摘 要：20世紀(jì)60年代至今，隨著最優(yōu)化原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一門新學(xué)科，為工程設(shè)計(jì)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。本文就當(dāng)前機(jī)械優(yōu)化的發(fā)展情況，對機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思路、存在的問題及其在軟件方面應(yīng)用作簡要敘述，并對發(fā)展前景作出展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)字模型；優(yōu)化軟件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.018

1 引言

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式是“設(shè)計(jì)-評價(jià)-設(shè)計(jì)”的過程，設(shè)計(jì)者不得不加入類比和直觀判斷等一系列智力工作進(jìn)行分析評價(jià)。這樣的設(shè)計(jì)方法不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，還使得產(chǎn)品可能潛藏著較大的改進(jìn)和提升的空間。近代科學(xué)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的結(jié)合。為設(shè)計(jì)提供了高效、快速的優(yōu)勢，使設(shè)計(jì)人員在使用各種有效的方法上開辟了新的道路。

2 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

20世紀(jì)90年代起，優(yōu)化方法已在許多工業(yè)部門取得了重大的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用。下面所列是優(yōu)化設(shè)計(jì)在不同工程學(xué)科的應(yīng)用。

（1）航空、航天工程的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)（2）橋梁、建筑等土木工程的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)（3）風(fēng)力、水力等能源工業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)（4）機(jī)械產(chǎn)品及零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)（5）裝修、建筑領(lǐng)域優(yōu)化設(shè)計(jì)（6）化工處理、化學(xué)工業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)（7）輕工紡織業(yè)、軍事工業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)（8）汽車、地鐵運(yùn)輸行業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)（9）食品加工業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)（10）通訊電子行業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)（11）石油及石化行業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)……

優(yōu)化設(shè)計(jì)方法還能應(yīng)用到具體復(fù)雜典型問題的設(shè)計(jì)中，飛行器和宇航結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；空間運(yùn)載軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)；隨機(jī)載荷作用下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；金屬加工條件選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)；泵、渦輪和熱交換裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)；電網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析和建立模型優(yōu)化設(shè)計(jì)；制造業(yè)管路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；企業(yè)資源分配與利用優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

3 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)基本思路

目前，對于某項(xiàng)工程或產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還很難處理方案設(shè)計(jì)、全系統(tǒng)和全性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，一般只能在某個(gè)已確定設(shè)計(jì)方案的前提下，尋求使該方案達(dá)到最佳品質(zhì)、性能或使其達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（設(shè)計(jì)參數(shù)）的最優(yōu)組合，因而有時(shí)又稱它為參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般實(shí)施步驟可概括為：

（1）由設(shè)計(jì)要求和目的定義來設(shè)計(jì)問題；（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立；（3）合適的優(yōu)化計(jì)算方法選用；（4）必要的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)初始點(diǎn)的確定；（5）編寫計(jì)算機(jī)程序，其中包括數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法。計(jì)算機(jī)的求解獲取最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；（6）通過合理性和適用性分析結(jié)果數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方案。

其中，最關(guān)鍵的是兩個(gè)方面的工作：首先將優(yōu)化設(shè)計(jì)問題抽象表述為計(jì)算機(jī)可以接受處理的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，通常簡稱它為優(yōu)化模型；然后選用優(yōu)化計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上求出這個(gè)模型的最優(yōu)解，一般簡稱它為優(yōu)化計(jì)算。

4 設(shè)計(jì)中值得重視的幾個(gè)問題

（1）設(shè)計(jì)變量選擇。1）設(shè)計(jì)變量應(yīng)該由獨(dú)立參數(shù)組成；2）用最少數(shù)量的設(shè)計(jì)變量來闡述設(shè)計(jì)問題；3）應(yīng)盡可能用較多的設(shè)計(jì)參數(shù)來闡述設(shè)計(jì)問題，然后再從中取幾個(gè)對設(shè)計(jì)指標(biāo)影響較大的參數(shù)為設(shè)計(jì)變量。其余的定為常數(shù)，即根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)把其余參數(shù)定為固定的值。

