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机械优化设计 Optimization of mechanical design 二、课程目的和任务 机械优化设计是随着计算机的迅速发展和广泛应用而产生的一种现代设计方法。采用优化设计的机械产品，可以提高产品质量、节约原材料、降低成本，从而达到提高经济效益的目的。本课程主要介绍优化设计的基本概念及理论、优化设计的数学建模以及常用的优化方法；并通过设计实例使学生掌握机械优化设计的基本原理与方法，获得解决机械优化设计问题的初步能力 。 三、本课程与其它课程的关系 机械优化设计方法是一种现代设计方法，该课程目的是使机械设计类专业学生树立优化设计的思想，掌握其基本方法，获得解决机械优化设计问题的初步能力。因此需要有广泛的专业、基础知识。 先修课程： 线性代数、理论力学、材料力学、机械原理、机械零件等机械专业的知识。 1、建议教材 [1] 孙靖民. 机械优化设计.第4版.出版地：北京.机械工业出版社.2007年 2、教学参考书 [1] 刘惟信. 机械最优化设计.第2版.出版地：北京. 清华大学出版社. 1994年 [2] 汪萍，候慕英. 机械优化设计. 第2版.出版地：武汉. 中国地质大学出版社. 1991年 第1章 优化设计概述 自古以来的多数工程设计，都存在着“优选”的思想，也就是经过了某种程度的“优化”过程。 1. 传统的设计过程： 首先要分析调查，根据产品的要求，经过查阅文献、手册或同类产品的相关情况，通过估算、经验类比或试验确定初始方案。然后根据初始设计方案的参数进行强度、刚度、稳定性等性能分析计算，检验各项性能是否满足设计要求。 传统设计过程 设计结果常常留有很大余地，而不是最佳方案。 设计周期长。 机械优化设计是60年代发展起来的一种新的设计方法，它应用近代数学规划论和电子计算机，能使一项设计在一定的技术和物质条件下寻求技术经济指标最佳的设计方案 。 最优化所研究的问题是在众多的可行方案中怎样选择最合理的一种以达到最优目标。 是使所设计的产品具有最好的使用性能、最低的材料消耗和制造成本，以获得最佳的经济效益和社会效益。 3、最优化方法的发展 ⑴ 17世纪在欧洲就有人提出各种求最大、最小的问题，但发展缓慢； ⑵ 二战中，军事上的需要产生了运筹学，最优化理论和方法逐渐得到丰 富和发展 ⑶ 20世纪60年代以来，发展迅速，已成为一门新兴的学科，应用广泛 ① 近代科技和生产发展的需要 ② 计算机技术的飞速发展 4、最优化方法的应用 最优化在物质运输、自动控制、机械设计、采矿冶金、经济管理等科学技术各领域中有广泛应用。 ⑴ 部分或整个系统的设计 ⑵ 生产规划 ⑶ 工程分析和数据拟和 ⑷ 动态系统的最优控制 1.1 机械优化设计基本概念 ◆ 机械优化设计：在给定的载荷环境条件下，在对机械产品的性态、几何关系或其他因素的限制（约束）范围内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设计方法。 ☆机械优化设计过程包括： (1) 将实际问题加以数学描述，形成数学模型； (2) 选用适当的一种最优化数值方法和计算程序运算求解。 ☆ 机械优化设计是应用数学方法寻求机械设计的最优方案，所以需要应用机械工程的专业知识确定设计的限制条件追求的目标。 例3. 生产管理优化 1）根据设计要求，应用专业范围内的现行理论和经验等，对优化对象进行分析。必要时，需要对传统设计中的公式进行改进，并尽可以反映该专业范围内的现代技术进步的成果。 2）对结构诸参数进行分析，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，确定并构造目标函数和相应的约束条件，有时要构造多目标函数 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 1.2 优化设计问题的数学模型 优化设计的数学模型是描述实际优化问题的设计内容、变量关系、有关设计条件和意图的数学表达式，它反映了物理现象各主要因素的内在联系，是进行优化设计的基础。 　　　工程模型?物理模型?数学模型　 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