优化理论在机械设计中的应用与展望

优化理论在机械设计中的应用与展望

余文醒

广东嘉铭智能科技有限公司

摘要：每一部机械都是一套精密的系统，若想改进设计的质量，就需要科学合理的方法。过去的机械设计所采用的主要为设计及操作人员的经验，在不同的方案之间做出取舍和对比，从中选取较好的方案，然而这种情况仅能在有限数目的方案中做出取舍，并不是所有情况中的最优解，这种过去的方式明显缺乏整体性，仅仅是一些条件下的最好情况。

关键词：优化理论;机械设计;工程应用;展望;

引言

信息化社会背景下，高新科技在机械设计中的应用也更加广泛，这大大推动了机械产品的多功能趋势，也使其更加符合当代人对产品的需求。随着时代的变迁，产品设计必然需要不断创新，与时俱进，鉴于机械设计的高精度、高标准，对机械设计优化方法进行深入研究显得更加必要。

1优化设计的发展简述

优化这一理念很早就被人们用于各种领域中，在十四世纪时就有一些如黄金比例分割及分数法的数学优化概念萌生，但是能够系统并科学地表述优化的理念还要追溯到十七世纪时数学方面的理论的发展。上世纪40年代，古典的优化方法主要是运用微分法和变分法来进行问题的优化处理，五十年代时则运用线性及非线性规划以及梯度法来进行问题优化，到了六十年代时就出现了更为先进的多维非线性约束条件规划的罚函数方法。二战时，因为战争的原因诱使运筹学出现，从而解决了很多古典微分法及变分法无法得到的优化解，此时优化设计就能被适用于具体问题的解决和优化了。自一九七零年外国科学家发表了一篇使用几何规划方法解决了液体动压轴承的优化设计，可以说优化设计真正在机械设计中开始了应用以及发展的步伐。同时，因为数学思想方法和现代化计算机技术的不断进步优化设计正成为一门拥内容丰富的工学学科，在机械设计中起到了重要的作用。

2优化设计主要过程及应用实例

2.1过程及思路

优化设计即将最优解从不同的方法中找到或者逼近，其基础是数学中的最优解理论，计算机为辅助手段通过一定的条件和设计目的给出目标函数，在符合不同的边界和初始条件的情况下接近最优解，找到最佳的解决方案。机械设计通过这种办法能够很快的革新和达成技术突破。机械优化设计的过程与过去老式的设计方式相比，优化设计的主要特征为其思想为最有设计，其方法为优化方法，其采用的工具是计算机。

2.2应用范围及发展趋势

优化设计用在机械设计领域时间并不久，在全世界的范围中大概是从二十世纪六十年代末期才开始快速发展，在我们国家优化设计被用于机械设计是近些年才开始的，尽管起步的时间很晚但是在机械综合、通用零件设计和工艺设计的各个方面都发展的十分迅速。现阶段机械优化设计正被用在航空、船只制造、机床、化工设备、车辆制造、建筑机械等各方面，效果非常明显。根据优化的实际案例我们可以知道优化设计是能够保证产品性质优良基础上对于减负及降低成本的一种优质设计方式，这种设计方式的运用不仅能保证方案于设定的需求下取得一些优化效果，还可以免除设计和探究人员繁复的计算和比对工作，很大程度上提高了方案设计和优化的效率。

至于发展趋势的问题目前仍被限制于参数优化这类数值方面的优化阶段，对于结构形式的优化和选择仍有很大的探究空间。并且优化设计作为一门比较新兴的技术能力，很多传统的机械产业还不能很高的适应和普及。

3优化设计展望及热点问题探讨

优化设计将最优理论及计算机技术共同兼容并用于设计的方面，给工程设计提供了新的思路，其未来发展的热门方向应为:

3.1算法方面

算法是工程设计中重要的钥匙，更为缜密和先进的算法可以用于解决工程中不断出现的具体问题，高效和严谨的算法可以使得计算的时间和难度大幅降低，并且提高容错率降低出错的可能性。通过对算法方面的优化显然是机械设计优化设计过程中的热门方向。下面列举几种常见的算法：

