机械优化设计题库教学文案

一、绪论

1.思考题

1.何为约束优化设计问题?什么是无约束优化设计问题?试各举一例说明。机械优化设计问题多属哪一类？

2.一般优化问题的数学模型包括哪些部分?写出一般形式的数学模型。

3.机械优化设计的过程是怎样的?它与常规的机械设计有什么不同?

4.怎样判断所求得的最优解是不是全局最优解？

5.试简述优化算法的迭代过程。

6.何为可行域？为什么说当存在等式约束则可行域将大为缩小?当优化问题中有—个等式约束时可行域是什么?当优化问题中有两个等式约束时可行域是什么?当n维优化问题中有n个等式约束时可行域是什么？

7.什么是内点、什么是外点?在优化设计中内点和外点都可以作为设计方案吗?为什么?

8.试写出第一节中第三个问题的数学模型。

9.目标函数及其等值线（等值面）的意义和特性是什么？

2.习题

1.设计一容积为V的平底、无盖圆柱形容器，要求消耗原材料最少，试建立其优化设计的数学模型，并指出属于哪一类优化问题。

2.当一个矩形无盖油箱的外部总面积限定为S时，怎样设计可使油箱的容量最大？试列出这个优化问题的数学模型，并回答：

①属于几维的优化问题？

②是线性规划还是非线性规划？

3.欲造容积为V的长方形无盖水箱，问应如何选定其长、宽、高尺寸，才能使用料消耗最少？试写出其数学模型。

4.试求直径为D的圆内所有内接三角形面积中的最大值。

5.在曲面f1(x1,x2,x3)=0上找一点P1，在曲面f2(x1,x2,x3)=0上找一点P2，使得P1与P2的距离为最短，试建立优化问题的数学模型。

6.有一薄铁皮，宽b=14cm，长L=24cm，制成如图2-9所示的梯形槽，求边长x和倾斜角α为多大时，槽的容积最大？试写出此问题的优化设计模型并指出该问题属于哪一类的优化设计问题。

7.欲制—批如图2-12所示的包装纸箱，其顶和底由四边延伸的折纸板组成。要求纸箱的容积为2m3，问如何确定a、b和c的尺寸，使所用的纸板最省。试写出该优化问题的数学模型。

8.一根长l的铅丝截成两段，一段弯成圆圈，另一段弯折成方形。问应以怎样的比例截断铅丝，才能使圆和方形的面积之和为最大，试写出这一优化问题的数学模型。

9.某厂生产A、B两种产品：A每桶需用煤90kN、电4度、劳动日3个，获利润700元；B每桶需用煤40kN、电5度、劳动日10个，获利润1200元。但计划规定可用煤3600kN、电200度、劳动日300个，试问A、B各生产多少桶时利润最大？列出其教学模型，并说明属于何种数学规划问题?

10.某厂生产两种机器，两种产品生产每台所需钢材分别为2吨和3吨，所需工时数分别为4千小时和8千小时，而产值分别为4万元和6万元。如果每月工厂能获得的原材料为100吨，总工时数为120千小时。现应如何安排两种机器的月产台数，才能使月产值最高。试写出这一优化问题的数学模型。

11.要将10米长的钢管截成3米和4米长的各100根，要求设计出用料最省的下料方法。试写出其数学模型。

12.设计一个二级展开式渐开线标准直齿圆柱齿轮减速器，已知总传动比i＝20，高速级齿轮模数m1,2=2.5mm，低速级齿轮模数m3,4=3mm，要求减速器高速轴与低速轴间中心距a 最小，试建立其优化设计的数学模型，并指出属于哪一类优化问题。

13.设计一个展开式二级圆柱齿轮减速器，要求其高、低速轴间的中心距最小。已知总传动比i=i1×i2=4，齿轮齿数z1=z3，模数均为2.5mm，试建立其数学模型，并说明属于何种数学规划问题。

14.自行提出一个数学规划问题，并建立其数学模型。

15.如图2-13所示，已知跨距为l、截面为矩形的简支架，其材料密度为ρ，许用弯曲应力为[σw]，允许挠度为[f]，在梁的中点作用一集中载荷P，梁的截面宽度b不得小于b min，现要求设计此梁，使其质量最轻．试写出其优化设计数学模型。

16.矩形截面简支梁，在跨距l的全部长度内受到均布载荷q，其材料密度为ρ，许用弯曲应力为[σm]。要求梁的宽度不小于b min，最大挠度不大于[δ]。试写出此梁重量最轻优化设计的数学模型。

17.有一圆形等截面的销轴，一端固定在机架上，另一端作用着集中载荷P 和扭矩M ，其简化模型如图2-14所示。由于结构的需要，轴的长度l 不得小于l min 。已知销轴材料的许用弯曲应力[σw ]和许用扭剪应力[τ]，允许挠度为[f ]；设计材料的密度为ρ和弹性模量为E 。现要求设计这根销轴，在满足使用要求下使其质量为最轻，试写出其优化设计数学模型。

18.试按质量最轻的原则选择平均半径R 和壁厚t ，设计图2-25所示的薄壁圆柱形容器，要求容积不小于25.0m 3，容器内压力p 为3.5MPa ，切向应力σe 不超过210Mpa ，应变量不超过0.001。

要求：(1)建立优化设计的数学模型；(2)用图解法求出最优解。

19.三杆悬挂结构(图1-5)的材料已经选定，其比重为ρ，弹性模量为E ，许用拉应力为[σ]。此结构的设计载荷为2p 。试写出其重量最轻优化设计的数学模型。

20.平面桁架(图l-6)由钢管组成，承受载荷2p 。钢管的壁厚为t ，桁架的跨度为2B 。钢管的直径d 和桁架高度H 可以选择。桁架应满足强度和刚度的要求。试写出其重量最轻优化设计的数学模型。

21.当某试验参数a 为1，2，3，4，5时，其对应结果f (a )为3，5，4，2，1。试用一个二项式p (a )=a 2x 1+ax 2+x 3，去逼近f (a )，求x 1，x 2，x 3为多大时，使得当a =2，3，4，5时各点误差平方和为最小，且要求a =1时，p (a )=f (a )。试写出该问题的优化设计数学模型。

22.己知两个物理量x 和y 之间的依赖关系为

2

14351ln(1)a y a x a a a =+-++