任務(wù)書開題報告

1、 題 目機(jī)械設(shè)計中的離散變量優(yōu)化問題研究學(xué)生姓名學(xué) 號專業(yè)班級指導(dǎo)教師職 稱教 研 室機(jī)械畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)與要求機(jī)械優(yōu)化設(shè)計作為現(xiàn)代設(shè)計理論和方法的重要內(nèi)容之一，廣泛應(yīng)用于機(jī)電產(chǎn)品的生命周期的各個階段，已經(jīng)產(chǎn)生重大的意義和效益。離散變量問題在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域普遍存在，優(yōu)化方法不同于連續(xù)變量問題。在介紹離散變量優(yōu)化方法基礎(chǔ)之上，針對具體的工程實例，選擇相應(yīng)的算法和軟件,得到滿意可靠的結(jié)果。建立工程實例的優(yōu)化模型，選擇離散變量優(yōu)化算法，通過相應(yīng)優(yōu)化軟件，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。同時翻譯相關(guān)的英語科技文獻(xiàn)。畢業(yè)設(shè)計（論文）工作進(jìn)程起止時間工作內(nèi)容第1-3周第4-6周第7-8周第9周第10-13周第14-

2、15周第16周查閱資料，理清思路，明確要求。學(xué)習(xí)MATLAB軟件和優(yōu)化設(shè)計理論。學(xué)習(xí)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計離散變量優(yōu)化算法。針對具體的工程實例，建立數(shù)學(xué)模型。利用MATLAB軟件，實現(xiàn)算法。整理資料，完成和修改論文。論文定稿，準(zhǔn)備答辯。答辯。開始日期 2012年1月10 日 完成日期 2012年5月10日 教研室主任（簽字） 系主任（簽字） 題 目機(jī)械設(shè)計中離散變量優(yōu)化問題的研究學(xué)生姓名學(xué) 號專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)教師開題時間2012.2班 級一、 選題目的和意義在近代科學(xué)技術(shù)中，最優(yōu)化已作為分析復(fù)雜問題時所依據(jù)的原則，最優(yōu)化指通常在多種因素下的令人滿意的最恰當(dāng)、最適宜的值，在某些情況下也可

3、以用最大值或最小值來代替最優(yōu)值。最優(yōu)化的概念是相對的。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計過程，一般需要經(jīng)過調(diào)查分析、方案擬定、技術(shù)設(shè)計、零件工作圖繪制等環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)設(shè)計方法通常在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，參照同類產(chǎn)品通過估算、經(jīng)驗類比或試驗來確定出設(shè)計方案。然后，根據(jù)初始設(shè)計方案的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等性能分析計算，檢查各性能是否滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。整個傳統(tǒng)設(shè)計過程就是人工試湊和定性分析比較的過程,憑借經(jīng)驗或直觀判斷對參數(shù)進(jìn)行修改，并不是根據(jù)某種理論精確計算出來的。優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點:采用了最優(yōu)化的思想和策略;建立了一個能正確反映工程設(shè)計問題的數(shù)學(xué)模型；用高速計算機(jī)尋求最佳方案。傳統(tǒng)設(shè)計方法只是被動重

4、復(fù)分析性能，而非主動設(shè)計參數(shù)。并沒有體現(xiàn)“設(shè)計”的含義。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計包括建立優(yōu)化設(shè)計問題的數(shù)學(xué)模型和選擇恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法與程序兩方面內(nèi)容。由于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)用數(shù)學(xué)方法尋求機(jī)械設(shè)計的最優(yōu)方案，所以首先要根據(jù)實際的機(jī)械設(shè)計問題建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型一旦建立，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計問題就變成一個數(shù)學(xué)求解問題。應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃的理論，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特點，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，進(jìn)而可以選取或自行編制計算機(jī)程序，以計算機(jī)作為工具球的最佳設(shè)計參數(shù)。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的解決是一談機(jī)械優(yōu)化的定義分類，過程產(chǎn)生的意義個系統(tǒng)任務(wù)，全過程一般可包括為：1.根據(jù)設(shè)計要求和目的定義優(yōu)化設(shè)計問題；2.建立優(yōu)化設(shè)計問題的數(shù)學(xué)模型；3.選用合