（1）约束优化设计法

优化设计问题大多与约束有关，在对机械设计进行方案优化时，根据约束条件分为直接法和间接法。直接法又包括复合型法、约束坐标轮换法和网络法。直接法优化形式主要为构造一个迭代过程，通过不断确定迭代点，让其在可行域中执行，并同时完成目标函数值逐渐降低的过程，快速得到最优解。间接法分为:惩罚函数法、增广乘子法。这种方法根据要求取消约束限制，让原有问题转化为无约束优化问题，然后根据无约束优化方法将问题转化为线性或非线性问题进行解决。

（2）遗传算法

这是一种非确定性的拟自然算法，通过对自然生物进化规律进行模仿，然后对随机产生的群体进行繁衍培育，通过优胜劣汰的淘汰方式，循环往复提高群体素质，让群体中的个体不断演化，最终得到全局最优解。这几年已经将遗传算法应用于机械工程领域，并延展到多个方面，主要的应用领域为:机械结构优化设计;实用性分析;故障诊断;参数辨识;机械方案设计等。遗传算法虽然能够短时间解决多种难题，但这种算法并不完善，由于其本身存在参数优化问题，并且无法避免过早收敛，因此需要对操作手段或方法进行改进，以提高算法优化效率为目的，结合其他优化算法才能加以完善，并被推广运用。

（3）蚁群算法

受自然界蚁群集体行为的启发，在此基础上通过变换模拟形成了蚁群算法。这种算法对数学模型没有严格要求，只用来解决系统优化问题。这种算法可以避免出现导数等数学信息，优化流程简便，能够快速解决非线性问题，并利用显示表达。

（4）模拟退火算法

作为全局最优算法，通过模拟物理系统退火过程，而使优化问题的求解过程变得更为简单便捷。这种算法通过适当控制温度下降过程，对退火的全过程进行模拟，因此对优化过程的全局了如指掌。这种方法具有通用性特点，适用于不同非线性问题的解答。在对于不良性函数进行优化时，同样可以通过计算最大概率的方式得到最优解。同时，这种算法处理问题的类型趋于多样化，不需要借助任何辅助信息，对于目标函数和约束函数不设限制，是一种可以处理离散型、连续型和混合型等多种设计变量的优化算法。

3.2应用软件方面

好的算法要通过软件来实现，算法的不断更新需要能够配适的软件来完成。能够用于结构优化的软件很多，然而在通用性、上手难度和实用性等方面还存在不足，尤其是机械优化设计的数学模型建立很有难度，在大型的机械系统设计中，这个问题需要不断的研究和修改。

3.3多学科设计优化及总体化优化

以往机械结构优化设计可能将重点放在单一的零部件上，或者仅仅考虑某个方面的参数及相关学科的影响，致使最后的优化效果不好，甚至出现了由于考虑不周全导致的自相矛盾，这就意味着优化设计一定会向着多交叉学科和总体化的趋势发展。例如在进行车辆的优化设计中，仅仅从降低车身重量的方面考虑，若是单纯追求减轻质量，可能会因为某些参数的变化使得车辆的动力学参数发生变化，不仅降低了使用的舒适程度还可能影响安全性。多学科设计优化的理论提出给机械结构优化设计带来了新的方向。

4结束语

现代化的机械设计不能再被传统老旧的设计方式所满足，然而由于数学和计算机技术的不断研究和发展，优化理论被逐渐用于机械设计的领域中。现代机械设计的发展情况对我们国家工业生产有着重要的影响，对于机械设计理论和方法的创新和优化都能有效提高机械的作业效率。机械设计研究人员对于设计的革新和优化可以从集成、变形、移植、仿生等各个方面切入，从而设计出更加先进的现代化机械成品。

参考文献

[1]赵小慧.现代机械设计的创新设计理论与方法[J].内燃机与配件，2019(06):170-171.

[2]周剑琦，王茁.探究基于机械制造工艺的机械设计优化策略[J].内燃机与配件，2019(01):92-93.