任務書開題報告

1、 題 目機械設計中的離散變量優(yōu)化問題研究學生姓名學 號專業(yè)班級指導教師職 稱教 研 室機械畢業(yè)設計（論文）任務與要求機械優(yōu)化設計作為現(xiàn)代設計理論和方法的重要內容之一，廣泛應用于機電產(chǎn)品的生命周期的各個階段，已經(jīng)產(chǎn)生重大的意義和效益。離散變量問題在機械優(yōu)化設計領域普遍存在，優(yōu)化方法不同于連續(xù)變量問題。在介紹離散變量優(yōu)化方法基礎之上，針對具體的工程實例，選擇相應的算法和軟件,得到滿意可靠的結果。建立工程實例的優(yōu)化模型，選擇離散變量優(yōu)化算法，通過相應優(yōu)化軟件，實現(xiàn)相應的功能。同時翻譯相關的英語科技文獻。畢業(yè)設計（論文）工作進程起止時間工作內容第1-3周第4-6周第7-8周第9周第10-13周第14-

2、15周第16周查閱資料，理清思路，明確要求。學習MATLAB軟件和優(yōu)化設計理論。學習機械優(yōu)化設計離散變量優(yōu)化算法。針對具體的工程實例，建立數(shù)學模型。利用MATLAB軟件，實現(xiàn)算法。整理資料，完成和修改論文。論文定稿，準備答辯。答辯。開始日期 2012年1月10 日 完成日期 2012年5月10日 教研室主任（簽字） 系主任（簽字） 題 目機械設計中離散變量優(yōu)化問題的研究學生姓名學 號專業(yè)名稱機械設計制造及其自動化指導教師開題時間2012.2班 級一、 選題目的和意義在近代科學技術中，最優(yōu)化已作為分析復雜問題時所依據(jù)的原則，最優(yōu)化指通常在多種因素下的令人滿意的最恰當、最適宜的值，在某些情況下也可

3、以用最大值或最小值來代替最優(yōu)值。最優(yōu)化的概念是相對的。傳統(tǒng)的機械設計過程，一般需要經(jīng)過調查分析、方案擬定、技術設計、零件工作圖繪制等環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)設計方法通常在調查分析的基礎上，參照同類產(chǎn)品通過估算、經(jīng)驗類比或試驗來確定出設計方案。然后，根據(jù)初始設計方案的設計參數(shù)進行強度、剛度、穩(wěn)定性等性能分析計算，檢查各性能是否滿足設計指標的要求。整個傳統(tǒng)設計過程就是人工試湊和定性分析比較的過程,憑借經(jīng)驗或直觀判斷對參數(shù)進行修改，并不是根據(jù)某種理論精確計算出來的。優(yōu)化設計與傳統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點:采用了最優(yōu)化的思想和策略;建立了一個能正確反映工程設計問題的數(shù)學模型；用高速計算機尋求最佳方案。傳統(tǒng)設計方法只是被動重

4、復分析性能，而非主動設計參數(shù)。并沒有體現(xiàn)“設計”的含義。機械優(yōu)化設計包括建立優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型和選擇恰當?shù)膬?yōu)化方法與程序兩方面內容。由于機械優(yōu)化設計時應用數(shù)學方法尋求機械設計的最優(yōu)方案，所以首先要根據(jù)實際的機械設計問題建立相應的數(shù)學模型，數(shù)學模型一旦建立，機械優(yōu)化設計問題就變成一個數(shù)學求解問題。應用數(shù)學規(guī)劃的理論，根據(jù)數(shù)學模型的特點，選擇適當?shù)膬?yōu)化方法，進而可以選取或自行編制計算機程序，以計算機作為工具球的最佳設計參數(shù)。機械優(yōu)化設計的解決是一談機械優(yōu)化的定義分類，過程產(chǎn)生的意義個系統(tǒng)任務，全過程一般可包括為：1.根據(jù)設計要求和目的定義優(yōu)化設計問題；2.建立優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型；3.選用合

5、適的優(yōu)化設計方法；4.確定必要的數(shù)據(jù)和設計初始點；5.編寫包括數(shù)學模型和優(yōu)化算法的計算機程序，通過計算機求解計算獲取最優(yōu)結構參數(shù)；6.對結果數(shù)據(jù)和設計方案進行合理性和實用性分析。建立數(shù)學模型包括以下三個要素：1.設計變量，即在優(yōu)化過程中逐步調整，最后達到最優(yōu)值的獨立參數(shù)，其個數(shù)就是優(yōu)化設計的維數(shù)。1.目標函數(shù)，反映設計便量間的相互關系，可以用來評價方案的好壞，根據(jù)其個數(shù)，優(yōu)化設計問題可分為單目標和多目標優(yōu)化問題。3.約束條件，是設計變量間或設計變量本身應該遵循的限制條件。優(yōu)化設計的最終實現(xiàn)過程是在計算機軟件上進行的。優(yōu)化設計數(shù)學模型是用數(shù)學的形式表示設計問題的特征和追求的目的，反映了設計指標和