5、適的優(yōu)化設(shè)計方法；4.確定必要的數(shù)據(jù)和設(shè)計初始點；5.編寫包括數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法的計算機(jī)程序，通過計算機(jī)求解計算獲取最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；6.對結(jié)果數(shù)據(jù)和設(shè)計方案進(jìn)行合理性和實用性分析。建立數(shù)學(xué)模型包括以下三個要素：1.設(shè)計變量，即在優(yōu)化過程中逐步調(diào)整，最后達(dá)到最優(yōu)值的獨(dú)立參數(shù)，其個數(shù)就是優(yōu)化設(shè)計的維數(shù)。1.目標(biāo)函數(shù)，反映設(shè)計便量間的相互關(guān)系，可以用來評價方案的好壞，根據(jù)其個數(shù)，優(yōu)化設(shè)計問題可分為單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化問題。3.約束條件，是設(shè)計變量間或設(shè)計變量本身應(yīng)該遵循的限制條件。優(yōu)化設(shè)計的最終實現(xiàn)過程是在計算機(jī)軟件上進(jìn)行的。優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型是用數(shù)學(xué)的形式表示設(shè)計問題的特征和追求的目的，反映了設(shè)計指標(biāo)和

6、各個主要影響因素間的依賴關(guān)系。他是獲得正確優(yōu)化結(jié)果的前提。針對優(yōu)化涉及數(shù)學(xué)模型要素的不同可將設(shè)計方法分類為：1.按約束情況可分為無約束優(yōu)化設(shè)計方法和由約束優(yōu)化設(shè)計方法。2.按維數(shù)可分為一位優(yōu)化設(shè)計方法和多維優(yōu)化設(shè)計方法。3.按目標(biāo)函數(shù)的多少可分為單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法。4.按尋優(yōu)途徑，可分為數(shù)值法、解析法、圖解法、實驗法和情況研究法。5.按優(yōu)化問題能否用數(shù)學(xué)模型表達(dá)，可分為能用數(shù)學(xué)模型表達(dá)的優(yōu)化問題和難以用數(shù)學(xué)模型表達(dá)的優(yōu)化問題。加上離散和連續(xù)離散變量優(yōu)化問題算法可分為：1.以連續(xù)變量為基礎(chǔ)的優(yōu)化方法（擬離散法、離散懲罰函數(shù)法）。2.離散變量搜索方法（離散復(fù)合型法）。3.分支定

7、界法。4.離散變量型網(wǎng)格法（離散變量型普通網(wǎng)格法、離散變量型正交網(wǎng)格法）。5.離散變量的組合型法。連續(xù)變量優(yōu)化問題的算法可分為：1.一維搜索方法。2.無約束優(yōu)化方法（梯度、牛頓型方法、共軛梯度法、變尺度法、坐標(biāo)輪換法和鮑威爾法）。3.約束優(yōu)化方法（隨即方向法、復(fù)合型、可行方向法、懲罰函數(shù)法、增廣乘子法、線性逼近法、二次規(guī)劃法）。分別介紹離散和連續(xù)算法概述4.線性規(guī)劃（單純形方法、修正單純型法）。本課題是研究機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中的離散問題，完成用相應(yīng)的算法和軟件對具體工程實例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過對該課題的研究，了解離散變量優(yōu)化問題并運(yùn)用所學(xué)知識完成設(shè)計。本課題重點在于離散變量優(yōu)化的算法以及MATLAB軟

