机械优化设计 1 参赛课件 概述

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1、机械优化设计参赛选手：*****学习参考书[1]孙靖民.机械优化设计.北京：机械工业出版社[2]方世杰.机械优化设计.北京：机械工业出版社第一章优化设计的基本概念§1-1绪论§1-2优化设计问题的示例§1-3优化设计的数学模型§1-4优化问题的基本解法优化是万物演化的自然选择和必然趋势。优化作为一门学科与技术，则是一切科学与技术所追求的永恒主题，旨在从处理各种事物的一切可能的方案中，寻求最优的方案。优化原理与方法，应用在工程的实际问题，便是优化设计。优化设计是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术。是根据最优化原理和方法，以人机配合方式或“自动探索”方式，在计算机上

2、进行的半自动或自动设计，以选出在现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法。§1-1绪论1.优化、优化设计和机械优化设计的含义（1）来源：优化一语来自英文Optimization，其本意是寻优的过程；（2）优化过程：是寻找约束空间下给定函数取极大值（以max表示)或极小(以min表示)的过程。优化方法也称数学规划，是用科学方法和手段进行决策及确定最优解的数学；（3）优化设计：根据给定的设计要求、给定的目标和现有的技术条件，应用专业理论和优化方法，在计算机上从许多可行方案中，自动地选出最优的设计方案。机械优化设计就是把机械设计与优化设计理论及方法相结合，借助计算机，自动寻找

3、实现预期目标的最优设计方案和最佳设计参数。优化设计流程常规设计流程2.优化设计的发展概况历史上最早记载下来的最优化问题可追溯到古希腊的欧几里得（Euclid，公元前300年左右），他指出：在周长相同的一切矩形中，以正方形的面积为最大。十七、十八世纪微积分的建立给出了求函数极值的一些准则，对最优化的研究提供了某些理论基础。直到20世纪40年代初，由于军事上的需要产生了运筹学，并使优化技术首先应用于解决战争中的实际问题，例如轰炸机最佳俯冲轨迹的设计等。50年代末数学规划方法被首次用于结构最优化，并成为优化设计中求优方法的理论基础。数学规划方法是在第二次世界大战期间发展起来的一个新

4、的数学分支，线性规划与非线性规划是其主要内容。近十几年来，最优化设计方法已陆续用到建筑结构、化工、冶金、铁路、航天航空、造船、机床、汽车、自动控制系统、电力系统以及电机、电器等工程设计领域。一般说来，对于工程设计问题，所涉及的因素愈多，问题愈复杂，最优化设计结果所取得的效益就愈大。最优化设计是在数学规划方法的基础上发展起来的，是6O年代初电子计算机引入结构设计领域后逐步形成的一种有效的设计方法。第一阶段人类智能优化：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

5、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。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。基础：（1）最优化数学理论（2）计算机编程技术内容：（1）将工程实际问题数学化；（建立优化设计数学模型）（2）用最优化计算方法在计算机上求解数学模型。优化设计是一种

6、现代设计方法，是很好的工具。3.本课程的任务该课程的主要目的：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方法解决简单工程实际问题的素质。§1-2优化设计问题的示例优化设计就是借助最优化数值计算方法与计算机技术，求取工程问题的最优设计方案。优化设计包括：（1）必须将实际问题加以数学描述，形成数学模型；（2）选用适当的一种最优化数值方法和计算程序运算求解。已知：制造一体积为100m3，长度不小于5m，不带上盖的箱盒，试确定箱盒的长x1，宽x2，高x3，使箱盒用料最省。分析：（1）箱盒的表面积的表达式；（2）设计参数确定：长x1，宽x2，高x3

7、；（3）设计约束条件：（a）体积要求；（b）长度要求；x1x2x3箱盒的优化设计数学模型设计参数：设计目标：约束条件：§1-3优化设计的数学模型1.设计变量一个设计方案可以用一组基本参数的数值来表示，这些基本参数可以是构件尺寸等几何量，也可以是质量等物理量，还可以是应力、变形等表示工作性能的导出量。在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立的基本参数，称作设计变量，又叫做优化参数。优化设计的数学模型是描述实际优化问题的设计内容、变量关系、有关设计条件和意图的数学表达式，它反映了物理现象各主要因素的内在