机械优化设计第一章-课件

机械优化设计第一章机械优化设计Mechanical optimization designMechanical optimization design 教材：教材：教材：教材：机械优化设计（第四版），孙靖民主编机械优化设计（第四版），孙靖民主编 机械工业出版社机械工业出版社机械优化设计第一章本课程的要求1.1.课程的最终成绩构成：考试成绩（课程的最终成绩构成：考试成绩（70%70%）+平时成绩（平时成绩（20%20%）+实验实验（30%30%）2.2.实行点名制度，旷课一次平时成绩扣实行点名制度，旷课一次平时成绩扣5 5分。请假需要正式假条。分。请假需要正式假条。3.3.按时、按质、按量、独立完成作业，发现大量抄袭的情况，只有看到的按时、按质、按量、独立完成作业，发现大量抄袭的情况，只有看到的 第一本作业有成绩，其余就算没交。作业一次不交平时成绩扣第一本作业有成绩，其余就算没交。作业一次不交平时成绩扣5 5分。分。4.4.课堂上不许大声说话，有问题请举手或下课讨论；上课过程中，手机不课堂上不许大声说话，有问题请举手或下课讨论；上课过程中，手机不 许响，响一次平时成绩扣许响，响一次平时成绩扣5 5分。分。5.5.上课请积极回答问题，回答问题正确平时成绩加上课请积极回答问题，回答问题正确平时成绩加5 5分，回答错误平时成分，回答错误平时成绩绩 加加1 1分。分。机械优化设计第一章绪论 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。它是以电子计算机为计算工具，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。机械优化设计第一章绪论一、定义：一、定义：优化设计优化设计：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。机械优化设计第一章绪论一、定义一、定义：机械优化设计机械优化设计：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指在一定条件(各种设计因素各种设计因素)影响影响下所能得到的最佳设计值。下所能得到的最佳设计值。（相对（相对概念）概念）机械优化设计第一章绪论一、定义：一、定义：机械优化设计方法包括：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。机械优化设计第一章绪论二、从传统设计到优化设计：二、从传统设计到优化设计：传统设计传统设计：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。机械优化设计第一章绪论二、从传统设计到优化设计：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：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”。机械优化设计第一章绪论三、本课程的主要内容：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机械优化设计第一章绪论三、本课程的主要内容：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，为后面几章的学习打好基础；第三、四、五、六章分别介绍一位搜索、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。机械优化设计第一章绪论四、机械优化设计的发展趋势：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）多学科综合优化机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第一节第一节 人字架的优化设计人字架的优化设计 如图所示的人字架由两个钢管构成，如图所示的人字架由两个钢管构成，其顶点受外力其顶点受外力2F=3102F=3105 5N N。人字架的跨度人字架的跨度2B=152cm2B=152cm，钢管壁厚钢管壁厚T=0.25cmT=0.25cm，钢管材料的弹性模量钢管材料的弹性模量E=2.110E=2.1105 5MpaMpa，材料密度材料密度=7.810=7.8103 3kg/mkg/m3 3，许用压应力许用压应力y y=420MPa=420MPa。求在钢管求在钢管压应力压应力不超过许用压应力不超过许用压应力y y 和和失稳临界应力失稳临界应力e e的条件下，的条件下，人字架的人字架的高高h h和钢管和钢管平均直径平均直径D D，使钢管，使钢管总质量总质量m m为最小为最小。机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第一节第一节 人字架的优化设计人字架的优化设计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机械优化设计第一章L第一章 优化设计概述第一节第一节 人字架的优化设计人字架的优化设计机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第一节第一节 人字架的优化设计人字架的优化设计机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第一节第一节 人字架的优化设计人字架的优化设计解析法：解析法：解析法：解析法：机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第一节第一节 人字架的优化设计人字架的优化设计解析法：解析法：解析法：解析法：机械优化设计第一章等值线越往里，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。