机械现代设计方法介绍

机械现代设计方法介绍

孟庆伟

摘要：机械现代设计方法发展很快，目前常见或较易见到的有：计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、并行设计、虚拟产品设计、参数化设计、智能设计、分形设计、网上设计等。现在主要介绍优化设计。

Abstract: the modern mechanical design methods development is very rapid, at present the common or is easy to see: computer aided design, optimization design, reliability design, concurrent design, virtual product design, parametric design, intelligent design, web design, fractal design. Now mainly introduces the optimization design.

关键字：机械现代设计方法优化设计

优化设计是60年代初发展起来的一门新学科，它将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的设计方法。利用这种方法，可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案。特点是理论设计代替经验设计、精确计算代替近似计算、优化设计代替安全寿命设计。主要包含优化设计的基本概念及数学模型的建立、常用的一维优化方法、多维无约束优化方法、约束优化方法、多目标优化方法等方面内容。所谓优化设计，就是在规定的设计限制条件下，运用最优化原理和方法将实际工程设计问题转化为最优化问题，然后以计算机为工具进行寻优计算，在全部可行设计方案中，寻求满足预定设计目标的最佳设计方案。进行最优化设计时：首先必须将实际问题加以数学描述，形成一组由数学表达式组成的数学模型；然后选择一种最优化数值计算方法和计算机程序，在计算机上进行寻优运算求解，得到一组最佳的设计参数。这组设计参数就是设计的最优解。机电一体化系统优化设计就是要把优化设计应用到机电一体化系统的设计中去，通过对零件、机构、元器件和电路、部件、子系统乃至机电一体化系统进行优化设计，确定出最佳设计参数和系统结构，提高机电产品及技术装备的设计水平，从而增强其市场竞争力和生命力。

设计课题分析：

通过对设计课题的分析，提出设计目标，它可以是单项设计指标，也可以是多项设计指标的组合。

从技术经济的观点出发，对机械设计而言，机器的运动学和动力学性能、体积、重量、效率、成本、可靠性等都可以作为设计追求的目标。

然后分析设计应满足的要求，主要的有：某些参数的取值范围；某种设计性能或指标按设计规范推导出的技术性能；还有工艺条件对设计参数的限制等。

（２）建立数学模型：

将工程优化设计问题用数学方程式的形式予以全面地、准确地描述，即建立优化数学模型。

（３）选择优化设计方法：

根据所建立的数学方程式的性质、设计精度的要求等选用合适的优化设计方法，并做出相应的程序设计。

（４）上机电算求解：

将所编程序及有关数据上机运算，自动得出最优值。然后对计算结果做出分析和判断，则得出最优设计方案。

上述优化设计过程的四步其核心是进行如下两项工作：

一是分析设计任务，将实际问题转化为一个最优化问题，即建立优化问题的数学模型；

二是选用适用的优化方法在计算机上求解数学模型，寻求最优设计方案。

综上所述，优化数学模型是对实际问题的数学描述和概括，是进行优化设计的基础。因此，根据设计问题的具体要求和条件建立完备的数学模型是关系优化设计成败的关键。

这是因为优化问题的计算求解完全是围绕数学模型进行的。也就是说，优化计算所得的最优解实际上只是数学模型的最优解。此解是否满足实际问题的要求，是否就是实际问题的最优解，完全取决于数学模型和实际问题的符合程度。

建立优化数学模型是一项重要而复杂的工作：

一方面希望建立一个尽可能完善的数学模型，以求精确地表达实际问题，得到满意的结果；

另一方面又力求使所建立的数学模型尽可能简单，以方便于计算与求解。

工程设计的类型很多，总的来说，它可以分为两个层次：1.总体方案优化 2. 设计参数优化这两者之间有着密切的联系，但也存在着实质性的区别。

总体方案优化：是指总体布局、结构或系统的类型以及几何形式的优化设计；

设计参数优化：是在总体方案选定后，对具体设计参数（几何参数、性能参数等）的优化设计。

总体方案设计是一种创造性活动，必须依靠思考与推理，综合运用多学科的专门知识和丰富的实践经验，才能获得正确、合理的设计。因此，总体方案优化其大量工作是依据知识和经验进行演绎和推理，可用人工智能方法（特别是专家系统技术）适宜于求解这类问题。

设计参数优化是择优确定具体的设计参数，属于数值计算型工作，比较容易总结出可供计算分析用的数学模型，因而一般采用数学规划方法来求解。

对于优化问题数学模型的求解，目前可采用的求解方法有三种：数学解析法、图解法、数值迭代法。

数学解析法：就是把优化对象用数学模型描述出来后，用数学解析法（如微分、变分发等）来求出最优解，如高等数学中求函数极值或条件极值的方法。数学解析法是优化设计的理论基础。但它仅限于维数较少且易求导的优化问题的求解。

图解法：就是直接用作图的方法来求解优化问题，通过画出目标函数和约束函数的图形，求出最优解。此法的特点是简单直观。

数值迭代法：完全是依赖于计算机的数值计算特点而产生的，它是具有一定逻辑结构并按一定格式反复迭代计算，逐步逼近优化问题最优解的一种方法。采用数值迭代法可以求解各种优化问题。

目前，通常采用的迭代终止准则有以下几种：点距足够小准则、函数下降量足够小准则、函数梯度充分小准则。

总之，设计工作本质上是一种创造性的活动，是对知识与信息等进行创造性的运作与处理。随着科学技术的发展、计算机的广泛应用，设计方法和手段发生了很大的变化，科学的新成就不断丰富、充实着机械设计的思想、理论、方法和手段，促进了机械设计的变革、创新和发展，也要求工程设计人员不断更新设计思维，采用现代设计技术，提高机械产品的竞争力。

参考文献：

1.王明贤，李进连。展望未来的机械设计学2003

2.现代设计方法概论北京理工大学出版社，2007