機械優(yōu)化設(shè)計

內(nèi)容概要

　　本書系統(tǒng)地論述了機械優(yōu)化設(shè)計的基本概念、基本理論和基本方法，并且通過實例說明如何應(yīng)用優(yōu)化方法解決機械設(shè)計問題。主要內(nèi)容包括：優(yōu)化設(shè)計概述、優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、一維搜索方法、無約束優(yōu)化方法、約束優(yōu)化方法、多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化方法、離散變量的優(yōu)化設(shè)計方法、模糊優(yōu)化設(shè)計和機械優(yōu)化設(shè)計實例。
　　本書可作為高等工科院校機械類或近機械類專業(yè)本科生、研究生教材，也可供有關(guān)專業(yè)教師或工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和參考。

書籍目錄

第0章 緒論
第1章 優(yōu)化設(shè)計概述
　1.1 優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型
　1.2 優(yōu)化設(shè)計幾何解釋
　習(xí)題
第2章 優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
　2.1 多元函數(shù)的方向?qū)?shù)和梯度
　2.2 多元函數(shù)的泰勒(rIIaylor)展開式
　2.3 無約束優(yōu)化問題的極值條件
　2.4 凸集、凸函數(shù)與凸規(guī)劃
　2.5 約束優(yōu)化問題的極值條件
　2.6 優(yōu)化設(shè)計的迭代方法及其終止準(zhǔn)則
　習(xí)題
第3章 一維搜索方法
　3.1 概述
　3.2 搜索區(qū)間的確定與區(qū)間消去法原理
　3.3 黃金分割法
　3.4 二次插值方法
　習(xí)題
第4章 無約束優(yōu)化方法
　4.1 概述
　4.2 最速下降法
　4.3 牛頓型方法
　4.4 共軛方向和共軛梯度法
　4.5 變尺度法
　4.6 坐標(biāo)輪換法
　4.7 鮑威爾方法
　4.8 單純形法
　習(xí)題
第5章 約束優(yōu)化方法
　5.1 概述
　5.2 隨機方向搜索法
　5.3 復(fù)合形法
　5.4 可行方向法
　5.5 懲罰函數(shù)法
　5.6 增廣乘子法
　習(xí)題
第6章 多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化方法
　6.1 概述
　6.2 統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)法
　6.3 主要目標(biāo)法
　6.4 協(xié)調(diào)曲線法
　6.5 分層序列法及寬容分層序列法
　習(xí)題
第7章 離散變量的優(yōu)化設(shè)計方法
　7.1 離散變量優(yōu)化設(shè)計的基本概念
　7.2 湊整解法與網(wǎng)格法
　7.3 離散復(fù)合形法
　習(xí)題
第8章 模糊優(yōu)化設(shè)計
　8.1 模糊優(yōu)化的基本概念
　8.2 單目標(biāo)模糊優(yōu)化設(shè)計
　8.3 多目標(biāo)模糊優(yōu)化設(shè)計
　8.4 模糊優(yōu)化設(shè)計實例
　習(xí)題
第9章 機械優(yōu)化設(shè)計實例
　9.1 機械優(yōu)化設(shè)計實踐中的幾個問題
　9.2 塑料、橡膠擠出機螺桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計
　9.3 平面連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
　9.4 普通圓柱蝸桿傳動多目標(biāo)模糊優(yōu)化設(shè)計
　9.5 基于ANSYS軟件的優(yōu)化過程簡介
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   優(yōu)化設(shè)計（Optimazation Design）是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一門新的學(xué)科，也是一項新的設(shè)計技術(shù)。它是將數(shù)學(xué)規(guī)劃（Mathematieal Programming）理論與計算技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域，按照預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)，以電子計算機及計算程序作為設(shè)計手段，尋求最優(yōu)設(shè)計方案（Qptimal Design Alternative）的有關(guān)參數(shù)，從而獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟效果。因此，優(yōu)化設(shè)計可以形象地表示為：專業(yè)理論+數(shù)學(xué)規(guī)劃理論+電子計算機。 1．機械傳統(tǒng)設(shè)計到機械優(yōu)化設(shè)計 關(guān)于最優(yōu)化（Optimization）的概念，在機械設(shè)計和工程設(shè)計中早已存在，對于任何一位從事機械設(shè)計的設(shè)計者來說，總是致力于做出一個最優(yōu)設(shè)計方案，使所設(shè)計的產(chǎn)品具有最好的使用性能和最低的材料消耗與制造成本，以便獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟效益。例如，設(shè)計齒輪傳動機構(gòu)時，在保證承載能力的前提下，應(yīng)考慮使其尺寸緊湊、用料省、成本低；或者在材料及結(jié)構(gòu)尺寸給定的條件下，考慮使齒輪的承載能力大、壽命長。這就是機械設(shè)計中的最優(yōu)化問題。 按照機械設(shè)計的傳統(tǒng)方法所進行的設(shè)計過程一般可以概括為“設(shè)計—分析—再設(shè)計”的過程，即首先根據(jù)設(shè)計任務(wù)書提出的要求和給定的數(shù)據(jù)，在調(diào)查、研究、收集和分析有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，參照相同或類比現(xiàn)有的、已完成的較成熟的設(shè)計方案，憑借設(shè)計者的經(jīng)驗，輔以必要的分析、計算和試驗來確定初始設(shè)計方案。然后，根據(jù)初始設(shè)計方案的設(shè)計參數(shù)進行強度、剛度、抗振性、耐磨性、穩(wěn)定性等方面的性能分析及校核計算，檢查各項性能是否滿足設(shè)計指標(biāo)要求。如果某些性能指標(biāo)得不到滿足，則設(shè)計人員將憑借經(jīng)驗或直觀判斷對設(shè)計方案和設(shè)計參數(shù)進行修改，并再一次進行性能分析及校核計算，如此反復(fù)，直到獲得完全滿足設(shè)計指標(biāo)要求的設(shè)計方案為止。