（2）目標(biāo)函數(shù)與約束的確定。多目標(biāo)問題比較復(fù)雜，目前常見的處理這種問題的方法是將它們組成一個(gè)新的復(fù)合函數(shù)，例如采用線性加權(quán)和的形式。在解決優(yōu)化問題時(shí)，選擇正確的目標(biāo)函數(shù)十分重要，它決定了整個(gè)優(yōu)化計(jì)算的難易程度。

約束條件是對設(shè)計(jì)變量取值關(guān)系和大小的限制條件，通常情況下，一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的等式約束數(shù)必須少于設(shè)計(jì)變量的維數(shù)。

（3） 數(shù)學(xué)模型的確立。1）在模型中，若一個(gè)函數(shù)與任何一個(gè)設(shè)計(jì)變量都無關(guān)，則完全可以將其刪除。2）在建模時(shí)，其等式約束個(gè)數(shù)p必須少于設(shè)計(jì)變量維數(shù)n。當(dāng)p>n時(shí)，在建模中將會存在一個(gè)超定方程組，這時(shí)建?？赡苁敲艿模踔潦遣缓侠淼?。3）當(dāng)目標(biāo)函數(shù)乘以一個(gè)正的常數(shù)c，它的優(yōu)化結(jié)果不變，僅改變目標(biāo)函數(shù)值。

（4）數(shù)學(xué)模型的計(jì)算方法。求解數(shù)學(xué)模型的方法統(tǒng)稱為優(yōu)化方法。好的優(yōu)化方法有總的計(jì)算量少、精度高、邏輯結(jié)構(gòu)簡單等要求。求解無約束非線性優(yōu)化問題的方法有數(shù)值法和解析法。求解約束非線性優(yōu)化問題的方法有直接法、間接法和用約束線性優(yōu)化去逼近約束非線性優(yōu)化方法。求解模糊優(yōu)化問題的方法統(tǒng)稱模糊優(yōu)化方法。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一的遺傳算法，也是一種求解優(yōu)化問題的方法。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)在CAD中的應(yīng)用

CAD技術(shù)在20世紀(jì)80年代以來得到廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員借助CAD系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，形成了一種全新的設(shè)計(jì)過程，即從電子數(shù)據(jù)處理開始，由幾何建模和圖形表達(dá)方式的變化到仿真技術(shù)和知識處理到最終發(fā)展到產(chǎn)品開發(fā)的最優(yōu)化和虛擬化。

專業(yè)機(jī)械CAD軟件系統(tǒng)由設(shè)計(jì)資源數(shù)據(jù)庫、圖形庫、方法庫等資源系統(tǒng)所組成。方法庫中包括機(jī)械常規(guī)設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、有限元分析、可靠性分析、動(dòng)態(tài)分析等先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析方法庫。在CAD中應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法時(shí)，尤其迫切需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是選擇適用的機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，要弄清楚這種優(yōu)化方法的適用范圍及其使用的經(jīng)濟(jì)性；二是能自動(dòng)的根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。這是CAD系統(tǒng)中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

6 設(shè)計(jì)展望

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全局，目前多數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)還僅僅停留在確定設(shè)計(jì)方案后的參數(shù)優(yōu)化計(jì)算方面。面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程，當(dāng)中迫切需要解決的幾個(gè)問題是：

（1）其中面向產(chǎn)品的建模理論及技術(shù)，要利用多學(xué)科優(yōu)化建模。（2）三大依賴于21世紀(jì)計(jì)算智能的關(guān)鍵技術(shù)：模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)化計(jì)算。是一種協(xié)同算法，為了解決數(shù)學(xué)與非數(shù)學(xué)模型的計(jì)算處理，發(fā)展出能模仿人類大腦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和思維方式，具有智能性、結(jié)構(gòu)性、容錯(cuò)性、并行性、自組織和自學(xué)習(xí)等許多優(yōu)良特性。（3）發(fā)展和完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)各階段的分析、評價(jià)與決策系統(tǒng)。（4）發(fā)展和完善多學(xué)科面向產(chǎn)品協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟硬件支持系統(tǒng)的運(yùn)行方案。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳立周，俞必強(qiáng)主編.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

作者簡介：楊厚林（1996-），男，湖北武漢人，本科。endprint