机械优化设计软件包中的关键技术研究

1、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，干-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 ()(x)5;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彖: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，并赋了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

2、可行的、冇效的，冇较强的扩展性。关键词：机械优化设计;面向对彖技术;扩展性;模型诊断中图 分 类 号:th 122文献标识码:a文章编号:1001-3881 (2004)1 0 168-3a stu dy o ne ssentialt echniqueso fm echanicalo ptimizationd esigns oftwareqin d ong -ch en' , z ha n gk eg , z hangs hao-lin1, wangl i-xias, ger ongo(1. c ollcgco fm cchanicale nginccring,z hcngzhouu

3、nivcrsityz hcngzhou4 50002, china;2 z hcngzhouc ityeng ineeringm anagementd epartment, zhengzhou4 50002, china;3 .d epartmentof e ngineering,z hongzhouuni ver sit y, zhengzhou4 500()5, china;4 h enana utoln dustry company,z hengzhou4 50003, china)ab str act ;a ccordingto th cc xtcndcdc apability a n

4、dt hcd ivcrsityo fth cm cchanicalop timizationd esigns oftware,t heo bject 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. t

5、he 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 p

6、timizationd esign;o bject-orientation;e xtensibility;m odeld iagnose 0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來越高，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z-o冃前，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 其程序几乎町以完全解决大多数的

7、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 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 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

8、，主要是各应用单位自行研制，冇 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，主要表现在目询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，以便用八使用。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 且耍编制一些程序，然后调用软件中的某一优化子程 序。这就要求用八除了必须熟悉编程环境外，还要対 程序库本身

9、有一定的了解，这使设计人员的工作量加 人，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，优化设计模型少优化方法都 比较单一。同时，现冇的优化软件考虑软件的扩展性 较少，使用很不方便，其至无法求解。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 11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类和対

10、象的概念， 并引人方法、消息、元类及协议概念。198()年，正 式推出了 smalltalk,树立了面向对象技术的第一个里 程碑。面向对彖设计方法所追求的是现实问题空间为软 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彖。每个对彖把 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対象，

11、并将问题映射 到该对象上。而向对 象设计方法之所以受到各方而的重视，是 因为它具冇模块性、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。血向対象设计方法 的;ii现使得上述问题迎刃|佃解。利用而向对彖技术的 机械优化设计软件包所具有的灵活性和扩展性可表现 在以下儿个方面:可以不断扩充更多的机械零件优化 模型;可以不断扩充

12、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 作难度和工作罐。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。 对彖选择的恰当，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，所冇具冇共性的系统 成分便町以确定为同一种对彖。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。按照而向对象设计方法，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

13、一用 户服务，它提供的服务可以由用户向它发送优化消息 來完成。而该优化系统需要一个处理的对象，这个对 彖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。该对象町以为用户服务，它提供的服 务可以山用八向它发送模型诊断消息來完成。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 -种对象，该対象能够提供一个特定的优化模型，这 里称z为模型创建对彖。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

14、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面向对彖的程序设计在面向对象程序设计中，每个对象由一个类來定 义。类可以看作主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。刚匕，相应地可定义3个类:optiobject类、 w_ optimize类和check- object类，以卜分别予以介 绍。(1 )模m创建对象类一 optiobject类模型创建对象的主要功能就是创建并提供优化模 型。 优

15、 化 系统一w_o ptimize类优化系统的主耍功能就是提供优化计算功能。(3) 模型诊断系统一 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 私冇存储域以及许多操作功能与优化系统冇很多相 似。在机械优化设计软件包结构分析屮，optiobject 类和w_ optimize类都是抽象的类，它们分别是所冇 模型创建对象和优化系统共同特性的抽彖。但是对于 模型创建対象來讲，每种实际的工程结构设计问题乂 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

16、承的结构、受力及要求根 木不同，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;血径向流休动压滑动轴承要考虑 到偏心率、轴承宽度、润滑汕等等，这些是obtiobject 类不能表现出來的。在面向对彖程序设计中可以通过继承来实现这些 差界，这正是面向対象设计特点之一。对于optiobject 类來讲，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対象类的 基类。同样，w_ optimize类中的优化计算功

17、能也是 抽象的，有待于在其派生类屮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索，优化设计的建模过程也必 须对这三个耍素有一定的要求。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屮推广的主 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冇效的工 具。但是，优化问题的白动建模是一个一肓没有得到 很好解决的关键技术问题，其中的模型诊断技术非常 重要。

18、数学模型诊断是通过对数学模型检测来判断数学 模型是否冇效、正确或适当的方法。它主要冇以下两 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彖的本质。诊断一 个模型是否反映优化设计对象的木质i-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、冃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而的知识外，还 要进行约束条件是否相关、矛盾和重复的分析。木文 主要研究和分析了约束条件是

19、否相关、矛厉和重复的 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 21, 3) t =d ,d 司t°目标函数取为弹簧的质罐，即f(x)二y(n+n2)二,d2d2/4,其中 n2 为死圈数目。约朿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 ) = xo 一 0.1 >0 g2( x ) = 10 一 x,> 0 g3( x ) = x2 0

20、.4>0 94( x)二 1()() 一 x2>0 95( x) = :, 一 2.()>() 96( x)= 100 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,最人自由高度为14()mm,最小行程为10mm, 取弹簧材料为碳索弹簧钢丝，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, 8jt,满足所冇约 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结论本研究利用血向対象设计方法很好地完成了机械 优化软件包的总体设计。在而向对彖设计方法中，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z间的关系，定义 了每个对彖的协议，使得它们z间能传递并响应消 息，以此來共同完成优化设计和模型分析。利用面向 对彖