機械優化設計理論方法分析

樊磊

（河南工業和信息化職業學院 機械學院，河南 焦作 454000）

機械優化設計理論方法分析

樊磊

（河南工業和信息化職業學院 機械學院，河南 焦作 454000）

人類自從進入了機械化時代，社會發展和科技進步以讓人目不暇接的速度向前推進。機械化理論是各國科學家競相研究的不衰課題，如何將機械化理論最優化，成為機械化產品性能優劣的重要前提。機械化優化就是要在眾多設計中尋找出一種最優設計方案，應用于機械制造當中，這樣可以最大程度地提高機器設備的效率和質量。因此，要對機械化設計含義、一般設計方案、傳統設計理論、現代優化設計等多個方面進行了解，并認準機械優化設計發展方向，為以后的機械優化理論設計工作奠定基礎。

機械；優化設計；理論；對比

人們從來沒有停止對完美事物的追求，對科學及機械化設計優化理論的探索。這里說到的最優理論是一個相對概念，是根據當時科技的發展水平，受到當時技術的限制達到一個相對最優化的水平。提出機械化優化設計理論概念是具有較強可行性的，包含著大量的科技信息、知識技能、先進理論和實踐操作。隨著最優理論研究的不斷深入，科學技術也會得到發展，那么機械設計優化理論的概念和認知程度也會發生改變，機械設計優化理論會得到更進一步的發展和優化。

1 機械傳統設計與優化設計對比

機械優化設計是基于數學模型為基礎的，根據數學模型做出最優化的設計。最優化的設計即理論的范疇也屬于思維意識的范疇，不同的設計師根據自己的思維方式會設計出不同的優化方案。這種設計方案根據思維的變化和各種參數的變化而發生變化，經過多次的變化和調節，最終變為一種相對優秀的設計方案。多種設計方案在數據模型的精確計算下，會產生出幾種相對優秀的設計方案。各種優化設計方案的對比不是都可以用大腦直接篩選出來的，這時候就需要借助計算機，通過不同參數的對比，進行篩選，得出機械設計理論最優化設計。這種對比的可行，首先得益于現代電子計算機的科技發展，能夠進行大規模數據的計算，并且運行速度也很快。當然不是所有的數據都滿足數據模型的直接應用，需要進行簡單的轉化和處理，這樣得出的測試值和實際值直接存在一定差距，但遵循客觀規律的優化設計方案相對有優秀性，還是可以鑒別的。建模數據計算方式可以很好地將多種優化方案進行優化順序排名，在很短的時間內就可以將最優化方案的優勢展現出來，獲得人們期望中的正確設計結果。傳統設計優化方案雖然也是在追求設計方案的最優化，在眾多優化方案中選擇相對較好的方案，但傳統優化設計方案需要經過調查、分析、實驗、類比、評估等多個步驟去辨別和篩查，或許需要反復經過好幾輪的這種反復繁瑣的步驟。這樣在時間性上、準確性上、工作量方面、主觀判斷性上面都會給方案的最優化篩選造成障礙。傳統優化設計理論需要傾注大量的精力、投入大量的人力和物力、花費巨大的資金，最終的篩選結果還難以確保準確。所以說傳統設計優化理論并非最優化設計結果篩選的最佳選擇，因為它受到各方面不確定因素的影響太大，結果容易產生偏差。

2 機械傳統優化設計理論方法

機械優化設計理論已經被提出好多年了，但對于機械傳統優化設計理論有幾種常見的機械優化方法，如下所述：

（1）準則優化法。準則優化法，就是根據已有理論和經驗準則進行評估，評估的時候基本不是按照數學模型和數學極值的方法對方案進行最優化設計篩選，而是按照基本常識或者物理學等學科知識進行原則性評價，根據已有的標準和準則來橫向評比機械設計方案最優化。這種評比方法有利也有弊，有利的地方就是方案優化選擇變得直觀、簡潔、易于理解。缺陷是這種評比方法只能兼顧相對幾個指標和參數，一旦評比程序變得復雜起來，這種準則優化法就不起作用了。

（2）線性規劃法。該設計方法是基于數學極值的基本原理來對目標函數以及約束條件同屬于設計變量的線性優化問題加以求解的，是機械優化設計中常常使用的一種求解方法。其主要包括單純形計算法和序列線性規劃法兩種方法。前者最早是又美國的科學家斯坦福大學教授在1947年率先提出來的，是一種求解最優化線性方案的簡單有效方法。但這種方法卻也存在著很大的缺陷，比如該方法對于計算全局最優解就比較困難，而且還會受到各種不確定因素的影響。在多種因素如收斂條件、壓縮因子、擴散因子以及收斂系數等多個參數因素不斷變化的情況下，其最優化方案確定就變得相對困難。所以，初始單純性的各頂點應線性獨立，新單純形構成后應驗算是否收斂，并對計算結果是否滿足精度要求進行核對、檢查。對于單純形計算方法而已，其比較成熟，因而統治了線性規劃長達30余年。序列線性規劃法是在初始位置將目標函數集約束條件展開為泰勒級數，只取線性項，將非線性規劃轉化成為近似的線性規劃對最優結果進行求解。若經核對、檢查，其所得的設計結果與設計精度要求不相符，那么就將原來優化的問題在該近似解處再次根據泰勒級數加以展開,，并進行重新求解，如此反復，直到所求解符合最初設計精度要求。

（3）非線性規劃法。對于大部分機械工程而言，其優化設計均屬于非線性規劃，而且非線性程度越來越大，但是將其完全簡化成為線性問題又是欠缺的。非線性規劃從數學極值的原理出發，來對優化問題進行求解,可包括無約束直接（間接）法、約束直接（間接）法等方法。

3 現代優化設計理論方法

對于不同種類的約束、變量以及目標函數，優化準則法會推導出不同的優化準則，其通用性一般較差，而且大多數屬于近似最優解。規劃法需要進行多次迭代以及重復驗算，代價較高，且效率較低，常常還要求目標函數以及約束條件連續，且可微。這些因素均制約了規劃法在現代機械工程項目優化設計中的廣泛應用。此外，現代機械設計復雜度也越來越大，傳統的優化算法逐漸變得力不從心。現代的優化設計不像傳統的設計憑借經驗和直觀的感覺來確定結構方案，也不像“安全壽命可行設計”方法，即在滿足所提出的要求的前提下，先確定結構方案，再根據安全壽命等準則，對方案進行強度、剛度等分析、校核，然后進行修改，以確定結構尺寸。然后借助科學計算機，應用一些較高的力學數值分析方法進行分析計算，并從大量的可行設計方案中尋找出一種最優的設計方案，從而實現用理論設計代替經驗設計，用精確計算代替近似計算，用優化設計代替安全壽命的可行性設計。如果您的企業需要機械設計、機械自動化設計、機械優化設計等，那就到一品威客網發布任務需求，百萬專業威客給您最好的服務設計。

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樊磊（1984-），男，主要研究方向：機械。