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优化设计21
优化设计的基本术语和数学模型 数学模型 1、设计对象的本质反映和科学抽象,反映对象过程和有关参数及相互关系,描述对象的特性和运动规律; 2、在确定了结构方案后建立; 3、受优化求解方式的限制。 建模内容 设计变量的选择 目标函数的构造 约束条件的确定 设计变量 设计方案 一组基本参数(对设计性能指标有影响的量) 表示为 基本参数 几何量 物理量 导出量 设计常数 设计变量(相互独立的参数) 曲柄滑块机构设计 L2 S ψ φ φ0 L1 已知:L1、L2的取值范围,要求曲柄转角φ在0-π/2区间S按照 的规律变化,设计曲柄滑块机构,使S与要求的运动规律误差最小。 设计变量有:L1、L2、φ0、S,但S可由L1、L2和φ0表示,是非独立变量。 选择设计变量为: L1,L2,φ0 设计变量的表示 设计空间 ——所有设计方案构成的n维欧式空间。 向量X为n维设计空间的一个点,代表一个设计方案,记为: 两个方案之间的关系可用向量的运算方法表示 或: 设计自由度——设计变量的维数。 设计变量的维数 2-10 小型优化问题 10-50 中型优化问题 50 大型优化问题 设计变量选择应注意的问题 抓主要矛盾,舍次要因素。 1、设计变量应该是独立的。 2、用最少的设计变量来阐述设计问题。 3、对性能影响小的因素可根据经验取为常量,甚至不考虑。 4、取值范围窄的变量,可先取平均值或界限值为常量,但数量不宜过多。 5、有的参数虽然对性能影响较大,但作为变量处理要考虑可行性。 离散变量的处理 1、作为连续变量求解后,再进行圆整。 2、采用离散或混合优化方法求解。 设计约束 设计约束 分 类 边界(区域)约束——几何限制 性能(性态)约束——设计性能(指标)限制 解决工程问题时,约束条件是优化设计获得工程可接受方案的重要条件。 设计约束的表示 简记为 约束 性质 显式约束——与设计变量有明确的函数关系 隐式约束——是设计变量的可计算函数,但不能用函数式表达。 约束函数的形式转换: 约束函数的一般形式: 约束面 可行域 不可行域 可行域可表示为: 内点 ——可行方案 外点——不可行方案 边界点 紧约束——其作用的约束 最优点常常在边界点上 一个等式约束就可以消去一个设计变量 建立约束函数应注意的问题 1、不能有矛盾约束(可行域不能是空集) 2、可行域不能无界 3、避免冗余约束和相关约束 4、不能遗漏必须的约束 冗余约束 冗余约束可根据优势定理确定 相关约束——一个约束是其他几个约束的组合 建立约束函数应注意的问题 5、尽可能给出变量的上下界 6、谨慎对待等式约束 等式约束的处理: 1、利用几个约束消去一些设计变量 2、引进裕度参数,将约束放宽为: 不等式约束的合并: 如: 增加判断: 5、尽可能给出变量的上下界 7、不等式约束的合并 8、近似约束的应用 目标函数 目标函数 显式 隐式 目标函数的表示: 一般情况下: 单目标优化问题 多目标优化问题 采用线性加权的复合目标函数: 选择和构造目标函数应注意的问题 1、f(X)必须包含全部或部分设计变量的可计算函数, 若f(X)只包含部分设计变量,则其余设计变量必须在约 束函数中。 2、不同的f(x)可以得到不同的最优解。 3、目标函数和约束函数常交换使用。 4、能提出目标,但无法形成函数形式,可用目标转移法比较其指标。 5、能提出目标,但无法形成函数形式或函数式太复杂,可借助实验数据,简化计算公式。 优化模型建立举例 四杆机构再现运动规律的优化建模 L2 L1 ψ φ φ0 L3 ψ0 L4 曲柄由极限夹角 转到 时,要求摇杆由极 限夹角 开始按下列规律 运动,并 且传动角 (连杆与摇杆之间的夹角)满足: 设计变量的确定 L2 L1 ψ φ φ0 L3 ψ0 L4 机架L4由结构布置事先 给定,即L4为常量,机构 杆长按比例变化时,其运 动规律不变,常取曲柄长 度L1为单位长度。 极限位置时的极限夹角: 非独立变量: 独立的设计变量: 目标函数的确定 L2 L1 ψ φ φ0 L3 ψ0 L4 按照运动误差最小 式中: ——输入角的分段总数 ——期望输出角 ——实际输出角(分段计算) L2 L1 L3 L4 L2 L1 L3 L4 约束条件 2、 曲
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