机械优化设计方法概述摘要机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用,其基本思想是根据机械设计的理论,方法和标准规范等建立一反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型,然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。

作为一门新兴学科，它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上，通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案，使期望的经济指标达到最优，它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题。

优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法。

因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。

本文论述了优化设计方法的发展背景、流程，并对无约束优化及约束优化不同优化设计方法的发展情况、原理、具体方法、特点及应用范围进行了叙述。

关键词：机械优化设计；约束；特点；选取原则Mechanical optimization design is optimized technology in the field of mechanical design and application of transplantation, its basic idea is based on mechanical design theory, methods and standards to establish a reflect problems in engineering design and meet the requirements of the mathematical programming model, and then applying the mathematical programming method and computer technology to find out the design problem of the optimal scheme of automatic. As a new subject, which is based on the theory of mathematical programming and computer program design basis, by numerical calculation, from the large number of design so as to improve or the most suitable design, so that the desired economic index optimal, it can successfully solve the analysis and other methods are difficult to deal with complex problem. Optimization design and provides an important scientific design method. So using this design method can greatly improve the design efficiency and design quality. This paper discusses the optimized design method of the background, development process, and to the unconstrained and constrained optimization of different optimal design method for the development, principle, methods, characteristics and scope of application are described.Key words: mechanical design optimization; constraint; characteristics; selection principle.1、优化设计的背景在人类活动中，要办好一件事（指规划、设计等），都期望得到最满意、最好的结果或效果。

为了实现这种期望，必须有好的预测和决策方法。

方法对头，事半功倍，反之则事倍功半。

优化方法就是各类决策方法中普遍采用的一种方法。

历史上最早记载下来的最优化问题可追溯到古希腊的欧几里得（Euclid，公元前300年左右），他指出：在周长相同的一切矩形中，以正方形的面积为最大。

十七、十八世纪微积分的建立给出了求函数极值的一些准则，对最优化的研究提供了某些理论基础。

然而，在以后的两个世纪中，最优化技术的进展缓慢，主要考虑了有约束条件的最优化问题，发展了一套变分方法。

六十年代以来，最优化技术进入了蓬勃发展的时期，主要是近代科学技术和生产的迅速发展，提出了许多用经典最优化技术无法解决的最优化问题。

为了取得重大的解决与军事效果，又必将解决这些问题，这种客观需要极大地推动了最优化的研究与应用。

另一方面，近代科学，特别是数学、力学、技术和计算机科学的发展，以及专业理论、数学规划和计算机的不断发展，为最优化技术提供了有效手段。

现在，最优化技术这门较新的科学分支目前已深入到各个生产与科学领域，例如：化学工程、机械工程、建筑工程、运输工程、生产控制、经济规划和经济管理等，并取得了重大的经济效益与社会效益。

2、机械优化设计的特点传统设计者采用的是经验类比的设计方法。

其设计过程可概括为“设计—分析—再设计”的过程，即首先根据设计任务及要求进行调查，研究和搜集有关资料，参照相同或类比现有的、已完成的较为成熟的设计方案，凭借设计者的经验，辅以必要的分析及计算，确定一个合适的设计方案，并通过估算，初步确定有关参数；然后对初定方案进行必要的分析及校核计算；如果某些设计要求得不到满足，则可进行设计方案的修改，并再一次进行分析及较和计算，如此反复，直到获得满意的设计方案为止。

这个设计过程是人工试凑与类比分析的过程，不仅需要花费较多的设计时间，增长设计周期，而且只限于在少数几个候选方案中进行比较。

优化设计具有常规设计所不具备的一些特点。

主要表现在两个方面：1)优化设计能使各种设计参数自动向更优的方向进行调整，直至找到一个尽可能完善的或最合适的设计方案，常规设计虽然也能找到比较合适的设计方案，但都是凭借设计人员的经验来进行的。

