机械优化设计软件包中的关键技术研究.doc

机械优化设计软件包中的关键技术研究秦东 晨 ， 张 坷 2， 张 少林 ， ，王 丽 霞 3 葛 榕4(I. 郑 州 大 学 机 械 工程学院，郑州450002;2 .郑州市市政工程管理处，郑州450002;3. 中 州 大学 工 程 系 ， 郑 州 45 0005;4 .河南省汽车工业总公司，郑州450003)摘要 : 从 机械优化设计软件包的内容多样性要求和扩展性要求出发，利用面向对象设计方法把机械优化设计软件包分为3个相互独立又相互联系的对象:优化系统、模型诊断系统以及模型创建对象，对其总体结构进行了全新的设计。同时对优化模型诊断技术进行了研究，并赋予了机械优化设计软件的模型诊断功能。通过弹簧、轴承的优化设计，说明所建立的机械优化设计软件包是可行的、有效的，有较强的扩展性。关键 词 : 机械优化设计;面向对象技术;扩展性;模型诊断中图 分 类 号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1001- 3881 (2004)1 0一168-3A Stu dy o nE ssentialT echniqueso fM echanicalO ptimizationD esignS oftwareQIN D ong -ch en ，Z HA N GK eg ，Z HANGS hao-lin，WANGL i-xias，GER ong0(1. C ollegeo fM echanicalE ngineering,Z hengzhouU niversity,Z hengzhou4 50002，China;2 .Z hengzhouC ityEng ineeringM anagementD epartment，Zhengzhou4 50002，China;3 .D epartmentof E ngineering,Z hongzhouUni ver sit y，Zhengzhou4 50005，China;4 .H enanA utoIn dustry Company,Z hengzhou4 50003，China)Ab str act ;A ccordingto th ee xtendedc apabilitya ndt hed iversityo fth em echanicalop timizationd esigns oftware,t heo bject一orientatedprogramming method was applied to construct the mechanical optimization package and divide this package into three connectedand individual systems一the optimization, the model diagnose and the model construction. The total structures of three systems weredelivered creatively，and the model diagnose technique was studied and used in this package. According to the application in the designof spring and bearing, the mechanical optimization package is practical, effective and extendable.Ke yw or ds;M echanicalo ptimizationd esign;O bject-orientation;E xtensibility;M odeld iagnose0 引言随着 科 学 技术的发展与机械设计水平的提高，人们对机械零件的结构性能要求越来越高，而传统的设计方法很难满足这些要求，因此出现了现代设计方法，优化设计方法就是其中之一。目前，优化设计方面的研究工作一般局限于拓宽和加深优化方法的领域，以数学方法为主并配以应用程序，如多目标优化、混合离散变量优化或者将人工智能、人工神经网络及基因遗传等算法应用于优化。经过多年的努力，优化理论得到了进一步完善，现行的各种优化方法及其程序几乎可以完全解决大多数的优化设计问题。从 70 年 代起，优化方法开始应用于工程设计，各个专业的优化设计研究工作有了不同程度的发展，出现了许多与各专业相联系的工程优化设计软件。在机械行业中，有许多用于工程设计的优化软件，目前最常见的有华中理工大学的优化方法程序库OPB一2和优化方法程序库OPB一1)等。