第五章優(yōu)化設計方法

第五章優(yōu)化設計評價全壽命周期優(yōu)化概述優(yōu)化設計評價方法§5-1全壽命周期優(yōu)化概述

優(yōu)化設計（OptimalDesign）是從60年代初期開始發(fā)展起來的一門新的學科，它是最優(yōu)化技術(shù)和計算機計算技術(shù)在設計領(lǐng)域應用的結(jié)果。優(yōu)化設計為工程設計提供了一種重要的科學設計方法，在解決復雜設計問題時，它能從眾多的設計方案中找到盡可能完善的或最適宜的設計方案。最優(yōu)化技術(shù)最優(yōu)化技術(shù)，是優(yōu)化設計全過程中各種方法、技術(shù)的總稱。它主要包含兩部分內(nèi)容：優(yōu)化設計問題的建模技術(shù)和優(yōu)化設計問題的求解技術(shù)。如何將一個實際的設計問題抽象成一個優(yōu)化設計問題，并建立起符合實際設計要求的優(yōu)化設計數(shù)學模型，這就是建模技術(shù)研究的主要內(nèi)容。實際設計問題，經(jīng)抽象處理后建立起相應的優(yōu)化設計數(shù)學模型，接下來的任務是求解數(shù)學模型。

優(yōu)化設計問題的求解技術(shù)優(yōu)化設計問題的求解方法很多，早期的方法有：試算法、表格法、圖解法和一元函數(shù)極值理論等。80年代以來，借助于計算機程序，一大批的數(shù)學規(guī)劃方法（優(yōu)化設計方法），解決了許多實際的優(yōu)化設計問題。但至今還沒有任何一個優(yōu)化設計方法程序能求解全部的非線性規(guī)劃問題。

不同的非線性規(guī)劃方法有各自的求解能力和求解范圍。在選擇方法程序時，不僅要選擇方法，更重要的是選擇程序。通常最好選擇由多個方法程序和一些輔助程序組成的優(yōu)化設計方法程序包或程序庫。最優(yōu)化設計的現(xiàn)狀與發(fā)展1）最優(yōu)化設計方法在參數(shù)優(yōu)化設計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計等方面比較有效，對方案設計與選擇、決策等方面則無能為力。2）建模難度大，技術(shù)性高，數(shù)學模型描述能力低，數(shù)學模型誤差大。

3）方法程序的求解能力有限，難以處理復雜問題和性態(tài)不好的問題，難以求得全局最優(yōu)解。

現(xiàn)狀為了提高最優(yōu)化方法的綜合求解能力，人們探索：1）引入了人工智能、專家系統(tǒng)技術(shù)，增加了最優(yōu)化方法中處理方案設計、決策等優(yōu)化問題的能力，在優(yōu)化方法中的參數(shù)選擇時借助專家系統(tǒng)，減少了參數(shù)選擇的盲目性，提高了程序求解能力。

2）針對難以處理性態(tài)不好的問題、難以求得全局最優(yōu)解等弱點，發(fā)展了一批新的方法，如：模擬退火法、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、模糊算法、小波變換法、分形幾何法等。

3）在數(shù)學模型描述能力上，由僅能處理連續(xù)變量、離散變量，發(fā)展到能處理隨機變量、模糊變量、非數(shù)值變量等，在建模方面，開展了柔性建模和智能建模的研究。

現(xiàn)狀4）在研究對象上,從單一部分的、單一性能或結(jié)構(gòu)的、分離的優(yōu)化設計,進入到整體優(yōu)化,分步優(yōu)化、分部和分級優(yōu)化、并行優(yōu)化等，提出了覆蓋設計全過程的優(yōu)化設計思想。方法研究的重點，從著重研究單目標優(yōu)化問題進入到著重研究多目標問題。

