第1章 优化设计概述PPT演示课件

.,1,2018/6/7,1,机械优化设计(Mechanism Optimization Design),中国石油大学（华东）中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院机械工程系 李 春 明电话：1 8 3 6 6 9 3 9 5 3 6E-mail：l c h m i n g 1 2 6 . comQQ：1 1 3 5 2 3 1 7, 16 4060 8253群号：1931 5678 6,.,2,2018/6/7,2,博士后毕业，讲授课程：,机械设计基础螺旋角、万向联轴节传动比、标注方向法轮系计算、稳定性。机械优化设计：各方法均有创新、盲人探路、专著。机械创新设计 ：基于心理学的创新方法、再生最多副杆确定方法、教材。创新方法：公选课机械制造工艺学：工程力学：摩擦分类、动量矩定理、压杆失效。工程制图与CAD：理论化。车辆动力学机械制造基础：机械控制工程基础：机械工程测试技术基础：现代（机械）加工新技术：计算机辅助机械设计：,.,3,2018/6/7,3,记笔记：帮助记忆。多媒体形式的教学，信息量大。笔记不再是考前复习的资料，而是帮助记忆的手段。哪怕下课后一遍也不看也有很好的作用。听课技巧：听不懂也听。不错过接下来的知识点。大学课程的知识点多，不会像中学那样每个知识点都讲细讲透，肯定会有一些知识点还没有听懂就开始下一个知识点的情况。但是，大学课程也不要求所有知识点都完全掌握，有些知识点只记住一个概念就够了，有些知识点知识了解性内容，只起开扩视野的作用。由于内容多，认真听完一节课会有疲劳感。听着简单也听。老师要考虑到让所有同学听懂，都是用简单的语言、思路引出、讲解基本概念，难免繁琐。如果觉得简单就不听或者走神，必然后漏掉重要的话。忠义思想：社会认可，师生之间是教和学的单向给予的关系，绝不是敌对关系。从善如流：有是非观念、不随波逐流、不落井下石。校园惨案的舆论，惩罚罪犯有法律，隐瞒事实就是犯罪。 P25,.,4,2018/6/7,4,学生运动：自古以来都是被利用的，焚书坑儒。躲避大的，小的也躲避着。评分、集体提意见都算小的学生运动。本质上是不学习运动；浮燥，应脚踏实地；虚幻，应睁开双眼，而不能自欺欺人。考试成绩是大家自己考的，不是老师给的。谁也不敢随便给分，否则学校就该关门了，所以没人敢公开戴。阅卷必须统一标准。 考试分数70% + 平时成绩30%,.,5,2018/6/7,5,李春明. 促使学生学习的教育理念. 大学教育, 2016, (6):10-11,.,6,2018/6/7,6,.,7,2018/6/7,7,李春明. 引导学生自主学习的32条教学实践原则J. 甘肃科技, 2016, 32(9):70-72.,.,8,2018/6/7,8,李春明, 綦耀光. 有助于学生记忆的教学方法J. 中国科教创新导刊, 2007, 46(32, 总472): 86,.,9,2018/6/7,9,学习有用：对得起家长对得起学费，以后工作中的闪光点；学的知识能用多少？学到知识能多挣多少钱？！钱财身份地位是身外之物，带不走考分不重要、学到知识重要、摈弃“考什么学什么”和“怎么考怎么学”的应付观念：学得越多，以后越有可能收益。现在就业压力这么大，一本的同学就业都很难，拿到或者拿不到毕业证重要吗？学习要有信心：自我求证、自我认同。注意睡眠：休息好才能学习好。远离安眠药，注意学习效率。,.,10,2018/6/7,10,人比人，气死人。自己比，比得起。,.,11,2018/6/7,11,课件内容包括课程的所有内容，根据课堂实际情况有选择地讲解。有些内容只是讲一下标题。一个题目如果说给大家讲了，肯定要至少三分之一的同学觉得听烦了，否则肯定有部分同学听不全面。