樊磊

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，河南 焦作 454000）

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法分析

樊磊

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，河南 焦作 454000）

人類自從進(jìn)入了機(jī)械化時(shí)代，社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步以讓人目不暇接的速度向前推進(jìn)。機(jī)械化理論是各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相研究的不衰課題，如何將機(jī)械化理論最優(yōu)化，成為機(jī)械化產(chǎn)品性能優(yōu)劣的重要前提。機(jī)械化優(yōu)化就是要在眾多設(shè)計(jì)中尋找出一種最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用于機(jī)械制造當(dāng)中，這樣可以最大程度地提高機(jī)器設(shè)備的效率和質(zhì)量。因此，要對(duì)機(jī)械化設(shè)計(jì)含義、一般設(shè)計(jì)方案、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論、現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)等多個(gè)方面進(jìn)行了解，并認(rèn)準(zhǔn)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展方向，為以后的機(jī)械優(yōu)化理論設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。

機(jī)械；優(yōu)化設(shè)計(jì)；理論；對(duì)比

人們從來沒有停止對(duì)完美事物的追求，對(duì)科學(xué)及機(jī)械化設(shè)計(jì)優(yōu)化理論的探索。這里說到的最優(yōu)理論是一個(gè)相對(duì)概念，是根據(jù)當(dāng)時(shí)科技的發(fā)展水平，受到當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制達(dá)到一個(gè)相對(duì)最優(yōu)化的水平。提出機(jī)械化優(yōu)化設(shè)計(jì)理論概念是具有較強(qiáng)可行性的，包含著大量的科技信息、知識(shí)技能、先進(jìn)理論和實(shí)踐操作。隨著最優(yōu)理論研究的不斷深入，科學(xué)技術(shù)也會(huì)得到發(fā)展，那么機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化理論的概念和認(rèn)知程度也會(huì)發(fā)生改變，機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化理論會(huì)得到更進(jìn)一步的發(fā)展和優(yōu)化。

1 機(jī)械傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)比

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是基于數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的，根據(jù)數(shù)學(xué)模型做出最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。最優(yōu)化的設(shè)計(jì)即理論的范疇也屬于思維意識(shí)的范疇，不同的設(shè)計(jì)師根據(jù)自己的思維方式會(huì)設(shè)計(jì)出不同的優(yōu)化方案。這種設(shè)計(jì)方案根據(jù)思維的變化和各種參數(shù)的變化而發(fā)生變化，經(jīng)過多次的變化和調(diào)節(jié)，最終變?yōu)橐环N相對(duì)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。多種設(shè)計(jì)方案在數(shù)據(jù)模型的精確計(jì)算下，會(huì)產(chǎn)生出幾種相對(duì)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。各種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的對(duì)比不是都可以用大腦直接篩選出來的，這時(shí)候就需要借助計(jì)算機(jī)，通過不同參數(shù)的對(duì)比，進(jìn)行篩選，得出機(jī)械設(shè)計(jì)理論最優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種對(duì)比的可行，首先得益于現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的科技發(fā)展，能夠進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的計(jì)算，并且運(yùn)行速度也很快。當(dāng)然不是所有的數(shù)據(jù)都滿足數(shù)據(jù)模型的直接應(yīng)用，需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)化和處理，這樣得出的測(cè)試值和實(shí)際值直接存在一定差距，但遵循客觀規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案相對(duì)有優(yōu)秀性，還是可以鑒別的。建模數(shù)據(jù)計(jì)算方式可以很好地將多種優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)化順序排名，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以將最優(yōu)化方案的優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)出來，獲得人們期望中的正確設(shè)計(jì)結(jié)果。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案雖然也是在追求設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化，在眾多優(yōu)化方案中選擇相對(duì)較好的方案，但傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案需要經(jīng)過調(diào)查、分析、實(shí)驗(yàn)、類比、評(píng)估等多個(gè)步驟去辨別和篩查，或許需要反復(fù)經(jīng)過好幾輪的這種反復(fù)繁瑣的步驟。這樣在時(shí)間性上、準(zhǔn)確性上、工作量方面、主觀判斷性上面都會(huì)給方案的最優(yōu)化篩選造成障礙。傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論需要傾注大量的精力、投入大量的人力和物力、花費(fèi)巨大的資金，最終的篩選結(jié)果還難以確保準(zhǔn)確。所以說傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論并非最優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果篩選的最佳選擇，因?yàn)樗艿礁鞣矫娌淮_定因素的影響太大，結(jié)果容易產(chǎn)生偏差。

2 機(jī)械傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論已經(jīng)被提出好多年了，但對(duì)于機(jī)械傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論有幾種常見的機(jī)械優(yōu)化方法，如下所述：

（1）準(zhǔn)則優(yōu)化法。準(zhǔn)則優(yōu)化法，就是根據(jù)已有理論和經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的時(shí)候基本不是按照數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)極值的方法對(duì)方案進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)篩選，而是按照基本常識(shí)或者物理學(xué)等學(xué)科知識(shí)進(jìn)行原則性評(píng)價(jià)，根據(jù)已有的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則來橫向評(píng)比機(jī)械設(shè)計(jì)方案最優(yōu)化。這種評(píng)比方法有利也有弊，有利的地方就是方案優(yōu)化選擇變得直觀、簡(jiǎn)潔、易于理解。缺陷是這種評(píng)比方法只能兼顧相對(duì)幾個(gè)指標(biāo)和參數(shù)，一旦評(píng)比程序變得復(fù)雜起來，這種準(zhǔn)則優(yōu)化法就不起作用了。