顯然，這種設(shè)計過程就是一個人工試湊和定性分析的類比過程，主要的工作是性能的重復(fù)分析，不僅需要花費較長的設(shè)計時間，增長設(shè)計周期，而且每次的方案與參數(shù)修改，僅僅是憑借設(shè)計人員的經(jīng)驗和直觀判斷，并不是依據(jù)某種理論精確計算出來的，因此，也就無法判斷所確定的設(shè)計方案是否最優(yōu)。實踐證明，按照機械設(shè)計的傳統(tǒng)設(shè)計方法做出的設(shè)計方案，大部分都有改進提高的余地。 機械優(yōu)化設(shè)計（Mechanical Optimal Design）具有傳統(tǒng)設(shè)計所不具備的特點，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。 （1）機械優(yōu)化設(shè)計能使各種設(shè)計參數(shù)自動向更優(yōu)的方向進行調(diào)整，直到找到一個盡可能完善的或最合適的設(shè)計方案。 （2）機械優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計手段是采用電子計算機，可以在較短的時間內(nèi)從大量的方案中選出最優(yōu)的設(shè)計方案，減少設(shè)計時間，縮短設(shè)計周期。 2．機械優(yōu)化設(shè)計發(fā)展概況 20世紀(jì)50年代以前，用于解決最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)方法僅限于古典的微分法（Differential Method）和變分法（Variational Method）。20世紀(jì)50年代末數(shù)學(xué)規(guī)劃方法首次用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并成為優(yōu)化設(shè)計中尋優(yōu)方法的理論基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的一個新的數(shù)學(xué)分支，它的主要內(nèi)容是線性規(guī)劃（Linear Programming）和非線性規(guī)劃（Nonlinear Programming），此外，還有動態(tài)規(guī)劃、幾何規(guī)劃和隨機規(guī)劃等。在數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的最優(yōu)化技術(shù)，是20世紀(jì)60年代初由于電子計算機引入結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域后而逐步形成的一種有效的設(shè)計方法。這種設(shè)計方法不僅解決了傳統(tǒng)設(shè)計方法不能解決的復(fù)雜的優(yōu)化設(shè)計問題，而且隨著大型電子計算機的出現(xiàn)，又使最優(yōu)化技術(shù)及其理論得到了進一步的發(fā)展，使之成為應(yīng)用數(shù)學(xué)中的一個重要分支，并在許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。 幾十年來，最優(yōu)化設(shè)計方法已陸續(xù)應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)、化工、冶金、鐵路、航空、造船、機械、車輛、自動控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及電機、電器等工程設(shè)計領(lǐng)域，并取得了顯著效果。其中在機械設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，如連桿、凸輪機構(gòu)、各種減速器、滾動軸承、滑動軸承優(yōu)化設(shè)計以及軸、彈簧、制動器等各種常用零部件的優(yōu)化設(shè)計都取得了豐碩的成果。據(jù)統(tǒng)計，對于一般的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，比傳統(tǒng)機械設(shè)計方法可節(jié)省材料7%～40％。一般說來，設(shè)計問題越復(fù)雜，涉及的因素越多，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果所取得的效益越大。 近年發(fā)展起來的計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design），在引入優(yōu)化設(shè)計方法后，使得在其設(shè)計過程中既能夠不斷選擇設(shè)計參數(shù)并評選最優(yōu)設(shè)計方案，又可以加快設(shè)計速度、縮短設(shè)計周期。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展要求機械產(chǎn)品更新周期日益縮短的今天，將優(yōu)化設(shè)計方法與計算機輔助設(shè)計結(jié)合起來，使設(shè)計過程完全自動化，已成為設(shè)計方法的一個重要發(fā)展趨勢。 3．機械優(yōu)化設(shè)計課程的主要內(nèi)容 由于機械優(yōu)化設(shè)計是應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法來求解機械設(shè)計問題的最優(yōu)方案（Optimum Alternative），并以電子計算機及計算程序作為設(shè)計手段，因此，機械優(yōu)化設(shè)計工作包括以下兩部分內(nèi)容。 （1）用數(shù)學(xué)表達式來描述實際機械設(shè)計問題，即建立數(shù)學(xué)模型（Mathematic Model）。 （2）選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法及其程序，通過電子計算機來求解數(shù)學(xué)模型，從而獲得最優(yōu)設(shè)計方案。 本書的主要內(nèi)容分為優(yōu)化設(shè)計的基本概念、常用的優(yōu)化方法和典型優(yōu)化設(shè)計實例3大部分。從機械優(yōu)化設(shè)計的基本概念和優(yōu)化設(shè)計有關(guān)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識人手，重點介紹了一維搜索、無約束優(yōu)化方法和約束優(yōu)化方法的基本原理和算法、了解多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法、離散變量優(yōu)化設(shè)計方法、模糊優(yōu)化設(shè)計方法和遺傳算法的基本原理，最后用幾個典型機械優(yōu)化設(shè)計實例，說明如何應(yīng)用優(yōu)化方法解決實際機械優(yōu)化設(shè)計中的問題。 希望讀者通過對本書的學(xué)習(xí)，了解機械優(yōu)化設(shè)計的概念，掌握常用優(yōu)化方法的基本原理、算法及應(yīng)用特點，樹立正確的機械優(yōu)化設(shè)計觀點，具備解決一般機械優(yōu)化設(shè)計問題的能力。

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