5）在最優(yōu)化方法程序設計研究中，一方面努力提高方法程序的求解能力和各個方法程序之間的互換性，研制方法程序包、程序庫等；另一方面大力改善優(yōu)化設計求解環(huán)境，開展了優(yōu)化設計集成環(huán)境的研究，集成環(huán)境為設計者提供輔助建模工具、優(yōu)化設計前后處理模塊、可視化模塊、接口模塊等?，F(xiàn)狀優(yōu)化設計將從傳統(tǒng)的優(yōu)化設計向廣義優(yōu)化設計過渡。廣義優(yōu)化設計在基本理論上應是常規(guī)優(yōu)化設計理論、計算機科學、控制理論、人工智能、信息科學等多學科的綜合產(chǎn)物；在求解問題的類型上有數(shù)值型和非數(shù)值型問題，設計變量也可以有多種類型；在方法上應是多種算法互補共存；在實現(xiàn)上應是將多個方法、多個工具、多個軟件系統(tǒng)無縫集成在一起形成具有統(tǒng)一的、使用方便的、功能齊全的最優(yōu)化設計集成環(huán)境。發(fā)展全系統(tǒng)優(yōu)化現(xiàn)代機械產(chǎn)品的系統(tǒng)性、綜合性和規(guī)?；瘜е略O計模型的橫向擴展。把研究對象由傳統(tǒng)優(yōu)化的簡單零部件擴展到復雜零部件、整機、系列產(chǎn)品和組合產(chǎn)品的整體優(yōu)化，由單學科領(lǐng)域的優(yōu)化發(fā)展到機、液、光、電、信息的集成優(yōu)化。統(tǒng)稱為~。全性能優(yōu)化客戶要求的多樣化導致基于全性能的多目標優(yōu)化。把優(yōu)化準則由傳統(tǒng)優(yōu)化的單方面性能優(yōu)化擴展到技術(shù)性、經(jīng)濟性和社會性的綜合評估和優(yōu)化。技術(shù)上追求實現(xiàn)目的性能、約束性能、使用性能和結(jié)構(gòu)性能的綜合優(yōu)化；結(jié)構(gòu)上追求靜態(tài)性能和動態(tài)性能的組合優(yōu)化。稱為~。全設計過程優(yōu)化對產(chǎn)品壽命周期優(yōu)化的市場需求導致設計模型的縱向擴展。把優(yōu)化范圍由傳統(tǒng)優(yōu)化的產(chǎn)品技術(shù)設計階段的優(yōu)化擴展到包含功能、原理方案和參數(shù)、結(jié)構(gòu)方案、參數(shù)和形狀，以及工藝和公差優(yōu)化的全設計過程，進而面向制造、經(jīng)銷、使用和用后處置的壽命周期設計過程。全壽命周期優(yōu)化§5-2優(yōu)化設計評價方法優(yōu)化

宏觀層面上的優(yōu)化包含技術(shù)、經(jīng)濟、社會諸多因素尋求產(chǎn)品總體設計的最佳效果價值系數(shù)是優(yōu)化的目標創(chuàng)造思維是優(yōu)化方案產(chǎn)生的源泉評價決策是確定最佳方案的主要手段產(chǎn)品總體設計內(nèi)容一、目標與過程目標：方案的價值系數(shù)：總體優(yōu)化的過程：確定優(yōu)化對象

優(yōu)化方案的建立

優(yōu)化方案的評選——功能——成本方案優(yōu)化法：以功能分析為基礎(chǔ)運用創(chuàng)造技巧最大程度降低成本努力提高功能尋求最大價值系數(shù)二、優(yōu)化對象的確定情報資料齊全

無需大量人力物力

牽涉面不廣優(yōu)

化

對

象總體方案優(yōu)化不能沒有重點應選出優(yōu)化對象可以從六個方面考慮:考慮方面對象特點設計方面生產(chǎn)方面銷售方面質(zhì)量方面效果方面難易方面環(huán)節(jié)多，結(jié)構(gòu)復雜

