第五章 优化设计方法

1、设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 优化设计问题的求解方法很多，早期的方法有：试优化设计问题的求解方法很多，早期的方法有：试算法、表格法、图解法和一元函数极值理论等。算法、表格法、图解法和一元函数极值理论等。80年代以来，借助于计算机程序，一大批的数学规划年代以来，借助于计算机程序，一大批的数学规划方法（优化设计方法），解决了许多实际的优化设方法（优化设计方法），解决了许多实际的优化设计问题。但至今还没有任何一个优化设计方法程序计问题。但至今还没有任何一个优化设计方法程序能求解全部的非线性规划问题。能求解全部的非线性规划问题。 不同的非线性规

2、划方法有各自的求解能力和求解范不同的非线性规划方法有各自的求解能力和求解范围。在选择方法程序时，不仅要选择方法，更重要围。在选择方法程序时，不仅要选择方法，更重要的是选择程序。通常最好选择由多个方法程序和一的是选择程序。通常最好选择由多个方法程序和一些辅助程序组成的优化设计方法程序包或程序库。些辅助程序组成的优化设计方法程序包或程序库。设计方法学设计方法学 最优化设计的现状与发展最优化设计的现状与发展1）最优化设计方法在参数优化设计和结构优）最优化设计方法在参数优化设计和结构优化设计等方面比较有效，对方案设计与选择、化设计等方面比较有效，对方案设计与选择、决策等方面则无能为力。决策等方面则无能

3、为力。2）建模难度大，技术性高，数学模型描述能）建模难度大，技术性高，数学模型描述能力低，数学模型误差大。力低，数学模型误差大。3）方法程序的求解能力有限，难以处理复杂）方法程序的求解能力有限，难以处理复杂问题和性态不好的问题，难以求得全局最优问题和性态不好的问题，难以求得全局最优解。解。设计方法学设计方法学 1）引入了人工智能、专家系统技术，增加了最优化方）引入了人工智能、专家系统技术，增加了最优化方法中处理方案设计、决策等优化问题的能力，在优法中处理方案设计、决策等优化问题的能力，在优化方法中的参数选择时借助专家系统，减少了参数化方法中的参数选择时借助专家系统，减少了参数选择的盲目性，提高

4、了程序求解能力。选择的盲目性，提高了程序求解能力。2）针对难以处理性态不好的问题、难以求得全局最）针对难以处理性态不好的问题、难以求得全局最优解等弱点，发展了一批新的方法，如：模拟退火优解等弱点，发展了一批新的方法，如：模拟退火法、遗传算法、人工神经网络法、模糊算法、小波法、遗传算法、人工神经网络法、模糊算法、小波变换法、分形几何法等。变换法、分形几何法等。3）在数学模型描述能力上，由仅能处理连续变量、离）在数学模型描述能力上，由仅能处理连续变量、离散变量，发展到能处理随机变量、模糊变量、非数散变量，发展到能处理随机变量、模糊变量、非数值变量等，在建模方面，开展了柔性建模和智能建值变量等，在建

5、模方面，开展了柔性建模和智能建模的研究。模的研究。设计方法学设计方法学 4）在研究对象上）在研究对象上,从单一部分的、单一性能或结构的、从单一部分的、单一性能或结构的、分离的优化设计分离的优化设计,进入到整体优化进入到整体优化,分步优化、分部分步优化、分部和分级优化、并行优化等，提出了覆盖设计全过程和分级优化、并行优化等，提出了覆盖设计全过程的优化设计思想。方法研究的重点，从着重研究单的优化设计思想。方法研究的重点，从着重研究单目标优化问题进入到着重研究多目标问题。目标优化问题进入到着重研究多目标问题。5）在最优化方法程序设计研究中，一方面努力提高）在最优化方法程序设计研究中，一方面努力提高方

6、法程序的求解能力和各个方法程序之间的互换性，方法程序的求解能力和各个方法程序之间的互换性，研制方法程序包、程序库等；另一方面大力改善优研制方法程序包、程序库等；另一方面大力改善优化设计求解环境，开展了优化设计集成环境的研究，化设计求解环境，开展了优化设计集成环境的研究，集成环境为设计者提供辅助建模工具、优化设计前集成环境为设计者提供辅助建模工具、优化设计前后处理模块、可视化模块、接口模块等。后处理模块、可视化模块、接口模块等。设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 全系统优化全系统优化现代机械产品的现代机械产品的系统性、综合性和系统性、综合性和规模化导致设计模规模化导致设计模型的型的横向扩