6、各個主要影響因素間的依賴關系。他是獲得正確優(yōu)化結果的前提。針對優(yōu)化涉及數(shù)學模型要素的不同可將設計方法分類為：1.按約束情況可分為無約束優(yōu)化設計方法和由約束優(yōu)化設計方法。2.按維數(shù)可分為一位優(yōu)化設計方法和多維優(yōu)化設計方法。3.按目標函數(shù)的多少可分為單目標優(yōu)化設計方法和多目標優(yōu)化設計方法。4.按尋優(yōu)途徑，可分為數(shù)值法、解析法、圖解法、實驗法和情況研究法。5.按優(yōu)化問題能否用數(shù)學模型表達，可分為能用數(shù)學模型表達的優(yōu)化問題和難以用數(shù)學模型表達的優(yōu)化問題。加上離散和連續(xù)離散變量優(yōu)化問題算法可分為：1.以連續(xù)變量為基礎的優(yōu)化方法（擬離散法、離散懲罰函數(shù)法）。2.離散變量搜索方法（離散復合型法）。3.分支定

7、界法。4.離散變量型網(wǎng)格法（離散變量型普通網(wǎng)格法、離散變量型正交網(wǎng)格法）。5.離散變量的組合型法。連續(xù)變量優(yōu)化問題的算法可分為：1.一維搜索方法。2.無約束優(yōu)化方法（梯度、牛頓型方法、共軛梯度法、變尺度法、坐標輪換法和鮑威爾法）。3.約束優(yōu)化方法（隨即方向法、復合型、可行方向法、懲罰函數(shù)法、增廣乘子法、線性逼近法、二次規(guī)劃法）。分別介紹離散和連續(xù)算法概述4.線性規(guī)劃（單純形方法、修正單純型法）。本課題是研究機械優(yōu)化設計中的離散問題，完成用相應的算法和軟件對具體工程實例進行優(yōu)化設計。通過對該課題的研究，了解離散變量優(yōu)化問題并運用所學知識完成設計。本課題重點在于離散變量優(yōu)化的算法以及MATLAB軟

8、件的應用，設計時需按具體的工程實例選擇相應的算法按照具體情況，從各方面參數(shù)進行綜合分析和對比，最后得到最優(yōu)化方案。離散變量是指在規(guī)定的變量界限內，只能從有限個離散值或整數(shù)值中取值的一種變量。由于離散變量問題在機械優(yōu)化設計領域普遍存在，故研究離散變量的優(yōu)化方法是非常必要的。二、 本課題在國內外的研究狀況及發(fā)展趨勢在國內，機械優(yōu)化設計在現(xiàn)代設計產(chǎn)品中經(jīng)濟效果還是很顯著地。例如：對某大型一級減速器，優(yōu)化設計結果使其重量減輕12%，另外對各種機構進行優(yōu)化設計后，其性能，精度都有顯著改善。目前，國內的機械優(yōu)化設計已開始由零部件和機構的設計轉向系統(tǒng)或整機設計?？傊?，近十幾年來的機械優(yōu)化發(fā)展給機械工程帶來很

9、大效益，對進一步提高機械產(chǎn)品質量，降低成本，縮短產(chǎn)品周期等方面產(chǎn)生深刻影響。在國外，早在二十世紀五十年代以前，工程設計問題的最佳決策還只限于古典數(shù)學中的微分法和變分法，或用拉格朗日乘系法解決等式約束問題，隨后發(fā)展起來的數(shù)學規(guī)劃理論形成了應用數(shù)學的一個分支，為優(yōu)化設計奠定了理論基礎。二十世紀六十年代電子計算機和計算技術的發(fā)展為優(yōu)化設計提供了強有力的手段。直到七十年代前后，特別是Dantzing提出大型線性規(guī)劃技術后，使得借用數(shù)值算術求解優(yōu)化問題才成為可能。隨著電子計算機和計算技術迅速發(fā)展，不僅推動了最優(yōu)化技術的廣泛應用，也促進最優(yōu)化理論進一步發(fā)展。機構運動參數(shù)的優(yōu)化設計是機械優(yōu)化設計中發(fā)展較早的

10、領域，不僅研究了連桿機構，凸輪機構等再現(xiàn)函數(shù)和軌跡的優(yōu)化設計問題，而且還提出一些標準化程序。機構動力學優(yōu)化設計方面也有很大進展。機械零部件的優(yōu)化設計最近十幾年也有很大發(fā)展，主要是研究各種減速器的優(yōu)化設計，液壓軸承的優(yōu)化設計以及軸、彈簧、制動器等的結構參數(shù)優(yōu)化。除此之外，在機床、鍛壓設備、汽車等基本參數(shù)、基本工作機構和主體結構方面也進行了優(yōu)化工作。機械優(yōu)化設計給機械工程界帶來了巨大經(jīng)濟效益，隨著技術更新而產(chǎn)品競爭加劇，優(yōu)化設計的發(fā)展前景非常廣闊，當今的優(yōu)化正逐步發(fā)展成多學科優(yōu)化設計，充分利用了先進計算機技術和科學最新成果。虛擬設計技術是發(fā)展必然。尚處于理論探索階段和結構拓撲優(yōu)化，智能算法優(yōu)化設計，結構動態(tài)優(yōu)化設計，柔性優(yōu)化設計，綠色優(yōu)化設計，可靠性穩(wěn)健設計，給予仿生學、遺傳學算法的優(yōu)化設計，機械人性化設計和可持續(xù)性創(chuàng)新優(yōu)化等都是未來發(fā)展趨勢。但我們仍需關注在優(yōu)化技術水平提高的同時國內機械加工工藝水平和加工手段也應配套才行。否則整體機械水平仍將停滯不前。這不僅要加工技術的引進。更重要的是加工設備性能增長。這樣我們才能夠在優(yōu)化領域領先世界，永遠立于不敗之地！三 主要研究內容1. 學習MATLAB軟件和優(yōu)化程理論。 2