机橄优化设计 机电工程学院
机械优化设计 机电工程学院
学习参考书 「孙靖民.机械优化设计.北京:机械工 业出版社,2002 「2陈立周,机械优化设计方法,北京:冶 金工业出版社,1997 3刘惟信.机械最优化设计.北京:清华 大学出版社,1994
学习参考书 [1] 孙靖民. 机械优化设计. 北京：机械工 业出版社，2002 [2] 陈立周，机械优化设计方法，北京：冶 金工业出版社，1997 [3] 刘惟信. 机械最优化设计. 北京：清华 大学出版社，1994
第一章优化设计的基本概念 §1-1绪论 §1-2优化设计问题的示例 §1-3优化设计的数学模型 §1-4优化问题的几何解释和基本解法
第一章 优化设计的基本概念 §1-1 绪论 §1-2 优化设计问题的示例 §1-3 优化设计的数学模型 §1-4 优化问题的几何解释和基本解法
§1-1绪论 1.优化、优化设计和机械优化设计的含义 优化是万物演化的自然选择和必然趋势。优化作为一种观 念和意向,人类从很早开始就一直在自觉与不自觉地追求与探索。 而优化作为一门学科与技术,则是一切科学与技术所追求的永恒 主题,旨在从处理各种事物的一切可能的方案中,寻求最优的方 案。优化的原理与方法,在科学的、工程的和社会的实际问题中 的应用,便是优化设计。 优化设计是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项 新技术。是根据最优化原理和方法,以人机配合方式或“自动探 索”方式,在计算机上进行的半自动或自动设计,以选出在现有 工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法 优化设计反映出人们对于设计规律这一客观世界认识的深化
优化是万物演化的自然选择和必然趋势。优化作为一种观 念和意向，人类从很早开始就一直在自觉与不自觉地追求与探索。 而优化作为一门学科与技术，则是一切科学与技术所追求的永恒 主题，旨在从处理各种事物的一切可能的方案中，寻求最优的方 案。优化的原理与方法，在科学的、工程的和社会的实际问题中 的应用，便是优化设计。 优化设计是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项 新技术。是根据最优化原理和方法，以人机配合方式或“自动探 索”方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有 工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法。 优化设计反映出人们对于设计规律这一客观世界认识的深化。 §1-1 绪论 1.优化、优化设计和机械优化设计的含义 例如，古代人类在生产和生活活动中经过无 数次摸索认识到，在使用同样数量和质量材 料的条件下，圆截面的容器比其他任何截面 的容器能够盛放的谷物都要多，而且容器的 强度也最大
(1)来源:优化一语来自英文 ptimization,其本意是寻优 的过程; (2)优化过程:是寻找约束空间下给定函数取极大值(以max 表示)或极小(以min表示)的过程。优化方法也称数学规划,是用 科学方法和手段进行决策及确定最优解的数学; (3)优化设计:根据给定的设计要求和现有的技术条件,应 用专业理论和优化方法,在电子计算机上从满足给定的设计要求 的许多可行方案中,按照给定的目标自动地选出最优的设计方案
（1）来源：优化一语来自英文Optimization，其本意是寻优 的过程； （2）优化过程：是寻找约束空间下给定函数取极大值（以max 表示)或极小(以min表示)的过程。优化方法也称数学规划，是用 科学方法和手段进行决策及确定最优解的数学； （3）优化设计：根据给定的设计要求和现有的技术条件，应 用专业理论和优化方法，在电子计算机上从满足给定的设计要求 的许多可行方案中，按照给定的目标自动地选出最优的设计方案