第一章 优化设计概述第一节第一节 人字架的优化设计人字架的优化设计作图法：作图法：作图法：作图法：等值线（面）：等值线（面）：函数函数f(x)f(x)的值依次为一系列常数的值依次为一系列常数c ci i时，时，变量变量x x取得的一系列值的集合。取得的一系列值的集合。求极值就是求等值线的中心！求极值就是求等值线的中心！机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第一节第一节 人字架的优化设计人字架的优化设计作图法：作图法：作图法：作图法：等值线（面）：等值线（面）：函数函数f(x)f(x)的值依次为一系列常数的值依次为一系列常数c ci i时，时，变量变量x x取得的一系列值的集合。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。机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第一节第一节 人字架的优化设计人字架的优化设计作图法：作图法：作图法：作图法：由图中数据得：由图中数据得：D D*=6.43cm=6.43cm，h h*=76cm=76cm，在极值点处，在极值点处m m*=8.47kg=8.47kg 机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型一个优化设计问题一般包括三个部分：一个优化设计问题一般包括三个部分：1.1.需要合理选择的一组独立参数，称为需要合理选择的一组独立参数，称为设计变量设计变量；2.2.需要最佳满足的设计目标，这个设计目标是设计变量需要最佳满足的设计目标，这个设计目标是设计变量的函数，称为的函数，称为目标函数目标函数；3.3.所选择的设计变量必须满足一定的限制条件，称为所选择的设计变量必须满足一定的限制条件，称为约约束条件束条件（或称设计约束）。（或称设计约束）。优化设计问题的数学模型的优化设计问题的数学模型的三要素三要素三要素三要素：设计变量、目：设计变量、目标函数和约束条件。标函数和约束条件。机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型设计变量：设计变量：设计变量：设计变量：在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立独立参数，参数，称为设计变量。称为设计变量。设计变量向量：设计变量向量：设计常量：参数中凡是可以根据设计要求设计常量：参数中凡是可以根据设计要求事先给定事先给定的，称为设计常量的，称为设计常量。设计变量：需要在设计过程中设计变量：需要在设计过程中优选的参数优选的参数，称为设计变量。，称为设计变量。连续设计变量：有界连续变化的量。连续设计变量：有界连续变化的量。离散设计变量：表示为离散量。离散设计变量：表示为离散量。机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型优化设计的维数：优化设计的维数：设计变量的数目称为优化设计的维数，如设计变量的数目称为优化设计的维数，如有有n(n=1n(n=1，2 2，)个设计变量，则称为个设计变量，则称为n n维设计问题。维设计问题。任意一个任意一个特定的向量特定的向量都可以说是一个都可以说是一个“设计设计”。机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型设计空间：设计空间：由由n n个设计向量为坐标所组成的实空间称作设计个设计向量为坐标所组成的实空间称作设计空间。空间。一个一个“设计设计”，就是设计空间中的一个点，这个点可以，就是设计空间中的一个点，这个点可以看成是设计变量向量的端点（始点是坐标原点），称这个看成是设计变量向量的端点（始点是坐标原点），称这个点点式设计点式设计点。设计空间的维数设计空间的维数（设计的自由度设计的自由度）：设计变量愈多，则设计）：设计变量愈多，则设计的自由度愈大、可供选择的方案愈多，设计愈灵活，但难度的自由度愈大、可供选择的方案愈多，设计愈灵活，但难度亦愈大、求解亦愈复杂。亦愈大、求解亦愈复杂。含有含有210210个设计变量的为个设计变量的为小型小型设计问题；设计问题；10501050个为个为中型中型设计问题；设计问题；5050个以上个以上的为的为大型大型设计问题。设计问题。机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型约束条件：约束条件：在优化设计中，对设计变量在优化设计中，对设计变量取值时的限制取值时的限制条件条件，称为约束条件或设计约束，简称约束。，称为约束条件或设计约束，简称约束。等式约束：等式约束：等式约束对设计变量的约束严格（降低设计自由度）等式约束对设计变量的约束严格（降低设计自由度）不等式约束：不等式约束：要求设计点在设计空间中约束曲面要求设计点在设计空间中约束曲面 的一侧的一侧 （包括曲面本身）（包括曲面本身）机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型目标函数（评价函数）：目标函数（评价函数）：在优化设计中，把设计目在优化设计中，把设计目标（设计指标）用标（设计指标）用设计变量的函数形式表示设计变量的函数形式表示出来，这个出来，这个函数就叫做目标函数，用它可以评价设计方案的好坏，函数就叫做目标函数，用它可以评价设计方案的好坏，所以它又被称作评价函数。所以它又被称作评价函数。机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型单目标函数优化问题：单目标函数优化问题：在最优化设计问题中，可以在最优化设计问题中，可以只有一只有一个个目标函数。目标函数。多目标函数优化问题：多目标函数优化问题：当在同一设计中要提出当在同一设计中要提出多个目标函多个目标函数数时，这种问题称为多目标函数的优化问题。时，这种问题称为多目标函数的优化问题。