（2）線性規(guī)劃法。該設(shè)計(jì)方法是基于數(shù)學(xué)極值的基本原理來對(duì)目標(biāo)函數(shù)以及約束條件同屬于設(shè)計(jì)變量的線性優(yōu)化問題加以求解的，是機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中常常使用的一種求解方法。其主要包括單純形計(jì)算法和序列線性規(guī)劃法兩種方法。前者最早是又美國(guó)的科學(xué)家斯坦福大學(xué)教授在1947年率先提出來的，是一種求解最優(yōu)化線性方案的簡(jiǎn)單有效方法。但這種方法卻也存在著很大的缺陷，比如該方法對(duì)于計(jì)算全局最優(yōu)解就比較困難，而且還會(huì)受到各種不確定因素的影響。在多種因素如收斂條件、壓縮因子、擴(kuò)散因子以及收斂系數(shù)等多個(gè)參數(shù)因素不斷變化的情況下，其最優(yōu)化方案確定就變得相對(duì)困難。所以，初始單純性的各頂點(diǎn)應(yīng)線性獨(dú)立，新單純形構(gòu)成后應(yīng)驗(yàn)算是否收斂，并對(duì)計(jì)算結(jié)果是否滿足精度要求進(jìn)行核對(duì)、檢查。對(duì)于單純形計(jì)算方法而已，其比較成熟，因而統(tǒng)治了線性規(guī)劃長(zhǎng)達(dá)30余年。序列線性規(guī)劃法是在初始位置將目標(biāo)函數(shù)集約束條件展開為泰勒級(jí)數(shù)，只取線性項(xiàng)，將非線性規(guī)劃轉(zhuǎn)化成為近似的線性規(guī)劃對(duì)最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行求解。若經(jīng)核對(duì)、檢查，其所得的設(shè)計(jì)結(jié)果與設(shè)計(jì)精度要求不相符，那么就將原來優(yōu)化的問題在該近似解處再次根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)加以展開,，并進(jìn)行重新求解，如此反復(fù)，直到所求解符合最初設(shè)計(jì)精度要求。

（3）非線性規(guī)劃法。對(duì)于大部分機(jī)械工程而言，其優(yōu)化設(shè)計(jì)均屬于非線性規(guī)劃，而且非線性程度越來越大，但是將其完全簡(jiǎn)化成為線性問題又是欠缺的。非線性規(guī)劃從數(shù)學(xué)極值的原理出發(fā)，來對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行求解,可包括無(wú)約束直接（間接）法、約束直接（間接）法等方法。

3 現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法

對(duì)于不同種類的約束、變量以及目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化準(zhǔn)則法會(huì)推導(dǎo)出不同的優(yōu)化準(zhǔn)則，其通用性一般較差，而且大多數(shù)屬于近似最優(yōu)解。規(guī)劃法需要進(jìn)行多次迭代以及重復(fù)驗(yàn)算，代價(jià)較高，且效率較低，常常還要求目標(biāo)函數(shù)以及約束條件連續(xù)，且可微。這些因素均制約了規(guī)劃法在現(xiàn)代機(jī)械工程項(xiàng)目?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用。此外，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)復(fù)雜度也越來越大，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法逐漸變得力不從心。現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計(jì)不像傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)憑借經(jīng)驗(yàn)和直觀的感覺來確定結(jié)構(gòu)方案，也不像“安全壽命可行設(shè)計(jì)”方法，即在滿足所提出的要求的前提下，先確定結(jié)構(gòu)方案，再根據(jù)安全壽命等準(zhǔn)則，對(duì)方案進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等分析、校核，然后進(jìn)行修改，以確定結(jié)構(gòu)尺寸。然后借助科學(xué)計(jì)算機(jī)，應(yīng)用一些較高的力學(xué)數(shù)值分析方法進(jìn)行分析計(jì)算，并從大量的可行設(shè)計(jì)方案中尋找出一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)用理論設(shè)計(jì)代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用精確計(jì)算代替近似計(jì)算，用優(yōu)化設(shè)計(jì)代替安全壽命的可行性設(shè)計(jì)。如果您的企業(yè)需要機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)等，那就到一品威客網(wǎng)發(fā)布任務(wù)需求，百萬(wàn)專業(yè)威客給您最好的服務(wù)設(shè)計(jì)。

［1］王科社.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［2］郭中澤,張衛(wèi)紅,陳裕澤.結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)綜述［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2007，（24）：1-5.

［3］秦東晨，陳江義，胡濱生，等.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的綜述與展望［J］.中國(guó)科技信息，2009，（9）：90-91.

［4］許琦，李水生，戴學(xué)成.梯度法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2012，（2）：35-36.

［5］吳亞明.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用發(fā)展分析［J］.中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2015，（6）.

［6］陳波.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法研究綜述［J］.科技風(fēng)，2014，（9）.

［7］金全意.基于培養(yǎng)卓越工程師的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程改革研究［J］.教育教學(xué)論壇，2013，（31）.

［8］郭永鳳.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法研究［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)（下半月），2016，（1）.

［9］孫全穎.王藝霖.杜須韋.遺傳算法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（4）.

［10］喻永巽.ANSYSWorkbench的應(yīng)用現(xiàn)狀及分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2014，（9）.

［11］張大偉.趙升噸.楊合.基于有限元法的鋁合金四通閥多向加載成形過程中的變形特征分析［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)（英文版），2014，（1）.

樊磊（1984-），男，主要研究方向：機(jī)械。