機械優(yōu)化設(shè)計精選(五篇)

序言：作為思想的載體和知識的探索者，寫作是一種獨特的藝術(shù)，我們?yōu)槟鷾蕚淞瞬煌L(fēng)格的5篇機械優(yōu)化設(shè)計，期待它們能激發(fā)您的靈感。

篇1

1 傳統(tǒng)工業(yè)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法大多應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)和零件功能的優(yōu)化設(shè)計，針對機械結(jié)構(gòu)的性能和形態(tài)進行優(yōu)化。在機械結(jié)構(gòu)上，內(nèi)點罰函數(shù)優(yōu)化法，能夠?qū)偠群蛪簭澖M合強度結(jié)構(gòu)進行良好的優(yōu)化，既能夠滿足尺寸要求又能良好的控制結(jié)構(gòu)自重。在形態(tài)方面，典型的是軸對稱鍛造部件的毛坯形狀的優(yōu)化。在性能方面，采用坐標轉(zhuǎn)換法和黃金分割法對部分兩岸結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使得機械結(jié)構(gòu)更加準確保持運動平衡性，提高了傳力性能。這樣看來，傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法依然能夠取得良好的效果，所以在機械設(shè)計發(fā)展中不能忽略傳統(tǒng)優(yōu)化方法的

作用。

2 現(xiàn)代工業(yè)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

現(xiàn)代高新設(shè)計方法在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用已越來越廣泛。但應(yīng)該看到，現(xiàn)代的設(shè)計不僅僅是單一的完成給定產(chǎn)品的設(shè)計，而應(yīng)該要將產(chǎn)品使用及設(shè)備維修等因素統(tǒng)一進行考慮。所以，機械優(yōu)化設(shè)計在強調(diào)環(huán)保設(shè)計和可靠性設(shè)計等考慮綜合性因素的機械優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用工作更為活躍，機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，涉及到航空航天工程機械及通用機械與機床的機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到水利、橋梁和船舶機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到汽車和鐵路運輸行業(yè)及通訊行業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到輕工紡織行業(yè)、能源工業(yè)和軍事工業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到建筑領(lǐng)域機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到石油及石化行業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到食品機械等機械優(yōu)化設(shè)計。機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用還能夠解決具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)問題。

2.1 優(yōu)化設(shè)計網(wǎng)絡(luò)軟件的應(yīng)用

優(yōu)化算法的研究已經(jīng)有所成績，利用網(wǎng)絡(luò)平臺逐漸開發(fā)一些工業(yè)化在線優(yōu)化軟件，便于工業(yè)設(shè)計使用。對于在線機械優(yōu)化設(shè)計軟件來說，亟待解決的問題就是模型問題，對于非常復(fù)雜的系統(tǒng)來說，結(jié)構(gòu)、流程、物料和系統(tǒng)參數(shù)等，都非常復(fù)雜，如果計算對象比較模糊，運算效率會受到嚴重的影響，這就給在線優(yōu)化軟件帶來了巨大的困難。為了解決這種情況，通過合適的算法解決辨別模型，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和學(xué)習(xí)特點進行數(shù)據(jù)的識別，讓在線優(yōu)化軟件也能夠良好的應(yīng)用于各種模型，比如國內(nèi)比較成熟的 NEUMAX 軟件包，基于神經(jīng)遺傳算法的在線優(yōu)化軟件包，都能夠良好的實現(xiàn)各種模型的遺傳算法，這些軟件已經(jīng)成功應(yīng)用于甲醇合成機械設(shè)計的優(yōu)化工作中。

2.2 優(yōu)化設(shè)計在MATLAB中的應(yīng)用

在機械設(shè)計中引入優(yōu)化設(shè)計方法不僅能使設(shè)計的機械零件滿足性能要求，還能使其在某些特定方面達到最優(yōu)。利用 MATLAB優(yōu)化工具箱求解機械優(yōu)化設(shè)計問題不僅避免了傳統(tǒng)的設(shè)計方法中人工試湊、分析比較過程中的繁雜與重復(fù)，而且編程簡單、結(jié)果可靠。在上述實例中，利用 MATLAB 軟件中FEMINCON函數(shù)求解夾具設(shè)計問題，最 終設(shè)計的 夾具要比采用傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的質(zhì)量輕、成本低，并且設(shè)計效率高。

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人類模仿大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能而建立的一種信息處理系統(tǒng)，是理論化的人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從事例中學(xué)習(xí)，可以處理非線性問題，特別擅長處理那些需要人直觀判斷的信息匱乏的問題，如不完全數(shù)據(jù)集合，模糊信息以及高度復(fù)雜問題等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

Hopfield 網(wǎng)絡(luò) 2.BP 網(wǎng)絡(luò)

2.4 模糊優(yōu)化方法在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用應(yīng)用模糊優(yōu)化理論能夠?qū)⒃O(shè)計中的模糊因素和模糊主觀信息定量化，通過合理給定約束函數(shù)、目標函數(shù)的容許值、期望值及其模糊分布 （隸屬函數(shù)） 來 “軟化”邊界條件，擴大尋優(yōu)范圍和體現(xiàn)專家的經(jīng)驗、觀點和某些公認的設(shè)計準則。把模糊技術(shù)應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計建模，其特長不僅在于它善于表達模糊概念，處理模糊因素，而且還可將復(fù)雜問題簡化，使優(yōu)化模型更加合理。采用模糊理論建立優(yōu)化設(shè)計模型對求解復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計問題具有重要意義。

