機械設計中的優化設計與決策分析

楊磊

（淮安中綠園林機械制造有限公司，江蘇 淮安　223300）

機械設計中的優化設計與決策分析

楊磊

（淮安中綠園林機械制造有限公司，江蘇 淮安223300）

機械優化設計是結合先進的設計理論和優化求解方法的一種新的設計概念，對減小機械尺寸、設計周期、材料等具有重要作用。文章介紹了優化設計方面的研究內容，并對現代優化設計求解方法做出說明，闡述了優化設計的決策方法和原則，對機械設計領域決策設計具有參考意義。

機械設計；優化設計；決策分析；方法原則

1　優化設計的設計內容

優化設計的目標是多樣的，對于具體的結構而言，優化設計的優化目標可以是加工時間最短、材料最省、結構尺寸最小、運動性能最優等。優化設計的內容也反應了人類在追求最優的性能要求，對機械設計具有較深的理解和認識。在工程設計中，由于優化的結果不一定滿足制造要求或者實際無法達到，所以工程領域的優化設計往往只是滿足使用要求的基礎上減少材料和結構尺寸。傳統的機械設計大多依賴設計人員的經驗，或者是實驗模擬對比，但是這種設計需要耗費大量的人力物力，設計周期長，計算量大且重復工作現象嚴重。

優化設計通常需要決策變量，決策變量即是導致系統出現變異性的因素。決策變量確定后就是確定目標函數、約束條件，然后建立優化模型，最后優化求解。目標函數容易確定，約束條件的表達也相對簡單，但是注意到求解的困難程度，約束條件是不易確定的，且復雜的非線性約束表達對于求解時非常不利的。所以許多學者對復雜非線性系統求解提出了現代先進的求解方法。

2　優化設計理論與方法

現代設計通過計算機編程，許多基礎的構件均可以進行模型化處理。比如對于桿件設計，只需要添加桿長條件的約束，滿足使用條件的情況下優化桿的各長度，在計算機中實現設計，直接輸出桿的長度參數，減少了多次復雜計算，設計過程簡單。通過整理文獻，這里列出傳統的機械優化設計理論和現代優化設計的智能算法，如表1所示。

表1　優化設計理論與設計方法

上面的優化設計方法需要與計算機結合，因為設計優化模型時較為容易，且目標函數有約束條件通常具有復雜的非線性關系，對于工程實際問題，約束條件就顯得非常繁多。優化設計對于提高設計精度、保證設計的效率和質量是非常重要的，但是考慮到現實生活的

社會效益和經濟效益，工程領域的優化設計所需要的約束條件更多。目前優化設計方法理論雖然快速發展，但是模型求解困難，效果不好。主要原因有：第一，優化參數選擇方面受到限制；第二，數學模型和機械設計理論知識水平要求高，建模難度大，系統誤差大；第三，目前的求解算法不足，算法復雜度高，求解結果不易達到全局最優，造成部分優化效果不明顯；第四，機械性能提高對優化設計提出更高的要求，系統性能數學描述不足，多目標難以處理等對優化結果造成影響。

當系統出現變異性時，我們就是要進行決策處理，如圖1所示。

圖1　桿件結構示意圖

在圖1中，LAB、LAB'、LBC'、LB'C的長度不同，但是對于四連桿的運動均沒有影響，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，所以設計的原則應該是：

L=min｛LAB+LBC'+LAB'+LB'C｝

其中桿的長度由設計師給出。系統的決策方法很多，通常對一個已經設計好的系統可以進行層次分析法和模糊綜合評價來評價系統性能的好壞，而最終的決策就是通過評價結果確定的。

3　結語

優化設計理論發展迅速，我國許多部門的相關人員從事這方面的研究，并且取得了一定的成果。在未來計算機發展和智能算法不斷進步的信息時代，優化設計將成為機械工程領域的主流方法。系統的變異性和優化決策是無處不在的，優化設計將為未來制造業減少巨大的能源。

［1］白新理.結構優化設計［M］.河南：黃河水利出版社，2008.

［2］王科社.機械優化設計［M］.北京：國防工業出版社，2007.

［3］王玉新.復雜機械系統快速創新設計［M］.北京：科學出版社，2006.

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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，大學本科，助理工程師，主要研究方向：園林機械的設計及制造。