浅谈优化设计办法应用机械产品设计中提高质量问题

房毓臣

摘 要：随着我国社会的经济发展，从事机械设计的工作者跟工程技术人员越来越受到重视，本文分析了采用优化设计办法能提高机械人员的设计效率和设计质量，有效提高机械产品的设计问题，仅供参考。

关键词：优化设计；CAE；机械设计；产品设计；设计质量

1 引言

机械优化设计是在进行某种机械产品设计时，根据规定的约束条件，优选设计参数，使某项或几项设计指标获得最优值。产品设计的“最优值”或“最佳值”，系指在满足多种设计目标和约束条件下所获得的最令人满意和最适宜的值。最优值的概念是相对的，随着科学技术的发展及设计条件的变动，最优化的标准也将发生变化。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化，它要求人们根据事物的客观规律，在一定的物质基础和技术条件下，得出最优的设计方案。

机械优化设计可解决设计方案参数的最佳选择问题。这种选择不仅保证多参数的组合方案满足各种设计要求，而且又使设计指标达到最优值。因此，求解优化设计问题就是一种用数学规划理论和计算机自动选优技术来求解最优化的问题。

2 机械产品优化设计与传统设计的比较

机械产品设计工作的任务就是使设计的产品既具有优良的技术性能指标，又能满足生产的工艺性、使用的可靠性和安全性要求，且消耗和成本最低等。机械产品的设计，一般需要经过需求分析、市场调查、方案设计、结构设计、分析计算、工程绘图和编制技术文件等一系列工作过程。

传统设计方法通常是在调查分析的基础上，参照同类产品，通过估算、经验类比或试验等方法来确定产品的初步设计方案，然后对产品的设计参数进行强度、刚度和稳定性等性能分析计算，检查各项性能是否满足设计指标要求。如果不能满足要求，则根据经验或直观判断对设计参数进行修改。

整个传统设计的过程是人工试凑和定性分析比较的过程。实践证明，按照传统方法得出的设计方案，可能存在有较大改进和提高的余地。在传统设计中也存在“选优”的思想，设计人员可以在有限的几种

合格设计方案中，按照一定的设计指标进行分析评价，选出较好的方案。但是由于传统设计方法受到计算方法和手段等条件的限制，设计者不得不依靠经验，进行类比、推断和直观判断等一系列智力工

作，这是很难找出最优设计方案的。

优化设计理论的研究和应用实践，使传统设计方法发生了根本变革，从经验、感性和类比为主的传统设计方法过渡到科学、理性和立足于计算分析的现代设计方法，机械产品设计正在逐步向自动化、集成化和智能化方向发展。

3 优化方法与CAE

在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产品的指标或性能达到最期望的目标，这就是优化方法。

优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。基于数值分析技术的CAE（Computeraidedengineering）方法，显然不可能对我们的目标得到一个解析函数，

CAE计算所求得的结果只是一个数值。然而，样条插值技术又使CAE中的优化成为可能，多个数值点可以利用插值技术形成一条连续的可用函数表达的曲线或曲面，如此便回到了数学意义上的极值优化技术上来。样条插值方法当然是种近似方法，通常不可能得到目标函数的准确曲面，但利用上次计算的结果再次插值得到一个新的曲面，相邻两次得到的曲面的距离会越来越近，当它们的距离小到一定程度时，可以认为此时的曲面可以代表目标曲面。那么，该曲面的最小值，便可以认为是目标最优值。以上就是CAE方法中的优化处理过程。一个典型的CAE优化过程通常需要经过以下的步驟来完成：

（1）参数化建模：利用CAE软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据（设计变量）定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。

（2）求解：对结构的参数化模型进行加载与求解。

（3）后处理：把状态变量（约束条件）和目标函数（优化目标）提取出来供优化处理器进行优化参数评价。

（4）优化参数评价：优化处理器根据本次循环提供的优化参数、设计变量、状态变量及目标函数与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者说结构是否达到了最优。如果最优，完成迭代，退出优化循环圈，否则，进行下步。

（5）根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环。数值优化的过程如图1所示。

4 优化技术研究现状

在设计领域中，追求最优的设计方案一直是设计人员不懈努力、奋斗不止的理想和目标，并且在长期的设计实际中产生了诸如进化优化、直觉优化、试验探索优化等一些优化策略和方法，并在“设计———评价———再设计”的过程中，自觉或不自觉地利用经验、知识、图解分析、黄金分割和分析数学等一些经典的优化方法进行优化设计，解决了一些简单的单变量的优化设计问题。在此阶段，没有形成完整的优化设计的理论体系，因而可称它为古典优化设计。

随着近代数学的分支———数学规划论的创立，特别是近50年来计算机及其计算技术的迅速发展，对工程设计中较复杂的一些优化问题的计算有了重要的工具，并在航空航天、汽车和船舶等民生要害工业部门及一些重大工程设计的应用中取得了较好的技术和经济效果，同时也促进了工程优化设计理论和方法的发展，如开发出优化方法程序库、机构与零部件优化设计程序库、结构优化设计程序库等一些大型的工程优化设计应用软件，并结合工程优化设计的特点，在多目标优化、混合离散变量优化、随机变量优化、模糊优化以及人工智能、

神经网络及遗传算法应用于优化设计等方面都获得一些显著的成果，逐步形成以计算机和优化技术为基础的近代优化设计。

5 结束语

综上所述：针对产品设计的过程，我们应将优化设计拓宽到产品的全系统、全性能和全生命周期的优化，是适应产品设计、CAD技术发展需求和在现代科学技术支持下的优化设计技术的新发展。