機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)略談
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論文導(dǎo)讀：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是建立在近代應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、應(yīng)用力學(xué)和材料學(xué)和計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)之上的，是解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題的一種有效工具。②選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，編寫優(yōu)化程序。以上所述的優(yōu)化進(jìn)程所需重視的問題主要是針對優(yōu)化軟件的專門研制領(lǐng)域的，且優(yōu)化設(shè)計(jì)工作者可據(jù)實(shí)際需求選擇最合適的方法，較靈活的改變和組合各類設(shè)計(jì)思路，但這對設(shè)計(jì)者的綜合優(yōu)化理論知識背景要求較高。
關(guān)鍵詞：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方法，優(yōu)化軟件
機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的重要組成部分，是決定機(jī)械性能最主要的因素�？萍颊撐摹墓こ淘O(shè)計(jì)基礎(chǔ)和目標(biāo)上可將設(shè)計(jì)分為：新型設(shè)計(jì)(開發(fā)性設(shè)計(jì))、繼承設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)(基于標(biāo)準(zhǔn)型的修改)。所謂新型設(shè)計(jì)，即應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明可行的新技術(shù)，設(shè)計(jì)未曾有過的新型機(jī)械，主要包括功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的方向所在，然而貫穿其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即是設(shè)計(jì)的方法和實(shí)現(xiàn)的手段。人類一直都在不斷探索新方法和新設(shè)計(jì)理念。從17世紀(jì)前形成的直覺設(shè)計(jì)過渡到經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，直到目前的現(xiàn)代設(shè)計(jì)[1]，從靜態(tài)、經(jīng)驗(yàn)、手工式的‘安全壽命可行設(shè)計(jì)’方法發(fā)展到動態(tài)、科學(xué)、計(jì)算機(jī)化、自動化的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，已將科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)用方法論應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中了。
1.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用
現(xiàn)代設(shè)計(jì)都是面向市場、實(shí)現(xiàn)功能及產(chǎn)品優(yōu)勢的設(shè)計(jì)�？萍颊撐�。創(chuàng)新設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法備受國內(nèi)外機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)注。而機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)，與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動設(shè)計(jì)和機(jī)械強(qiáng)度評價共同組成了機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是建立在近代應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、應(yīng)用力學(xué)和材料學(xué)和計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)之上的，是解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題的一種有效工具。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是把機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化理論及方法密切結(jié)合起來去處理機(jī)械設(shè)計(jì)問題，工程實(shí)用價值大。
作者利用CNKI知識網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺對中國期刊全文/中國優(yōu)秀碩博學(xué)位論文/中國重要會議論文進(jìn)行機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)文獻(xiàn)檢索，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)自1999年至今十年內(nèi)我國科技工作者在此方面約3500篇論文發(fā)表，特別是從2002開始，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用工作更為的活躍，應(yīng)用領(lǐng)域更加的廣泛，涉及到航空航天、工程機(jī)械、通用機(jī)械與機(jī)床、水利、橋梁、船舶/汽車/鐵路運(yùn)輸行業(yè)、通訊行業(yè)、輕工紡織、能源工業(yè)、軍事工業(yè)、建筑機(jī)械、石油及石化行業(yè)、食品機(jī)械等諸多方面，主要處理那些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如飛機(jī)機(jī)身、飛機(jī)結(jié)構(gòu)整體、火箭發(fā)動機(jī)殼體、航空發(fā)動機(jī)輪盤、潛艇結(jié)構(gòu)、潛艇外部液壓艙[2]、機(jī)器人等，或大規(guī)模的工程建設(shè)，如建筑、橋梁、石油鉆井井架、大型水輪機(jī)結(jié)構(gòu)等，或產(chǎn)量大的汽車車架/懸掛/車身、箱形梁結(jié)構(gòu)、起重機(jī)、裝載機(jī)、平面或空間桁架結(jié)構(gòu)、各類減速器/制動器、圓錐/圓柱齒輪、連桿機(jī)構(gòu)/凸輪機(jī)構(gòu)、各類彈簧/軸承等。解決問題從減輕結(jié)構(gòu)重量擴(kuò)展到降低應(yīng)力水平、改進(jìn)結(jié)構(gòu)靜態(tài)/動態(tài)性能、提高全壽命周期和綠色創(chuàng)新元素添加等更多的方面。
