論文導讀：機械優化設計是建立在近代應用數學、物理學、應用化學、應用力學和材料學和計算機程序設計之上的，是解決復雜設計問題的一種有效工具。②選擇適當的優化方法，編寫優化程序。以上所述的優化進程所需重視的問題主要是針對優化軟件的專門研制領域的，且優化設計工作者可據實際需求選擇最合適的方法，較靈活的改變和組合各類設計思路，但這對設計者的綜合優化理論知識背景要求較高。
關鍵詞：機械優化設計，優化方法，優化軟件

　　機械設計是機械工程的重要組成部分，是決定機械性能最主要的因素。科技論文。從工程設計基礎和目標上可將設計分為：新型設計(開發性設計)、繼承設計、變型設計(基于標準型的修改)。所謂新型設計，即應用成熟的科學技術或經過實驗證明可行的新技術，設計未曾有過的新型機械，主要包括功能設計和結構設計，是機械設計發展的方向所在，然而貫穿其中的關鍵環節即是設計的方法和實現的手段。人類一直都在不斷探索新方法和新設計理念。從17世紀前形成的直覺設計過渡到經驗設計和傳統設計，直到目前的現代設計[1]，從靜態、經驗、手工式的‘安全壽命可行設計’方法發展到動態、科學、計算機化、自動化的優化設計方法，已將科學領域內的實用方法論應用于工程設計中了。
　　1.機械優化設計應用
　　現代設計都是面向市場、實現功能及產品優勢的設計。科技論文。創新設計、綠色設計、優化設計、可靠性設計等現代設計方法備受國內外機械設計領域的關注。而機械的優化設計，與機構設計、機械傳動設計和機械強度評價共同組成了機械設計的內涵。機械優化設計是建立在近代應用數學、物理學、應用化學、應用力學和材料學和計算機程序設計之上的，是解決復雜設計問題的一種有效工具。機械優化設計是把機械設計與優化理論及方法密切結合起來去處理機械設計問題，工程實用價值大。
　　作者利用CNKI知識網絡服務平臺對中國期刊全文/中國優秀碩博學位論文/中國重要會議論文進行機械優化設計文獻檢索，根據不完全統計發現自1999年至今十年內我國科技工作者在此方面約3500篇論文發表，特別是從2002開始，機械優化設計的研究和應用工作更為的活躍，應用領域更加的廣泛，涉及到航空航天、工程機械、通用機械與機床、水利、橋梁、船舶/汽車/鐵路運輸行業、通訊行業、輕工紡織、能源工業、軍事工業、建筑機械、石油及石化行業、食品機械等諸多方面，主要處理那些具有復雜結構系統的設計，如飛機機身、飛機結構整體、火箭發動機殼體、航空發動機輪盤、潛艇結構、潛艇外部液壓艙[2]、機器人等，或大規模的工程建設，如建筑、橋梁、石油鉆井井架、大型水輪機結構等，或產量大的汽車車架/懸掛/車身、箱形梁結構、起重機、裝載機、平面或空間桁架結構、各類減速器/制動器、圓錐/圓柱齒輪、連桿機構/凸輪機構、各類彈簧/軸承等。解決問題從減輕結構重量擴展到降低應力水平、改進結構靜態/動態性能、提高全壽命周期和綠色創新元素添加等更多的方面。
　　2.機械優化設計基本思路
　　在保證基本機械性能的基礎上，借助計算機，應用一些精度較高的力學/數學規劃方法進行分析計算，讓某項機械設計在規定的各種設計限制條件下，優選設計參數，使某項或幾項設計指標（外觀、形狀、結構、重量、成本、承載能力、動力特性等）獲得最優值。
　　機械優化設計的過程：①分析設計變量，提出目標函數，確定約束條件，建立優化設計的數學模型；②選擇適當的優化方法，編寫優化程序；③準備必須的初始數據并上機計算，對計算機求得的結果進行必要的分析。
　　近年來，隨著數學規劃理論的不斷發展和工作站計算能力的不斷挖掘，機械優化設計方法和手段都有非常大的突破。且優化設計思路不斷的開闊，仿生學理論、基因遺傳學理論和人工智能優化等現代設計理論的引入，都大大促進優化設計方法的更新和完善。文獻[3~12]對機械優化設計方法進行了詳盡的闡釋或方法優劣描述，大致方法歸類可如圖1所示。
　　3.設計中值得重視的幾個問題
　　優化設計工作中，針對具體設計問題是否選擇了合適的優化方法，相應的計算程序是否有效，數學模型構造是否合理，能否充分反映實際間題且盡量簡化，這些都直接關系到優化設計進程和機械設計結果。
　　(1)設計變量選擇
　　在充分了解設計要求的基礎上，根據各設計參數對目標函數的影響程度分析其主次，盡量減少設計變量的數目，以簡化優化設計問題。應注意各設計變量應相互獨立，避免耦合情況的發生，否則會使目標函數出現“山脊”或“溝谷”，給優化帶來困難。
　　(2)目標函數與約束的確定
