机械优化设计实例
压杆的最优化设计
压杆是一根足够细长的直杆,以学号为p值,自定义有设计变量的
尺寸限制值,求在p一定时d1、d2和l分别取何值时管状压杆的体积或重
量最小?(内外直径分别为d1、d2)两端承向轴向压力,并会因轴向压力
达到临界值时而突然弯曲,失去稳定性,所以,设计时,应使压应力不
超过材料的弹性极限,还必须使轴向压力小于压杆的临界载荷。
解:根据欧拉压杆公式,两端铰支的压杆,其临界载荷为:I——材料的惯性矩,EI为抗弯刚度
1、设计变量
现以管状压杆的内径d1、外径d2和长度l作为设计变量
2、目标函数
以其体积或重量作为目标函数
3、约束条件
以压杆不产生屈服和不破坏轴向稳定性,以及尺寸限制为约束条件,在外力为p的情况下建立优化模型:
1)
2)
3)
罚函数:
传递扭矩的等截面轴的优化设计解:1、设计变量:
2、目标函数
以轴的重量最轻作为目标函数:
3、约束条件:
1)要求扭矩应力小于许用扭转应力,即:
式中:——轴所传递的最大扭矩
——抗扭截面系数。对实心轴
2)要求扭转变形小于许用变形。即:
扭转角:
式中:G——材料的剪切弹性模数
Jp——极惯性矩,对实心轴:
3)结构尺寸要求的约束条件:
若轴中间还要承受一个集中载荷,则约束条件中要考虑:根据弯矩联合作用得出的强度与扭转约束条件、弯曲刚度的约束条件、对于较重要的和转速较高可能引起疲劳损坏的轴,应采用疲劳强度校核的安全系数法,增加一项疲劳强度不低于许用值的约束条件。
二级齿轮减速器的传动比分配
二级齿轮减速器,总传动比i=4,求在中心距A最小下如何
分配传动比?设齿轮分度圆直径依次为d1、d2、d3、d4。第一、二
级减速比分别为i1、i2。假设d1=d3,则:
七辊矫直实验
罚函数法是一种对实际计算和理论研究都非常有价值的优化方法,广泛用来求解约束问题。其原理是将优化问题中的不等式约束和等式约束加权转换后,和原目标函数结合成新的目标函数,求解该新目标函数的无约束极小值,以期得到原问题的约束最优解。考虑到本优化程序要处理的是一个兼而有之的问题,故采用混合罚函数法。
一)、优化过程
(1)、设计变量
以试件通过各矫直辊时所受到的弯矩为设计变量:
(2)、目标函数
以矫直机的驱动功率为目标函数
式中:——矫直速度,mm/s
——矫直辊直径,mm
——传动效率
——作用在辊子上的总传动力矩
——轧件弯曲变形所需的转动力矩,N.mm
——克服轧件与辊子间滚动摩擦所需的转动力矩,N.mm
——克服辊子轴承的摩擦及支承辊与工作辊间的滚动摩擦所需力矩,N.mm
上式表明,编制程序时也可以把目标函数简化为求弯矩和的最小值。简化问题,可以将程序中的目标函数改为
(3)、不等式约束
首先,试件应满足咬入条件,即
式中:——一、二辊之间的相对压下量
——试件与矫直辊之间的滑动摩擦系数
其次,要保证试件每经过一个矫直单元,实现一次反向弯曲,且弯矩值在极限范围内,即
式中:——使试件产生反向弯曲的最小弯矩值,N.mm
为了使试件变形充分、均匀,在经过第一、第二个矫直单元时反弯曲率值与原始曲率值应尽量接近。也就是说,前几个矫直单元采用大变形矫直方案。试件从最后一个矫直辊中出来后,要满足质量要求,符合国家有关标准,即有
式中:——有关标准规定的残余曲率值,对于本试件
(4)、等式约束
应满足
式中:、、、——分别为相邻两辊之间的相对压下量
二)、优化数据
以原始曲率半径为2000mm的08F双层焊管为例,得到优化矫直力矩为
优化矫直力为
分别对原始双层曲率半径为1500mm、2500mm和3000mm的断面系数相同的08F双层卷焊管进行矫直力矩优化,得到的优化值与原始曲率半径为2000mm的值相差不大。
5级齿轮传动的传动比分配
在指挥仪及精密仪器中,常用如图所
示的多级减速器。为了提高运动精度,不仅
要求减重,还要求转动惯量小。
已知总减速比为i,假定各级小齿轮参
数相同,各级减速比分别为,
且有。下面推导转动惯量和
中心距的表达式。
解: 1.总转动惯量