所以有的时候一个简单题目需要讲十几分钟、二十几分钟，有些内容只是浏览一下标题。,.,12,2018/6/7,12,强调好几年了，成绩是同学们自己考的，还是有的同学认为是老师给的。考题类型：一、简答题（考查基本概念）二、作图分析题三、计算题,.,13,2018/6/7,13,上学期的课：学习的都考过了，没学习的一部分侥幸考过了，另一部分留下了。为什么别人不学习考过了，你却留下来了呢？答案：别人在偷偷地学习。不空着题的答题技巧：紧扣题意，自由发挥，一点也不会的答其他知识点，但重复不得分。比如，相关或不相关的一个定义、一个词、一个符号、一个公式都是知识点。练字的、重复的、抄题只是不抄问号的，都不得分。复习技巧：每个要点都学习到，做到不留死角；时间花在自己能学会的知识点上，一时理解不了的知识点只记住基本概念或步骤；平时全面复习，考试重点明确之后再重点复习。经过上学期的课程，学习的同学会发现：自己学习，考高分也不困难。,.,14,2018/6/7,14,考试成绩反映了学习情况，学习了就能过。有多少平时不学习的同学？有多少从来没上过课的？有多少上课看手机或其他书的？为什么别人不学习却能答上课程内容、答对一些题目，而你却没有？现在由“考什么就学什么”转变为“学什么就考什么”，至少能考33分，为什么有的同学没有考到呢？,.,15,2018/6/7,15,学校在整顿考试纪律，也必须严肃考试纪律，否则，更没有同学学习了。这次考场纪律严格，分数基本上反映了学习情况，有90分以上的，有40分以下的，大家该反思一下啦！幻想通过考场作弊轻易过关是冒险，是拿整个大学阶段冒险，是自欺欺人的。早就知道平均分70分才能拿到学位，为什么不好好学习呢？光盯准了43分勉强及格，好像多考一分就吃亏似的，现在不及格啦知道学习重要了吧？现在知道还不晚，还有好多课程需要学习呢。,.,16,2018/6/7,16,盯着分数线学习是非常错误的！,比如学位课不够70分、考场作弊没有学位。就盯着70分学习。一门学位课不够或者一门课考场作弊之后就会盯着毕业证要求的60分。不及格的课程学分开始逐渐增多，就盯着留级的学分数学习。更多补考不过的课程，就盯着退学的学分学习。最后呢？入学的时候跟别人有多大的差距？现在呢？,.,17,2018/6/7,17,我一直强调学习重要，要求大家好好学习，第十周就提醒大家要开始复习啦，怎么说也不停，好像学习是给我学的，你学到知识对我有什么好处？谁鼓动你不学习谁就是你的敌人，知道是谁吗？是你自己,.,18,2018/6/7,18,计划学时数：32学时 (以前讲课24学时 上机8学时)使用教材 TH122.245李春明. 优化方法. 东南大学出版社, 2009.10方世杰，綦耀光主编. 机械优化设计. 北京：机械工业出版社，2003.6学习参考书0TH122.191 叶元烈. 机械优化理论与设计. 中国计量出版社, 2001.11 孙靖民. 机械优化设计（第3版）. 北京：机械工业出版社，20052 陈立周. 机械优化设计方法（第3版）.北京：冶金工业出版社, 200533 刘惟信. 机械最优化设计. 北京：清华大学出版社，1994TH122/36-24 綦耀光编. 机械优化设计. 石油大学印, 20005 梁锦江编. 机械优化设计. 机械工业出版社, 1995, 北京, 第一版6 何季雄主编. 机械优化设计. 机械工业出版社, 1989, 北京, 第一版,课程介绍,.,19,2018/6/7,19,1李春明. 牛顿型方法的改进及盲人多次探路寻优思想的验证J/OL. 中国科技论文在线, 2009-9-212李春明. 基于渐进寻优特点的复合形法改进J/OL. 中国科技论文在线, 2009-07-223李春明. 卡罗需-库恩-塔克条件判断约束极值点的应用方法J/OL. 中国科技论文在线, 2009-07-214李春明. 