工程优化的设计绪论教学课件PPT.pptx

工程优化设计 主讲教师：白清顺 2 产品的设计工作对其质量有十分重要的影响，这是因为产品的设计可赋予产品“先天性优劣”这种至关重要的本质特性。 ----《产品的结构性能及动态优化设计》 作者：闻邦椿 产品设计是一个创造性的思维、推理和决策的过程。 第一章 优化设计概述 现代化的设计工作是借助计算机，应用精确度较高的力学数值分析方法（如有限元法等）进行分析计算，并从大量的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案，从而实现用理论设计代替经验设计，用精确计算代替近似计算，用优化设计代替一般的安全寿命的可行性设计。 3 一、传统设计和优化设计 传统设计过程 第一章 优化设计概述 4 强调主动、认为设计过程本身就包含“优化”的概念。作为一项设计不仅仅要求方案可行、合理，而且应该是某些指标达到最优的理想方案。 第一章 优化设计概述 一、传统设计和优化设计 优化设计过程 5 古希腊学者欧几里德（Euclid）在公元前300年左右就曾指出：在周长相同的一切矩形中，以正方形的面积为最大。 历史渊源： 2. 在中国古代这种优化的思想亦有所体现。 宋代建筑师李诫《营造法式》中指出：圆木做成矩形截面梁的高宽之比应为三比二。 3. 包装箱的尺寸参数优化问题。 体积为5 m3的包装箱，其中某一边长不小于4m，要求使耗材最少，如何确定包装箱的尺寸参数: 长、宽和高。 第一章 优化设计概述 一、传统设计和优化设计 优化设计过程 6 简单的优化问题-古典的微分方法 一般的工程优化问题-数学规划理论和计算技术 第一章 优化设计概述 一、传统设计和优化设计 7 例1 平面四连杆机构的优化 已知条件： — 输入角 — 曲柄输入起始角 — 输出角 — 遥杆输出起始角 设计变量 第一章 优化设计概述 二、机械优化设计问题示例 8 遥杆输出满足给定的运动规律（关于 的函数），即 目标函数：取机构期望输出角 与实际输出角 的平方误差积分准则作为目标函数： 取S个点进行数值计算： 约束条件：极限传动角；曲柄存在的条件；尺寸约束等 例1 平面四连杆机构的优化 第一章 优化设计概述 二、机械优化设计问题示例 9 要求齿轮减速器在满足强度的条件下，使其体积最小，以达到结构紧凑、质量最小的目的。 设计参数 齿轮齿数：Z1，Z2，Z3，Z4， 齿数比 齿轮模数 螺旋角 mnI，mnII， 例2 齿轮减速器的优化设计 第一章 优化设计概述 二、机械优化设计问题示例 10 在给定传递功率P、总传动比i和输出转速n的条件下，要求齿轮减速器在满足强度的条件下，使其体积最小，以达到结构紧凑、质量最小的目的。 设计参数 齿轮齿数：Z1，Z2，Z3，Z4， 齿数比 齿轮模数 螺旋角 mnI，mnII， 例2 齿轮减速器的优化设计 第一章 优化设计概述 二、机械优化设计问题示例 11 设计参数（9个） 设计变量 Z1，Z2，Z3，Z4， mnI，mnII， Z1，Z3， mnI，mnII， 给定了总的传动比 设计变量相对独立原则 （6个） 例2 齿轮减速器的优化设计 第一章 优化设计概述 二、机械优化设计问题示例 12 给定传递的功率P, 总传动比i 和输出转速n 总的中心距最小 约束条件 齿面接触强度条件 不干涉条件 齿根弯曲强度条件 尺寸约束条件 目标函数 例2 齿轮减速器的优化设计 第一章 优化设计概述 二、机械优化设计问题示例 13 求： 使得： S. t. 例2 齿轮减速器的优化设计 第一章 优化设计概述 二、机械优化设计问题示例 14 设计变量： 阶梯轴各段轴径（ ）、跨距（ ）及旋伸量（ ） 约束条件： 性能约束条件 边界约束条件 目标函数： 结构的重量最轻 第一章 优化设计概述 二、机械优化设计问题示例 例3 机床主轴的优化设计 15 Dk 约束优化问题： 例3 机床主轴的优化设计 第一章 优化设计概述 二、机械优化设计问题示例 16 单位时间内生产的工件数（生产率） —— 准备时间 —— 加工时间 —— 刀具更换时间 —— 刀具耐用度 根据泰勒公式： ，目标函数可以表示为： 例4 单件生产率的优化 第一章 优化设计概述 二、机械优化设计问题示例 17 约束条件 进给速度约束条件： 切削速度约束条件： 表面粗糙度约束条件： 功率约束条件： 将目标函数转化成切削速度v 和进给速度s 的函数 切削速度v 和进给速度s 设计变量 目标函数 例4 单件生产率的优化 第一章 优化设计概述 二、机械优化设