第五章 优化设计方法

的优化设计思想。方法研究的重点，从着重研究单
目标优化问题进入到着重研究多目标问题。
5）在最优化方法程序设计研究中，一方面努力提高 方法程序的求解能力和各个方法程序之间的互换性， 研制方法程序包、程序库等；另一方面大力改善优 化设计求解环境，开展了优化设计集成环境的研究， 集成环境为设计者提供辅助建模工具、优化设计前 后处理模块、可视化模块、接口模块等。
系统无缝集成在一起形成具有统一的、使用方便
的、功能齐全的最优化设计集成环境。
设计方法学
全系统优化
现代机械产品的 系统性、综合性和 规模化导致设计模 型的横向扩展。把 研究对象由传统优 化的简单零部件扩 展到复杂零部件、 整机、系列产品和 组合产品的整体优 化，由单学科领域 的优化发展到机、 液、光、电、信息 的集成优化。统称 为~。
对产品寿命周期优 化的市场需求导致设 计模型的纵向扩展。 把优化范围由传统优 化的产品技术设计阶 段的优化扩展到包含 功能、原理方案和参 数、结构方案、参数 和形状，以及工艺和 公差优化的全设计过 程，进而面向制造、 经销、使用和用后处 置的寿命周期设计过 程。
设计方法学
全 寿 命 周 期 优 化
设计方法学
全性能优化
客户要求的多样化导 致基于全性能的多目 标优化。把优化准则 由传统优化的单方面 性能优化扩展到技术 性、经济性和社会性 的综合评估和优化。 技术上追求实现目的 性能、约束性能、使 用性能和结构性能的 综合优化；结构上追 求静态性能和动态性 能的组合优化。称为 ~。
设计方法学
全设计过程优化
现
为了提高最优化方法的综合求解能力，人们探索：状
1）引入了人工智能、专家系统技术，增加了最优化方 法中处理方案设计、决策等优化问题的能力，在优 化方法中的参数选择时借助专家系统，减少了参数 选择的盲目性，提高了程序求解能力。
2）针对难以处理性态不好的问题、难以求得全局最 优解等弱点，发展了一批新的方法，如：模拟退火 法、遗传算法、人工神经网络法、模糊算法、小波 变换法、分形几何法等。
设计方法学
最优化技术
最优化技术，是优化设计全过程中各种方法、 技术的总称。它主要包含两部分内容：优化设计问 题的建模技术和优化设计问题的求解技术。
如何将一个实际的设计问题抽象成一个优化设计 问题，并建立起符合实际设计要求的优化设计数学 模型，这就是建模技术研究的主要内容。实际设计 问题，经抽象处理后建立起相应的优化设计数学模 型，接下来的任务是求解数学模型。
设计方法学
第五章 优化设计评价
全寿命周期优化概述 优化设计评价方法
设计方法学
§5-1 全寿命周期优化概述
优化设计（Optimal Design）是从60年 代初期开始发展起来的一门新的学科，它是 最优化技术和计算机计算技术在设计领域应 用的结果。优化设计为工程设计提供了一种 重要的科学设计方法，在解决复杂设计问题 时，它能从众多的设计方案中找到尽可能完 善的或最适宜的设计方案。
设计方法学
§5-2 优化设计评价方法优化
产品总体设计内容
宏观层面上的优化 包含技术、经济、社会诸多因素 寻求产品总体设计的最佳效果 价值系数是优化的目标 创造思维是优化方案产生的源泉 评价决策是确定最佳方案的主要手段
设计方法学
一、目标与过程
目 标：
方案的价值系数：
v F ——功能 C ——成本
3）在数学模型描述能力上，由仅能处理连续变量、离 散变量，发展到能处理随机变量、模糊变量、非数 值变量等，在建模方面，开展了柔性建模和智能建 模的研究。
设计方法学
现
4）在研究对象上, 从单一部分的、单一性能或结构状的、
分离的优化设计, 进入到整体优化, 分步优化、分部
和分级优化、并行优化等，提出了覆盖设计全过程
设计方法学
优化设计问题的求解技术
• 优化设计问题的求解方法很多，早期的方法有：试 算法、表格法、图解法和一元函数极值理论等。80 年代以来，借助于计算机程序，一大批的数学规划 方法（优化设计方法），解决了许多实际的优化设 计问题。但至今还没有任何一个优化设计方法程序 能求解全部的非线性规划问题。
• 不同的非线性规划方法有各自的求解能力和求解范 围。在选择方法程序时，不仅要选择方法，更重要 的是选择程序。通常最好选择由多个方法程序和一 些辅助程序组成的优化设计方法程序包或程序库。
情报资料齐全 无需大量人力物力 牵涉面不广
设计方法学
具体方法
1 .从技术角度选择优化对象
（1）经验分析法 （2）综合分析法
确定评价指标 计入权重 专家评分 按加权总评分决策
设计方法学
案例：某产品有A、B、C、D4个组成部分。经过企业有关 人士的分析,决定以可靠性、操作性、维修性、工艺性、生 产效率和安全性等6项指标来评价每一部分的技术水平，并 根据6项指标对产品的不同工艺重要性赋予不同的权重
设计方法学
现
最优化设计的现状与发展
状
1）最优化设计方法在参数优化设计和结构优 化设计等方面比较有效，对方案设计与选择、 决策等方面则无能为力。
2）建模难度大，技术性高，数学模型描述能 力低，数学模型误差大。
3）方法程序的求解能力有限，难以处理复杂 问题和性态不好的问题，难以求得全局最优 解。
设计方法学
总体优化的过程：
➢确定优化对象 ➢ 优化方案的建立 源自文库 优化方案的评选
方案优化法：
➢以功能分析为基础 ➢运用创造技巧 ➢最大程度降低成本 ➢努力提高功能 ➢寻求最大价值系数
设计方法学
二、优化对象的确定
考虑方面
➢ 总体方案优化 不能没有重点
➢ 应选出优化对 象
设计方面
优 生产方面 化 对 销售方面 象
➢ 可以从六个方
质量方面
面考虑:
效果方面
难易方面
对象特点
环节多，结构复杂 设备性能落后，生产技术落后 原材料贵重，消耗量大
产品产量大 工艺复杂落后 燃料、动力耗量大
用户意见大 产品市场竞争激烈 产品市场趋于饱和
产品返修率高 次品率、废品率高 产品赔偿率，退换率高
效果显著 具备各种改善条件 有改善潜力
设计方法学
发
展
优化设计将从传统的优化设计向广义优化设计
过渡。广义优化设计在基本理论上应是常规优化
设计理论、计算机科学、控制理论、人工智能、
信息科学等多学科的综合产物；在求解问题的类
型上有数值型和非数值型问题，设计变量也可以
有多种类型；在方法上应是多种算法互补共存；
在实现上应是将多个方法、多个工具、多个软件