7、展横向扩展。把。把研究对象由传统优研究对象由传统优化的简单零部件扩化的简单零部件扩展到复杂零部件、展到复杂零部件、整机、系列产品和整机、系列产品和组合产品的整体优组合产品的整体优化，由单学科领域化，由单学科领域的优化发展到机、的优化发展到机、液、光、电、信息液、光、电、信息的集成优化。统称的集成优化。统称为为。设计方法学设计方法学 全性能优化全性能优化客户要求的多样化导客户要求的多样化导致基于全性能的致基于全性能的多目多目标优化标优化。把优化准则。把优化准则由传统优化的单方面由传统优化的单方面性能优化扩展到技术性能优化扩展到技术性、经济性和社会性性、经济性和社会性的综合评估和优化。的综合评估和

8、优化。技术上追求实现目的技术上追求实现目的性能、约束性能、使性能、约束性能、使用性能和结构性能的用性能和结构性能的综合优化；结构上追综合优化；结构上追求静态性能和动态性求静态性能和动态性能的组合优化。称为能的组合优化。称为。设计方法学设计方法学 全设计过程优化全设计过程优化对产品寿命周期优对产品寿命周期优化的市场需求导致设化的市场需求导致设计模型的计模型的纵向扩展纵向扩展。把优化范围由传统优把优化范围由传统优化的产品技术设计阶化的产品技术设计阶段的优化扩展到包含段的优化扩展到包含功能、原理方案和参功能、原理方案和参数、结构方案、参数数、结构方案、参数和形状，以及工艺和和形状，以及工艺和公差优化

9、的全设计过公差优化的全设计过程，进而面向制造、程，进而面向制造、经销、使用和用后处经销、使用和用后处置的寿命周期设计过置的寿命周期设计过程。程。设计方法学设计方法学 全全寿寿命命周周期期优优化化设计方法学设计方法学 优化设计评价方法优化优化设计评价方法优化宏观层面上的优化宏观层面上的优化包含技术、经济、社会诸多因素包含技术、经济、社会诸多因素寻求产品总体设计的最佳效果寻求产品总体设计的最佳效果价值系数是优化的目标价值系数是优化的目标创造思维是优化方案产生的源泉创造思维是优化方案产生的源泉评价决策是确定最佳方案的主要手段评价决策是确定最佳方案的主要手段产品总体设计内容产品总体设计内容设计方法学设

10、计方法学 一、目标与过程一、目标与过程CFv 设计方法学设计方法学 二、优化对象的确定二、优化对象的确定情报资料齐全情报资料齐全无需大量人力物力无需大量人力物力牵涉面不广牵涉面不广环节多，结构复杂环节多，结构复杂设备性能落后，生产技术落后设备性能落后，生产技术落后原材料贵重，消耗量大原材料贵重，消耗量大产品产量大产品产量大工艺复杂落后工艺复杂落后燃料、动力耗量大燃料、动力耗量大用户意见大用户意见大产品市场竞争激烈产品市场竞争激烈产品市场趋于饱和产品市场趋于饱和产品返修率高产品返修率高次品率、废品率高次品率、废品率高产品赔偿率，退换率高产品赔偿率，退换率高效果显著效果显著具备各种改善条件具备各种

11、改善条件有改善潜力有改善潜力设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 ),.2 , 1(1nnffFniiii ),.2 , 1(1nnCCCniiiki 设计方法学设计方法学 ),.2 , 1(1nnCFVnikiii 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 ),.2 , 1(1nnCFCniiii ),.2 , 1(0nnCFCfii 设计方法学设计方法学 案例案例：某方案有：某方案有8个环节，已知各自的实现成