2.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)基本思路
在保證基本機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)，應(yīng)用一些精度較高的力學(xué)/數(shù)學(xué)規(guī)劃方法進(jìn)行分析計(jì)算，讓某項(xiàng)機(jī)械設(shè)計(jì)在規(guī)定的各種設(shè)計(jì)限制條件下，優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)，使某項(xiàng)或幾項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)（外觀、形狀、結(jié)構(gòu)、重量、成本、承載能力、動力特性等）獲得最優(yōu)值。
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程：①分析設(shè)計(jì)變量，提出目標(biāo)函數(shù)，確定約束條件，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型；②選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，編寫優(yōu)化程序；③準(zhǔn)備必須的初始數(shù)據(jù)并上機(jī)計(jì)算，對計(jì)算機(jī)求得的結(jié)果進(jìn)行必要的分析。
近年來，隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論的不斷發(fā)展和工作站計(jì)算能力的不斷挖掘，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和手段都有非常大的突破。且優(yōu)化設(shè)計(jì)思路不斷的開闊，仿生學(xué)理論、基因遺傳學(xué)理論和人工智能優(yōu)化等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的引入，都大大促進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的更新和完善。文獻(xiàn)[3~12]對機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳盡的闡釋或方法優(yōu)劣描述，大致方法歸類可如圖1所示。
3.設(shè)計(jì)中值得重視的幾個問題
優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，針對具體設(shè)計(jì)問題是否選擇了合適的優(yōu)化方法，相應(yīng)的計(jì)算程序是否有效，數(shù)學(xué)模型構(gòu)造是否合理，能否充分反映實(shí)際間題且盡量簡化，這些都直接關(guān)系到優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)程和機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)果。
(1)設(shè)計(jì)變量選擇
在充分了解設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)各設(shè)計(jì)參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)的影響程度分析其主次，盡量減少設(shè)計(jì)變量的數(shù)目，以簡化優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。應(yīng)注意各設(shè)計(jì)變量應(yīng)相互獨(dú)立，避免耦合情況的發(fā)生，否則會使目標(biāo)函數(shù)出現(xiàn)“山脊”或“溝谷”，給優(yōu)化帶來困難。
(2)目標(biāo)函數(shù)與約束的確定
對于一般機(jī)械，可按重量最輕或體積最小建立目標(biāo)函數(shù)；對應(yīng)力集中現(xiàn)象突出的構(gòu)件，以應(yīng)力集中系數(shù)最小為目標(biāo)；對精密儀器，應(yīng)按其精度最高或誤差最小的要求建立目標(biāo)函數(shù)。約束條件是就工程設(shè)計(jì)本身而提出的對設(shè)計(jì)變量取值范圍的限制條件，目前尚無一套完整的評價方法來檢驗(yàn)?zāi)男┘s束是必須，哪些約束是可忽略的，通常是憑經(jīng)驗(yàn)取舍，不可避免會帶來模型和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的不相吻合。
(3)數(shù)學(xué)模型確立
數(shù)學(xué)模型越精確，設(shè)計(jì)變量越多，維數(shù)越大，建模越復(fù)雜，優(yōu)化進(jìn)程越慢；但數(shù)學(xué)模型忽略過多元素，則難以確切凸現(xiàn)結(jié)構(gòu)的特殊之處。故，要結(jié)合工程實(shí)際和優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，把握與研究目標(biāo)相關(guān)程度大的因素，盡可能的建立確切、簡潔的數(shù)學(xué)模型。然后通過基于統(tǒng)計(jì)理論的檢驗(yàn)方法——t檢驗(yàn)/F檢驗(yàn)/
檢驗(yàn)/擬合優(yōu)度檢驗(yàn)等，分析模型的置信區(qū)間，對模型有效性進(jìn)行評價，提高模型的準(zhǔn)確度。
(4)數(shù)學(xué)模型的尺度變換
因各設(shè)計(jì)變量、各目標(biāo)函數(shù)、各約束函數(shù)表達(dá)意義的不同，將可能使得各自在量級上相差很大，從而導(dǎo)致在給定的搜索方向上各自的靈敏度差距也很大。靈敏度大的搜索變化快，靈敏度小的搜索變化慢�？萍颊撐�。為消除這種差別，可以對其進(jìn)行重新標(biāo)度。使它成為無量綱或規(guī)格化的設(shè)計(jì)變量，即進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)尺度變換、設(shè)計(jì)變量尺度變換和約束函數(shù)的規(guī)格化，以提高優(yōu)化進(jìn)程，提高結(jié)果進(jìn)度，加快收斂速度。