篇2

【關(guān)鍵詞】機械設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；方法

引 言

機械優(yōu)化設(shè)計，所涉及的學(xué)科眾多。其中包含物理學(xué)、材料學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)及化學(xué)、應(yīng)用力學(xué)以及計算機程序設(shè)計等，系處理較為復(fù)雜的設(shè)計的有效工具之一。此次研究除去闡述優(yōu)化設(shè)計方法，還總結(jié)出歸納出無約束優(yōu)化設(shè)計法、有約束優(yōu)化設(shè)計法、基因遺傳算法三類優(yōu)化設(shè)計手段，并對三者的特點進行論述，最后，對選取優(yōu)化設(shè)計手段的幾大要素進行闡述。

一、優(yōu)化設(shè)計手段的論述

機械優(yōu)化領(lǐng)域的設(shè)計靈魂即是優(yōu)化設(shè)計方法，伴隨計算機技術(shù)及數(shù)學(xué)科學(xué)迅速發(fā)展，解析法、數(shù)值分析法及非數(shù)值分析法為其所發(fā)展經(jīng)歷的三個階段。

20世紀的50年代初，解決最優(yōu)化問題的兩種最主要的數(shù)學(xué)方法是，古典的變分法與微分法。此兩種手段具計算精準及概念清晰的主要特征，可是，不足之處是僅限于解決一些小型或是特殊問題，于處理大型的實際問題之時，因過大的計算量，無形中增加了計算的難度。

20世紀50年代末，于優(yōu)化設(shè)計中，其求優(yōu)方法的理論基礎(chǔ)即是數(shù)學(xué)規(guī)劃手段。該方法是以數(shù)值分析為前提，結(jié)合已知的信息及條件，最后通過一連串的迭代過程得出問題最優(yōu)解。但是其相關(guān)的理論還是比較簡單的，計算的過程亦相對容易，只是計算的量極其大，可是此亦正是計算機所有工作中最為擅長的一項，當然，計算機也就歸為了數(shù)值優(yōu)化措施工具中最關(guān)鍵的那一類。

20世紀80年代末，如模擬退火、進化規(guī)劃、混沌、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及禁忌搜索等一些優(yōu)化方法層出不窮，上述算法經(jīng)模擬自然現(xiàn)象及規(guī)律而獲得某些結(jié)論，一步步產(chǎn)生具有特點的優(yōu)化方法，它的內(nèi)容涉及到物理學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)學(xué)、人工智能等。

二、設(shè)計方法

該設(shè)計方法被大量的應(yīng)用到機械工程中，主要是因為它可以在特定的背景中確保方案最為合理，而且不需要使用太多的人力物力。該方法從最初的數(shù)值法到后來的數(shù)值分析，最后過渡到非數(shù)值分析。最近幾年由于電腦技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在設(shè)計的時候可以通過合理的選取設(shè)計數(shù)值進而得到最為優(yōu)秀的方案，而且還能夠大大的縮短用時。將該方法和電腦科技有效的融會到一起，是時展的產(chǎn)物，必將得到發(fā)揚。

三、類型和特征簡介

1、無約束優(yōu)化設(shè)計法

具體的說分成兩個類型，一種是像共軛梯度法、最速下降法、牛頓法等方法，它是利用目標函數(shù)的一階或二階導(dǎo)數(shù)的無約束優(yōu)化方法。另一種是像單形替換法、坐標輪換法等，利用目標函數(shù)值的無約束優(yōu)化方法。

2、遺傳算法

該方法是對隨機群體不斷的演變選擇，進而獲取最為合理的方法。它非常的類似于自然界的淘汰法則，適應(yīng)社會發(fā)展的必然得到發(fā)展，而落后的必然會被遺棄。該方法有兩大特點，即能夠起到優(yōu)化整體的作用，同時還有很好的適應(yīng)能力。它被應(yīng)用到很多領(lǐng)域中，比如問題診斷等等。最近幾年它在工程方面也體現(xiàn)出了自身的巨大價值。接下來就具體的展開論述。第一是它能夠論述可靠性問題。第二是能夠辨別參數(shù)。它能夠大體的分辨結(jié)論數(shù)值，明確了大體的區(qū)間之后，再通過遺傳措施對設(shè)定的數(shù)值以及結(jié)論數(shù)值一起優(yōu)化處理。第三，能夠設(shè)計機械方案。為了和目前的編碼體系保持一致，其設(shè)置了一系列的遺傳方法，通過這些方法掌控它的搜索活動，而且通過復(fù)制等活動不斷的迭代，進而得到最為優(yōu)秀的方案。除此之外，它還可以應(yīng)用到很多的其他行業(yè)中，比如節(jié)能設(shè)計以及數(shù)控加工誤差等。上文講述了很多它的優(yōu)點，不過它也并非是完美的。比如目前還無法優(yōu)化其自身的數(shù)值，無法通過新的設(shè)置來提升效率，目前的操作方法還不是很完善等等的一些問題。一般采用懲罰函數(shù)法求解約束優(yōu)化問題時，其難點是如何選擇合適的懲罰因子。該因子太大的話，會使得搜索工作變得困難，但是如果設(shè)置得太小的話，可能造成整個懲罰函數(shù)的極小解不是原目標函數(shù)的極小解。

