是在常规优化设计方法的基础上，结合可靠性设计理论发展起来的一种有效的优化设计方法。它是在优化设计中将设计参数作为随机变量,以产品的可靠度作为目标函数或约束条件,运用最优化方法得到在概率意义下的最佳设计的一种数值计算方法。它使设计不仅符合工况运行要求,而且得出最优的设计参数。可按可靠性指标建立一个目标函数。

其可靠度达到最大。而按设计其他要求建立另一个或多个目标函数,然后进行多目标函数优化设计。其数学模型如下:

maxr(x)minfi(x)(i=1,2,q)s•t•gj(x)(j=1,2,m)(2)

除了建立适当的优化模型外,还需要选择收敛速度快且计算不是很复杂的优化算法。由于工程实践中的可靠性优化设计面临着随机不确定性和模糊不确定基于模糊数学的模糊可靠性优化设计方法在机械结构设计中也得到了一定的应用。

结构优化设计的目的是在考虑节省材料控制成本简化工艺流程的基础上实现产品的形态结构以及功能创新。根据优化目标的深浅分为:尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化和结构选型优化。结构优化的关注点是有待改进或者进一步开发的结构要素。产品的次生型优化设计创新是建立在产品的结构优化层次分类基础上的创新活动。机械产品的次生型优化创新方法是triz发明解决理论中最常用的创新工具

能够使创新设计人员准确把握创新要素从而降低了创新思考的盲目性。结构的关注点是借助于一般创新的方法分析与产品结构关注点相关联的各种技术参数(即设计变t、目标函数以及约束条件)将彼此关联的技术参数对应于相应的功能与外形需求利用从优化创新的方法找寻对应的发明原理，然后根据发明原理的创新方向进行结构优化的创意方向。

有约束优化设计法。分为间接法和直接法。间接法有增广拉式乘子法、罚函数法。直接法有复合形法、约束坐标轮换法、网络法等。

无约束优化设计法。包括牛顿法、坐标轮换法、共扼方向法、单纯形法、变尺度法、梯度法等。

模糊优化设计方法。是将模糊信息和因素量化，建立由模糊约束条件、模糊变量以及模糊目标函数组成的模糊数学模型,再通过从模糊到非模糊的变化来实现模糊数学模型的转化,最终利用优化算法进行求解。

结语

当前工业市场竞争越来越激烈，机械自动化生产水平日益提升，但其设计加工方面的材质选用和工艺问题仍然比较突出，制约着工业生产活动的进行。本文提出的调整措施能有效优化机械生产结构，促进机械设计加工的进程，除此之外，相关研究人员还需综合考虑其他因素，从多方面入手，才能制定出更全面的优化措施来改善机械设计加工水平，提高企业机械自动化生产效率。

参考文献

[1]孙靖民.机械优化设计.机械工业出版社,2017.(10)

[2]吴国良.机械设计与机械加工中常见问题及改善措施分析[J].工程技术：文摘版，2016（11）：280.