机械最优化设计及其应用实例

机械最优化设计及其应用徐华伟（三峡大学机械与材料学院2009106130）摘要： 机械优化设计是将数学规划理论、计算机技术、最优化原理与方法和机械设计相结合的一项新的科学技术。它是一门综合性的学科，

机 械 最 优 化 设 计 及 其 应 用 徐华伟 2009106130 （三峡大学机械与材料学院） 摘 要 ： 机械优化设计是将数学规划理论、计算机技术、最优化原理与方法和机械设计相结合的一 项新的科学技术。它是一门综合性的学科，具有丰厚的理论和应用价值，是解决复杂设计问题的一 种有效工具。它是以最优化理论和方法为基础，以计算机为运算工具从众多的设计方案中寻找出最 ++ 优的机械设计参数的一种现代设计方法。因此，优化设计可以形象的表示为：专业理论 数学规划 计算机技术。优化设计其内容包括：最优化问题基础知识、一维探索、无约束最优化问题的求解方 法、约束最优化问题的求解方法、多目标函数的优化设计方法、遗传算法简介、最优化方法在压力 加工、机构设计、拟合公式中的应用等。其在工程设计中的应用如：具有独立悬挂汽车的双桥转向 机构的最优化设计、内燃机连杆结构的最优化设计、凸轮机构的最优化设计、汽车变速器的最优化 设计、弹簧的最优化设计、制动器的最优化设计、离合器盖结构形状的最优化设计等等。 关 键 词 ： 设计机械最优化目标函数变量约束 常规的设计方法进行工程设计，特别是当影响设计的因素很多时，只能得到有限候选方案中的 “”。优秀的工程设计人员总是准备好几 最好方案，而不可能得到众多可能方案中的最优设计方案 “”，如此这样才会让所设计的项目达到更精。然而，由于设计 种候选设计方案，再从中择其最优 “” 时间和经费的制约，所设计的候选方案的数目会受到很大限制。最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综合各方面的因素，以人机配合 “” 方式或自动探索方式在计算机上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。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 是采用最优化数学方法。实践证明，最优化设计是保证产品具有优良的性能，减轻自重或体积，降 低工程造价的一种有效设计方法。同时也可使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来使之 有更多的精力从事创造性的设计并大大提高设计效率。在数学规划方法的基础上发展起来的最优化 60 设计是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。利用这种方法， 不仅使设计周期大大缩短，计算精度显著提高，而且可以解决传统设计方法所不能解决的比较复杂 的最优化设计问题。 现代设计都是面向市场，实现功能及产品优势的设计、创新设计、绿色设计、优化设计、可靠 性设计等现代设计方法备受国内外机械设计领域的关注，而机械的优化设计与机构设计、机械传动 设计和机械强度设计共同组成了机械设计的内涵。机械优化设计是建立在近代应用数学、物理学、 应用化学、应用力学和材料学和计算机程序设计之上的，是解决复杂设计问题的一种有效工具，机 械优化设计是把机械设计与优化理论及方法密切结合起来去处理机械设计问题，工程实用价值大， 机械优化设计的研究和应用工作更为活跃，应用领域更加的广泛，涉及到航空航天、工程机械、通 用机械与机床、水利、桥梁、船舶、汽车、铁路运输行业、通讯行业、轻工纺织、能源工业、军事 工业、建筑机械、石油及石化行业、食品机械等诸多方面，主要处理那些具有复杂结构系统的设计， 如飞机机身、飞机结构整体、火箭发动机壳体、航空发动机轮盘、潜艇结构、潜艇外部液压舱、机 器人等，或大规模的工程建设，如建筑、桥梁、石油钻井井架、大型水轮机结构等，或产量大的汽 车车架、悬挂、车身、箱形梁结构、起重机、装载机、平面或空间桁架结构、各类减速器、制动器、 / 圆锥、圆柱齿轮、连杆机构、凸轮机构各类弹簧轴承等。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。最优化设计反映出人们对于设计规律这 “” 一客观世界认识的深化。设计上的最优值是指在一定条件各种设计因素影响下所能得到的最佳 设计值。最优值是一个相对的概念，它不同于数学上的极值但在很多情况下可以用最大值或最小