設備性能落后，生產(chǎn)技術(shù)落后

原材料貴重，消耗量大產(chǎn)品產(chǎn)量大

工藝復雜落后

燃料、動力耗量大用戶意見大

產(chǎn)品市場競爭激烈

產(chǎn)品市場趨于飽和產(chǎn)品返修率高

次品率、廢品率高

產(chǎn)品賠償率，退換率高效果顯著

具備各種改善條件

有改善潛力具體方法1.從技術(shù)角度選擇優(yōu)化對象（1）經(jīng)驗分析法（2）綜合分析法確定評價指標計入權(quán)重專家評分按加權(quán)總評分決策案例：某產(chǎn)品有A、B、C、D4個組成部分。經(jīng)過企業(yè)有關(guān)人士的分析,決定以可靠性、操作性、維修性、工藝性、生產(chǎn)效率和安全性等6項指標來評價每一部分的技術(shù)水平，并根據(jù)6項指標對產(chǎn)品的不同工藝重要性賦予不同的權(quán)重2.從經(jīng)濟角度選擇優(yōu)化對象（1）成本百分比這種方法主要是根據(jù)產(chǎn)品部分費用所占的總費用的比重，選擇比重較大的作為優(yōu)化對象。這是一種定量方法，較易實行，但由于考慮了成本的一個因素，所以具有較大的片面性。選擇C項目作為優(yōu)化對象ABC成本/萬元161720成本比例(%)303238利潤/萬元1587利潤比例(%)502723指標項目實例：

某企業(yè)有三個產(chǎn)品項目，它的成本和利潤比例見下表：（2）ABC分類法這是由意大利經(jīng)濟學家帕萊托應用數(shù)理統(tǒng)計分析的方法發(fā)展而來。它根據(jù)不同零部件（或生產(chǎn)環(huán)節(jié)）的局部成本所占總成本比重大小來選擇優(yōu)化分析對象。實例:某產(chǎn)品由10個零部件組成，試用ABC法進行分類。

解：把各零部件從1到N編號，則有件8及10定為優(yōu)化對象零件編號10879426135成本比重(%)3928154333221累計比重(%)671914類別ABC第i個零件的成本比重＝—————————第i個零部件的成本所有零部件成本之和（3）功能成本雙重比率分析法此方法綜合了成本分析和功能分析，以功能成本比平均值作為標準，選擇比率較大的作為優(yōu)化對象。下表中：功能比重＝項目功能得分/總功能得分成本比重＝項目成本/總成本功能成本平均比＝(功能比重+成本比重)/2實例:某項目的制造費用主要用于機械、控制、軟件和監(jiān)測四個部分，為降低成本必須對其進行優(yōu)化。監(jiān)測項功能與成本平均比最高，應選為優(yōu)化對象項目功能得分功能比重(%)目前費用/千元成本比重(%)功能成本平均比(%)選擇次序機械90281002526.52控制80255012.518.83軟件70225012.517.34監(jiān)測80252005037.513.從市場分析角度選擇優(yōu)化對象產(chǎn)品壽命周期法用戶評估法4.功能評價指數(shù)法(1)強制確定法，亦稱FD法先求出功能指數(shù)、成本指數(shù)和價值指數(shù)，根據(jù)價值指數(shù)選擇優(yōu)化對象。然后還可以按功能指數(shù)分配預計成本，求出成本降低指標，以實現(xiàn)功能價值的最優(yōu)化。1）求功能指數(shù)式中：Fi為第i個環(huán)節(jié)的功能指數(shù)；

fi為第i個環(huán)節(jié)的累計得分；

n

為某個方案的環(huán)節(jié)數(shù)。2）求成本指數(shù)式中：Cki為成本指數(shù)

Ci為各環(huán)節(jié)的現(xiàn)實成本3）求價值指數(shù)價值指數(shù)＝功能指數(shù)/成本指數(shù)式中：V

i為價值指數(shù)4）價值指數(shù)分析

根據(jù)Vi的不同數(shù)值，做如下分析：Vi=1，即功能與成本所占比重一致，屬非優(yōu)化對象Vi=0，說明該環(huán)節(jié)沒有價值，可以合并或省去Vi>1,表明功能較重要，或是運用了先進技術(shù)使成本較低，若Vi值過大，則可能是成本太低或投入不足Vi<1,表明功能不重要，或成本偏高

