现代设计方法---优化设计ppt课件.ppt

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1、现代设计方法第二部分优化设计（Optimaldesign）1第一章优化设计的基本知识§1-1概论寻找最优的决策以获得最好的经济效果，就促使最优化技术迅速发展。评价一种设计方法优劣的主要根据，是设计质量及设计速度。设计质量取决于所用的基本理论是否正确及设计方法恰当与否，设计速度则取决于设计方法及运算辅助工具。为提高设计质量与设计速度，采用最佳的优化设计方法是极其重要的。优化设计是现代设计方法的一个重要领域，已经广泛应用到各个领域，如在生产中，如何使成本最低？如何合理地分配资源获得最大经济效益？如何使设计的机械在满足各项功能的前提下，使其重量最低、造价最低等。优化设计技术的应用，成为

2、促进国民经济多、快、好、省地发展的有效方法。2优化设计的改进历史：1．试算法这种方法始于20世纪20代末。试算法以一定的理论公式为根据，利用已知或假定的技术条件，通过多次试算、修改，最终获得适用的设计参数。例如，设计一个刚度一定的圆柱形螺旋压簧，可以根据下列刚度公式进行试算：式中—弹簧所受的轴向负荷，—弹簧的平均直径，简称中径—弹簧在负荷P作用下所产生的变形量—弹簧的有效圈数—弹簧材料的直径—弹簧材料的切变模量3根据上式，如己知或先预定、、、各参数，通过多次试算、修改，就有可能得到压簧刚度等于或接近于的设计参数。刚度公式也可以写成一般的多元函数表达式，即式中代表性能指标，是设计参量

3、，分别代表、、、，所以。对于一个多元函数，如要求函数值一定，固然可以通过适当选定各值来满足要求。但在既有一定数值范围限制又包括部分离散量的情况下，即使经过多次试算，修改，也难获得理想结果。计算量也会随着试算次数的增多而加大。42．表格法这种方法始于20世纪30年代。它仍以一定的理论计算公式为根据，参照常用离散数列及规范，预制出系统的表格，供设计者直接查阅。目的在于简化设计过程、减少重复试算量。如螺旋状拉、压弹簧设计中所用曲度系数表格。表1-2弹簧旋绕比与曲度系数对照表制订上表的根据是曲度系数计算式：在选定C后，依上表即可查得K值。如表列数值不理想，尚须插值求解。d(mm)0.2~0

4、.40.45~11.1~2.22.5~67~1618~247~145~125~104~104~84~6表1-1弹簧旋绕比的选择53．图算法这种方法始于20世纪40年代。它也以一定的理论公式为根据，建立图尺方程，确定图尺系数，作出具有专用图线的算图。这些专用图线，避免了函数值的离散化，使用时也需用插值法求中间值。图1-1曲度系数K值线图具体使用方法是：如选，，先分别在线及线上找到相应的两点，然后联结—并延长，与K线相交，交点即为K值，等于1.44。64．利用一元函数极值理论的设计方法这种方法始于20世纪40年代末，目的在于获得理论上的最优设计性能，是优化设计的萌芽。如某一设计的性能指

5、标为，诸设计参量为，并保持一定函数关系的极大值或极小值，表征了设计的最优性能必要条件：充分条件：在x*点存在二阶连续偏导数。当时为极大；当时为极小。所确定的设计参量，即为获得最优性能所应选用的具体值。实际上，绝大多数设计都非一元问题。这种设计方法虽有理论意义，但较少具有实用价值。75．优化设计法(最优化设计OptimalDesign)起源：始于上世纪50年代末，而普及应用于70年代概念：是以数学规划理论为基础，以电子数学计算为辅助工具的一种设计方法原理：将优化技术应用于设计过程之中，最终获得较理想的设计参数，由于这种设计一般多在完成初始设计之后进行，最终获得优化参数及结果，故称之为

6、优化设计。分类：一为直接法（数值法）：直接计算函数值、比较函数值，并以之作为迭代，收敛根据的方法。二为间接法（解析法）：以多变量函数极值理论为依据，利用函数性态、以之作为迭代，收敛根据的方法。两种方法的择优、运算过程，皆按预编程序在计算机上进行。故在有的技术领域中，亦将此过程称之为自动设计。8优化设计的基本思想优化算法各种各样，但大多数方法都是采用数值法，其基本思想是搜索、迭代和逼近。就是说，在求解时，从某一初始点x0出发，利用函数在某一局部区域的性质和信息，确定下一步迭代的搜索方向和步长，去寻找新的迭代点x1。然后用x1取代x0，(对于极小化问题)x1点的目标函数值应比x0点的值

7、为小。x0d0x1d1x2d2x3d3xkxk+1xk+1=xk+akdkdk9机械优化设计的优点使传统机械设计中，求解可行解上升为求解最优解成为可能使传统机械设计中，性能指标的校核可以不再进行使机械设计的部分评价，由定性改定量成为可能使零缺陷（废品）设计成为可能大大提高了产品的设计质量，从而提高了产品的质量大大提高了生产效率，降低了产品开发周期1、美国BELL公司利用优化方法解决450个设计变量的大型结构优化问题。一个机翼质量减轻了35%2、波音公司，在747的机身