3、約束優(yōu)化設(shè)計法

根據(jù)處理約束條件的方法不同可分為間接法和直接法。間接法常見的有增廣乘子法、懲罰函數(shù)法。它是將非線性優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成線性規(guī)劃問題或是將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成無約束優(yōu)化問題來求解。直接法常見的方法有復(fù)合形法、網(wǎng)絡(luò)法和約束坐標輪換法等。它的本質(zhì)是創(chuàng)造一個迭代的步驟，確保所有的迭代點都能夠在可行區(qū)間之中，進而不斷的降低數(shù)值，一直到最為合理為止。

4、蟻群算法

是通過人工模擬螞蟻搜索食物的過程來求解旅行商問題，在1991年由意大利學(xué)者M.Dorigo等人提出。蟻群算法適合非線性問題的求解，避免了導(dǎo)數(shù)等數(shù)學(xué)信息，對系統(tǒng)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型沒有很高的要求。主要應(yīng)用在：交通建模及規(guī)劃電信路由控制、集成電路布線設(shè)計、有序排列問題、二次分配、車間任務(wù)調(diào)度等問題的求解。雖然蟻群算法具有并行計算、正反饋選擇和群體合作等優(yōu)點，但也存在著容易出現(xiàn)“停滯”現(xiàn)象和需要較長的搜索時間兩個缺陷。吳慶洪等提出了應(yīng)用改進型蟻群算法解決有序排列問題，運用新的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，討論不同的軌跡更新規(guī)則對仿真結(jié)果的影響的一種具有變異特征的蟻群算法，并通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗證了相對于標準的蟻群優(yōu)化算法中，改進型蟻群算法的優(yōu)勢所在。

5、模擬退火算法

模擬退火算法，最早在1953年由Metropolis提出，1983年Kirkpatrick成功地應(yīng)用在組合最優(yōu)化問題。模擬退火算法是一種通用的優(yōu)化算法，用以求解不同的非線性問題；能夠發(fā)揮出良好的收斂性特征，而且適應(yīng)能力很是強大；對不可微甚至不連續(xù)的函數(shù)優(yōu)化，能以較大概率求得全局優(yōu)化解；能處理不同類型的優(yōu)化設(shè)計變量；并且對目標函數(shù)和約束函數(shù)沒有任何要求；不需要任何的輔助信息。目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、控制工程、數(shù)值分析和生產(chǎn)調(diào)度等。這個方法雖然有很多的優(yōu)點，不過它也存在一些缺點，比如它的效果不是很好，而且整個運算活動耗費的時間非常久。通過上文的分析我們得知了這幾種算法本身的優(yōu)點和缺陷，應(yīng)該盡量的避免其缺陷，將優(yōu)勢結(jié)合到一起，對其進行完善。

四、合理選取方法

通過上文中對設(shè)計特征的分析，我們得知要想保證設(shè)計合理，就要正確的選取優(yōu)化方法。這主要是因為即使是一個完全相同的內(nèi)容它也會存在很多不一樣的解決措施。然而并非是并存的這幾個措施都能夠?qū)栴}解決得天衣無縫。比如一些措施會使得設(shè)計的最終結(jié)果和我們當初的設(shè)置不符。要想避免這種現(xiàn)象，就需要我們牢牢此遵守四個基礎(chǔ)原則。第一，要保證可靠性好，第二要保證使用的計算程序是合理的，第三要確保其穩(wěn)定，最后要保證效率。除此之外，還需要工作者的工作經(jīng)驗豐富，只有這樣才可以分析相關(guān)的函數(shù)值，結(jié)合復(fù)雜性等要素對其進行合理的選取判斷。優(yōu)化設(shè)計的選擇取決于數(shù)學(xué)模型的特點，對于只含線性約束的非線性規(guī)劃問題，最適應(yīng)采用梯度投影法；對于約束函數(shù)和目標函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計變量個數(shù)較少的問題，采用懲罰函數(shù)法較好；針對那些求導(dǎo)有難度的要使用直接解法；對于高度非線性的函數(shù)，就要選取那些較為穩(wěn)定的措施。

結(jié)束語

從機械產(chǎn)品設(shè)計的全局來看，目前比較先進的優(yōu)化設(shè)計，大多數(shù)還停留在設(shè)計方案后參數(shù)優(yōu)化方面，面向產(chǎn)品設(shè)計，應(yīng)將優(yōu)化設(shè)計拓寬到機械設(shè)計產(chǎn)品的全生命周期過程，是適應(yīng)機械產(chǎn)品設(shè)計。隨著機械技術(shù)不斷地發(fā)展，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)支持下，現(xiàn)代機械先進優(yōu)化設(shè)計技術(shù)將進行新一輪的發(fā)展。

參考文獻

[1]李秀昌.淺談機械制造中數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?013（9）.

