现代设计方法优化设计ppt课件.ppt

*§1-1概论寻找最优的决策以获得最好的经济效果,就促使最优化技术迅速发展。评价一种设计方法优劣的主要根据,是设计质量及设计速度。设计质量取决于所用的基本理论是否正确及设计方法恰当与否,设计速度则取决于设计方法及运算辅助工具。为提高设计质量与设计速度,采用最佳的优化设计方法是极其重要的。优化设计是现代设计方法的一个重要领域,已经广泛应用到各个领域,如在生产中,如何使成本最低?如何合理地分配资源获得最大经济效益?如何使设计的机械在满足各项功能的前提下,使其重量最低、造价最低等。优化设计技术的应用,成为促进国民经济多、快、好、省地发展的有效方法。*优化设计的改进历史:。试算法以一定的理论公式为根据,利用已知或假定的技术条件,通过多次试算、修改,最终获得适用的设计参数。例如,设计一个刚度一定的圆柱形螺旋压簧,可以根据下列刚度公式进行试算:式中—弹簧所受的轴向负荷,—弹簧的平均直径,简称中径—弹簧在负荷P作用下所产生的变形量—弹簧的有效圈数—弹簧材料的直径—弹簧材料的切变模量*根据上式,如己知或先预定、、、各参数,通过多次试算、修改,就有可能得到压簧刚度等于或接近于的设计参数。刚度公式也可以写成一般的多元函数表达式,即式中代表性能指标,是设计参量,分别代表、、、,所以。对于一个多元函数,如要求函数值一定,固然可以通过适当选定各值来满足要求。但在既有一定数值范围限制又包括部分离散量的情况下,即使经过多次试算,修改,也难获得理想结果。计算量也会随着试算次数的增多而加大。*。它仍以一定的理论计算公式为根据,参照常用离散数列及规范,预制出系统的表格,供设计者直接查阅。目的在于简化设计过程、减少重复试算量。如螺旋状拉、压弹簧设计中所用曲度系数表格。表1-2弹簧旋绕比与曲度系数对照表制订上表的根据是曲度系数计算式:在选定C后,依上表即可查得K值。如表列数值不理想,尚须插值求解。d(mm)~~~~67~1618~247~145~125~104~104~84~6表1-1弹簧旋绕比的选择*。它也以一定的理论公式为根据,建立图尺方程,确定图尺系数,作出具有专用图线的算图。这些专用图线,避免了函数值的离散化,使用时也需用插值法求中间值。图1-1曲度系数K值线图具体使用方法是:如选,,先分别在线及线上找到相应的两点,然后联结—并延长,与K线相交,交点即为K值,。*这种方法始于20世纪40年代末,目的在于获得理论上的最优设计性能,是优化设计的萌芽。如某一设计的性能指标为,诸设计参量为,并保持一定函数关系的极大值或极小值,表征了设计的最优性能必要条件:充分条件:在x*点存在二阶连续偏导数。当时为极大;当时为极小。所确定的设计参量,即为获得最优性能所应选用的具体值。实际上,绝大多数设计都非一元问题。这种设计方法虽有理论意义,但较少具有实用价值。*起源:始于上世纪50年代末,而普及应用于70年代概念:是以数学规划理论为基础,以电子数学计算为辅助工具的一种设计方法原理:将优化技术应用于设计过程之中,最终获得较理想的设计参数,由于这种设计一般多在完成初始设计之后进行,最终获得优化参数及结果,故称之为优化设计。分类:一为直接法(数值法):直接计算函数值、比较函数值,并以之作为迭代,收敛根据的方法。二为间接法(解析法):以多变量函数极值理论为依据,利用函数性态、以之作为迭代,收敛根据的方法。两种方法的择优、运算过程,皆按预编程序在计算机上进行。故在有的技术领域中,亦将此过程称之为自动设计。*优化算法各种各样,但大多数方法都是采用数值法,其基本思想是搜索、迭代和逼近。就是说,在求解时,从某一初始点x0出发,利用函数在某一局部区域的性质和信息,确定下一步迭代的搜索方向和步长,去寻找新的迭代点x1。然后用x1取代x0,(对于极小化问题)x1点的目标函数值应比x0点的值为小。x0d0x1d1x2d2x3d3xkxk+1xk+1=xk+akdkdk*机械优化设计的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使零缺陷(废品)设计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大大提高了生产效率,降低了产品开发周期1、美国BELL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。一个机翼质量减轻了35%2、波音公司,在747的机身设计中收到了减轻质量、缩短生产周期、降低成本的效果。3、武汉钢铁公司从德国引进的1700薄板轧机,经该公司自主优化之后,就多盈利几百万欧元。*