01机械优设计第一章(哈工大—孙靖民).ppt

机械优化设计 哈尔滨工业大学 孙靖民 主编 计划学时数：26学时 使用教材 孙靖民. 机械优化设计. 北京：机械工业出版社，2003 参考书 [1]方世杰，綦耀光主编. 机械优化设计. 北京：机械工业出版社，2003 [2] 陈立周，机械优化设计方法，北京：冶金工业出版社，1997 [3] 刘惟信. 机械最优化设计. 北京：清华大学出版社，1994 机械设计方法 传统设计方法 基于手工劳动或简易计算工具。方法低效，一般只能获得一个可行的设计方案。 传统机械设计理论与方法包括疲劳寿命理论、强度理论、振动理论…… 常凭经验、试算、校核等方法。 现代优化方法 基于计算机的应用，设计过程包括： ① 从实际问题中抽象出数学模型； ② 选择合适的优化方法求解数学模型。 特点：以人机配合或自动有哪些信誉好的足球投注网站方式进行，能从“所有的”的可行方案中找出“最优的”的设计方案。 工程案例 1、利用一化工优化系统，对一化工厂进行设计。根据给定数据，在16小时内，进行16000各可行性设计的选择，从中选择一成本最低、产量最大的方案，并给出必须的精确数据。 传统设计：一组工程师，一年时间，仅仅3个方案，且并非最优。 2、美国BELL飞机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35%。 3、武汉钢铁公司从德国引进的1700薄板轧机，经该公司自主优化后，就多盈利几百万马克。 优化设计的作用（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； 大大提高了产品的设计质量，从而提高了产品的质量； 提高生产效率，降低产品开发周期； …… 1、目前优化设计多数还局限在参数最优化这种数值量优化问题。结构型式的选择还需进一步研究解决； 2、优化设计这门新技术在传统产业中普及率还不高； 3、把优化设计与CAD、专家系统结合起来是优化设计发展的趋势之一。 基础：（1）最优化数学理 （2）现代计算技术 内容：（1）将工程实际问题数学化； （建立优化设计数学模型） （2）用最优化计算方法在计算机上求解数学模型。 机械优化设计问题来源于生产实际。现在举典型实例来说明优化设计的基本问题。 得 在设计平面D-h上画出代表 和 和 的两条曲线，两曲线将设计平面分成两个部分，其中不带阴影线的区域是同时满足 两个约束条件的区域，称为可行域，然后再画出一族质量等值线 例1-1 平面四连杆机构的优化设计。 平面四连杆机构的设计主要是根据运动学的要求，确定其几何尺寸，以实现给定的运动规律。 使目标函数： 为最小 相应的约束条件： 2）曲柄存在条件 3）边界约束 当x1=1.0时，若给定x4，则可求出x2和x3的边界值，当x4=5.0时： 已知：传动比i，转速n，传动功率P，大小齿轮的材料，设计该齿轮副，使其重量最轻。 建立相应的优化设计问题的数学模型 1.分析优化对象 2.对结构参数进行分析，以确定设计的原始参数、设计常数和设计变量 3.根据设计要求确定并构建目标函数和相应的约束条件，有时要构建多目标函数 4.必要时对数学模型进行规范化，以消除诸组成项间由于量纲不同等原因导致的数量悬殊的影响。 1.设计变量 一个设计方案可以用一组基本参数的数值来表示，这些基本参数可以是构件尺寸等几何量，也可以是质量等物理量，还可以是应力、变形等表示工作性能的导出量。 在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立的基本参数，称作设计变量，又叫做优化参数。 设计变量的全体实际上是一组变量，可用一个列向量表示。设计变量的数目称为优化设计的维数，如n个设计变量，则称为n维设计问题。 2.约束条件 ③ 显式约束和隐式约束 约束函数有的可以表示成显式形式，即反映设计变量之间明显的函数关系，有的只能表示成隐式形式，如复杂结构中的性能约束函数（变形、应力、频率等），需要通过有限元等方法计算求得。 3.目标函数 在最优化设计问题中，可以只有一个目标函数称为单目标函数。当在同一设计中