優化理論在機械設計中的應用與展望

李淵 張明慧 蘇芳

摘 要：隨著新時期以來經濟的發展與轉型，國內國外對現代化機械設備的功能及技術參數都有了更進一步的要求，基于過去經驗的設計顯然不能滿足人們的需求，在機械設計的持續發展和研究中，優化理論逐漸發揮出較大的作用。本篇文章說明了優化理論在機械設計中的發展狀況，設計思路，運用情況和前景，以及對機械優化設計的熱點問題進行了進一步的探討。

關鍵詞：優化理論;機械設計;工程應用;展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.177

0 引言

每一部機械都是一套精密的系統，若想改進設計的質量，就需要科學合理的方法。過去的機械設計所采用的主要為設計及操作人員的經驗，在不同的方案之間做出取舍和對比，從中選取較好的方案，然而這種情況僅能在有限數目的方案中做出取舍，并不是所有情況中的最優解，這種過去的方式明顯缺乏整體性，僅僅是一些條件下的最好情況。

1 優化設計的發展簡述

優化這一理念很早就被人們用于各種領域中，在十四世紀時就有一些如黃金比例分割及分數法的數學優化概念萌生，但是能夠系統并科學地表述優化的理念還要追溯到十七世紀時數學方面的理論的發展。上世紀40年代，古典的優化方法主要是運用微分法和變分法來進行問題的優化處理，五十年代時則運用線性及非線性規劃以及梯度法來進行問題優化，到了六十年代時就出現了更為先進的多維非線性約束條件規劃的罰函數方法。二戰時，因為戰爭的原因誘使運籌學出現，從而解決了很多古典微分法及變分法無法得到的優化解，此時優化設計就能被適用于具體問題的解決和優化了。自一九七零年外國科學家發表了一篇使用幾何規劃方法解決了液體動壓軸承的優化設計，可以說優化設計真正在機械設計中開始了應用以及發展的步伐。同時，因為數學思想方法和現代化計算機技術的不斷進步優化設計正成為一門擁內容豐富的工學學科，在機械設計中起到了重要的作用[1]。

2 優化設計主要過程及應用實例

2.1 過程及思路

優化設計即將最優解從不同的方法中找到或者逼近，其基礎是數學中的最優解理論，計算機為輔助手段通過一定的條件和設計目的給出目標函數，在符合不同的邊界和初始條件的情況下接近最優解，找到最佳的解決方案。機械設計通過這種辦法能夠很快的革新和達成技術突破[2]。機械優化設計的過程與過去老式的設計方式相比，優化設計的主要特征為其思想為最有設計，其方法為優化方法，其采用的工具是計算機。

2.2 應用范圍及發展趨勢

優化設計用在機械設計領域時間并不久，在全世界的范圍中大概是從二十世紀六十年代末期才開始快速發展，在我們國家優化設計被用于機械設計是近些年才開始的，盡管起步的時間很晚但是在機械綜合、通用零件設計和工藝設計的各個方面都發展的十分迅速。現階段機械優化設計正被用在航空、船只制造、機床、化工設備、車輛制造、建筑機械等各方面，效果非常明顯。根據優化的實際案例我們可以知道優化設計是能夠保證產品性質優良基礎上對于減負及降低成本的一種優質設計方式，這種設計方式的運用不僅能保證方案于設定的需求下取得一些優化效果，還可以免除設計和探究人員繁復的計算和比對工作，很大程度上提高了方案設計和優化的效率。

至于發展趨勢的問題目前仍被限制于參數優化這類數值方面的優化階段，對于結構形式的優化和選擇仍有很大的探究空間。并且優化設計作為一門比較新興的技術能力，很多傳統的機械產業還不能很高的適應和普及。

3 優化設計展望及熱點問題探討

優化設計將最優理論及計算機技術共同兼容并用于設計的方面，給工程設計提供了新的思路，其未來發展的熱門方向應為：

3.1 算法方面

算法是工程設計中重要的鑰匙，更為縝密和先進的算法可以用于解決工程中不斷出現的具體問題，高效和嚴謹的算法可以使得計算的時間和難度大幅降低，并且提高容錯率降低出錯的可能性。通過對算法方面的優化顯然是機械設計優化設計過程中的熱門方向。

3.2 應用軟件方面

好的算法要通過軟件來實現，算法的不斷更新需要能夠配適的軟件來完成。能夠用于結構優化的軟件很多，然而在通用性、上手難度和實用性等方面還存在不足，尤其是機械優化設計的數學模型建立很有難度，在大型的機械系統設計中，這個問題需要不斷的研究和修改。

3.3 多學科設計優化及總體化優化

以往機械結構優化設計可能將重點放在單一的零部件上，或者僅僅考慮某個方面的參數及相關學科的影響，致使最后的優化效果不好，甚至出現了由于考慮不周全導致的自相矛盾，這就意味著優化設計一定會向著多交叉學科和總體化的趨勢發展。例如在進行車輛的優化設計中，僅僅從降低車身重量的方面考慮，若是單純追求減輕質量，可能會因為某些參數的變化使得車輛的動力學參數發生變化，不僅降低了使用的舒適程度還可能影響安全性。多學科設計優化的理論提出給機械結構優化設計帶來了新的方向。

4 結束語

現代化的機械設計不能再被傳統老舊的設計方式所滿足，然而由于數學和計算機技術的不斷研究和發展，優化理論被逐漸用于機械設計的領域中。現代機械設計的發展情況對我們國家工業生產有著重要的影響，對于機械設計理論和方法的創新和優化都能有效提高機械的作業效率。機械設計研究人員對于設計的革新和優化可以從集成、變形、移植、仿生等各個方面切入，從而設計出更加先進的現代化機械成品。

參考文獻：

[1]趙小慧.現代機械設計的創新設計理論與方法[J].內燃機與配件，2019（06）：170-171.

[2]周劍琦，王茁.探究基于機械制造工藝的機械設計優化策略[J].內燃機與配件，2019（01）：92-93.