机械优化设计概述.pptx
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第二阶段 数学规划方法优化：从三百多年前牛顿发明微积分算起，电子 计算机的出现推动数学规划方法在近五十年来得到迅速发展。
第三阶段 工程优化：近二十余年来，计算机技术的发展给解决复杂工程 优化问题提供了新的可能，非数学领域专家开发了一些工程优化方法，能 解决不少传统数学规划方法不能胜任的工程优化问题。在处理多目标工程 优化问题中，基于经验和直觉的方法得到了更多的应用。优化过程和方法 学研究，尤其是建模策略研究引起重视，开辟了提高工程优化效率的新的 途径。
国家863项目子课题，上海市教委科研创新项目 等科研项目6项。参 与国家级、省部级、企事业单位重大项目等50余项 论文发表：SCI检索11篇、EI论文20余篇 专利：申请或获得各种专利和软件著作权29项，其中授权发明专利 3项
2
课程安排
绪论+概述（2学时） 优化设计的数学基础（6学时） 一维搜索方法（2学时） 无约束优化方法（6学时） 线性规划（6学时） 约束优化方法（8学时） 多目标优化与离散优化（4学时） 关于机械优化设计中的几个问题（2学时） 考查：平时出勤+平时作业+期末考试（开卷）
第四阶段 现代优化方法：如遗传算法、 模拟退火算法、 蚁群算法、 神 经网络算法等，并采用专家系统技术实现寻优策略的自动选择和优化过程 的自动控制，智能寻优策略迅速发展。
12
绪论
4 课程的主要目的和任务 学习本课程主要目的和任务： 1、了解和基本掌握机械优化设计的基本知识； 2、扩大视野，并初步具有应用机械优化设计的基本理论和基
10
绪论
2 机械的设计方法
实际案例：
✓ 1、利用一化工优化系统，对一化工厂进行设计。根据给定数据，在16小 时内，进行16000个可行性设计的选择，从中选择一成本最低、产量最大 的方案，并给出必须的精确数据。以前：一组工程师，1年时间，仅仅3个 方案，且并非最优。
✓ 2、美国BELL公司利用优化方法解决450个设计变量的大型结构优化问题。 一个机翼质量减轻了35%。
起升速度
空载
满载
90m/min
45m/min
60m/min 80m/min 90m/min 60m/min
30m/min 40m/min 45m/min 40m/min
起升额定输 出功率
2×300kw
250kw 2×200kw 2×200kw
300kw
设计方案 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5
前伸距
30
18
44
25
15
42
23
14
40
32
15.5
44
32
15
42
小车速度
空载
满载
150m/min
150m/min
110m/min 120m/min 150m/min 100m/min
110m/min 120m/min 150m/min 100m/min
小车额定输出 功率 180kw
2×45kw 110kw 2×55kw 110kw
2 机械的设计方法
例1：求圆木做成矩形截面梁，使抗弯截面系数最大时的高宽比。
解：梁的抗弯截面系数
bh2
W
6
d 2 b2 h2
W b (d 2 b2) 6
dW 1 (d 2 3b2 ) 0 b d
db 6
3
h 2 b
设计过程 : （1）从实际问题中抽象出数学模型； （2） 选择合适的优化方法求解数学模型。
6
绪论
2 机械的设计方法 1.机械的传统设计方法 --基于手工劳动或简易计算工具。
2.机械的现代优化设计方法 --基于计算机的应用，以人机配合或自动搜索方式进行，能从 “所有的”可行方案中找出“最优的”设计方案。
7
绪论
2 机械的设计方法
传统设计
可行解
优化设计
最优解
从传统设计到优化设计
8
绪论
9
绪论
2 机械的设计方法 与传统机械设计相比，机械优化设计的优点有： ✓ 使传统机械设计中，求解可行解上升为求解最优解成为可能； ✓ 使传统机械设计中，性能指标的校核可以不再进行； ✓ 使机械设计的部分评价，由定性改定量成为可能； ✓ 使零缺陷（废品）设计成为可能； ✓ 大大提高了产品的设计质量，从而提高了产品的质量； ✓ 大大提高了生产效率，降低了产品开发周期。
3
上海海事大学
Shanghai Maritime University
1909
1912
1958
2004
2009
绪论
INTRODUCTION
01 何谓最优化设计
02 机械的设计方法
03 优化设计的发展
04 课程的主要任务和目的
绪论
设计方案
方案1 方案2 方案3 方案4 方案5
轨面上起 轨面下起 升高度 升高度
