优化设计在机械设计中的应用实践

时间：2024-04-24

王腾

（共享智能铸造产业创新中心有限公司，宁夏银川 750000）

1 机械设计中的优化设计概述

传统的设计方法只能得到有限的候选方案，并不能得到一切可能方案的“最佳方案”。机械优化设计，相比于传统的机械设计来说，是一种全新的概念，它是为了让机械的设计质量更高，效率更高而产生的。想要让机械设计得到优化，首先要认识到机械设计存在的客观规律，然后将物理模型转化为数学模型，选择设计变量，列出约束条件，然后通过适当的约束方法来求解数学模型，分析优化结果，选出最为适合的方案。

2 机械设计中优化设计应用

2.1 采用遗传算法有效提升机械优化设计的质量

机械设计方案具有一个短板，那就是每个机械设计，都必须有不同的优化设计方案，即使有些优化设计方案有一定的相似性，这些方案也不可能完全兼容所有的设计方案，因此，每个优化设计方案，必须根据机械设计的实际情况进行优化。我国机械设计经常采用遗传算法来对机械设计方案进行优化，遗传算法是一种概率算法，是模仿生物进化过程的一种算法，这种算法是随机的，该算法不需要很多的信息作为支持，它可以直接设计出比较完美的设计方案，而且可以保障机械设计的最大收益，这种算法设计出的机械设计方案，比较的全面，而且保证了方案的优势。但是，这种算法也不是万能的，具有一定的缺陷，因为下一代的设计方案，不一定比上一代的设计方案好，有可能还不如上一代机械设计方案，因此，设计师必须对每一代的设计方案进行筛选，以确定最优的机械设计方案，即使遗传算法不是完美的，这种算法对于机械设计的优化还是要比传统的机械设计优化要好，因此在我国机械设计的优化中得到了广泛应用。

2.2 有限元分析方法

随着计算机技术的发展，有限元分析方法迅速发展成为设计计算方法重要组成部分，这种方法的使用原理是将设计产品分成有限的、独立的、相互联结的三个部分，这些被分出的部分大多都是一些比较常见的形状。例如在有限元分析方法中，如果被分析的产品是平面的，就可以把它划分到四边形里面，如果要分析到产品是立体的，就可以把它划分到六面体里面。在划分完产品单元后，设计人员接下来就要确定所分析产品的每个变量，然后将分析出的产品变量应用的单元函数中，并进行求解，最后再将列出的单元方程连立求解。

2.3 模拟退火算法

作为全局最优算法，通过模拟物理系统退火过程，而使优化问题的求解过程变得更为简单便捷。这种算法通过适当控制温度下降过程，对退火的全过程进行模拟，因此对优化过程的全局了如指掌。这种方法具有通用性特点，适用于不同非线性问题的解答。在对于不良性函数进行优化时，同样可以通过计算最大概率的方式得到最优解。同时，这种算法处理问题的类型趋于多样化，不需要借助任何辅助信息，对于目标函数和约束函数不设限制，是一种可以处理离散型、连续型和混合型等多种设计变量的优化算法。

2.4 采用先进的软件技术协助优化设计

因为机械设计的优化就是建模的过程，因此，现在世界上针对机械优化设计，一般都会采用MATLAB。MATLAB主要用于算法开发，数据分析及数值运算的高级计算语言和交互式环境。它最主要的功能就是建模并自带多种内置函数，供使用者在优化设计的过程中直接利用，高效的数值运算和符号计算功能，使用户从复杂的数据运算和分析中解脱出来。并且通过这些函数，使用者可以得到最优的数字解答，然后经过一些筛选，获得最优的设计方案。该软件还有一种强大的功能，就是具有完备的图像处理功能，实现计算结果和编程的可视化，即以数学曲线和图表的形式展现在使用者面前。在具体设计时，应该充分使用该软件的功能，以设计出最优的设计方案。除此之外，MATLAB还具有功能丰富的应用工具箱，例如信号处理工具箱，优化设计工具箱等，为使用者提供了实用处理工具。在进行优化设计中，只需建立优化设计的数学模型，选择优化设计方法，并应用MATLAB进行编制优化设计程序，就能够得出优化结果，最终经过分析与筛选，得到最优的设计方案。

2.5 约束优化设计法

优化设计问题大多与约束有关，在对机械设计进行方案优化时，根据约束条件分为直接法和间接法。直接法又包括复合型法、约束坐标轮换法和网络法。直接法优化形式主要为构造一个迭代过程，通过不断确定迭代点，让其在可行域中执行，并同时完成目标函数值逐渐降低的过程，快速得到最优解。间接法分为：惩罚函数法、增广乘子法。这种方法根据要求取消约束限制，让原有问题转化为无约束优化问题，然后根据无约束优化方法将问题转化为线性或非线性问题进行解决。