机械优化设计课件 绪论第1章 优化设计概述
52页1、机械优化设计,绪论 第一章 优化设计概述,绪论,本课主要内容,优化设计是20世纪60年代初,在电子计算机技术广泛应用的基础上发展起来的一门新的设计方法。它是以计算机为计算工具,利用最优化原理和方法寻求最优设计参数的一门先进设计技术。,绪论,一、定义:,优化设计: 根据给定的设计要求和现有的设计条件,应用专业理论和优化方法,在计算机上满足给定设计要求的许多可行方案中,按给定的目标自动地选出最优的设计方案。,机械优化设计: 在满足一定约束的前提下,寻找一组设计参数,使机械产品单项设计指标达到最优的过程。,绪论,一、定义:,机械优化设计:机械设计理论+优化方法 得到设计参数的最优值,指在一定条件(各种设计因素) 影响下所能得到的最佳设计值。 (相对概念),绪论,一、定义:,机械优化设计方法包括: 1)解析法: 主要是利用微分学和变分学的理论,适应于解决小型和简单的问题; 2)数值计算方法: 使利用已知的信息,通过迭代计算来逼近最优化问题的解,因此它的运算量很大,直到计算机出现后才得以实现。,绪论,二、从传统设计到优化设计:,传统设计:在调查分析的基础上,参考同类产品通过估算、经验类比或试验等
2、方法来确定初始方案,然后通过计算各个参数是否能满足设计指标的要求,如果不符合要求就凭借经验对参数进行修改,反复进行分析计算性能检验参数修改,直到符合设计指标为止。,优化设计:借助计算机技术,应用一些精度较高的力学的数值分析方法(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到一种最优的设计方案。,绪论,二、从传统设计到优化设计:,优化设计与传统设计相比有以下三点特点: 设计的思想是最优设计,需要建立一个能够正确反映实际设计问题的优化数学模型; 设计的方法是优化方法,一个方案参数的调整是计算机沿着使方案更好的方向自动进行的,从而选出最优方案; 设计的手段是计算机,由于计算机的运算速度快,分析和计算一个方案只需要几秒甚至千分之一秒,因而可以从大量的方案中选出“最优方案”。,绪论,三、本课程的主要内容:,机械优化设计包括: 1)建立优化设计问题的数学模型 2)选择恰当的优化方法 3)编程求解最优的设计参数,绪论,三、本课程的主要内容:,本课程的研究内容: 优化的原理与算法 本课程分为八章进行讨论: 第一章,介绍优化设计的基本概念; 第二章,介绍优化设计算法中用到的数学基础知识,为后
3、面几章的学习打好基础; 第三、四、五、六章分别介绍一维搜索、无约束优化、线性规划和约束优化的原理与算法,这些都是本课程学习的重点; 第七章,介绍多目标及离散变量优化方法; 第八章,介绍几种机械优化设计的实例,说明如何应用优化方法解决机械设计问题。,绪论,四、机械优化设计的发展趋势:,1)模糊优化设计技术 2)面向产品创新设计的优化技术 3)广义优化设计技术 4)产品全寿命周期的优化设计技术 5)CAD/CAPP/CAM集成系统中的优化技术 6)智能优化算法 7)多学科综合优化,绪论,第一节 人字架的优化设计,如图所示的人字架由两个钢管构成, 其顶点受外力2F=3105N。 人字架的跨度2B=152cm, 钢管壁厚T=0.25cm, 钢管材料的弹性模量E=2.1105Mpa, 材料密度=7.8103kg/m3, 许用压应力y= 420MPa。 求在钢管压应力不超过许用压应力y 和失稳临界应力e的条件下, 人字架的高h和钢管平均直径D,使钢管总质量m为最小。,第一章 优化设计概述,人字架的优化设计问题归纳为 求x=D hT 使质量m(x)min 满足强度约束条件 和稳定约束条件,第一节 人
4、字架的优化设计,第一章 优化设计概述,第一节 人字架的优化设计,第一章 优化设计概述,第一节 人字架的优化设计,第一章 优化设计概述,第一节 人字架的优化设计,第一章 优化设计概述,第一节 人字架的优化设计,第一章 优化设计概述,等值线越往里,函数值越小; 等值线愈稀疏说明目标函数值的变化愈慢; 无约束时,等值线族的共同中心就是函数的极小值。,等值线(面):函数f(x)的值依次为一系列常数ci时,变量x取得的一系列值的集合。,求极值就是求等值线的中心!,第一节 人字架的优化设计,第一章 优化设计概述,等值线(面):函数f(x)的值依次为一系列常数ci时,变量x取得的一系列值的集合。,二维设计问题,等值线为平面曲线。 对于三维设计问题,其等值函数是一个面,叫做等值面; 对于n 维设计问题则为等值超越曲面。,第一节 人字架的优化设计,第一章 优化设计概述,由图中数据得:D*=6.43cm,h*=76cm,在极值点处m*=8.47kg,第一节 人字架的优化设计,第一章 优化设计概述,第二节 优化设计问题的示例,第一章 优化设计概述,优化设计就是借助最优化数值计算方法与计算机技术,求取工程问题
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