篇3

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計；機械設(shè)計；效率；最佳方案

我國在工程運用中都取得了非常大的進步與很好的成效,然而和國外的先進優(yōu)化技術(shù)相比還是有非常大的差異,在現(xiàn)實工程中能夠起到作用的優(yōu)化設(shè)計方案或者是設(shè)計結(jié)果所占據(jù)的比例并不是非常的大。計算機等輔助裝備性能的不斷增強、加之市場與科技的雙重推進，使優(yōu)化技術(shù)能夠在機械設(shè)計與制造中的運用得到了迅猛的發(fā)展,遺傳算法、粒子群法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其它一些智能的優(yōu)化方法在優(yōu)化設(shè)計中也得到了非常廣泛的引用。現(xiàn)代機械正向著大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展,傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法在實際工程的運用中逐漸顯表現(xiàn)的有些單調(diào)與乏力，已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品不斷創(chuàng)新的需求,機械優(yōu)化設(shè)計急需創(chuàng)新和發(fā)展。

1機械優(yōu)化設(shè)計中的相關(guān)定義

優(yōu)化設(shè)計能夠展示出人們對于設(shè)計規(guī)律這個客觀世界認知的深化。設(shè)計上的優(yōu)化值具體是指在特定條件的影響下能夠取得的最佳設(shè)計值。最優(yōu)值是一個比較相對的概念,其和數(shù)學(xué)上的極值相比還是有很多不同的。

2機械優(yōu)化設(shè)計研究內(nèi)容

機械優(yōu)化設(shè)計是一種比較科學(xué)、現(xiàn)代化的設(shè)計方式,而且是“最優(yōu)”的。此處的“最優(yōu)”也是相對而言的,伴隨科技的不斷發(fā)展以及設(shè)計條件不斷變化,最優(yōu)的標準也隨之改變。優(yōu)化設(shè)計體現(xiàn)了人們對于客觀世界認知的深化,需要人們按照事物發(fā)展的客觀規(guī)律,在特定的物質(zhì)基礎(chǔ)與技術(shù)情況下完全發(fā)揮人的主觀能動性,獲得最好的設(shè)計方案。

2.1優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的區(qū)別

優(yōu)化設(shè)計的最終目的就是最優(yōu)設(shè)計，運用數(shù)學(xué)手段創(chuàng)建能夠達到設(shè)計目的的優(yōu)化模型；在大量能夠?qū)嵤┑脑O(shè)計方案里面選擇出最好的設(shè)計方案；其所運用的手段就是計算機，計算機具有非常快的運算速度，可以從數(shù)量較多的方案中挑選出“最優(yōu)方案”。即使在建模的時候需要進行合適的適簡化,或許會導(dǎo)致所得到的結(jié)果不是完全可行或者是實際最優(yōu)的，然而它是以客觀規(guī)律與數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，不需要太多費用，所以其具備了經(jīng)驗類比或者是試驗手段所沒有的特征。傳統(tǒng)設(shè)計同樣也追尋著最優(yōu)的結(jié)果，經(jīng)常是以調(diào)查分析為基石，根據(jù)設(shè)計需要與實踐經(jīng)驗，參照相似的工程設(shè)計,經(jīng)過估算、經(jīng)驗對比、試驗以及構(gòu)思、評價、再構(gòu)思、再評價的尋優(yōu)步驟來選擇設(shè)計方案，接下來需要剛度、強度以及穩(wěn)定性等其它方面進行計算。經(jīng)有關(guān)實踐可以看出，傳統(tǒng)的設(shè)計還要大量不足之處需要改善，并且最后的結(jié)果基本上離不開初始設(shè)計的試驗范圍。

2.2優(yōu)化設(shè)計所研究的內(nèi)容

優(yōu)化設(shè)計首先需要選擇設(shè)計變量、制定目標函數(shù)、列出約束條件以及構(gòu)建優(yōu)化模型,其次是選用比較合適的優(yōu)化方法進行優(yōu)化求解,其主要包含了建模與求解。建模的要求:了解與把握優(yōu)化設(shè)計方法的基本理論知識、設(shè)計問題抽象與數(shù)學(xué)模型處理的基本技能；具備此領(lǐng)域豐富的專業(yè)知識與設(shè)計經(jīng)驗。

2.3機械優(yōu)化設(shè)計特點

機械優(yōu)化設(shè)計其實就是將計算方法與數(shù)學(xué)規(guī)劃理論運用到機械設(shè)計中去，按照所設(shè)定好的目標，憑借電子計算機的運算尋找最佳設(shè)計方案的相關(guān)參數(shù)，進而能夠獲得更大的技術(shù)經(jīng)濟的成效，其具備了普通的機械設(shè)計所沒有的特征。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：能夠減少機械產(chǎn)品的成本，增強它的性能。

2.4機械優(yōu)化設(shè)計基本思路

在保證基本機械性能的基礎(chǔ)上，依托計算機,運用部分具有較高精度的力學(xué)與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法來進行計算。機械優(yōu)化設(shè)計的步驟：對設(shè)計變量進行分析，提出目標函數(shù)，確定約束條件，建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型；選用合適的優(yōu)化方式，編寫優(yōu)化程序；準備所需要使用的初始數(shù)據(jù)并且上機進行計算，對計算所得到的結(jié)果進行必要的驗證。

3機械優(yōu)化設(shè)計方法

優(yōu)化準則法針對不同類型的約束、變量以及目標函數(shù)等需要導(dǎo)出完全不一樣的優(yōu)化準則,通用性非常差,并且基本上都是近似最優(yōu)解；規(guī)劃法需要經(jīng)過大量的迭代、不斷進行分析，需要花費大量的資金，這在很大程度上限制了它在實際工程優(yōu)化設(shè)計中的宣傳運用。現(xiàn)代化的機械設(shè)計復(fù)雜程度越來越高,傳統(tǒng)的優(yōu)化算法已經(jīng)不能跟上時代的潮流。