机械优化设计就是把机械设计与优化设计理论及方法相结合, 借助电子计算机,自动寻找实现预期目标的最优设计方案和 最佳设计参数。 「设计要求 「[优化设计数学模型 方案设计 「优选设计变量 综合与分析 优化算法软件 评价 是否满足要求>否 是 输出图文技术资料 常规设计流程 优化设计流程
机械优化设计 就是把机械设计与优化设计理论及方法相结合， 借助电子计算机，自动寻找实现预期目标的最优设计方案和 最佳设计参数。 常规设计流程 优化设计流程
2优化设计的发展概况 历史上最早记载下来的最优化问题可追溯到古希腊的欧几 里得( Euclid,公元前300年左右),他指出:在周长相同的 切矩形中,以正方形的面积为最大。十七、十八世纪微积分的 建立给出了求函数极值的一些准则,对最优化的研究提供了某 些理论基础。然而,在以后的两个世纪中,最优化技术的进展 缓慢,主要考虑了有约束条件的最优化问题,发展了变分法。 直到20世纪40年代初,由于军事上的需要产生了运筹学, 并使优化技术首先应用于解决战争中的实际问题,例如轰炸机 最佳俯冲轨迹的设计等。 50年代末数学规划方法被首次用于结构最优化,并成为优 化设计中求优方法的理论基础。数学规划方法是在第二次世界 大战期间发展起来的一个新的数学分支,线性规划与非线性规 划是其主要内容
2.优化设计的发展概况 历史上最早记载下来的最优化问题可追溯到古希腊的欧几 里得（Euclid，公元前300年左右），他指出：在周长相同的一 切矩形中，以正方形的面积为最大。十七、十八世纪微积分的 建立给出了求函数极值的一些准则，对最优化的研究提供了某 些理论基础。然而，在以后的两个世纪中，最优化技术的进展 缓慢，主要考虑了有约束条件的最优化问题，发展了变分法。 直到20世纪40年代初，由于军事上的需要产生了运筹学， 并使优化技术首先应用于解决战争中的实际问题，例如轰炸机 最佳俯冲轨迹的设计等。 50年代末数学规划方法被首次用于结构最优化，并成为优 化设计中求优方法的理论基础。数学规划方法是在第二次世界 大战期间发展起来的一个新的数学分支，线性规划与非线性规 划是其主要内容
最优化设计是在数学规划方法的基础上发展起来的,是60年 代初电子计算机引入结构设计领域后逐步形成的一种有效的设计 方法。利用这种方法,不仅使设计周期大大缩短,计算精度显著 提高,而且可以解决传统设计方法所不能解决的比较复杂的最优 化设计问题。大型电子计算机的出现,使最优化方法及其理论蓬 勃发展,成为应用数学中的一个重要分支,并在许多科学技术领 域中得到应用 近十几年来,最优化设计方法已陆续用到建筑结构、化工 冶金、铁路、航天航空、造船、机床、汽车、自动控制系统、 电力系统以及电机、电器等工程设计领域,并取得了显著效果。 其中在机械设计方面的应用虽尚处于早期阶段,但也已经取得 了丰硕的成果。一般说来,对于工程设计问题,所涉及的因素 愈多,问题愈复杂,最优化设计结果所取得的效益就愈大
近十几年来，最优化设计方法已陆续用到建筑结构、化工、 冶金、铁路、航天航空、造船、机床、汽车、自动控制系统、 电力系统以及电机、电器等工程设计领域，并取得了显著效果。 其中在机械设计方面的应用虽尚处于早期阶段，但也已经取得 了丰硕的成果。一般说来，对于工程设计问题，所涉及的因素 愈多，问题愈复杂，最优化设计结果所取得的效益就愈大。 最优化设计是在数学规划方法的基础上发展起来的，是6O年 代初电子计算机引入结构设计领域后逐步形成的一种有效的设计 方法。利用这种方法，不仅使设计周期大大缩短，计算精度显著 提高，而且可以解决传统设计方法所不能解决的比较复杂的最优 化设计问题。大型电子计算机的出现，使最优化方法及其理论蓬 勃发展，成为应用数学中的一个重要分支，并在许多科学技术领 域中得到应用