它既不能保证设计参数一定能够向更优的方向调整，同时也不可能保证一定能找到最合适的设计方案。

2)优化设计的手段是采用电子计算机，在较短的时间内从大量的方案中选出最优的设计方案，这是常规设计所不能相比的。

机械优化设计是把数学规划理论与计算方法应用于机械设计，按照预定的目标，借助于电子计算机的运算寻求最优设计方案的有关参数，从而获得好的技术经济效果：1)可以降低机械产品成本，提高它的性能；2)优化设计过程中所获得的大量数据，可以帮助我们摸清各项指标的变化舰律，有利于对今后设计结果作出正确的判断，从而不断提高系列产品的性能；3)用优化设计方可合理解决多参数、多目标的复杂产品设计问题。

3、机械优化设计发展趋势我国自20世纪80年代初以来，在优化技术研究与应用方面有了长足发展，在优化决策理论与方法研究上能够跟踪之一领域的国际发展前沿，在优化设计软件开发和工程应用中取得不少成果。

为了提高最优化方法的综合求解能力和使用效果，近年来人们在以下方面进行了众多有益的探索：1)人工智能、专家系统技术的引入，增加了最优化方法中处理方案设计、决策等优化问题的能力。

在优化方法中的参数选择时，借助专家系统可以减少参数选择的盲目性，提高程序求解的能力。

2)⑵针对难以处理性态不好的问题、难以求得全局最优解等弱点，发展了一批新的方法，如模拟退火法、遗传算法、人工神经网络法、模糊算法、小波变换法、分形几何法、有混合遗传基因优化方法、混沌优化方法、多态蚁群优化方法、动态蚁群优化方法。

3)数学模型描述能力上，由仅能处理连续变量、离散变量，发展到能处理随机变量、模糊变量、非数值变量等；在建模方面，开展了柔性建模和只能建模的研究；利用人工神经网络来解决目标函数和约束条件函数难以准确写出的问题；利用人工神经网络来解决多数机器设备的实际工作系统是强耦合的数学模型建立问题；动态多变量有化和工程不确定模型优化（模糊优化）、不可微模型优化及多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计的研究。

4)研究对象上，从单一部分的、单一性能或结构的、分离的优化设计，进入到整体优化、分步优化、分部和分级优化、并行优化等，提出了覆盖设计全过程的优化设计思想。

方法研究的终点，从着重研究但目标优化问题进入到着重研究多目标问题。

5)最优化方法程序设计研究中，一方面努力提高方法程序的求解能力和各个方法程序之间的互换性，研制方法程序包、程序库等；另一方面大力改善优化设计求解环境，开展了优化设计集成环境的研究，这为设计者提供了辅助建模工具、优化设计前后处理模块、可视化模块、接口模块等。

6)展多学科优化研究，即把计算机仿真、计算机图形学、智能技术、虚拟现实技术、多媒体技术、机械动力学、有限元等和优化设计方法融为一体，解决具有非稳态（慢变、参变、时滞等）、强耦合、多参数、非线性等的复杂系统问题，目前在复杂结构优化设计中有一定的进展，但还没有形成解决复杂系统问题的优化设计理论、方法和体系。

7)此外，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD），再引入优化设计方法后，使得在优化设计过程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可以加快设计速度，缩短设计周期。

在科学技术发展要求机械产品更新周期日益缩短的今天，把优化方法与计算机辅助设计结合起来，使设计过程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。

4、机械优化设计方法应用前景与地位近年来，优化设计方法已在许多工业部门得到应用，并发挥着重要的作用，相对来讲，优化方法在机械设计中的应用稍晚一些，知道60年代后期才开始有较成功的应用，但发展却十分迅速。

在机构综合，机械零部件设计，专用机械设计和工艺设计等方面都获得应用，并取得丰硕的成果。

机构运动参数的优化设计是机械优化设计中发展较早的领域，不仅研究了连杆机构，凸轮机构等再现函数和轨迹的优化设计问题，而且还提出一些标准化程序。

机构动力学优化设计方面也有很大进展，如惯性力的最优平衡，主动件力矩的最小波动等的优化设计。

机械零部件的优化设计，最近20多年也有很大发展，主要是研究各种减速器的优化设计，滑动轴承和滚动轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的机构参数优化。

除此之外，在机床、锻压设备、压延设备、起重运输设备，汽车等的基本参数、基本工作机构和猪蹄机构方面也进行了优化设计工作。