3.1遺傳算法

遺傳算法最是早由美國密歇根大學(xué)的Holland教授所提出的，是模擬生物進化的過程、高度并行、隨機以及自適應(yīng)的全局優(yōu)化概率搜索算法。其根據(jù)獲得最大收益的原則進行隨機搜索,不需要使用任何梯度信息,就能夠獲得全局最優(yōu)解,具備非常強的靈活性、通用性與全面性；其缺點就是不能夠確保下一代比上一代要好。在1980年的時候，被大量的運用到函數(shù)優(yōu)化與人工搜索等其它方面，在最近的幾年里更多的是被運用到工程優(yōu)化設(shè)計中，其主要適合設(shè)計變量比較少的情況使用。

3.2粒子群算法

Kennedy和Ebehart在1995年的時候提出了模擬鳥群覓食環(huán)節(jié)的粒子群法，從一個優(yōu)化解集進行搜索，經(jīng)過個體之間的相互競爭與合作，實現(xiàn)復(fù)雜空間中最優(yōu)解的全局搜群法與遺傳算法相比，容易實現(xiàn)、原理簡單以及有記憶性，不需要進行變異與交叉操作，需要調(diào)節(jié)的參數(shù)并不是非常的多，收斂的速度很快，算法所獨有的并行搜索不僅能夠降低陷入局部極小的可能性，進一步提高了算法的性能與計算的效率。目前，其已經(jīng)被應(yīng)用到了對目標函數(shù)進行、對優(yōu)化動態(tài)環(huán)境進行優(yōu)化與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等其它方面，然而運用在機械優(yōu)化設(shè)計中的研究還是非常少的。

4案例分析

內(nèi)燃機連桿結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計。運用傳統(tǒng)的設(shè)計是很難使得連桿達到不但要輕而且又非常可靠的目標，而選用最優(yōu)化方法并結(jié)合采用有限元法數(shù)值計算技術(shù)對連桿結(jié)構(gòu)進行分析，則可圓滿完成這一任務(wù)，并得出連桿最優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)構(gòu)形狀。在連桿結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計計算中，每向最優(yōu)方案前進一步，都需要對連桿結(jié)構(gòu)進行有限元研究，其主要目標就是為最優(yōu)化的設(shè)計提供變形、應(yīng)力以及疲勞安全系數(shù)等相關(guān)信息。運用有限元的方式對連桿結(jié)構(gòu)在全部720°循環(huán)的過程中做動態(tài)分析，會獲得非常好的效果，然而這就會導(dǎo)致會有一個非常繁瑣的計算過程，需呀花費大量的時間。所以，在最優(yōu)化過程中可配合使用計算比較方便、結(jié)果也比較準確以及花費時間比較少的最大拉、壓工況下的有限元靜力分析，而后對連桿上應(yīng)力、變形最大及疲勞安全系數(shù)最小的特征部位的計算結(jié)果進行動態(tài)修正。修正值可通過對連桿最優(yōu)化設(shè)計初始方案的動態(tài)分析或?qū)σ延羞B桿的動應(yīng)力電測得到。

5結(jié)語

機械優(yōu)化設(shè)計為機械工程界創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟財富，伴隨科技手段的不斷更新，優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展具有非常廣闊的前景。目前的優(yōu)化正逐漸的發(fā)展成為多學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計，完全運用最先進的計算機技術(shù)。虛擬設(shè)計技術(shù)是未來發(fā)展的重點，仿真技術(shù)也逐步向著協(xié)同化與系統(tǒng)化的方向不斷發(fā)展。目前依然處在理論探究階段的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、結(jié)構(gòu)動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計、智能算法優(yōu)化設(shè)計、可靠性穩(wěn)健設(shè)計、柔性機械優(yōu)化以及綠色優(yōu)化等都是未來機械優(yōu)化設(shè)計的重點發(fā)展方向。然而我們依然需要注意的是，在逐漸增強優(yōu)化技術(shù)水平的同時，國內(nèi)的機械加工的工藝水平、制造技術(shù)以及加工手段也需要同步增強，否則機械的整體水平依然會停在原地。這不但要引入先進的加工技術(shù)，更為重要的是不斷增強加工設(shè)備自身的性能，特別是數(shù)控機床的加工水平。增強與國際技術(shù)發(fā)達國家之間的溝通與合作，軟、硬件技術(shù)共同提升，以期達到機械設(shè)計——加工一體化的目的。

作者:張鑫 單位:西京學(xué)院

參考文獻:

篇4

關(guān)鍵詞：機械自動化 優(yōu)化設(shè)計 分析 探討

1.前言

在機械自動化設(shè)計中對于優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用越來越廣泛，在機械設(shè)計中利用優(yōu)化設(shè)計，不但可以使機械設(shè)備零件得到改善，而且也可以省到10%-35%左右的材料。所以說優(yōu)化設(shè)計受到了人們的高度關(guān)注。

