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机械优化设计论文
班级:08机制〔2〕班
学号:0810111106
姓名:王杰
授课教师:杨斌老师
完成日期:2023年6月3日
摘要:机械优化设计的目的是以最低的本钱获得最好的效益,是设计工作者一直追求的目标,从数学的观点看,工程中的优化问题,就是求解极大值或极小值问题,亦即极值问题。本文从优化设计的根本理论、优化设计与产品开发、优化设计特点及优化设计应用等方面阐述优化设计的根本方法理论。
关键词:机械优化设计优化方法优化特点产品开发优化应用
正文:
一、械优化设计的根本理论
优化设计是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计根底上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案,使期望的经济指标到达最优,它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题,优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法,因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下,在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立目标函数和约束条件,并使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。
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二、优化设计方法及选择原那么
优化设计方法是机械优化设计的灵魂,随着数学科学和计算机技术的飞速开展,优化方法的开展经历了解析法、数值分析法和非数值分析法3个阶段。20世纪50年代以前,古典的微分法和变分法是解决最优化问题的最主要的两种数学方法。这两种方法具有概念清晰和计算精确的特点,但只限于解决小型或特殊的问题,在处理大多数实际问题时,由于计算量很大,计算难度也增加很多。20世纪50年代末,数学规划方法成为了优化设计中求优方法的理论根底。这种方法建立在数值分析的根底之上,利用的信息和条件,通过一系列迭代过程求得问题的最优解。它的相关理论并不复杂,计算过程也很简单,但计算量非常大,而这正是计算机所擅长的工作,因此计算机成了解决数值优化方法的重要工具。在这个时期涌现出了很多其他的优化算法,其中比拟常用、效果较好的优化算法有简约梯度法、复合形法、约束变尺度法、罚函数法、随机方向法、可行方向法等。20世纪80年代后,一些新颖的优化方法逐渐出现,如模拟退火、混沌、进化规划、遗传算法、人工神经网络、禁忌搜索等,这些算法通过模拟自然现象或者自然规律得出一些结论,逐渐形成了其具有鲜明特色的优化方法,其内容涉及生物学、神经学、物理学、数学、人工智能、统计力学等。
在优化设计中,对于同一优化问题往往可以有不同的优化方法。有的优化方法效果较好,有的那么较差,甚至会导致错误的结果。因此,根据优化设计问题的特点(如约束条件),选取适当的优化方法是非常关键的。以以下举了4个选择优化方法的根本原那么:(1)效率要高。所谓效率要高就是所采用的优化算法所用的计算时间或计算函数的次数要尽可能地少。
(2)可靠性要高。可靠性要高是指在一定的精度要求下,在一定迭代次数内或一定计算时间内
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,求解
优化问题的成功率要尽可能地高。
(3)采用成熟的计算程序。解题过程中要尽可能采用现有的成熟的计算程序,以使解题简便并且不容易出错。
(4)稳定性要好。稳定性好是指对于高度非线性偏心率大的函数不会因计算机字长截断误差迭代过程正常运行而中断计算过程。除了上述4个根本原那么外,选择恰当的优化方法还需要个人的经验,这样可以运用一些技巧,简便解题程序和步骤。这些经验包括对各种常用优化算法的特点要非常清楚,比方它们的计算精度、收敛性、稳定性等等,这样才能互相比拟,从中找到一个最适宜的算法出来。此外,还需深入分析优化模型的约束条件、约束函数、设计变量以及目标函数,根据复杂性、准确性等条件对它们进行正确地选取和建立。综上,机械优化设计是适应现代设计要求而开展起来的一门崭新学科。它是在传统机械设计理论的根底上结合各种现代设计方法而出现的一种更科学的设计方法,可使机械产品的设计质量到达更高的水平。机械优化设计的研究必须与工程实践、力学理论、数学、电子计算机技术紧密联系起来,才能具有更加广阔的开展前景。
三、机械优化设计的特点