鲍威尔判据的证明与补充J/OL. 中国科技论文在线, 2009-6-185 李春明. 线性逼近法的实例验证J/OL. 中国科技论文在线, 2008-4-156 李春明. 具有畸形约束极值点问题的优化J. 中国科技论文在线, 2008, 3(8):562-5657 李春明. 含脊优化问题的变换坐标改进优化算法J/OL. 中国科技论文在线, 2007-11-138 李春明. 机械优化设计经典方法的几点算法改进J/OL. 中国科技论文在线, 2007-7-59 李春明. 随机方向法改进及其验证J. 计算机仿真, 2009, 25(1): 10 李春明. 一维盲人探路优化设计方法J/OL. 中国科技论文在线, 2007-6-2511 张春玲, 李春明. 加固围墙的内点惩罚函数法防越界验证J. 机械设计, 2007, 24(S):111-112 12李春明. 基于形象化教学方法的机械优化设计教学内容改进（形象化教学方法在“机械优化设计”课程中的应用）J. 中国石油大学学报(社科版), 2008, 25(S): 90-9213双缸泵主机构的计算软件编制步骤及检验方法J. 石油矿场机械, 2009, 38(8):21-24,.,20,2018/6/7,20,计划学时数：32学时学习参考书0TH122.191 叶元烈. 机械优化理论与设计. 中国计量出版社, 2001.11 孙靖民. 机械优化设计（第3版）. 北京：机械工业出版社，20052 陈立周. 机械优化设计方法（第3版）.北京：冶金工业出版社, 200533 刘惟信. 机械最优化设计. 北京：清华大学出版社，1994TH122/36-24 綦耀光编. 机械优化设计. 石油大学印, 20005 梁锦江编. 机械优化设计. 机械工业出版社, 1995, 北京, 第一版6 何季雄主编. 机械优化设计. 机械工业出版社, 1989, 北京, 第一版,课程介绍,.,21,2018/6/7,21,第1章 绪论,1-0 引言1-1 优化方法研究进展1-2 优化问题实例 1-3 主要内容与特色,.,22,2018/6/7,22,自古以来，慎重的工程设计人员常常提供几种候选设计方案，再从中择其“最优”者。但是，由于设计时间和经费的限制，使所设计的候选方案的数目受到很大限制。因此，用常规的设计方法进行工程设计，特别是当影响设计的因素很多时，只能得到有限候选方案中的最好方案，不可能得到一切可能方案的“最优设计方案”。,1-0 引言,.,23,2018/6/7,23,宋代建筑师李诫在其著作营造法式一书中曾指出：圆木做成矩形截面梁的高宽比应为三比二。这一结论和抗弯梁理论导出的结果十分接近。根据梁弯曲理论，最佳截面尺寸应使梁截面的抗弯截面系数W最大。设截面宽为b，高为h，则要求 。若圆木直径为d，则有 ， 。根据极值条件 ，得当 、时，W取得极大值（因 ）。因而最佳高宽比为 。这与该书给出的结果很相近。,.,24,2018/6/7,24,20世纪60年代，随着计算机和计算技术的迅速发展，对优化思想的研究不仅在数学上发展为运筹学的相关内容，而且在数值算法上形成了针对隐式目标、试验数据、经验公式的优化技术（方法）。后者是本课程的重点。,.,25,2018/6/7,25,（1）来源：优化一语来自英文O p t i m i z a t i o n，其本意是寻优的过程。 （2）优化过程：是寻找给定函数极大值（以max表示)或极小值(以min表示)的过程。 （3）优化方法：基于单峰假设及其两个推论，寻求最优点，从而获得最优设计方案的方法。（作业） （4）优化设计：借助于最优化数值计算方法与计算机技术，求取工程问题的最优设计方案。,.,26,2018/6/7,26,2018/6/7,26,单峰假设：目标函数是单峰函数。