2.實現(xiàn)機械自動化優(yōu)化設(shè)計的途徑

機械自動化在形式可以代替人或者是人的大腦進和一些勞動及生產(chǎn)；機械自動化在功能上可以取代人力或者腦力勞動者。機械自動化技術(shù)之所以可以做到這些，主要是因為利用了自動化技術(shù)，使生產(chǎn)周期縮短，生產(chǎn)效率提高，生產(chǎn)成本減少等。讓企業(yè)可以在保質(zhì)保量的情況下，利用機械自動化技術(shù)。機械自動化技術(shù)不僅涉及到機械設(shè)備自動化技術(shù)應(yīng)用上，還包括了機械設(shè)備自動化的設(shè)計中。

根據(jù)目前我國的現(xiàn)狀，可以有效地實現(xiàn)機械自動化優(yōu)化設(shè)計的重要途徑是：利用現(xiàn)在先進的科學(xué)技術(shù)，提高對機械自動設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對機械自動化優(yōu)化設(shè)計研究新的設(shè)計方法，將機械自動化盡快與國際接軌。

3.我國機械自動化的現(xiàn)狀分析

機械自動化設(shè)計中的CAD技術(shù)設(shè)計，對于設(shè)計的效率的提高以及設(shè)計方案的優(yōu)化都有著一定的功效，還可以減輕設(shè)計人員的工作壓力，工作周期以及設(shè)計標準等。

雖然CAD機械設(shè)計技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。而且也已經(jīng)被一些大的企業(yè)所應(yīng)用。但是CAD技術(shù)應(yīng)有較高的局限性。對于一些三維及防真設(shè)計上還存在缺陷。CAPP技術(shù)的出現(xiàn)對于設(shè)計人員的勞動強度，以及設(shè)計效率大大提高了，而且對機械自動化設(shè)計中的工藝設(shè)計也提高了不少，對于數(shù)據(jù)之間實現(xiàn)了人機一體化。將人作為系統(tǒng)中的核心者，使企業(yè)生產(chǎn)中可以將生產(chǎn)效率提高，減少成本消耗，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量問題。

CIMS機械自動化設(shè)計技術(shù)是集合于CAD、CAPP、QIS等一系列的系統(tǒng)在計算機為基礎(chǔ)的條件下所構(gòu)成的。[1]它是如今機械電子自動化設(shè)計中的核心。在如今社會條件下，對于機械自動化的優(yōu)化設(shè)計不是所謂的所有的機械設(shè)備連合在一起，所有的生產(chǎn)車間聯(lián)合在一起，而是將機械自動化為中心，以制造自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)。制造自動化系統(tǒng)不只是CIMS的數(shù)據(jù)匯合地，還是CIMS的一個重要部分。對機械自動化來說，可以有效地利用這一基礎(chǔ)。在這種生產(chǎn)條件下，使各個車間的機械設(shè)備進行自動化控制，以人為中心，各個部門的機械設(shè)備可以做到相互之間的各諧工作與優(yōu)化運行。

4.對機械自動化設(shè)計的優(yōu)化分析

通過對以上機械自動化設(shè)計現(xiàn)狀的分析，應(yīng)當通過以下幾個方面對機械自動化設(shè)計進行優(yōu)化設(shè)計分析：

4.1.機械自動化設(shè)計邁向數(shù)字化

作為機械制造技術(shù)中的核心環(huán)節(jié)，通過對數(shù)據(jù)進行數(shù)字化的方式實現(xiàn)快速傳遞，相互交流，并以機械設(shè)備的市場為基礎(chǔ)，對機械自動化優(yōu)化設(shè)計進行科學(xué)地、正確地、分析處理。[2]以及對機械設(shè)備的防真模擬，正確數(shù)據(jù)的提供，對生機械自動化設(shè)計中的信息提供了全面的支持。對于機械設(shè)備占領(lǐng)市場也提供了便利的條件，并且對機械設(shè)備自動化的市場變化進行有效地調(diào)整。

4.2.機械自動化設(shè)計走向智能化

自打有了人工智能化這一說法以后，人們就可以逐漸地感覺到智能化將比其它所有的技術(shù)能都要強悍，都要有優(yōu)勢。在機械自動化的發(fā)展過程上，已經(jīng)難以離開智能制造系統(tǒng)了，這種系統(tǒng)其實就是將智能化的機器和人們的智慧結(jié)合在一起共同地行的人機一體化。[3]在對機械設(shè)備進行自動化設(shè)計時，人工智能系統(tǒng)不可以解決一些傳統(tǒng)方法中不能解決的問題。智能化機械電動化設(shè)計不僅可以達到人與機器的和諧合作，還可以使人們更好地利用機械自動化。大大減少了人們腦力勞動。對于人們在機械自動化設(shè)計中的腦力勞動可以得到很好地發(fā)展及延伸。人類已經(jīng)可以很好地進行思維的復(fù)雜化，而人工智能系統(tǒng)可以將人類的這種復(fù)雜化思維能力得以輔地延續(xù)，并將有效地利用在機械自動化的優(yōu)化設(shè)計中去。將機械自動化優(yōu)化設(shè)計邁向智能化，達到一個新的飛躍。這就需要我們作出努力加強探索。加大機械自動化邁向智能化設(shè)計的分析研究。可以使機械自動化轉(zhuǎn)向智能化在企業(yè)自身發(fā)展中有一個平穩(wěn)有效地發(fā)展。

