樊磊

（河南工业和信息化职业学院 机械学院，河南 焦作 454000）

机械优化设计理论方法分析

樊磊

（河南工业和信息化职业学院 机械学院，河南 焦作 454000）

人类自从进入了机械化时代，社会发展和科技进步以让人目不暇接的速度向前推进。机械化理论是各国科学家竞相研究的不衰课题，如何将机械化理论最优化，成为机械化产品性能优劣的重要前提。机械化优化就是要在众多设计中寻找出一种最优设计方案，应用于机械制造当中，这样可以最大程度地提高机器设备的效率和质量。因此，要对机械化设计含义、一般设计方案、传统设计理论、现代优化设计等多个方面进行了解，并认准机械优化设计发展方向，为以后的机械优化理论设计工作奠定基础。

机械；优化设计；理论；对比

人们从来没有停止对完美事物的追求，对科学及机械化设计优化理论的探索。这里说到的最优理论是一个相对概念，是根据当时科技的发展水平，受到当时技术的限制达到一个相对最优化的水平。提出机械化优化设计理论概念是具有较强可行性的，包含着大量的科技信息、知识技能、先进理论和实践操作。随着最优理论研究的不断深入，科学技术也会得到发展，那么机械设计优化理论的概念和认知程度也会发生改变，机械设计优化理论会得到更进一步的发展和优化。

1 机械传统设计与优化设计对比

机械优化设计是基于数学模型为基础的，根据数学模型做出最优化的设计。最优化的设计即理论的范畴也属于思维意识的范畴，不同的设计师根据自己的思维方式会设计出不同的优化方案。这种设计方案根据思维的变化和各种参数的变化而发生变化，经过多次的变化和调节，最终变为一种相对优秀的设计方案。多种设计方案在数据模型的精确计算下，会产生出几种相对优秀的设计方案。各种优化设计方案的对比不是都可以用大脑直接筛选出来的，这时候就需要借助计算机，通过不同参数的对比，进行筛选，得出机械设计理论最优化设计。这种对比的可行，首先得益于现代电子计算机的科技发展，能够进行大规模数据的计算，并且运行速度也很快。当然不是所有的数据都满足数据模型的直接应用，需要进行简单的转化和处理，这样得出的测试值和实际值直接存在一定差距，但遵循客观规律的优化设计方案相对有优秀性，还是可以鉴别的。建模数据计算方式可以很好地将多种优化方案进行优化顺序排名，在很短的时间内就可以将最优化方案的优势展现出来，获得人们期望中的正确设计结果。传统设计优化方案虽然也是在追求设计方案的最优化，在众多优化方案中选择相对较好的方案，但传统优化设计方案需要经过调查、分析、实验、类比、评估等多个步骤去辨别和筛查，或许需要反复经过好几轮的这种反复繁琐的步骤。这样在时间性上、准确性上、工作量方面、主观判断性上面都会给方案的最优化筛选造成障碍。传统优化设计理论需要倾注大量的精力、投入大量的人力和物力、花费巨大的资金，最终的筛选结果还难以确保准确。所以说传统设计优化理论并非最优化设计结果筛选的最佳选择，因为它受到各方面不确定因素的影响太大，结果容易产生偏差。

2 机械传统优化设计理论方法

机械优化设计理论已经被提出好多年了，但对于机械传统优化设计理论有几种常见的机械优化方法，如下所述：

（1）准则优化法。准则优化法，就是根据已有理论和经验准则进行评估，评估的时候基本不是按照数学模型和数学极值的方法对方案进行最优化设计筛选，而是按照基本常识或者物理学等学科知识进行原则性评价，根据已有的标准和准则来横向评比机械设计方案最优化。这种评比方法有利也有弊，有利的地方就是方案优化选择变得直观、简洁、易于理解。缺陷是这种评比方法只能兼顾相对几个指标和参数，一旦评比程序变得复杂起来，这种准则优化法就不起作用了。

（2）线性规划法。该设计方法是基于数学极值的基本原理来对目标函数以及约束条件同属于设计变量的线性优化问题加以求解的，是机械优化设计中常常使用的一种求解方法。其主要包括单纯形计算法和序列线性规划法两种方法。前者最早是又美国的科学家斯坦福大学教授在1947年率先提出来的，是一种求解最优化线性方案的简单有效方法。但这种方法却也存在着很大的缺陷，比如该方法对于计算全局最优解就比较困难，而且还会受到各种不确定因素的影响。在多种因素如收敛条件、压缩因子、扩散因子以及收敛系数等多个参数因素不断变化的情况下，其最优化方案确定就变得相对困难。所以，初始单纯性的各顶点应线性独立，新单纯形构成后应验算是否收敛，并对计算结果是否满足精度要求进行核对、检查。对于单纯形计算方法而已，其比较成熟，因而统治了线性规划长达30余年。序列线性规划法是在初始位置将目标函数集约束条件展开为泰勒级数，只取线性项，将非线性规划转化成为近似的线性规划对最优结果进行求解。若经核对、检查，其所得的设计结果与设计精度要求不相符，那么就将原来优化的问题在该近似解处再次根据泰勒级数加以展开,，并进行重新求解，如此反复，直到所求解符合最初设计精度要求。

（3）非线性规划法。对于大部分机械工程而言，其优化设计均属于非线性规划，而且非线性程度越来越大，但是将其完全简化成为线性问题又是欠缺的。非线性规划从数学极值的原理出发，来对优化问题进行求解,可包括无约束直接（间接）法、约束直接（间接）法等方法。

3 现代优化设计理论方法

对于不同种类的约束、变量以及目标函数，优化准则法会推导出不同的优化准则，其通用性一般较差，而且大多数属于近似最优解。规划法需要进行多次迭代以及重复验算，代价较高，且效率较低，常常还要求目标函数以及约束条件连续，且可微。这些因素均制约了规划法在现代机械工程项目优化设计中的广泛应用。此外，现代机械设计复杂度也越来越大，传统的优化算法逐渐变得力不从心。现代的优化设计不像传统的设计凭借经验和直观的感觉来确定结构方案，也不像“安全寿命可行设计”方法，即在满足所提出的要求的前提下，先确定结构方案，再根据安全寿命等准则，对方案进行强度、刚度等分析、校核，然后进行修改，以确定结构尺寸。然后借助科学计算机，应用一些较高的力学数值分析方法进行分析计算，并从大量的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案，从而实现用理论设计代替经验设计，用精确计算代替近似计算，用优化设计代替安全寿命的可行性设计。如果您的企业需要机械设计、机械自动化设计、机械优化设计等，那就到一品威客网发布任务需求，百万专业威客给您最好的服务设计。

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樊磊（1984-），男，主要研究方向：机械。