Wq：加权因子，是个非负系数。机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型约束优化问题约束优化问题无约束优化问题：无约束优化问题：k=j=0优化问题的数学模型优化问题的数学模型机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型 建立优化的数学模型，在计算机上求得的解，就称为建立优化的数学模型，在计算机上求得的解，就称为优化问题的最优解优化问题的最优解，它包括：，它包括：1 1）最优方案（最优点）最优方案（最优点）：2 2）最优目标函数值最优目标函数值：机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型 建立数学模型要求建立数学模型要求：1 1）希望建立一个尽可能）希望建立一个尽可能完善完善的数学模型，的数学模型，精确精确的表达实际问题；的表达实际问题；2 2）力求所建立的数学模型尽可能的）力求所建立的数学模型尽可能的简单简单，方便计算求解。方便计算求解。机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型例：现用薄板制造一体积例：现用薄板制造一体积5m5m3 3，长度不小于，长度不小于4m4m的无上盖的立的无上盖的立方体货箱。要求该货箱的钢板耗费量最少，试确定货箱的方体货箱。要求该货箱的钢板耗费量最少，试确定货箱的长、宽和高的尺寸。（写出该长、宽和高的尺寸。（写出该优化问题的数学模型优化问题的数学模型）例：有一块薄板，宽度为例：有一块薄板，宽度为24cm24cm，长度为，长度为100cm100cm，制成如图所，制成如图所示的梯形槽，问斜边长示的梯形槽，问斜边长l l和倾角和倾角为多大时，梯形槽的容积为多大时，梯形槽的容积最大。（写出该最大。（写出该优化问题的数学模型优化问题的数学模型）机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型优化问题的几何解释：优化问题的几何解释：无约束优化问题无约束优化问题：目标函数的极小点就是等值面的中心；：目标函数的极小点就是等值面的中心；等式约束优化问题等式约束优化问题：设计变量：设计变量x x的设计点必须在的设计点必须在所表示的面或线上，为起作用约束。所表示的面或线上，为起作用约束。不等式约束优化问题不等式约束优化问题：可行点：可行点 非可行点非可行点 边界点边界点机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第三节第三节 优化设计问题的数学模型优化设计问题的数学模型优化问题的几何解释：优化问题的几何解释：机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第四节第四节 优化设计问题的基本解法优化设计问题的基本解法数学解析法：数学解析法：把优化对象用数学模型描述出来后，用数学解析法（如微分法、变分法等）来把优化对象用数学模型描述出来后，用数学解析法（如微分法、变分法等）来求出最优解。求出最优解。图解法：图解法：直接用作图的方法来求解优化问题，通过画目标函数和约束函数的图形，求出直接用作图的方法来求解优化问题，通过画目标函数和约束函数的图形，求出最优解。特点是简单、直观，但仅限于最优解。特点是简单、直观，但仅限于n2n2的低维优化问题的求解。的低维优化问题的求解。数值迭代法：数值迭代法：依赖于计算机的数值计算特点而产生的，它具有一定逻辑结构并按一定格式反依赖于计算机的数值计算特点而产生的，它具有一定逻辑结构并按一定格式反复迭代计算，逐步逼近优化问题最优解的一种方法。不仅可以用于求解复迭代计算，逐步逼近优化问题最优解的一种方法。不仅可以用于求解复杂函复杂函数的优化解，还可以用于处理没有数学解析表达式的优化设计问题。数的优化解，还可以用于处理没有数学解析表达式的优化设计问题。机械优化设计第一章例例1 1：求下列二维优化问题的最优解：求下列二维优化问题的最优解 图解法图解法机械优化设计第一章机械优化设计第一章s.t.X2O（2，2）h(X)g1(X)g3(X)X1g2(X)练习练习1：求下列二维优化问题的最优解：求下列二维优化问题的最优解机械优化设计第一章练习练习2：已知优化问题：已知优化问题 画出此优化问题的目标函数等值线和约束曲线，并确定画出此优化问题的目标函数等值线和约束曲线，并确定（1）可行域的范围（用阴影画出）可行域的范围（用阴影画出）（2）在图中标出无约束最优解）在图中标出无约束最优解 和约束最优解和约束最优解（3）若加入等式约束）若加入等式约束 在图中标出约束最优解在图中标出约束最优解机械优化设计第一章g2(X)g1(X)g3(X)g4(X)X1X2ABCh(X)o机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第四节第四节 优化设计问题的基本解法优化设计问题的基本解法数值迭代法的基本步骤：数值迭代法的基本步骤：数值迭代法的核心：数值迭代法的核心：1 1）建立搜索方向）建立搜索方向d dk k 2 2）计算最佳步长）计算最佳步长k k 3 3）如何判断是否找到最优点）如何判断是否找到最优点迭代法的基本思想：迭代法的基本思想：步步逼近、步步下降步步逼近、步步下降机械优化设计第一章第一章 优化设计概述第四节第四节 优化设计问题的基本解法优化设计问题的基本解法数值迭代法的迭代终止准则数值迭代法的迭代终止准则（是充分小的正数，且是充分小的正数，且00）1.1.点距足够小准则：点距足够小准则：当相邻两个设计点的移动距离已达到充分小时。当相邻两个设计点的移动距离已达到充分小时。2.2.函数下降量足够小准则：函数下降量足够小准则：当函数值的下降量充分小时，也就是前后两个迭代点间当函数值的下降量充分小时，也就是前后两个迭代点间函数的目标函数值充分接近时。函数的目标函数值充分接近时。机械优化设计第一章