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性能优化机理模型

模型

发布时间:2019/08/28 19:54

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摘要:设备性能由功能和质量组成,功能是实现产品需要的某种行为的能力,质量则是实现功能的程度和持久性的度量,后者使得产品在设计中有了参数化和赋值的可能性。

性能优化机理模型

设备性能由功能和质量组成,功能是实现产品需要的某种行为的能力,质量则是实现功能的程度和持久性的度量,后者使得产品在设计中有了参数化和赋值的可能性。

现代机械产品的系统性、综合性、复杂性和规模化导致设计模型的横向扩展。例如,由零件的优化发展到部件、整机、系列化和组合产品的优化,由单学科领域的优化发展到机、液、光、电、信息的集成优化。对产品的要求由技术性扩展到经济性和社会性,导致给予全性能的多目标优化。因此,现代产品的协同优化设计方法是面向全系统、全过程和全局的优化设计方法。

无论是产品的现代协同设计还是传统优化设计,其目标都是以尽可能高的效率求的技术系统或过程的尽可能优的设计方案或者是尽可能优的解。

传统优化往往只适用于简单零部件,现代协同优化把对象由此扩展到复杂零部件、整机、系列产品和组合产品的整体优化,是全系统优化。

传统优化往往只侧重于单一性能的优化,处理不同类性能时一般按重要程度和优先顺序进行优化。现代协同优化把优化准则由某方面性能扩展到各方面性能,要实现技术性、经济性和社会性的综合评估和优化。仅技术性而言,追求实现目的的性能和约束性能、使用性能和综合性能的综合优化;就结构优化而言,则追求静态性能与动态性能的组合优化,因此可统称为全性能协同优化。

传统优化往往局限于产品技术设计阶段的优化,现代协同优化则把优化的范围扩展到包括功能、原理方案和原理参数、结构方案、结果参数、结构形状和公差优化的全设计过程,进而面向制造、销售、使用和用后处置的寿命周期设计过程,因此可统称为全过程优化。

优化设计的类别很多,从不同的角度出发,可以做出各种不同的分类。机械优化设计是通过优化方法确定零件、部件乃至整个机械系统的最佳参数和结构尺寸,从而使机械产品达到最佳性能,其数学模型一般包含三个要素,即设计变量、优化目标和约束条件。

针对优化设计数学模型要素的不同情况,可将优化设计方法分类如下:

(1) 按优化目标,可分为单目标优化设计和多目标优化设计;

(2) 按设计变量的维数,可分为一维优化和多维优化;

(3) 按约束情况,可分为无约束优化设计和约束优化设计;

(4) 按寻优途径,可分为数值法、解析法、图解法和实验法等;

(5) 按优化设计问题能否用数学模型表达,可分为:I.能用数学模型表达的优化设计问题,其寻优途径为数学方法,如数学规划法、最优控制法等;II.难以抽象出数学模型的优化设计问题,如总体方案优化、结构形式优化等,多采用经验推理、人工智能、专家系统等方法寻优。

在工程实践中,人们遇到的优化问题大多是多目标优化问题,多目标优化问题中各目标之间通过决策变量相互制约,对其中一个目标优化必须以其它目标作为代价,而且各目标的单位又往往不一致,因此很难客观地评价多目标问题解的优劣性。与单目标优化问题的本质区别在于,多目标优化问题的解不是唯一的,而是存在一个最优解集合,集合中元素称为Pareto最优或非劣最优。例如在设计新产品时,既要考虑使产品具有较好的性能,又要考虑使其制造成本最低,同时还要考虑产品的可制造性、可靠性、可维修性等,这些设计目标的改善可能相互抵触,因此须在这些设计目标之间取一个折衷的结果,这种以多性能为目标进行的优化设计就称为产品多目标优化设计。由于多目标优化题的复杂性,产品多目标优化设计方法已经从单纯数值规划的狭义优化设计发展成广义优化和集成优化,其中广义优化包括数学规划优化、人工智能优化和工程综合优化,集成优化则包括整机结构优化、全系统优化、全过程优化和全性能优化。