张臣+吴恒鑫+宁德嵩

摘 要：随着社会经济的快速发展，人们对现代机械装备的性能提出了越来越高的要求，传统的经验设计已经不能满足人们的需要。在机械设计方法的不断发展中，优化理论在机械设计中占有越来越重要的地位。本文简述了机械优化设计理论的发展历程、基本思想、实际应用，并对机械优化设计理论未来发展的热点问题进行了展望。

关键词：机械优化设计；优化方法；工程应用

一部完整的机器是一个复杂的系统，要提高设计质量，必须采取科学的设计方法。传统机械设计主要依靠设计人员的设计经验，对若干种设计方案进行比较，然后从中选出最好的设计方案，但是选出的这种设计方案只能是有限种设计方案中的最优者，并不一定是所有方案中的最优者。传统设计方法缺乏对设计对象的全面理论分析，具有很大的局限性。现代机械设计已经不能满足于传统的经验设计，随着数学和计算机等相关学科的发展，优化理论开始在机械设计领域有所应用。

1 优化设计发展简介

优化的概念在很早的时候就已存在。人类在发展的进程中，很早以前就有了最简单的优化意识，早在14世纪，即出现黄金分割法和分数法的一维搜索法的基本思想，但是科学的表达出优化的概念，还是从17世纪时随着数学的发展而开始的。古典的优化方法起源于20世纪40年代，主要是应用微分法和变分法，在50年代提出线性规划和梯度法，60年代出现多维非线性约束规划的罚函数法。在第二次世界大战期间，由于军事上的需要产生了运筹学，提供了许多用古典微分法和变分法所不能解决的最优化方法，优化技术才开始应用于解决实际问题。1967年，美国的R.L.福克斯等发表了第一篇机构最优化论文。1970年，C.S.贝特勒等用几何规划解决了液体动压轴承的优化设计问题后，优化设计在机械设计中得到应用和发展。随着数学理论和电子计算机技术的进一步发展，优化设计已逐步形成为一门新兴的独立的工程学科，并显示出越来越重要的作用。

2 优化设计的基本思路

优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，逐渐逼近，寻求最优的设计方案。近年来，随看数学规划理论的不断发展和计算机的计算能力不断挖掘，机械优化设计方法和手段都有非常大的突破，优化设计思路不断的开阔。机械优化设计的大致方法可以归类如下。

3.优化理论的应用举例

目前，机械优化设计己经广泛应用在航空航天、造船、工程机械、通用机械与机床、化工机械、汽车工业、建筑机械等行业，取得了大量的研究成果。

例如，美国贝尔飞机公司采用优化方法解决450个设计变量的大型结构优化问题。在对一个机翼进行质量设计中，其质量减少35%。波音公司在747机身的设计中运用优化理论，收到了减少质量、缩短生产周期、降低成本的效果。在潜艇结构、中小型集装箱结构、油船剖面、潜艇外部液压舱等结构优化设计方面进行的研究，提高了相关研究对象的性能，为船舶设计提供了一种可靠、精确的设计方法。

实践证明，优化设计是保证产品具有优良性能，减轻自重和体积，降低产品成本的一种有效设计方法。优化方法在机械设计中的应用，既可以使方案在规定的设计要求下达到某些优化的结果，又能使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来，并大大提高设计效率。

4 优化理论未来展望

优化设计是一门新兴学科，它将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供了一种重要的科学设计方法。作者认为，优化理论未来的发展热点应在如下方面。

（1）更先进的算法

算法是实现优化的灵魂。只有不断探索更先进的算法才能应对不断出现的工程实际问题。一个好的算法不仅能使计算过程大大简化，而且可以使计算结果出错的可能性大大减小。

（2）更先进的优化软件

软件是算法实现的手段，先进的算法层出不穷，软件也需要不断更新以实现算法思想。

虽然，具有结构优化功能的软件比较多，但是，结构优化设计软件的通用性、易用性和有效性有待进一步提高，特别是结构优化设计数学模型的建立比较复杂，对于大型复杂结构，问题尤为突出。

（3）多学科结构优化设计

过去的机械结构优化设计一般主要集中在某个零部件上，或者只考虑某一个性能或学科的影响，因此造成结构优化设计的结果不理想，甚至互相矛盾，这就使结构优化设计必然走向系统和总体的优化设计。比如，在车辆结构设计中，单从减轻结构重量的角度考虑，希望在保证安全的前提下，汽车重量越轻越好。这样容易忽视由于某些参数改变而引起的汽车动力学问题，影响乘坐舒适性。所以，將各个学科系统性考虑，才能最大程度的发挥优化理论的优势。于是，现在出现了一个新兴的结构优化设计理论——多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization，简称MDO）。随着计算机性能的快速提高和人们对产品性能要求越来越高，以及机械系统复杂程度的提高，MDO为机械结构优化设计开辟了新的研究领域。

参考文献

[1]孙靖民，梁迎春.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社.2016.

[2]张运节.机械优化设计综述与展望[J].科技信息，2009（6）：703-704.

[3]秦东晨，陈江义，胡滨生，王丽霞.机械结构优化设计的综述与展望 [J].中国科技信息，2005（9）：90- 91.

作者简介

张臣（1996-），郑州大学机械工程专业，2014级本科生。

吴恒鑫（1995-），郑州大学机械工程专业，2014级本科生。

宁德嵩（1997-），郑州大学机械工程专业，2014级本科生。