12、个环节，已知各自的实现成本，现用本，现用FD法进行分析。设法进行分析。设Cp5000元。元。（1）用用“01”评分法进行一对一比较：评分法进行一对一比较：设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 (2)理想区域法理想区域法此方法是日本田中教授提出的。此方法是日本田中教授提出的。思路：思路：价值指数相同的对象，由于各自的成本指价值指数相同的对象，由于各自的成本指数及功能指数的绝对不同，因而可能对方案数及功能指数的绝对不同，因而可能对方案的实际影响由很大的差异。的实际影响由很大的差异。所以在选择优化对象时，不应把价值指数所以在选择优化对象时，不应把价值指数相同的对象同等看待

13、。而应选择对设计方案相同的对象同等看待。而应选择对设计方案实际影响大的环节实际影响大的环节设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 B、D环节都在理想区域之外应作重点优化对象环节都在理想区域之外应作重点优化对象22102. 0 ixy222202. 0 xy现实成本、成本指数、价值指数表现实成本、成本指数、价值指数表用理想区域确定优化对象用理想区域确定优化对象设计方法学设计方法学 三、优化方案的建立三、优化方案的建立F情报是优化方案建立的基础情报是优化方案建立的基础F价值分析是优化方案建立的步骤价值分析是优化方案建立的步骤F创新是优化方案建立的根本创新是优化方案建立的根本四、评价决策四、评价

14、决策1.评价目标树评价目标树（1）技术目标）技术目标（2）经济目标）经济目标（3）社会目标）社会目标技术性能、工艺性技术性能、工艺性可靠性、自动化程度可靠性、自动化程度成本、利润、投资额成本、利润、投资额回报率、市场寿命回报率、市场寿命国家政策、国际惯例国家政策、国际惯例资源、节能、环境污染资源、节能、环境污染设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 2.评分法评价评分法评价设计方法学设计方法学 电池评分线图电池评分线图设计方法学设计方法学 方案方案A为最佳方案为最佳方案wtWWW 方案方案A为最佳方案为最佳方案设计方法学设计方法学 一高速专用磨床的主轴前支撑被列为优化一高速专用磨床的主轴前

15、支撑被列为优化对象，共提出三种方案对象，共提出三种方案,即：即：3排深沟球轴承排深沟球轴承,3排液体动压轴承，或排液体动压轴承，或3排球面液体静压轴承。排球面液体静压轴承。设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 )3 , 2 , 1( iHHWiIWi设计方法学设计方法学 WiTiWWW 设计方法学设计方法学 今确定以计算管理系统为优化对象，提出今确定以计算管理系统为优化对象，提出了购买专用软件，构买通用软件或自行开了购买专用软件，构买通用软件或自行开发发3中方案，投资必须控制在中方案，投资必须控制在15万元以内，万元以内，15万元为中，低于万元为中，低于15万元为优，同时建立万元为优，同

16、时建立性能和周期等价目标，以及相应的加权系性能和周期等价目标，以及相应的加权系数。数。管理系统管理系统0.2投资投资0.55性能性能0.25周期周期管理系统的评价目标树管理系统的评价目标树设计方法学设计方法学 专家按优、中、差专家按优、中、差设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 建立模糊评价矩阵建立模糊评价矩阵在本例中在本例中设计方法学设计方法学 KQR本案例本案例设计方法学设计方法学 方案方案I为最佳方案为最佳方案设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 碱性电池的涂封口胶工艺，是生产碱性电池碱性电池的涂封口胶工艺，是生产碱性电池的重要环节，目前大多数为手工操作

17、，为保证的重要环节，目前大多数为手工操作，为保证质量，提高生产率，须要开发一台自动涂胶机质量，提高生产率，须要开发一台自动涂胶机设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 方案数方案数N26244设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 设计方法学设计方法学 现代评价体系中的新概念现代评价体系中的新概念灵敏度分析灵敏度分析：目标函数系数在什么范围变化时（此时假定其它系数保持不变），最优解不变化约束右端项在什么范围变化时（此时假定其它系数保持不变），对应项约束的对偶价格（边际值）不变。 6：6Sigma又称：六式码、六标准差，在统计学中称为标准差，用来表示数据的分散程度。其含义引申后是指：一般企业的瑕疵率大约是3到4个西格玛(4西格玛相当于每一百万个机会里，有6210次误差)。如果企