8、件的應(yīng)用，設(shè)計時需按具體的工程實例選擇相應(yīng)的算法按照具體情況，從各方面參數(shù)進(jìn)行綜合分析和對比，最后得到最優(yōu)化方案。離散變量是指在規(guī)定的變量界限內(nèi)，只能從有限個離散值或整數(shù)值中取值的一種變量。由于離散變量問題在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域普遍存在，故研究離散變量的優(yōu)化方法是非常必要的。二、 本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢在國內(nèi)，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計在現(xiàn)代設(shè)計產(chǎn)品中經(jīng)濟(jì)效果還是很顯著地。例如：對某大型一級減速器，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果使其重量減輕12%，另外對各種機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，其性能，精度都有顯著改善。目前，國內(nèi)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計已開始由零部件和機(jī)構(gòu)的設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或整機(jī)設(shè)計?？傊?，近十幾年來的機(jī)械優(yōu)化發(fā)展給機(jī)械工程帶來很

9、大效益，對進(jìn)一步提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短產(chǎn)品周期等方面產(chǎn)生深刻影響。在國外，早在二十世紀(jì)五十年代以前，工程設(shè)計問題的最佳決策還只限于古典數(shù)學(xué)中的微分法和變分法，或用拉格朗日乘系法解決等式約束問題，隨后發(fā)展起來的數(shù)學(xué)規(guī)劃理論形成了應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個分支，為優(yōu)化設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。二十世紀(jì)六十年代電子計算機(jī)和計算技術(shù)的發(fā)展為優(yōu)化設(shè)計提供了強(qiáng)有力的手段。直到七十年代前后，特別是Dantzing提出大型線性規(guī)劃技術(shù)后，使得借用數(shù)值算術(shù)求解優(yōu)化問題才成為可能。隨著電子計算機(jī)和計算技術(shù)迅速發(fā)展，不僅推動了最優(yōu)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，也促進(jìn)最優(yōu)化理論進(jìn)一步發(fā)展。機(jī)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計是機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中發(fā)展較早的

10、領(lǐng)域，不僅研究了連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)等再現(xiàn)函數(shù)和軌跡的優(yōu)化設(shè)計問題，而且還提出一些標(biāo)準(zhǔn)化程序。機(jī)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計方面也有很大進(jìn)展。機(jī)械零部件的優(yōu)化設(shè)計最近十幾年也有很大發(fā)展，主要是研究各種減速器的優(yōu)化設(shè)計，液壓軸承的優(yōu)化設(shè)計以及軸、彈簧、制動器等的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。除此之外，在機(jī)床、鍛壓設(shè)備、汽車等基本參數(shù)、基本工作機(jī)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)方面也進(jìn)行了優(yōu)化工作。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計給機(jī)械工程界帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益，隨著技術(shù)更新而產(chǎn)品競爭加劇，優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展前景非常廣闊，當(dāng)今的優(yōu)化正逐步發(fā)展成多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，充分利用了先進(jìn)計算機(jī)技術(shù)和科學(xué)最新成果。虛擬設(shè)計技術(shù)是發(fā)展必然。尚處于理論探索階段和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，智能算法優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，柔性優(yōu)化設(shè)計，綠色優(yōu)化設(shè)計，可靠性穩(wěn)健設(shè)計，給予仿生學(xué)、遺傳學(xué)算法的優(yōu)化設(shè)計，機(jī)械人性化設(shè)計和可持續(xù)性創(chuàng)新優(yōu)化等都是未來發(fā)展趨勢。但我們?nèi)孕桕P(guān)注在優(yōu)化技術(shù)水平提高的同時國內(nèi)機(jī)械加工工藝水平和加工手段也應(yīng)配套才行。否則整體機(jī)械水平仍將停滯不前。這不僅要加工技術(shù)的引進(jìn)。更重要的是加工設(shè)備性能增長。這樣我們才能夠在優(yōu)化領(lǐng)域領(lǐng)先世界，永遠(yuǎn)立于不敗之地！三 主要研究內(nèi)容1. 學(xué)習(xí)MATLAB軟件和優(yōu)化程理論。 2