这类优化软件着重于优化方法的研究和实现，不仅提供了一批可高效可靠地处理连续设计变量优化问题的方法及程序，而且提供了一批可处理混合离散设计变量优化问题的方法及程序，其中优化方法程序库OPB一2 )包含了许多现代设计方法，如人工智能等方法。另外还有一些与专业联系紧密的优化设计软件，如减速器的优化设计软件等，主要是各应用单位自行研制，有很强的针对性。这些应用软件丰富多样，大大推动了优化方法在机械工程结构设计中的应用。在我 国 ， 优化设计的推广和应用也遇到很多问题，主要表现在目前的优化设计应用软件都存在一定的局限性。例如，机械优化设计软件应把各种机械优化设计模型、各种优化方法及一些其他辅助功能集成为一个有机的整体，以便用户使用。但现有许多通用的优化设计应用软件和专业联系并不是十分紧密，可视性、可操作性不是很好。当用户进行实际工程结构优化设计时，不仅必须创建自己复杂的数学模型，而且要编制一些程序，然后调用软件中的某一优化子程序。这就要求用户除了必须熟悉编程环境外，还要对程序库本身有一定的了解，这使设计人员的工作量加大，专业性加强，阻碍了优化设计的推广和应用。有些专用的优化软件虽然与专业设计联系十分紧密，但优化模型的针对性太强，优化设计模型与优化方法都比较单一。同时，现有的优化软件考虑软件的扩展性较少，使用很不方便，甚至无法求解。面对千差万别的工程设计问题，要求优化模型及优化方法具有多样性。为了 优 化 设计方法在机械工程设计中的广泛应用，研制内容丰富完整、通用性强、扩展性强的机械优化设计应用软件、并研究其中的关键技术及理论势在必行。1 面向对象程序设计技术面向 对 象 程序设计技术的最初实践出自Smalltalk语言，它借鉴并发展了Simula67类和对象的概念，并引人方法、消息、元类及协议概念。1980年，正式推出了Smalltalk，树立了面向对象技术的第一个里程碑。面 向对 象 设计方法所追求的是现实问题空间与软件系统解空间的近似和直接模拟。可以这样认为，映射到面向对象系统的解空间就是具体事物(对象)和抽象概念(类)。面向 对 象 的设计方法是基于信息隐蔽和抽象数据类型这两个概念的。它把所考虑的系统中的所有资源，如数据、模块以及系统都看成对象。每个对象把一个数据类型和一组过程封装在一起，使得这组过程了解对这一数据类型的处理，并在定义对象时可以规定外界在其上运行的权限。使用这一方法，设计人员可以按照自己的意图创建自己的对象，并将问题映射到该对象上。面 向对 象 设计方法之所以受到各方面的重视，是因为它具有模块性、封装功能、代码共享、继承性、灵活性、易维护性、增量型设计等良好的特点，从结构和功能上都胜过传统程序。机械 优 化 设计软件包的内容多样性和复杂性必然要求软件具有良好的结构和很好的维护性和扩展性。采用传统的结构化程序设计方法进行机械优化设计软件包的设计，经常导致软件包结构比较繁乱，难以编制出扩展性和维护性很好的软件。面向对象设计方法的出现使得上述问题迎刃而解。利用面向对象技术的机械优化设计软件包所具有的灵活性和扩展性可表现在以下几个方面:可以不断扩充更多的机械零件优化模型;可以不断扩充更多的优化方法和模型诊断方法;可以不断丰富软件功能;可以方便快捷地对这些模型或优化方法进行修改，减少了软件设计人员的工作难度和工作量。2 软件系统结构分解在面 向 对 象设计方法中，对象的选择十分重要。对象选择的恰当，可使软件系统结构清晰明了，便于编程，易于维修和扩充;对象的选择依赖于设置对象的目的和所进行的操作，它是关键的一步。选择对象的一个基本原则就是寻求共性，所有具有共性的系统成分便可以确定为同一种对象。机械 优 化 设计软件包主要目的是对各种机械工程结构进行优化设计，因此可以把它作为一个优化系统。按照面向对象设计方法，可以将这个优化系统作为一个对象来处理，该对象可以为另一种对象 用户服务，它提供的服务可以由用户向它发送优化消息来完成。而该优化系统需要一个处理的对象，这个对象具有能够提供优化模型的功能。同样 ， 机 械优化设计软件包还需一个模型诊断系统进行模型的分析与诊断，因此可以把这部分作为一个对象来处理。该对象可以为用户服务，它提供的服务可以由用户向它发送模型诊断消息来完成。而模型分析系统也需要一个处理的对象，这个对象也是具有能够提供优化模型的功能。以上 优 化 系统与模型诊断系统所处理的对象是同一种对象，该对象能够提供一个特定的优化模型，这里称之为模型创建对象。综上 所 述 ，机械优化设计软件包总体结构应包括3个对象:优化系统、模型诊断系统以及模型创建对象。对象 需 要 同外界进行交互作用才能完成一定的任务。机械优化设计软件包也是通过上述3个对象之间的交互作用以及与用户的交互作用共同完成机械优化的设计任务。3 面向对象的程序设计在面 向 对 象程序设计中，每个对象由一个类来定义。类可以看作生产具有相同行为方式对象的模板，而生成的对象为所属类的实例。机械优化设计软件包由3种对象构成:模型创建对象、优化系统和模型诊断系统。