淺談優化設計辦法應用機械產品設計中提高質量問題

房毓臣

摘 要：隨著我國社會的經濟發展，從事機械設計的工作者跟工程技術人員越來越受到重視，本文分析了采用優化設計辦法能提高機械人員的設計效率和設計質量，有效提高機械產品的設計問題，僅供參考。

關鍵詞：優化設計；CAE；機械設計；產品設計；設計質量

1 引言

機械優化設計是在進行某種機械產品設計時，根據規定的約束條件，優選設計參數，使某項或幾項設計指標獲得最優值。產品設計的“最優值”或“最佳值”，系指在滿足多種設計目標和約束條件下所獲得的最令人滿意和最適宜的值。最優值的概念是相對的，隨著科學技術的發展及設計條件的變動，最優化的標準也將發生變化。優化設計反映了人們對客觀世界認識的深化，它要求人們根據事物的客觀規律，在一定的物質基礎和技術條件下，得出最優的設計方案。

機械優化設計可解決設計方案參數的最佳選擇問題。這種選擇不僅保證多參數的組合方案滿足各種設計要求，而且又使設計指標達到最優值。因此，求解優化設計問題就是一種用數學規劃理論和計算機自動選優技術來求解最優化的問題。

2 機械產品優化設計與傳統設計的比較

機械產品設計工作的任務就是使設計的產品既具有優良的技術性能指標，又能滿足生產的工藝性、使用的可靠性和安全性要求，且消耗和成本最低等。機械產品的設計，一般需要經過需求分析、市場調查、方案設計、結構設計、分析計算、工程繪圖和編制技術文件等一系列工作過程。

傳統設計方法通常是在調查分析的基礎上，參照同類產品，通過估算、經驗類比或試驗等方法來確定產品的初步設計方案，然后對產品的設計參數進行強度、剛度和穩定性等性能分析計算，檢查各項性能是否滿足設計指標要求。如果不能滿足要求，則根據經驗或直觀判斷對設計參數進行修改。

整個傳統設計的過程是人工試湊和定性分析比較的過程。實踐證明，按照傳統方法得出的設計方案，可能存在有較大改進和提高的余地。在傳統設計中也存在“選優”的思想，設計人員可以在有限的幾種

合格設計方案中，按照一定的設計指標進行分析評價，選出較好的方案。但是由于傳統設計方法受到計算方法和手段等條件的限制，設計者不得不依靠經驗，進行類比、推斷和直觀判斷等一系列智力工

作，這是很難找出最優設計方案的。

優化設計理論的研究和應用實踐，使傳統設計方法發生了根本變革，從經驗、感性和類比為主的傳統設計方法過渡到科學、理性和立足于計算分析的現代設計方法，機械產品設計正在逐步向自動化、集成化和智能化方向發展。

3 優化方法與CAE

在保證產品達到某些性能目標并滿足一定約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，這就是優化方法。

優化作為一種數學方法，通常是利用對解析函數求極值的方法來達到尋求最優值的目的。基于數值分析技術的CAE（Computeraidedengineering）方法，顯然不可能對我們的目標得到一個解析函數，

CAE計算所求得的結果只是一個數值。然而，樣條插值技術又使CAE中的優化成為可能，多個數值點可以利用插值技術形成一條連續的可用函數表達的曲線或曲面，如此便回到了數學意義上的極值優化技術上來。樣條插值方法當然是種近似方法，通常不可能得到目標函數的準確曲面，但利用上次計算的結果再次插值得到一個新的曲面，相鄰兩次得到的曲面的距離會越來越近，當它們的距離小到一定程度時，可以認為此時的曲面可以代表目標曲面。那么，該曲面的最小值，便可以認為是目標最優值。以上就是CAE方法中的優化處理過程。一個典型的CAE優化過程通常需要經過以下的步驟來完成：

（1）參數化建模：利用CAE軟件的參數化建模功能把將要參與優化的數據（設計變量）定義為模型參數，為以后軟件修正模型提供可能。

（2）求解：對結構的參數化模型進行加載與求解。

（3）后處理：把狀態變量（約束條件）和目標函數（優化目標）提取出來供優化處理器進行優化參數評價。

（4）優化參數評價：優化處理器根據本次循環提供的優化參數、設計變量、狀態變量及目標函數與上次循環提供的優化參數作比較之后確定該次循環目標函數是否達到了最小，或者說結構是否達到了最優。如果最優，完成迭代，退出優化循環圈，否則，進行下步。

（5）根據已完成的優化循環和當前優化變量的狀態修正設計變量，重新投入循環。數值優化的過程如圖1所示。

4 優化技術研究現狀

在設計領域中，追求最優的設計方案一直是設計人員不懈努力、奮斗不止的理想和目標，并且在長期的設計實際中產生了諸如進化優化、直覺優化、試驗探索優化等一些優化策略和方法，并在“設計———評價———再設計”的過程中，自覺或不自覺地利用經驗、知識、圖解分析、黃金分割和分析數學等一些經典的優化方法進行優化設計，解決了一些簡單的單變量的優化設計問題。在此階段，沒有形成完整的優化設計的理論體系，因而可稱它為古典優化設計。

隨著近代數學的分支———數學規劃論的創立，特別是近50年來計算機及其計算技術的迅速發展，對工程設計中較復雜的一些優化問題的計算有了重要的工具，并在航空航天、汽車和船舶等民生要害工業部門及一些重大工程設計的應用中取得了較好的技術和經濟效果，同時也促進了工程優化設計理論和方法的發展，如開發出優化方法程序庫、機構與零部件優化設計程序庫、結構優化設計程序庫等一些大型的工程優化設計應用軟件，并結合工程優化設計的特點，在多目標優化、混合離散變量優化、隨機變量優化、模糊優化以及人工智能、

神經網絡及遺傳算法應用于優化設計等方面都獲得一些顯著的成果，逐步形成以計算機和優化技術為基礎的近代優化設計。

5 結束語

綜上所述：針對產品設計的過程，我們應將優化設計拓寬到產品的全系統、全性能和全生命周期的優化，是適應產品設計、CAD技術發展需求和在現代科學技術支持下的優化設計技術的新發展。