根據(jù)國外經(jīng)驗，Vi>3以上或Vi<0.5以下的，均可作為重點分析和改進對象，即可選定為須優(yōu)化項目。5）確定目標成本經(jīng)過價值分析，可發(fā)現(xiàn)有些環(huán)節(jié)的功能與成本之間不協(xié)調(diào)，需根據(jù)計算所得功能指數(shù)，重新分配現(xiàn)實成本。式中：Ci’為重新分配的現(xiàn)實成本6）新目標成本可確定一個新的總控制成本CP，由此可得各環(huán)節(jié)新的目標成本由此得成本降低幅度Ci?Ci0,它通過優(yōu)化予以實現(xiàn)案例：某方案有8個環(huán)節(jié)，已知各自的實現(xiàn)成本，現(xiàn)用FD法進行分析。設Cp＝5000元。

（1）用“01”評分法進行一對一比較：（2）已知的現(xiàn)實成本Ci。利用公式分別求得成本指數(shù)Cki和價值指數(shù)Vi。（3）求重新分配的現(xiàn)實成本和改進后的目標成本，最終看出優(yōu)化后成本的降低幅度。(2)理想?yún)^(qū)域法此方法是日本田中教授提出的。思路：價值指數(shù)相同的對象，由于各自的成本指數(shù)及功能指數(shù)的絕對不同，因而可能對方案的實際影響由很大的差異。所以在選擇優(yōu)化對象時，不應把價值指數(shù)相同的對象同等看待。而應選擇對設計方案實際影響大的環(huán)節(jié)基本原理案例B、D環(huán)節(jié)都在理想?yún)^(qū)域之外應作重點優(yōu)化對象現(xiàn)實成本、成本指數(shù)、價值指數(shù)表用理想?yún)^(qū)域確定優(yōu)化對象三、優(yōu)化方案的建立

情報是優(yōu)化方案建立的基礎(chǔ)價值分析是優(yōu)化方案建立的步驟創(chuàng)新是優(yōu)化方案建立的根本四、評價決策1.評價目標樹（1）技術(shù)目標（2）經(jīng)濟目標（3）社會目標技術(shù)性能、工藝性可靠性、自動化程度成本、利潤、投資額回報率、市場壽命國家政策、國際慣例資源、節(jié)能、環(huán)境污染圖目標評價樹

目標:b1,b2,…子目標:b11,b12,b21,b22,b23,…加權(quán)系數(shù)：一階qi<1,∑qi=1二階qij<1,∑qij=qiq11b11q1b1q12b12q21b21q22b22q23b23q2b2b2.評分法評價電池0.5壽命0.3電壓0.2成本0.8性能電池評分線圖3.技術(shù)——經(jīng)濟評價法

技術(shù)價Wt

經(jīng)濟價WW

相對價方案A為最佳方案方案A為最佳方案一高速專用磨床的主軸前支撐被列為優(yōu)化對象，共提出三種方案,即：3排深溝球軸承,3排液體動壓軸承，或3排球面液體靜壓軸承。軸承0.3剛度0.3抗振性0.2性能0.8制造0.2加工0.1裝配0.2使用經(jīng)濟價WHI—理想成本

Hi—實際成本相對價

W1＝0.676W2＝0.632W3＝0.605WT<0.6不合格WW>0.7不合格方案1在允許區(qū)域內(nèi)4.模糊評價法

今確定以計算管理系統(tǒng)為優(yōu)化對象，提出了購買專用軟件，構(gòu)買通用軟件或自行開發(fā)3中方案，投資必須控制在15萬元以內(nèi)，15萬元為中，低于15萬元為優(yōu)，同時建立性能和周期等價目標，以及相應的加權(quán)系數(shù)。管理系統(tǒng)0.2投資0.55性能0.25周期管理系統(tǒng)的評價目標樹專家按優(yōu)、中、差建立模糊評價矩陣在本例中K＝Q·R本案例方案I