4.3.機械自動化優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)--虛擬自動化

對于每個機械自動化設(shè)計中都離不開圖紙進行設(shè)計，對機械設(shè)備成品的試驗中也是離不開圖紙的展示，最后達到機械自動化設(shè)計的完成。這樣的操作程序不僅浪費時間，而且對人員的浪費，時間上的浪費，以及企業(yè)財力方面的浪費都是一批不小的開支。當下計算機技術(shù)的發(fā)展迅速，以及各種聯(lián)系方式的發(fā)展，電子，網(wǎng)絡(luò)的迅速普遍。這就給機械自動化優(yōu)化設(shè)計走向模擬化提供了十分便利的條件。人們可以有效地利用電子計算機技術(shù)及設(shè)備，對于傳統(tǒng)中大量的圖紙模型以及一些數(shù)據(jù)上的統(tǒng)計利用計算機將它們模擬出來。利用網(wǎng)絡(luò)的模擬，可以節(jié)省大量的人力，財力以及時間等。利用計算機網(wǎng)絡(luò)的模擬不僅可以第一時間對機械自動化設(shè)計數(shù)據(jù)進行溝通，交流。

機械自動化設(shè)計中不僅要全面地掌握計算機技術(shù)，還應(yīng)該使虛擬環(huán)境下的各種技術(shù)之間的相互交換，以及各種設(shè)備之間的相互交換做到合理性。在一個充分虛擬的環(huán)境中將機械自動化進行優(yōu)化設(shè)計工作。

4.4.機械自動化的環(huán)保優(yōu)化設(shè)計

隨著人們生活水平的提高，對生活環(huán)境的要求也越來越高。由于地球的生態(tài)環(huán)境正在急劇地下降以及惡化中。 現(xiàn)在的人們已經(jīng)開始慢慢地認識到對于環(huán)境的珍貴與保護當中。

機械制造業(yè)作為一個環(huán)境污染的重點企業(yè)。對于環(huán)境的污染已經(jīng)夠成了相當大的危險。[4]如果環(huán)境已經(jīng)出現(xiàn)了非常重要的污染。所以在進行機械自動化設(shè)計時，環(huán)保是首先要考慮在內(nèi)的。在對機械自動化進行優(yōu)化設(shè)計時，順應(yīng)環(huán)保要求下進行優(yōu)化設(shè)計，要降低機械對于能源的消耗，以于機械在排放可以做節(jié)能減排。機械自動化設(shè)計的必然趨勢是邁向環(huán)保型優(yōu)化設(shè)計。

5.總結(jié)

機械自動化技術(shù)應(yīng)用在每個國家都有著非常重要的地位，在我國更是如此，機械自動化的優(yōu)化設(shè)計不僅要與世界先進的設(shè)計水平共求發(fā)展，還要在此基礎(chǔ)上研究出技術(shù)更高的機械自動化設(shè)計技術(shù)。使我國的機械制造業(yè)可以達到一個整體地發(fā)展。機械自動化技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計要基于以上幾個方面基礎(chǔ)上而創(chuàng)新發(fā)展。才可以有效地推進我國機械制造業(yè)的迅速發(fā)展。

參考文獻：

[1]李振華. 機械自動化技術(shù)發(fā)展趨勢探討[J]. 科技致富向?qū)В?013，21：339.

[2]劉洋. 我國機械自動化發(fā)展前景[J]. 黑龍江科技信息，2011，05：7.

篇5

關(guān)鍵詞：機械；優(yōu)化設(shè)計；參數(shù)化；數(shù)學(xué)規(guī)劃；可靠性設(shè)計。

一、優(yōu)化設(shè)計的基本理論

優(yōu)化設(shè)計是現(xiàn)代化設(shè)計方法的重要內(nèi)容之一。它以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，以電子計算機為工具，在充分考慮多種設(shè)計約束的前提下，需求滿足預(yù)定目標的最佳設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計能比較好的把現(xiàn)代設(shè)計理論和經(jīng)過長期實踐驗證的設(shè)計內(nèi)容結(jié)合起來。這種技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力，它的推廣應(yīng)用，對促進我國設(shè)計工作現(xiàn)代化，起到良好的作用。

優(yōu)化設(shè)計能夠成功的解決解析等其他方法難以解決的復(fù)雜問題，為工程設(shè)計提供了一種重要的科學(xué)設(shè)計方法，大大提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計主要包括兩個方面：一是如何將設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為確切反映問題實質(zhì)并適合于優(yōu)化計算的數(shù)學(xué)模型，建立數(shù)學(xué)模型包括：選取適當?shù)脑O(shè)計變量，建立優(yōu)化問題的目標函數(shù)和約束條件。目標函數(shù)是設(shè)計問題所要求的最優(yōu)指標和設(shè)計變量之間的函數(shù)關(guān)系式，約束條件反映的是設(shè)計變量取得范圍和相互之間的關(guān)系；二是如何求得該數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解；可歸結(jié)為在給定的條件下求目標函數(shù)的極值或最優(yōu)值問題。機械優(yōu)化設(shè)計就是在給定載荷或環(huán)境下，在機械產(chǎn)品的形態(tài)、幾何尺寸關(guān)系或其他因素的限制范圍內(nèi)，以機械系統(tǒng)的功能、強度和經(jīng)濟性等為優(yōu)化對象，選取設(shè)計變量，建立目標函數(shù)和約束條件，并使目標函數(shù)獲得最優(yōu)值一種現(xiàn)代設(shè)計方法，目前機械優(yōu)化設(shè)計已廣泛應(yīng)用于航天、航空和國防等各部門。