本方法解决简单工程实际问题的素质。
13
第一章 优化设计概述
机械优化设计
上海海事大学
SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY
何军良
2017年5月
个人简介
何军良 副教授、博士，上海市晨光学者、扬帆学者
上海ຫໍສະໝຸດ Baidu事大学 中国(上海)自贸区供应链研究院 上海海事大学 教育部集装箱供应链技术工程研究中心 jlhe@shmtu.edu.cn
教育经历 2010/9 - 2014/3，同济大学，机械制造及其自动化，博士 2006/9 - 2008/6，上海海事大学，机械电子工程，硕士 2002/9 - 2006/6，上海海事大学，工业工程，学士 科学研究 研究方向：运筹学与智能优化、物流系统工程 科研项目：主持国家自然科学基金、上海市晨光计划、扬帆计划、
吞吐量 177060 154458 194225 167769 118857
平均能耗 5.82 4.21 3.67 4.21 5.62
平均效率 33.53 29.25 36.79 31.77 22.51
5
绪论
1 何谓最优化设计 --是用数学的方法寻求最优结果的方法和过程（在多个可行的设 计方案中选择最好的一个）。 机械优化设计主要包括以下两方面的内容： 1.建立优化设计的数学模型 2.模型求解
✓ 3、波音公司在747的机身设计中收到了减轻质量、缩短生产周期、降低成 本的效果。
✓ 4、武汉钢铁公司从德国引进的1700薄板轧机，经该公司自主优化之后， 就多盈利几百万马克。
11
绪论
3 优化设计的发展
第一阶段 人类智能优化：与人类史同步，直接凭借人类的直觉或逻辑思 维，如黄金分割法、穷举法和瞎子爬山法等。
第三阶段 工程优化：近二十余年来，计算机技术的发展给解决复杂工程 优化问题提供了新的可能，非数学领域专家开发了一些工程优化方法，能 解决不少传统数学规划方法不能胜任的工程优化问题。在处理多目标工程 优化问题中，基于经验和直觉的方法得到了更多的应用。优化过程和方法 学研究，尤其是建模策略研究引起重视，开辟了提高工程优化效率的新的 途径。
国家863项目子课题，上海市教委科研创新项目 等科研项目6项。参 与国家级、省部级、企事业单位重大项目等50余项 论文发表：SCI检索11篇、EI论文20余篇 专利：申请或获得各种专利和软件著作权29项，其中授权发明专利 3项
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课程安排
绪论+概述（2学时） 优化设计的数学基础（6学时） 一维搜索方法（2学时） 无约束优化方法（6学时） 线性规划（6学时） 约束优化方法（8学时） 多目标优化与离散优化（4学时） 关于机械优化设计中的几个问题（2学时） 考查：平时出勤+平时作业+期末考试（开卷）
第四阶段 现代优化方法：如遗传算法、 模拟退火算法、 蚁群算法、 神 经网络算法等，并采用专家系统技术实现寻优策略的自动选择和优化过程 的自动控制，智能寻优策略迅速发展。
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绪论
4 课程的主要目的和任务 学习本课程主要目的和任务： 1、了解和基本掌握机械优化设计的基本知识； 2、扩大视野，并初步具有应用机械优化设计的基本理论和基
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绪论
2 机械的设计方法
实际案例：
✓ 1、利用一化工优化系统，对一化工厂进行设计。根据给定数据，在16小 时内，进行16000个可行性设计的选择，从中选择一成本最低、产量最大 的方案，并给出必须的精确数据。以前：一组工程师，1年时间，仅仅3个 方案，且并非最优。
✓ 2、美国BELL公司利用优化方法解决450个设计变量的大型结构优化问题。 一个机翼质量减轻了35%。
起升速度
空载
满载
90m/min
45m/min
60m/min 80m/min 90m/min 60m/min
30m/min 40m/min 45m/min 40m/min
起升额定输 出功率
2×300kw
250kw 2×200kw 2×200kw
300kw
设计方案 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5
前伸距
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15.5
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小车速度
