1现代设计理论与方法

现代设计理论与方法学生姓名：学号：指导老师：班级：摘要本文主要介绍现代设计理论及方法：优化设计，并运用实例进行简要说明现代优方法。一、现代设计理论及方法概述现代设计是以知识为基础的，以知识获取为中心，设计是知识的物化，新设计是新知识的物化。现代设计中的每个设计，总是由许多不同利益方合作来完成的，对产品也应当有一种广义的理解：产品也可以是一个过程，一个软件或一个组织结构。现代设计方法是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。它运用了系统工程，实行人、机、环境系统一体化设计，使设计思想、设计进程、设计组织更合理化、现代化，大力采用许多动态分析方法，使问题分析动态化，实际进程、设计方案和数据的选择更为优化，计算、绘图等计算机化。所以人们常用动态化、优化、计算机化概括其核心内容。二、优化、优化设计和机械优化设计的含义1、优化是从处理各种事物的一切可能的方案中，寻求最优的方案。优化的原理与方法，在科学的、工程的和社会的实际问题中的应用，便是优化设计。2、常用优化设计方法：单变量方法，无约束问题搜索方法，有约束问题搜索方法，现代优化方法。3、现代优化方法：遗传算法的提出遗传算法简称GA（GeneticAlgorithm），最早由美国Michigan大学的J.Holland教授提出（于上世纪60-70年代，以1975年出版的一本著作为代表）,模拟自然界遗传机制和生物进化论而成的一种并行随机搜索最优化方法。遗传算法是以达尔文的自然选择学说为基础发展起来的。遗传算法将“优胜劣汰，适者生存”的生物进化原理引入优化参数形成的编码串联群体中，按所选择的适应度函数并通过遗传中的选择、交叉及变异对个体进行筛选，使适应度高的个体被保留下来，组成新的群体，新的群体既继承了上一代的信息，又优于上一代。这样周而复始，群体中个体适应度不断提高，直到满足一定的条件。遗传算法的算法简单，可并行处理，并能到全局最优解。4、遗传算法的应用领域（1）函数优化（2）组合优化（3）生产调度问题（4）自动控制（5）机器人（6）图像处理遗传算法的应用步骤对于一个需要进行优化的实际问题，一般可按下述步骤构造遗传算法：第一步：确定决策变量及各种约束条件，即确定描述个体的变量X和问题的解空间范围；第二步：建立优化模型，即确定目标函数的类型及数学描述形式或量化方法。三、应用实例一、变速器齿轮的优化设计对于汽车变速器的设计，过去的设计方法多是使用经验公式计算，通过同类型变速器的测绘来初步确定参数。现在汽车变速器设计的方向主要是为了减小其质量和体积，并提高传扭能力。变速器质量和体积的减小可以降低制造费用，减小齿轮的动载荷，并提高齿轮的寿命，保证汽车的布置会更加灵活方便。这就是说现在汽车变速器优化设计的目的就是在可以满足零件的使用寿命、刚度和强度的条件下，来追求变速器质量和体积的完美。1、目标函数的确定在发动机确定的条件下，如何在保证同等使用性能完成的条件下来降低成本、节省材料呢？如何完成设计要求，如何正确分配传动比，正确选择的齿数、螺旋角、模数、齿轮变位系数等。过去大多是根据估算、类比或试凑的办法来初步确定参数，之后再做强度和刚度的校核。如若不合适，将选其中的某个参数做修改，然后再进行重复的计算，最后到满意为止。这种设计的方法一定不可避免的伴随着主观性，这种主观盲目因素优化设计是可以消除的，计算机在设计时可合理选择参数，达到所有要求的最优组合。通过对变速器用体积最小做为目标函数，然后得到约束条件，对变速箱的齿轮模数、传动比、螺旋角、齿数、齿宽做优化，将会达到较理想的优化效果。2、设计变量的确定设计一个在使用期限内安全工作的变速器，主要参数有齿轮模数、各档传动比、齿轮的螺旋角、齿轮的移距系数、齿轮的齿宽、齿数等。传动比是非常重要的因素，其影响变速器的性能和换档方便性，将会对整车的经济性和动力性有直接影响，所以要优先保证其要求。3、约束条件的建立中间轴轴向力的限制，中心距A的限制，传动系最大传动比限制，变速器使用性能的限制，满足齿轮最小齿数的要求以保证不根切，螺旋角的限制，尺宽的限制。4、优化方法的选取（1）选用序列二次规划方法：齿轮传动设计中的函数都是非线性的，并都有约束条件，即：minf（x）约束为：gi（x）≤0，i＝1，…，minf（x）在约束条件下求极值的问题，通常使用的方法是把问题转为子系统问题，再求解，做一个迭代问题，一般的约束优化都会多一个惩罚函数，便将约束问题转成无约束的条件问题，所以通过这个方法，条件极值问题就可由参数化转变为无约束条件的优化序列得到答案。但是也存在确定，其求解效率低。现在用K－T方程进行求解的较多，K－T方程的求解是许多规划算法的基础，通过拟牛顿法来更新过程，得到K－T方程的积累二阶信息，保证了超线性收敛的问题。（2）在MATLAB中的实现：MATLAB优化函数的工具箱中fmincon函数对于处理非线性多元函数的有约束优化问题效果较好。变速箱以体积最小为目标函数，列出约束条件，对变速箱的多个因素通过fmincon函数进行优化，经过多次实践，证明可以达到良好的优化效果。汽车变速器传动轴优化设计在满足强度、刚度的前提下，对变速器的轴进行最优化设计，使其重量最轻。四、发展前景机械优化设计作为传统机械设计理论基础上结合现代设计方法而出现的一种更科学的优化设计方法，可使机械产品的质量达到更高的水平。近年来，随着数学规划理论的不断发展和工作站计算能力的不断挖掘，机械优化设计方法和手段都有非常大的突破。且优化设计思路不断的开阔，仿生学理论、基因遗传学理论和人工智能优化等现代设计理论的引入，都大大促进优化设计方法的更新和完善。机械优化设计给机械工程界带来了巨大经济效益，随着技术更新和产品竞争的加剧，优化设计的发展前景非常的广阔。当今的优化正逐步的发展到多学科优化设计，充分利用了先进计算机技术和科学的最新成果。所以机械优化设计的研究必须与工程实践、数学、力学理论、计算机紧密联系起来，才能具有更广阔的发展前景。五、学习心得在学完课程之后，反思自己在学习过程中的得失，深深体会到，不论在人生的哪个阶段，都要对自己负责，做任何事都要耐心，细致，“千里之行，始于足下”，学会在物欲横流的社会大潮中，坚持踏踏实实走好人生的每一步。参考文献[1]方世杰，綦耀光主编，机械优化设计，北京：机械工业出版社，2003[2]陈立周，机械优化设计方法，北京：冶金工业出版社，1997[3]刘惟信，机械最优化设计，北京：清华大学出版社，1994[4]孙靖民，现代机械设计方法[M]哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2011[5]王凤歧等，现代设计方法[M]天津：天津大学,2002[6]钟志华周彦伟.现代设计方法[M]武汉：武汉理工大学出版社,2001[7]张翔，优化设计方法及编程[M]北京：中国农业大学出版社，2001