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机械优化设计阐述与分析机械电子工程13（2）班：摘要：机械优化设计是近年来发展起来的一门新的学科，起始于60年代，非常有发展潜力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。在机械应用的实践中，机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法，能从众多的设计方案中找出最佳方案，从而大大提高设计的效率和质量。本文重点介绍机械优化设计理论基础的同时，对其特点、评价方式进行了总结，并分析了优化方法的最新研究进展。关键词：机械优化设计特点现状方法机械优化设计就是把机械设计与优化设计理论及方法相结合，借助电子计算机，自动寻找实现预期目标的最优设计方案和最佳设计参数的一种有效的设计方法，应用机械优化设计方法，不仅能使设计周期大大缩短，计算精度显著提高，而且可以解决传统设计方法所不能解决的比较复杂的最优化设计问题。早在二十世纪五十年代以前，工程设计问题的最佳决策还只是限于古典数学中的微分法和变分法，或用拉格朗日乘子法解决等式约束问题。直到四十年代前后，随着电子计算机和计算技术的迅速发展，不仅推动了最优化技术的广泛应用，也促进最优化理论的进一步发展。在此期间，把最优化技术运用到机械工程设计中的“机械工程优化设计”概念便由此而萌生，成为了一门工程新学科。实践表明：机械优化设计已成为解决机械设计问题的一种有效方法，是计算机辅助设计(CAD)应用中的一个重要方面。一、机械优化设计的设计思想优化设计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[1]。优化设计主要包括两个方面：一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型，建立数学模型包括：选取适当的设计变量，建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式，约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系；二是如何求得该数学模型的最优解：可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下，在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内，以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象，选取设计变量，建立目标函数和约束条件，并使目标函数获得最优值一种现代设计方法，目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。二、机械优化设计的特点在优化设计过程中，每一种优化方法都是针对某一种问题而产生的，都有各自的特点和各自的应用领域。机械优化设计同传统设计相比、具有以下三个特点：(1)采用了最优化思想和策略；(2)建立了一个能正确反映实际工程设计问题的数学模型；(3)用高速计算机寻求最佳方案。优化设计是以建立数学模型进行设计的。它引用了一些新的概念和术语，如前面所述的设计变量、目标函数、约束条件等用来作为机械优化设计的理论依托。设计师可以将机械设计的具体要求构造成数学模型，将机械设计的问题转化为具体的数学问题，然后应用理论推理和验算来找到最优解决途径。优化设计改变了传统的设计方式，开创了应用新的有效的解决机械设计问题的途径。传统设计方法是被动地重复分析产品的性能，而现代的优化设计却能够主动设计产品的参数，从整体的大局出发找寻最优方案。优化设计的一般过程与传统设计方法有所不同。它是以计算机自动设计选优为其基本特征的。借助于计算机的高速高效率，我们可以从大量的方案中选出最优方案。作为一项设计不仅要求方案可行、合理，而且应该是一些指标达到最优的理想方案，这样才能使机械产品为企业带来可观效益。三、机械优化设计现状及发展趋势随着科学发展的需要，机械产品设计质量的不断提高，设计周期的白益缩短，要求设计者考虑的因素也愈来愈多，其计算方法的复杂性和精确性都是一般传统设计难以完成的。面对这种技术发展的现状，设计者便开始求助于新的理论和新的设计方法。机械优化设计就是在这种情况下，发展起来的一种现代设计方法。机械优化设计，自前在国内应用情况还难做出估计。但不少工程实例表明：机械优化设计在现代产品设计中的经济效果还是很显著的。例如：对某大型一级减速器，优化设计结果使其重量减轻12%。对某行星减速器，优化设计结果使体积缩小13%。对一台L桥式起重机箱形主梁，优化结果使其重量减轻14%等等。另外，机械优化设计后，其动力性能、运动精度得到了显著的改善。目前，对各种机构进行优机械优化设计已开始由对零；部件和机构的设计转向整机或系统设计。总之，近十儿年来的机械优化设计发展，给机械工程带来了很大的效益，对进一步提高机械产品质量、降低成本，缩短生产周期等方面产生了深刻的影响。但要看到，目前大多数机械优化设计所采用的优化算法与实际工程设计的要求还不相适应，乃是当今优化设计面临的新的挑战。四、优化设计的应用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。机械零、部件的优化设计最近十几年也有很大发展，主要是研究各种减速器的优化设计、液压轴承和滚动轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的结构参数优化。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、基本工作机构和主体结构方面也进行了优化设计工作。近年来发展起来的计算机辅助设计(CAD)引入优化设计方法后，把优化设计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。机械优化设计研究的发展情况表明，机械优化设计已陆续用到建筑结构、化工、冶金、铁路、航天航空、造船、机床、汽车、自动控制系统、电力系统以及电机、电器等工程设计领域，并取得了显著效果。总的看来，机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的，是一门崭新的学科。它是在现代机械设计理论的基础上提出的一种更科学的设计方法，它可使机械产品的设计质量达到更高的要求。因此，在加强现代机械设计理论研究的同时，还要进一步加强最优设计数学模型的研究，以便在近代数学、力学和物理学的新成就基础上，使其更能反映客观实际。同时机械优化设计的研究还必须与工程实践、数学力学理论、计算技术和电子计算机的应用等紧密联系起来，才能具有更广阔的发展前景。五、总结总的看来,机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的,是一门崭新的学科。它是在现代机械设计理论的基础上提出的一种更科学的设计方法,它可使机械产品的设计质量达到更高的要求。因此,在加强现代机械设计理论研究的同时,还要进一步加强最优设计数学模型的研究,以便在近代数学、力学和物理学的新成就基础上,使其更能反映客观实际。同时机械优化设计的研究还必须与工程实践、数学力学理论、计算技术和电子计算机的应用等紧密联系起来,才能具有更广阔的发展前景。［参考文献］[1]程耿东,顾元宪,王健.我国机械优化研究与应用的综述和展望[J].机械强度,1995.[2]王瑾.面向环境的产品设计制造及应用研究[J].机械管理开发,2011.[3]李晶,鹿晓阳,陈世英.结构优化设计理论与方法研究进展[J].工程建设,2007.[4]王维威,解念锁.金属基复合材料的加工方法及应用[J].科技创新导报,2010.[5]郭谆钦,王承文.现代设计方法在机械优化设计中的应用[J].机电产品开发与创新,2007.[6]王瑾.基于材料的绿色产品设计与管理研究[J].科技创新导报,2009.[7]解念锁,王瑾.我国硬质合金工业发展现状与资源保护,2006.