(5)優(yōu)化程序中易忽略的問題
注意檢驗(yàn)變量是否在函數(shù)定義域內(nèi)，防止無效變量生成而導(dǎo)致優(yōu)化計(jì)算失�。蛔⒁夂瘮�(shù)表達(dá)式中分母出現(xiàn)非常小或等于0情況的處理，避免數(shù)值溢出；用函數(shù)值的數(shù)值差分計(jì)算梯度，盡量避免函數(shù)與導(dǎo)數(shù)值之間的不一致性。
4.優(yōu)化軟件的應(yīng)用
以上所述的優(yōu)化進(jìn)程所需重視的問題主要是針對優(yōu)化軟件的專門研制領(lǐng)域的，且優(yōu)化設(shè)計(jì)工作者可據(jù)實(shí)際需求選擇最合適的方法，較靈活的改變和組合各類設(shè)計(jì)思路，但這對設(shè)計(jì)者的綜合優(yōu)化理論知識背景要求較高。而對于通用機(jī)械，大批量生產(chǎn)的零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，更多的是考慮優(yōu)化效率和快速的市場投入，從而針對普通設(shè)計(jì)的通用性較好的商業(yè)化優(yōu)化軟件也就應(yīng)運(yùn)而生。
隨著商業(yè)化軟件市場的逐步擴(kuò)大，大型綜合性強(qiáng)的優(yōu)化軟件更是具有廣闊的發(fā)展前景。近十多年來，國內(nèi)外不斷開發(fā)和研制新的軟件繼承系統(tǒng)，擴(kuò)大了軟件的通用性和普及性。功能較強(qiáng)的軟件通常包括：造型、繪圖裝配與零件設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析、注塑流場分析，數(shù)據(jù)交換與傳輸，加工等等，功能幾乎涵蓋設(shè)計(jì)和制造的全過程。
目前，機(jī)械優(yōu)化領(lǐng)域應(yīng)用較廣的國外軟件主要有Abaqus/Ansys/Nastran/MSC.Marc/MSC.Nastran/I-DEAS/Tosca/SAP/SuperSAP/Access3/Boss-quattro/Sapop/Astro/Oasis[13]/Catia/Cad/Solidworks/UG/Moldflow[14]等，且常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)語言GAMS/LINGO/MATLAB[9]/Fortran等。國內(nèi)自行開發(fā)的軟件如平面連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序(KOGEOP)/齒輪連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序(RAEKOP)[3]/DDDU-2/TCJY[15]/NEUMAX[16]。近幾年來，Ansys與matlab的應(yīng)用尤為廣泛，優(yōu)化設(shè)計(jì)的領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展，如文獻(xiàn)[17～28]中，磁流變阻尼器磁路/飛機(jī)炮艙段結(jié)構(gòu)/大跨度斜拉橋/汽車車架/水下結(jié)構(gòu)聲學(xué)/行星齒輪傳動可靠性/圓柱齒輪或齒輪減速器/復(fù)雜機(jī)構(gòu)運(yùn)動/包裝容器結(jié)構(gòu)尺寸/整體法蘭/潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)/彈性雙棘爪棘輪機(jī)構(gòu)等�？梢姡浖呀�(jīng)很成熟的運(yùn)用于通用機(jī)械設(shè)計(jì)中，這大量簡化了設(shè)計(jì)優(yōu)化的繁重?cái)?shù)學(xué)建模和編程工作，加快了機(jī)械設(shè)計(jì)的進(jìn)程。
5.未來前景
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)給機(jī)械工程界帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益，隨著技術(shù)更新和產(chǎn)品競爭的加劇，優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展前景非常的廣闊。當(dāng)今的優(yōu)化正逐步的發(fā)展到多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用了先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)和科學(xué)的最新成果。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是發(fā)展到必然，仿真技術(shù)也將更加趨于協(xié)同化和系統(tǒng)化。
尚處于理論探索階段的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[29]、智能算法優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、柔性機(jī)械優(yōu)化[30]、綠色優(yōu)化、可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)、基于仿生學(xué)/遺傳學(xué)算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械人性化設(shè)計(jì)和可持續(xù)性創(chuàng)新優(yōu)化等都是未來機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。
但我們?nèi)孕桕P(guān)注的是，在優(yōu)化技術(shù)水平得到了提高的同時，國內(nèi)機(jī)械加工或工藝水平、加工手段和制造技術(shù)也應(yīng)配套提升才行，否則整體機(jī)械水平仍然將停滯不前。這不僅要加工技術(shù)的引進(jìn)，更重要的是加工設(shè)備的性能提升，尤其是數(shù)控機(jī)床的加工水平。加強(qiáng)與國際技術(shù)發(fā)達(dá)國家的合作和交流，軟硬件技術(shù)共同提升，以期達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)-加工一體化的目標(biāo)。
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