●第一阶段人类智能优化:与人类史同步,直接凭借人类的 直觉或逻辑思维,如黄金分割法、穷举法和瞎子爬山法等。 ●第二阶段舰法:从三百多年前牛顿发明微积 分算起,电子计算机的出现推动数学规划方法在近五十年来得 到迅速发展。 ●第三阶段工程优化:近二十余年来,计算机技术的发展给 解决复杂工程优化问题提供了新的可能,非数学领域专家开发 了一些工程优化方法,能解决不少传统数学规划方法不能胜任 的工程优化问题。在处理多目标工程优化问题中,基于经验和 直觉的方法得到了更多的应用。优化过程和方法学研究,尤其 是建模策略研究引起重视,开辟了提高工程优化效率的新的途 径。 ●第四阶段现代优化方法:如遗传算法、模拟退火算法 蚁群算法、神经网络算法等,并采用专家系统技术实现寻优 策略的自动选择和优化过程的自动控制,智能寻优策略迅速发 展
⚫ 第一阶段 人类智能优化：与人类史同步，直接凭借人类的 直觉或逻辑思维，如黄金分割法、穷举法和瞎子爬山法等。 随着人类对自然界认识的不断深入，寻找最优逐渐从下意识的、缺乏系统性的行为发展到目的明确的有意识活动，并 在数学工具日渐完善的基础上，对各种寻找最优的活动进行数学描述和分析，指导寻优活动更有效地进行，从而形成 了最优化理论与方法这一应用数学理论分支 ⚫ 第二阶段 数学规划方法优化：从三百多年前牛顿发明微积 分算起，电子计算机的出现推动数学规划方法在近五十年来得 到迅速发展。 ⚫ 第三阶段 工程优化：近二十余年来，计算机技术的发展给 解决复杂工程优化问题提供了新的可能，非数学领域专家开发 了一些工程优化方法，能解决不少传统数学规划方法不能胜任 的工程优化问题。在处理多目标工程优化问题中，基于经验和 直觉的方法得到了更多的应用。优化过程和方法学研究，尤其 是建模策略研究引起重视，开辟了提高工程优化效率的新的途 径。 ⚫ 第四阶段 现代优化方法：如遗传算法、模拟退火算法、 蚁群算法、神经网络算法等，并采用专家系统技术实现寻优 策略的自动选择和优化过程的自动控制，智能寻优策略迅速发 展
例如,工厂在安排生产计划时,首先要考虑在现有原材料、设备、人力等资源条件下,如何安排生产,使 的产值最高,或产生的利润最大:又如,在多级火箭发射过程中,如何控制燃料的燃烧速率,从而用 火箭所载的有限燃料使火 最大升空速度 在城市交通管理中,如何控制和引导车辆的流向 尽量减少各个交叉路口的阻塞和等待时间、提高各条道路的车辆通行速度,在现有道路条件下取得最大的 道路通行能力 机械优化设计应用实例 美国波音飞机公司对大型机翼用138个设计变量进行结构 优化,使重量减少了三分之一;大型运输舰用10个变量进行优 化设计,使成本降低约10%。 实践证明,最优化设计是保证产品具有优良的性能,减轻 自重或体积,降低产品成本的一种有效设计方法。同时也可使 设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来,使之有更多 的精力从事创造性的设计,并大大提高设计效率
机械优化设计应用实例 美国波音飞机公司对大型机翼用138个设计变量进行结构 优化，使重量减少了三分之一；大型运输舰用10个变量进行优 化设计，使成本降低约10%。 实践证明，最优化设计是保证产品具有优良的性能，减轻 自重或体积，降低产品成本的一种有效设计方法。同时也可使 设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来，使之有更多 的精力从事创造性的设计，并大大提高设计效率。 例如，工厂在安排生产计划时，首先要考虑在现有原材料、设备、人力等资源条件下，如何安排生产，使 产品的产值最高，或产生的利润最大；又如，在多级火箭发射过程中，如何控制燃料的燃烧速率，从而用 火箭所载的有限燃料使火箭达到最大升空速度；再如，在城市交通管理中，如何控制和引导车辆的流向， 尽量减少各个交叉路口的阻塞和等待时间、提高各条道路的车辆通行速度，在现有道路条件下取得最大的 道路通行能力