优化设计是以建立数学模型进行设计的。优化设计引用了一些新的概念和术语,如前所述的设计变量、目标函数、约束条件等。机械优化设计将机械设计的具体要求构造成数学模型,将机械设计问题转化为数学问题,构成一个完整的数学规划命题,逐步求解这个规划命题,使其最正确地满足设计要求,从而获得可行方案中的最优设计方案。优化设计改变了传统的设计方式。传统设计方法是被动地重复分析产品的性能,而不是主动设计产品的参数。作为一项设计不仅要求方案可行、合理,而且应该是某些指标到达最优的理想方案。并从大量的可行设计方案中找出—种最优化的设计方案,从而实现最优化的设计。优化设计可以满足多方面的性能要求。产品要求总体结构尺寸小,传动效率高,生产本钱低等,这些要求用传统设计方法设计是无法解决的。实践证明,最优化设计是保证产品具有优良的性能,减轻自重或体积,降低工程造价的一种有效设计方法。
优化设计的一般过程与传统设计方法有所不同。它是以计算机自动设计选优为其根本特征的。由于计算机的运用速快,分析计算一个方案只要几秒以至千分之一秒钟,因而可以从大量的方案中选出最优方案。因此可以为设计人员提供大量的设计分析数据,有助于考察设计结果,从而可以提高机械产品的设计质量。
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四、机械优化设计与产品开发
产品生产是企业的中心任务,而产品的竞争力影响着企业的生存与开展。产品的竞争力主要在于它的性能和质量,也取决于经济性,而这些因素都与设计密切相关,可以说产品的水平主要取决于设计水平。随着生产的日益增长,要求机器向着高速、高效、低消耗方向开展,并且由于商品的竞争,要求不断缩短设计周期,因而对产品的设计已不是仅考虑产品本身,还要考虑对系统和环境的影响;不仅要考虑技术领域,还要考虑经济、社会效益;不仅考虑当前,还要考虑长远开展。在这种情况下,所谓传统的设计方法已越来越显得适应不了开展的需要。由于科学技术的迅速开展,对客观世界的认识不断深入,设计工作所需的理论根底和手段有了很大进步,使产品的设计发生了很大的变化,特别是电子计算机的开展及应用,对设计工作产生了革命性的突变,为设计工作提供了实现设计自动化和精密计算的条件。因此,用理论设计代替经验设计、用精确设计代替近似设计、用优化设计代替一般设计将成为设计的必然开展趋势。
五、机械优化设计的应用
机构运动参数的优化设计是机械优化设计中开展较早的领域,不仅研究了连杆机构、凸轮机构等再现函数和轨迹的优化设计问题,而且还提出一些标准化程序。机械零、部件的优化设计最近十几年也有很大开展,主要是研究各种减速器的优化设计、液压轴承和滚动轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的结构参数优化。除此之外,在机床、锻压设备、压延设备、起重运输设备、汽车等的根本参数、根本工作机构和主体结构方面也进行了优化设计工作。近年来开展起来的计算机辅助设计(CAD)引入优化设计方法后,把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来,使设计过程完全自动化,已成为设计应用技术。
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计数器在生活中非常有用。用单片机自制,不但电路简单,外围元件少,运用灵巧,实用性强,而且功能可根据需要自行设计。由74系列,40系列小规模数字芯片设计的计数器非常多,电路复杂,可靠性差,使用起来不方便,本钱高,调整参数不灵巧,为此我们用单片机AT89C51自制计数器来实现计数和倒计数功能。
六、总结
总的看来,机械优化设计是适应生产现代化要求开展起来的,是一门崭新的学科。它是在现代机械设计理论的根底上提出的一种更科学的设计方法,它可使机械产品的设计质量到达更高的要求。因此,在加强现代机械设计理论研究的同时,还要进一步加强最优设计数学模型的研究,以便在近代数学、力学和物理学的新成就根底上,使其更能反映客观实际。同时机械优化设计的研究还必须与工程实践、数学力学理论、计算技术和电子计算机的应用等紧密联系起来,才能具有更广阔的开展前景。
七、参考文献
【1】王凤歧?现代设计方法?,天津大学2023
【2】高健?机械优化设计根底?,科学出版社2023
【3】孙靖民?机械优化设计?,***出版社1999
【4】陈立周?机械优化设计方法?,冶金工业出版社1985
【5】孙全颖?机械优化设计?,哈尔滨工业大学出版社,2023
【6】王安麟?广义机械优化设计?,华中科技大学出版社2023
【7】田福祥?机械优化设计理论与应用?,冶金工业出版社1998
【8】刘惟信?机械最优化设计〔第二版〕?,清华大学出版社1994