在给定区间内，目标函数是连续变量的函数，只一极小点。,下图为单峰函数的几种特殊情况：,图中可以看出，单峰函数可以是不可微、不连续函数。,.,27,2018/6/7,27,2018/6/7,27,单峰假设取两点区分高低，值大的为高点极值点不在高点的外侧。单峰假设取一点的导数如果大于0（升函数），则极值点在左侧，否则在右侧。,O,f,(,a,),x,O,f,(,a,),x,.,28,2018/6/7,28,优化设计的步骤包括：（1）必须将实际问题加以数学描述，形成数学建模；（2）选用适当的一种最优化数值方法和计算程序运算求解。 机械优化设计是应用数学方法寻求机械设计的最优方案，所以需要应用机械工程的专业知识确定设计的限制条件、追求的目标。,.,29,2018/6/7,29,1.1 优化方法的研究进展,优化是万物演化的自然选择和必然趋势。优化方法包括：一、人类智能优化。直觉逻辑、穷举法、盲人爬山二、数学描述分析。规划、微积分、变分三、工程优化。多目标相互制约、经验、直觉四、结构优化设计。问题的研究更加细致五、基于其他理论的优化方法。遗传算法、神经网络、专家系统、蚁群算法、鱼群算法、模拟退火、分形与混沌。六、有效试探法。将试探点与当前点比较，如果较好，则作为新的当前点处理。,作业 P32,.,30,2018/6/7,30,目前国外研发的可用于优化设计领域的软件主要有GAMS（General Algebraic Modeling）、LINGO、MATLAB。GAMS可求解各种类型的实际问题，对大规模问题的求解具有优异性。LINGO内置一种建模语言，能方便地与EXCELL、数据库管理系统等软件交换数据，也能求解大规模优化问题。MATLAB带有优化工具箱，各种优化方法对应有调用函数。 www.lingo.,.,31,2018/6/7,31,近几十年来，优化方法已陆续用到建筑结构、化工、冶金、铁路、航空航天、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，所涉及的因素越多，问题越复杂，最优化设计结果所取得的效益就愈大。,1.2 优化问题实例,.,32,2018/6/7,32,工程技术的的优化问题可分为静态与动态两类。静态优化问题也称参数化优化问题，是在一定范围内选取一些参数，使问题的性能指标达到最优值，常用于在一定的最优目标下，确定工程问题的最佳操作和设计参数。动态优化问题是选择一个或几个函数，使问题的性能指标达到最优值，常用于在一定的最优目标下，确定某些函数应具有的最佳变化规律。优化方法在工程中的应用主要有下列四个方面： （1）工程部件、单元设备或全系统的最优设计； （2）现有操作的分析和计划制定； （3）工程分析和数据处理； （4）研究过程动态特性和设计最优控制方案。,.,33,2018/6/7,33,应用实例：波音飞机 138 个变量，重量减小三分之一大型轰炸机 10 个变量，成本降 10 %城市交通的红绿灯设置,.,34,2018/6/7,34,已知：制造一体积为 100 m3，长度不小于5m，不带上盖的箱盒，试确定箱盒的长x1，宽x2，高x3，使箱盒用料最省。 分析：（1）设计参数：长x1，宽x2，高x3 ；（2）用料：箱盒的表面积的表达式；（3）设计约束条件： a）体积要求； b）长度要求；,例1-1箱盒的优化设计,.,35,2018/6/7,35,数学模型,设计变量（参数）：可以进行调整和优选的独立参数,目标函数（设计目标）：所寻优的目标，可表示为设计变量的函数,约束条件：对设计变量的取值加以某些限制的条件,作业,.,36,2018/6/7,36,例1-2 建筑公司的最大利润问题,某建筑公司，在 12000 m2 的土地上，建造分别占地 1012 m2 和 1617 m2 的甲、乙两种住房，甲不能超 8 所，每所可获利润 1 万元；乙不能超过 4 所，每所可获利润 2 万元。