　　對于一般機械，可按重量最輕或體積最小建立目標函數；對應力集中現象突出的構件，以應力集中系數最小為目標；對精密儀器，應按其精度最高或誤差最小的要求建立目標函數。約束條件是就工程設計本身而提出的對設計變量取值范圍的限制條件，目前尚無一套完整的評價方法來檢驗哪些約束是必須，哪些約束是可忽略的，通常是憑經驗取舍，不可避免會帶來模型和現實系統的不相吻合。
　　(3)數學模型確立
　　數學模型越精確，設計變量越多，維數越大，建模越復雜，優化進程越慢；但數學模型忽略過多元素，則難以確切凸現結構的特殊之處。故，要結合工程實際和優化設計經驗，把握與研究目標相關程度大的因素，盡可能的建立確切、簡潔的數學模型。然后通過基于統計理論的檢驗方法——t檢驗/F檢驗/檢驗/擬合優度檢驗等，分析模型的置信區間，對模型有效性進行評價，提高模型的準確度。
(4)數學模型的尺度變換
　　因各設計變量、各目標函數、各約束函數表達意義的不同，將可能使得各自在量級上相差很大，從而導致在給定的搜索方向上各自的靈敏度差距也很大。靈敏度大的搜索變化快，靈敏度小的搜索變化慢。科技論文。為消除這種差別，可以對其進行重新標度。使它成為無量綱或規格化的設計變量，即進行目標函數尺度變換、設計變量尺度變換和約束函數的規格化，以提高優化進程，提高結果進度，加快收斂速度。
　　(5)優化程序中易忽略的問題
　　注意檢驗變量是否在函數定義域內，防止無效變量生成而導致優化計算失敗；注意函數表達式中分母出現非常小或等于0情況的處理，避免數值溢出；用函數值的數值差分計算梯度，盡量避免函數與導數值之間的不一致性。
　　4.優化軟件的應用
　　以上所述的優化進程所需重視的問題主要是針對優化軟件的專門研制領域的，且優化設計工作者可據實際需求選擇最合適的方法，較靈活的改變和組合各類設計思路，但這對設計者的綜合優化理論知識背景要求較高。而對于通用機械，大批量生產的零部件的優化設計問題，更多的是考慮優化效率和快速的市場投入，從而針對普通設計的通用性較好的商業化優化軟件也就應運而生。
　　隨著商業化軟件市場的逐步擴大，大型綜合性強的優化軟件更是具有廣闊的發展前景。近十多年來，國內外不斷開發和研制新的軟件繼承系統，擴大了軟件的通用性和普及性。功能較強的軟件通常包括：造型、繪圖裝配與零件設計、機構設計、有限元分析、注塑流場分析，數據交換與傳輸，加工等等，功能幾乎涵蓋設計和制造的全過程。
　　目前，機械優化領域應用較廣的國外軟件主要有Abaqus/Ansys/Nastran/MSC.Marc/MSC.Nastran/I-DEAS/Tosca/SAP/SuperSAP/Access3/Boss-quattro/Sapop/Astro/Oasis[13]/Catia/Cad/Solidworks/UG/Moldflow[14]等，且常用的優化設計語言GAMS/LINGO/MATLAB[9]/Fortran等。國內自行開發的軟件如平面連桿機構優化設計程序(KOGEOP)/齒輪連桿機構優化設計程序(RAEKOP)[3]/DDDU-2/TCJY[15]/NEUMAX[16]。近幾年來，Ansys與matlab的應用尤為廣泛，優化設計的領域也不斷擴展，如文獻[17～28]中，磁流變阻尼器磁路/飛機炮艙段結構/大跨度斜拉橋/汽車車架/水下結構聲學/行星齒輪傳動可靠性/圓柱齒輪或齒輪減速器/復雜機構運動/包裝容器結構尺寸/整體法蘭/潛艇耐壓液艙結構/彈性雙棘爪棘輪機構等。可見，軟件已經很成熟的運用于通用機械設計中，這大量簡化了設計優化的繁重數學建模和編程工作，加快了機械設計的進程。
　　5.未來前景
　　機械優化設計給機械工程界帶來了巨大經濟效益，隨著技術更新和產品競爭的加劇，優化設計的發展前景非常的廣闊。當今的優化正逐步的發展到多學科優化設計，充分利用了先進計算機技術和科學的最新成果。虛擬設計技術是發展到必然，仿真技術也將更加趨于協同化和系統化。
　　尚處于理論探索階段的結構拓撲優化[29]、智能算法優化設計、結構動態性能優化設計、柔性機械優化[30]、綠色優化、可靠性穩健設計、基于仿生學/遺傳學算法的優化設計、機械人性化設計和可持續性創新優化等都是未來機械優化設計的發展方向。
　　但我們仍需關注的是，在優化技術水平得到了提高的同時，國內機械加工或工藝水平、加工手段和制造技術也應配套提升才行，否則整體機械水平仍然將停滯不前。這不僅要加工技術的引進，更重要的是加工設備的性能提升，尤其是數控機床的加工水平。加強與國際技術發達國家的合作和交流，軟硬件技術共同提升，以期達到機械設計-加工一體化的目標。

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