二、機械優(yōu)化設(shè)計特點

傳統(tǒng)設(shè)計者采用的是經(jīng)驗類比的設(shè)計方法。其設(shè)計過程可概括為“設(shè)計―分析―再設(shè)計”的過程，即首先根據(jù)設(shè)計任務(wù)及要求進行調(diào)查，研究和搜集有關(guān)資料，參照相同或類比現(xiàn)有的、已完成的較為成熟的設(shè)計方案，憑借設(shè)計者的經(jīng)驗，輔以必要的分析及計算，確定一個合適的設(shè)計方案，并通過估算，初步確定有關(guān)參數(shù)；然后對初定方案進行必要的分析及校核計算；如果某些設(shè)計要求得不到滿足，則可進行設(shè)計方案的修改，并再一次進行分析及較和計算，如此反復(fù)，直到獲得滿意的設(shè)計方案為止。這個設(shè)計過程是人工試湊與類比分析的過程，不僅需要花費較多的設(shè)計時間，增長設(shè)計周期，而且只限于在少數(shù)幾個候選方案中進行比較。

機械優(yōu)化設(shè)計具備常規(guī)設(shè)計不具備的特點，主要表現(xiàn)兩個方面：

1）優(yōu)化設(shè)計能使各種設(shè)計參數(shù)自動向更優(yōu)的方向進行調(diào)整，直至找到一個盡可能完善的或最合適的設(shè)計方案。

2）優(yōu)化設(shè)計的手段是采用電子計算機，在較短的時間內(nèi)從大量的方案中選出最優(yōu)的設(shè)計方案。

機械優(yōu)化設(shè)計采用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法，并借助于計算機尋求優(yōu)化參數(shù)，獲得較好的經(jīng)濟效果。可以降低機械產(chǎn)品成本，提高它的性能；優(yōu)化過程中獲得的大量數(shù)據(jù)可以幫助我們獲得數(shù)據(jù)的變化趨勢，有利于對今后設(shè)計結(jié)果作出正確的判斷，從而不斷提高系列產(chǎn)品的性能；

用優(yōu)化設(shè)計方可合理解決多參數(shù)、多目標的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計問題。

三、可靠性優(yōu)化設(shè)計

機械優(yōu)化設(shè)計能保證產(chǎn)品具有最佳的工作性能和參數(shù)匹配，最小的結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量，但不能確保可靠性指標的實現(xiàn)。可靠性設(shè)計可以確保或預(yù)測所設(shè)計的機械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下和規(guī)定的使用時間內(nèi)完成規(guī)定的功能的概率，確保產(chǎn)品的可靠性指標實現(xiàn)，但它不能保證產(chǎn)品具有最佳的工作性能和參數(shù)匹配，最小的結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量，最低成本和最大效益。因此，要是產(chǎn)品既有可靠性要求，又有最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，就必須將可靠性設(shè)計理論與最優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來，即采用可靠性優(yōu)化設(shè)計。按這種方法進行設(shè)計，既能定量的給出產(chǎn)品在使用中的可靠性，又能得到產(chǎn)品在功能、參數(shù)匹配、結(jié)構(gòu)尺寸與質(zhì)量、成本等方面的參數(shù)的最優(yōu)解。另外，在可靠性設(shè)計中也常采用最優(yōu)方法進行系統(tǒng)的可靠性分配。

四、優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展

隨著科學(xué)發(fā)展的需要， 機械產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的不斷提高， 設(shè)計周期的白益縮短， 要求設(shè)計者考慮的因素也愈來愈多， 其計算方法的復(fù)雜性和精確性都是二般傳統(tǒng)設(shè)計難以完成的。面對這種技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀， 設(shè)計者便開始求助于新的理論和新的設(shè)計方法。機械優(yōu)化設(shè)計就是在這種情況下， 發(fā)展起來的一種現(xiàn)代設(shè)計方法。

機構(gòu)運動參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計是機械優(yōu)化設(shè)計中發(fā)展較早的領(lǐng)域，不僅研究了連桿機構(gòu)，凸輪機構(gòu)等再現(xiàn)函數(shù)和軌跡的優(yōu)化設(shè)計問題，而且還提出一些標準化程序。機構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計方面也有很大進展，如慣性力的最優(yōu)平衡，主動件力矩的最小波動等的優(yōu)化設(shè)計。機械零部件的優(yōu)化設(shè)計，最近20多年也有很大發(fā)展，主要是研究各種減速器的優(yōu)化設(shè)計，滑動軸承和滾動軸承的優(yōu)化設(shè)計以及軸、彈簧、制動器等的機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。除此之外，在機床、鍛壓設(shè)備、壓延設(shè)備、起重運輸設(shè)備，汽車等的基本參數(shù)、基本工作機構(gòu)和豬蹄機構(gòu)方面也進行了優(yōu)化設(shè)計工作。

結(jié)束語

現(xiàn)實生活中，優(yōu)化問題存在于很多方面，已經(jīng)受到科研機構(gòu)、政府部門和產(chǎn)業(yè)部門的高度重視。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，產(chǎn)品市場經(jīng)濟日趨激烈，工礦企業(yè)迫切期望提高產(chǎn)品性能，減少原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，增強產(chǎn)品的競爭力，這使得機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用范圍越來越廣，收到的效益也愈來愈顯著。

參考文獻