问：两种住房各建几所可获得最大利润？,.,37,2018/6/7,37,设计变量：甲、乙数目 x1、x2目标函数：max F（X）= x 1 + 2 x 2 min F（X）= - x 1 - 2 x 2约束条件：1012 x 1 + 1617x 2 12000; 1012 x 1 + 1617x 2 - 12000 0 - 1012 x 1 - 1617x 2 + 12000 0 x1 8; - x1 + 80 x2 4; - x2 +4 0 x1 0; x2 0,.,38,2018/6/7,38,深奥的道理：基本概念需要重点记忆、记牢、记熟。导出概念要在理解的基础上记忆，不用死记。（第二章） x1 -8 0; - x1 + 80导出概念：两端加负号，则不等式符号改变方向。基本概念：两端对调，则不等式符号改变方向。x1 -8 0; 0 x1 -8 基本概念：两端同时加减同一个数，不等式符号不变。0 x1 -8 0-(x1 -8 ) x1 -8-(x1 -8 ),.,39,2018/6/7,39,例1-3 悬臂销轴的尺寸确定问题,圆形等截面销轴受载情况的简化模型，一端固定，另一端作用集中载荷F、M。结构要求轴长L不小于80mm。销轴材料的许用弯曲应力=120Mpa，许用切应力=80Mpa，允许挠度f=0.1mm，密度 =7.8t/m3，弹性模量E=2105Mpa。在满足使用要求的前提下，使其销轴的质量最轻。,.,40,2018/6/7,40,设计变量：直径d、长度L目标函数：限制条件：（1）弯曲强度（2）扭转强度（3）刚度（4）结构尺寸,.,41,2018/6/7,41,已知：传动比 i , 转速 n , 传递功率 P，大小齿轮的材料，设计该齿轮副，使其重量最轻。 分析：（1）圆柱齿轮的体积(v)与重量(w)的表达；（2）设计参数确定：模数（m），齿宽（b），齿数（z1）；（3）设计约束条件： （a）大齿轮满足弯曲强度要求； （b）小齿轮满足弯曲强度要求； （c）齿轮副满足接触疲劳强度要求； （d） 齿宽系数要求； （e） 最小齿数要求。,例1-附 直齿圆柱齿轮副的优化设计,.,42,2018/6/7,42,数学模型,设计变量：,设计目标：,约束条件：,.,43,2018/6/7,43,例1-4 建造房屋数量的问题,.,44,2018/6/7,44,设计变量：A、B型住宅的栋数x1、x2目标函数：总售价约束条件：（1）水泥用量（2）木材用量（3）玻璃用量（4）正整数限制,.,45,2018/6/7,45,.,46,2018/6/7,46,例1-5 钢梁生产问题,每套钢梁7根2米、2根7米。用15米长的料造100套。如何下料最省。分析：下料指钢梁数，下料方式三种。72m; 27m; 42+7，用料与按三种下料方式的钢梁数x1、x2、x3有关。,.,47,2018/6/7,47,至少需要7m的200根，2m的700根。,.,48,2018/6/7,48,例1-6 多种添加剂配伍方案的优化设计,添加剂A、B影响生成物数量，如其加入量分别为x1,x2，则生成物数量为：A不能超过60单位，B不能超过65单位问：加入A、B各多少单位，才使生成物最多？ 数学模型：设计变量：目标函数：约束条件：,.,49,2018/6/7,49,例1-7空心扭转轴的优化设计,传递力矩M，外径D、内径d，在满足强度条件 和扭皱稳定的条件 下 ，求用材最省的设计方案。分析：用料指体积，可调整的参数为D,d，约束条件为满足条件。,.,50,2018/6/7,50,设计变量：目标函数： s.t. 强度条件：扭皱稳定性条件：,.,51,2018/6/7,51,例1-8 2K-H型行星轮系的优化设计,已知：传递功率P，输入转速n，传动