空载
满载
150m/min
150m/min
110m/min 120m/min 150m/min 100m/min
110m/min 120m/min 150m/min 100m/min
小车额定输出 功率 180kw
2×45kw 110kw 2×55kw 110kw
2 机械的设计方法
例1：求圆木做成矩形截面梁，使抗弯截面系数最大时的高宽比。
解：梁的抗弯截面系数
bh2
W
6
d 2 b2 h2
W b (d 2 b2) 6
dW 1 (d 2 3b2 ) 0 b d
db 6
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h 2 b
设计过程 : （1）从实际问题中抽象出数学模型； （2） 选择合适的优化方法求解数学模型。
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绪论
2 机械的设计方法 1.机械的传统设计方法 --基于手工劳动或简易计算工具。
2.机械的现代优化设计方法 --基于计算机的应用，以人机配合或自动搜索方式进行，能从 “所有的”可行方案中找出“最优的”设计方案。
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绪论
2 机械的设计方法
传统设计
可行解
优化设计
最优解
从传统设计到优化设计
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绪论
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绪论
2 机械的设计方法 与传统机械设计相比，机械优化设计的优点有： ✓ 使传统机械设计中，求解可行解上升为求解最优解成为可能； ✓ 使传统机械设计中，性能指标的校核可以不再进行； ✓ 使机械设计的部分评价，由定性改定量成为可能； ✓ 使零缺陷（废品）设计成为可能； ✓ 大大提高了产品的设计质量，从而提高了产品的质量； ✓ 大大提高了生产效率，降低了产品开发周期。
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上海海事大学
Shanghai Maritime University
1909
1912
1958
2004
2009
绪论
INTRODUCTION
01 何谓最优化设计
02 机械的设计方法
03 优化设计的发展
04 课程的主要任务和目的
绪论
设计方案
方案1 方案2 方案3 方案4 方案5
轨面上起 轨面下起 升高度 升高度
本方法解决简单工程实际问题的素质。
13
第一章 优化设计概述
机械优化设计
上海海事大学
SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY
何军良
2017年5月
个人简介
何军良 副教授、博士，上海市晨光学者、扬帆学者
上海ຫໍສະໝຸດ Baidu事大学 中国(上海)自贸区供应链研究院 上海海事大学 教育部集装箱供应链技术工程研究中心 jlhe@shmtu.edu.cn
教育经历 2010/9 - 2014/3，同济大学，机械制造及其自动化，博士 2006/9 - 2008/6，上海海事大学，机械电子工程，硕士 2002/9 - 2006/6，上海海事大学，工业工程，学士 科学研究 研究方向：运筹学与智能优化、物流系统工程 科研项目：主持国家自然科学基金、上海市晨光计划、扬帆计划、
吞吐量 177060 154458 194225 167769 118857
平均能耗 5.82 4.21 3.67 4.21 5.62
平均效率 33.53 29.25 36.79 31.77 22.51
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绪论
1 何谓最优化设计 --是用数学的方法寻求最优结果的方法和过程（在多个可行的设 计方案中选择最好的一个）。 机械优化设计主要包括以下两方面的内容： 1.建立优化设计的数学模型 2.模型求解
✓ 3、波音公司在747的机身设计中收到了减轻质量、缩短生产周期、降低成 本的效果。
✓ 4、武汉钢铁公司从德国引进的1700薄板轧机，经该公司自主优化之后， 就多盈利几百万马克。
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绪论
3 优化设计的发展
第一阶段 人类智能优化：与人类史同步，直接凭借人类的直觉或逻辑思 维，如黄金分割法、穷举法和瞎子爬山法等。