優化設計在機械設計中的應用實踐

王 騰

（共享智能鑄造產業創新中心有限公司，寧夏 銀川 750000）

1 機械設計中的優化設計概述

傳統的設計方法只能得到有限的候選方案，并不能得到一切可能方案的“最佳方案”。機械優化設計，相比于傳統的機械設計來說，是一種全新的概念，它是為了讓機械的設計質量更高，效率更高而產生的。想要讓機械設計得到優化，首先要認識到機械設計存在的客觀規律，然后將物理模型轉化為數學模型，選擇設計變量，列出約束條件，然后通過適當的約束方法來求解數學模型，分析優化結果，選出最為適合的方案。

2 機械設計中優化設計應用

2.1 采用遺傳算法有效提升機械優化設計的質量

機械設計方案具有一個短板，那就是每個機械設計，都必須有不同的優化設計方案，即使有些優化設計方案有一定的相似性，這些方案也不可能完全兼容所有的設計方案，因此，每個優化設計方案，必須根據機械設計的實際情況進行優化。我國機械設計經常采用遺傳算法來對機械設計方案進行優化，遺傳算法是一種概率算法，是模仿生物進化過程的一種算法，這種算法是隨機的，該算法不需要很多的信息作為支持，它可以直接設計出比較完美的設計方案，而且可以保障機械設計的最大收益，這種算法設計出的機械設計方案，比較的全面，而且保證了方案的優勢。但是，這種算法也不是萬能的，具有一定的缺陷，因為下一代的設計方案，不一定比上一代的設計方案好，有可能還不如上一代機械設計方案，因此，設計師必須對每一代的設計方案進行篩選，以確定最優的機械設計方案，即使遺傳算法不是完美的，這種算法對于機械設計的優化還是要比傳統的機械設計優化要好，因此在我國機械設計的優化中得到了廣泛應用。

2.2 有限元分析方法

隨著計算機技術的發展，有限元分析方法迅速發展成為設計計算方法重要組成部分，這種方法的使用原理是將設計產品分成有限的、獨立的、相互聯結的三個部分，這些被分出的部分大多都是一些比較常見的形狀。例如在有限元分析方法中，如果被分析的產品是平面的，就可以把它劃分到四邊形里面，如果要分析到產品是立體的，就可以把它劃分到六面體里面。在劃分完產品單元后，設計人員接下來就要確定所分析產品的每個變量，然后將分析出的產品變量應用的單元函數中，并進行求解，最后再將列出的單元方程連立求解。

2.3 模擬退火算法

作為全局最優算法，通過模擬物理系統退火過程，而使優化問題的求解過程變得更為簡單便捷。這種算法通過適當控制溫度下降過程，對退火的全過程進行模擬，因此對優化過程的全局了如指掌。這種方法具有通用性特點，適用于不同非線性問題的解答。在對于不良性函數進行優化時，同樣可以通過計算最大概率的方式得到最優解。同時，這種算法處理問題的類型趨于多樣化，不需要借助任何輔助信息，對于目標函數和約束函數不設限制，是一種可以處理離散型、連續型和混合型等多種設計變量的優化算法。

2.4 采用先進的軟件技術協助優化設計

因為機械設計的優化就是建模的過程，因此，現在世界上針對機械優化設計，一般都會采用MATLAB。MATLAB主要用于算法開發，數據分析及數值運算的高級計算語言和交互式環境。它最主要的功能就是建模并自帶多種內置函數，供使用者在優化設計的過程中直接利用，高效的數值運算和符號計算功能，使用戶從復雜的數據運算和分析中解脫出來。并且通過這些函數，使用者可以得到最優的數字解答，然后經過一些篩選，獲得最優的設計方案。該軟件還有一種強大的功能，就是具有完備的圖像處理功能，實現計算結果和編程的可視化，即以數學曲線和圖表的形式展現在使用者面前。在具體設計時，應該充分使用該軟件的功能，以設計出最優的設計方案。除此之外，MATLAB還具有功能豐富的應用工具箱，例如信號處理工具箱，優化設計工具箱等，為使用者提供了實用處理工具。在進行優化設計中，只需建立優化設計的數學模型，選擇優化設計方法，并應用MATLAB進行編制優化設計程序，就能夠得出優化結果，最終經過分析與篩選，得到最優的設計方案。

2.5 約束優化設計法

優化設計問題大多與約束有關，在對機械設計進行方案優化時，根據約束條件分為直接法和間接法。直接法又包括復合型法、約束坐標輪換法和網絡法。直接法優化形式主要為構造一個迭代過程，通過不斷確定迭代點，讓其在可行域中執行，并同時完成目標函數值逐漸降低的過程，快速得到最優解。間接法分為：懲罰函數法、增廣乘子法。這種方法根據要求取消約束限制，讓原有問題轉化為無約束優化問題，然后根據無約束優化方法將問題轉化為線性或非線性問題進行解決。

3 結語

隨著經濟社會發展的要求，傳統的機械化工業已經難以適應社會工業生產的需求，通過優化機械設計方法，可以提高機械運行穩定性、安全性，同時還能夠增加機械功能性，使之更加符合當代人們對機械的使用需求。本文從多方面對機械設計優化方法進行了研究，旨在助力于我國機械設計領域發展創新。