楊磊

（淮安中綠園林機(jī)械制造有限公司，江蘇 淮安　223300）

機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)與決策分析

楊磊

（淮安中綠園林機(jī)械制造有限公司，江蘇 淮安223300）

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是結(jié)合先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論和優(yōu)化求解方法的一種新的設(shè)計(jì)概念，對減小機(jī)械尺寸、設(shè)計(jì)周期、材料等具有重要作用。文章介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究內(nèi)容，并對現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)求解方法做出說明，闡述了優(yōu)化設(shè)計(jì)的決策方法和原則，對機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域決策設(shè)計(jì)具有參考意義。

機(jī)械設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；決策分析；方法原則

1　優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是多樣的，對于具體的結(jié)構(gòu)而言，優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)可以是加工時(shí)間最短、材料最省、結(jié)構(gòu)尺寸最小、運(yùn)動(dòng)性能最優(yōu)等。優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容也反應(yīng)了人類在追求最優(yōu)的性能要求，對機(jī)械設(shè)計(jì)具有較深的理解和認(rèn)識(shí)。在工程設(shè)計(jì)中，由于優(yōu)化的結(jié)果不一定滿足制造要求或者實(shí)際無法達(dá)到，所以工程領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)往往只是滿足使用要求的基礎(chǔ)上減少材料和結(jié)構(gòu)尺寸。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)大多依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，或者是實(shí)驗(yàn)?zāi)M對比，但是這種設(shè)計(jì)需要耗費(fèi)大量的人力物力，設(shè)計(jì)周期長，計(jì)算量大且重復(fù)工作現(xiàn)象嚴(yán)重。

優(yōu)化設(shè)計(jì)通常需要決策變量，決策變量即是導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)變異性的因素。決策變量確定后就是確定目標(biāo)函數(shù)、約束條件，然后建立優(yōu)化模型，最后優(yōu)化求解。目標(biāo)函數(shù)容易確定，約束條件的表達(dá)也相對簡單，但是注意到求解的困難程度，約束條件是不易確定的，且復(fù)雜的非線性約束表達(dá)對于求解時(shí)非常不利的。所以許多學(xué)者對復(fù)雜非線性系統(tǒng)求解提出了現(xiàn)代先進(jìn)的求解方法。

2　優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法

現(xiàn)代設(shè)計(jì)通過計(jì)算機(jī)編程，許多基礎(chǔ)的構(gòu)件均可以進(jìn)行模型化處理。比如對于桿件設(shè)計(jì)，只需要添加桿長條件的約束，滿足使用條件的情況下優(yōu)化桿的各長度，在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，直接輸出桿的長度參數(shù)，減少了多次復(fù)雜計(jì)算，設(shè)計(jì)過程簡單。通過整理文獻(xiàn)，這里列出傳統(tǒng)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)的智能算法，如表1所示。

表1　優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法

上面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法需要與計(jì)算機(jī)結(jié)合，因?yàn)樵O(shè)計(jì)優(yōu)化模型時(shí)較為容易，且目標(biāo)函數(shù)有約束條件通常具有復(fù)雜的非線性關(guān)系，對于工程實(shí)際問題，約束條件就顯得非常繁多。優(yōu)化設(shè)計(jì)對于提高設(shè)計(jì)精度、保證設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量是非常重要的，但是考慮到現(xiàn)實(shí)生活的

社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，工程領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)所需要的約束條件更多。目前優(yōu)化設(shè)計(jì)方法理論雖然快速發(fā)展，但是模型求解困難，效果不好。主要原因有：第一，優(yōu)化參數(shù)選擇方面受到限制；第二，數(shù)學(xué)模型和機(jī)械設(shè)計(jì)理論知識(shí)水平要求高，建模難度大，系統(tǒng)誤差大；第三，目前的求解算法不足，算法復(fù)雜度高，求解結(jié)果不易達(dá)到全局最優(yōu)，造成部分優(yōu)化效果不明顯；第四，機(jī)械性能提高對優(yōu)化設(shè)計(jì)提出更高的要求，系統(tǒng)性能數(shù)學(xué)描述不足，多目標(biāo)難以處理等對優(yōu)化結(jié)果造成影響。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)變異性時(shí)，我們就是要進(jìn)行決策處理，如圖1所示。

圖1　桿件結(jié)構(gòu)示意圖

在圖1中，LAB、LAB'、LBC'、LB'C的長度不同，但是對于四連桿的運(yùn)動(dòng)均沒有影響，即可以滿足一定的使用情況，但是由于桿件的長度尺寸不同，所以設(shè)計(jì)的原則應(yīng)該是：

L=min｛LAB+LBC'+LAB'+LB'C｝

其中桿的長度由設(shè)計(jì)師給出。系統(tǒng)的決策方法很多，通常對一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)可以進(jìn)行層次分析法和模糊綜合評價(jià)來評價(jià)系統(tǒng)性能的好壞，而最終的決策就是通過評價(jià)結(jié)果確定的。

3　結(jié)語

優(yōu)化設(shè)計(jì)理論發(fā)展迅速，我國許多部門的相關(guān)人員從事這方面的研究，并且取得了一定的成果。在未來計(jì)算機(jī)發(fā)展和智能算法不斷進(jìn)步的信息時(shí)代，優(yōu)化設(shè)計(jì)將成為機(jī)械工程領(lǐng)域的主流方法。系統(tǒng)的變異性和優(yōu)化決策是無處不在的，優(yōu)化設(shè)計(jì)將為未來制造業(yè)減少巨大的能源。

［1］白新理.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.河南：黃河水利出版社，2008.

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

［3］王玉新.復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［4］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］.中國科技信息，2005，（9）：90-91.

Optimization Design and Decision Analysis in Mechanical Design

YANG Lei
（Huaian Zhonglv Garden Machinery Manufacturing co.，LTD.，Huaian，Jiangsu 223300，China）

Mechanical optimization design is a new design concept that combines with the advanced design theory and optimization method，it has an important role to reduce the size of the machinery，the design cycle and material.This paperintroduces the research content of optimization designandmodern optimization design method，elaborates the design optimization decision method and the principle，which are significant to the field of mechanical design design decisions.

mechanical design；optimization design；decision analysis；method principle

TH122

A

2095-980X（2016）04-0082-01

2016-03-27

楊磊（1984-），男，江蘇淮安人，大學(xué)本科，助理工程師，主要研究方向：園林機(jī)械的設(shè)計(jì)及制造。