因此，相应地可定义3个类:optiobject类、w_ optimize类和check- object类，以下分别予以介绍。(1 )模 M 创建对象类 optiobject类模型 创 建 对象的主要功能就是创建并提供优化模型。(2) 优 化 系统 w_o ptimize类优化 系 统 的主要功能就是提供优化计算功能。(3) 模 型 诊断系统 check-o bject类模型 诊 断 系统的主要功能就是对优化模型进行模型分析诊断，给用户提供模型信息。模型诊断系统的私有存储域以及许多操作功能与优化系统有很多相似。在机 械 优 化设计软件包结构分析中，optiobject类和w_ optimize类都是抽象的类，它们分别是所有模型创建对象和优化系统共同特性的抽象。但是对于模型创建对象来讲，每种实际的工程结构设计问题又不尽相同，例如在圆柱齿轮传动的优化设计与径向流体动压滑动轴承的优化设计的模型创建中，圆柱齿轮传动与径向流体动压滑动轴承的结构、受力及要求根本不同，齿轮传动要考虑到齿数、模数、齿宽系数、传动比、螺旋角、变位系数和中心距以及齿轮材料及齿轮布置结构等等;而径向流体动压滑动轴承要考虑到偏心率、轴承宽度、润滑油等等，这些是obtiobject类不能表现出来的。在面 向 对 象程序设计中可以通过继承来实现这些差异，这正是面向对象设计特点之一。对于optiobject类来讲，由于该模型创建对象类是所有模型创建对象的共同特征的集合，因此协议中许多操作功能大多是抽象的，有待于它的继承类来完成实际的内容。因此我们把optiobject类作为用所有优化设计对象类的基类。同样，w_ optimize类中的优化计算功能也是抽象的，有待于在其派生类中来实现实际的优化功能。4 模型诊断技术在机 械 优 化设计中，模型的创建是把具体的工程设计对象抽象化为优化设计的数学模型，必须对设计对象的内部和外部环境进行详细、精确的分析。对应于优化设计模型的三要素，优化设计的建模过程也必须对这三个要素有一定的要求。机械优化设计的建模过程是一个十分复杂的过程，会出现各种各样的问题，而这也正是阻碍优化方法在机械设计中推广的主要原因。目前，国内外有很多优化设计的软件包，这为推动优化方法在工程中的应用提供了一种有效的工具。但是，优化问题的自动建模是一个一直没有得到很好解决的关键技术问题，其中的模型诊断技术非常重要。数学 模 型 诊断是通过对数学模型检测来判断数学模型是否有效、正确或适当的方法。它主要有以下两个方面:一是从诊断的对象方面来说，模型诊断包含了设计变量的诊断、目标函数的诊断和约束条件的诊断;二是模型是否反映优化设计对象的本质。诊断一个模型是否反映优化设计对象的本质十分复杂，它与机械设计领域的相关知识关系很大，设计人员必须对该对象进行深人研究。一般模型诊断的研究主要集中在设计变量的诊断、目标函数的诊断和约束条件的诊断。设计变量和目标函数的诊断主要依靠专业方面的经验，而约束条件的诊断除了专业方面的知识外，还要进行约束条件是否相关、矛盾和重复的分析。本文主要研究和分析了约束条件是否相关、矛盾和重复的诊断问题，并尝试了一种新的诊断策略，即逐步压缩公共域的方法。5 应用实例例 普 通圆柱螺旋压缩弹簧的优化设计是要求在满足弹簧工作能力的条件下，使弹簧的某些指标达到最优。一般取簧丝直径d、弹簧中径D:和工作圈数n为设计变量，即X=1XI ，x二21， x 3T =d ,D ,司T。目标函数取为弹簧的质量，即f(X ) = y (n+n2)二，D2d2/4，其中n2为死圈数目。约束 条 件 包括弹簧的强度条件、刚度条件、稳定性条件等，整理后得到g,( X ) = x。一0.10g2( X ) = 10一x, 0g3( X ) = x2一0.4094( X )二 100一x2 095( X) = :，一2.0096( X) = 100一x3 0等共计15巧个约束条件。利用编制的机械优化设计软件包计算一个实例:最大工作载荷为450N，最小工作载荷为200N，工作频率为22 Hz，最大外径为45 mm，最大自由高度为140mm，最小行程为10mm,取弹簧材料为碳素弹簧钢丝，经过优化设计后得到:X= 3.2 99379,1 8.210372,8 .029179 T， 经过标准化处理后得:X = 3.5, 20, 8T，满足所有约束条件。在优 化 过 程建模中，编制的机械优化设计软件包诊断出一次矛盾约束，经处理后得出以上结果。6 结论本研 究 利 用面向对象设计方法很好地完成了机械优化软件包的总体设计。在面向对象设计方法中，软件的整体分解为3个对象:优化系统、模型诊断系统和模型创建对象，并根据3个对象之间的关系，定义了每个对象的协议，使得它们之间能传递并响应消息，以此来共同完成优化设计和模型分析。利用面向对象技术中的继承机制，很好地解决了机械优化设计