面向对象的优化设计软件-研究

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1、福建农林大学硕：E学位论文1．1前言第一章引言随着科学技术的发展，新材料、新工艺、新技术的不断出现，现代产品的特点主要表现出如下特征：广泛采用现代技术、更新换代周期日益缩短，对产品的功能、可靠性、效益的要求更为严格。由于在整个产品生命周期中，产品成本的60％～70％取决于产品的设计11】，因此，作为工程设计人员总希望能从众多设计方案中，迅速地找到尽可能完善或最适宜即最优的设计方案，从而提高设计质量和设计效率，以获得最佳的经济效益。优化设计作为现代设计方法最重要的内容之一，是从60年代随着计算机的应用推广而迅速发

2、展起来的-I"1新的重要技术学科，它与有限元分析、动态设计和数值仿真并称为现代工程分析最佳设计的四种主要方法。具体来讲，就是在现有丁程条件下就是根据最优化的原理和方法，综合各方面的因素，以人机配合的方式或用自动探索的方式，在计算机上进行自动或半自动设计，以选出的最佳设计方案【2，31。其设计原则是最优设计，设计手段是电子计算机及计算程序，设计方法是采用最优化设计方法。对于机械优化设计，就是在给定的载荷或者环境条件下，对机械产品的性态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值

3、的一种设计方法【4J。实践证明，优化设计作为现代设计方法中最活跃的分支之一，其优化思想几乎可以渗透到工程设计的一切活动中。1．2优化设计发展与国内外研究现状最优化既是一个古老的课题，又是一门年轻的学科。最优化方法的源头，可以追溯到17世纪牛顿(Newton)、拉格朗日(Lagrange)和柯西(Cauchy)时代[5】：牛顿和莱布尼兹(Leibnitz)对微积分的贡献．奠定了最优化方法的微分学基础；伯努利(Bernoulli)、欧拉(Euler)和拉格朗同等人奠定了变分学的基础；柯西最早应用最速下降法求解无约束

4、极小化问题。但是，在本世纪三、四十年代前，由于古典的微分法和变分法本身的局限性和计算工具的限制，直到1947年Dantzig[q最先提出了求解线性规划最为广泛和有效的方法——单纯形法，最优化方法才成为--f7独立的学科。二战后，运筹学无论是理论上还是应用上都得到了快速发展，数学规划方法首次用于结构优化设计【7】，此外还有非线性规划、动态规划、目的规划、几何规划、整数规划和随机规划等规划方法，成为优化设计的理论基础。福建农林大学硕士学位论文20世纪60年代电子计算被引入工程设计领域后，优化设计逐步形成了一种有效的

5、现代设计方法。70年代是最优化兴旺发展的时期，最优化在解线性规划、非线性规划以及随机规划、非光滑规划、多目标规划等领域都有了新的进展，同时也开始出现了一些优化方法软件。到80年代初国内外许多大学都已开设最优化课程，期间除了最优化理论与方法取得不断发展外，在针对复杂工程实际应用研究、软件开发、多学科交叉应用、优化新方法探讨及提高优化质量和效率等方面都有所进展【8j。随着创造工程、应用数学、高级计算机的发展以及近20年来发展起来的工程优化、近lO余年发展起来的人工智能技术和广义优化设计和多学科协同优化设计的出现，使

6、得优化设计更具有多样性和开放性【9l口在我国，40年代后就有人从事最优化的研究，但是那时的计算机的条件很差，研究工作的进展还是比较缓慢。直到70年代后期才‘逐渐有比较好的条件开展工作。短短几年间，发表的论文中有数学规划法、准则优化法以及两者结合起来的混合法，有优化方法研究也有工程实际应用研究，开始缩小与国际上的差距【8】。80年代中后期以来，我国优化设计研究和应用工作更为活跃，不但研究现成的优化方法的应用，而且结合优化问题的特点研究更有效的方法，在软件方面也有了相当的进展。总之，优化设计经过40多年的发展，在工

7、程设计、计划管理、科学实验以及军事科学等领域得到了广泛应用。1．3优化理论及优化算法优化设计体系由优化设计建模，优化设计算法、优化设计结果的分析和评价四个方面构成，其中优化理论和算法是优化设计的基础和核心。最优化方法形形色色，多种多样，从数学模型角度出发可以进行如下分类：(1)按有无约束条件及约束条件的性质分为无约束优化方法，等式约束和不等式约束优化方法：(2)按模型中所包含方程式的特性分为线性优化方法和非线性优化方法；(3)按设计变量允许取值分为整数规划方法和非整数规划方法，或称为连续优化方法和离散优化方法；

8、(4)按设计变量与时间关系的性质还可以分为静态优化方法和动态优化方法：(5)按设计变量是否确定的性质又可分为确定性优化方法和随机性优化方法；(6)按目标函数的个数分为单目标优化方法和多目标优化方法。此外，最优化还有网络优化、非光滑优化、几何规划、目标规划模糊规划等若干分支的方法【m】。工程优化设计问题大多数为约束非线性优化问题。1．3．1无约束优化算法目前，无约束方法已比较完善、成熟，