式中为小齿轮转动惯量,。若令等于下式右端括号内各项,即
当一定时,对求极小,则必为极小,称传动的转动惯量系数。
2.中心距
基于MATLAB工具箱的机械优化设计 长江大学机械工程学院机械11005班刘刚 摘要:机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法,能从众多的设计方案中找出最佳方案,从而大大提高设计效率和质量。本文系统介绍了机械优化设计的研究内容及常规数学模型建立的方法,同时本文通过应用实例列举出了MATLAB 在工程上的应用。 关键词:机械优化设计;应用实例;MATLAB工具箱;优化目标 优化设计是20世纪60年代随计算机技术发展起来的一门新学科, 是构成和推进现代设计方法产生与发展的重要内容。机械优化设计是综合性和实用性都很强的理论和技术, 为机械设计提供了一种可靠、高效的科学设计方法, 使设计者由被动地分析、校核进入主动设计, 能节约原材料, 降低成本, 缩短设计周期, 提高设计效率和水平, 提升企业竞争力、经济效益与社会效益。国内外相关学者和科研人员对优化设计理论方法及其应用研究十分重视, 并开展了大量工作, 其基本理论和求解手段已逐渐成熟。 国内优化设计起步较晚, 但在众多学者和科研人员的不懈努力下, 机械优化设计发展迅猛, 在理论上和工程应用中都取得了很大进步和丰硕成果, 但与国外先进优化技术相比还存在一定差距, 在实际工程中发挥效益的优化设计方案或设计结果所占比例不大。计算机等辅助设备性能的提高、科技与市场的双重驱动, 使得优化技术在机械设计和制造中的应用得到了长足发展, 遗传算法、神经网络、粒子群法等智能优化方法也在优化设计中得到了成功应用。目前, 优化设计已成为航空航天、汽车制造等很多行业生产过程的一个必须且至关重要的环节。 一、机械优化设计研究内容概述 机械优化设计是一种现代、科学的设计方法, 集思考、绘图、计算、实验于一体, 其结果不仅“可行”, 而且“最优”。该“最优”是相对的, 随着科技的发展以及设计条件的改变, 最优标准也将发生变化。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化, 要求人们根据事物的客观规律, 在一定的物质基和技术条件下充分发挥人的主观能动性, 得出最优的设计方案。 优化设计的思想是最优设计, 利用数学手段建立满足设计要求优化模型; 方法是优化方法, 使方案参数沿着方案更好的方向自动调整, 以从众多可行设计方案中选出最优方案; 手段是计算机, 计算机运算速度极快, 能够从大量方案中选出“最优方案“。尽管建模时需作适当简化, 可能使结果不一定完全可行或实际最优, 但其基于客观规律和数据, 又不需要太多费用, 因此具有经验类比或试验手段无可比拟的优点, 如果再辅之以适当经验和试验, 就能得到一个较圆满的优化设计结果。 传统设计也追求最优结果, 通常在调查分析基础上, 根据设计要求和实践
人字架的优化设计 一、问题描述 如图1所示的人字架由两个钢管组成,其顶点受外力2F=3×105N 。已知人字架跨度2B=152 cm,钢管壁厚T=0.25cm,钢管材料的弹性模量E=2.15 10? MPa ,材料密度p=7.8×103 kg /m ,许用压应力δy =420 MPa 。求钢管压应力δ不超过许用压应力 δy 和失稳临界应力 δc 的条件下,人字架的高h 和钢管平均直径D 使钢管总质量m 为最小。 二、分析 设计变量:平均直径D 、高度h 三、数学建模 所设计的空心传动轴应满足以下条件: (1) 强度约束条件 即 δ≤?? ????y δ 经整理得 ( ) []y hTD h B F δπ≤+2 122 (2) 稳定性约束条件: []c δδ≤ ( ) ( ) ( ) 2 22 222 122 8h B D T E hTD h B F ++≤+ππ (3)取值范围:
12010≤≤D 1000200≤≤h 则目标函数为:()22 13 57760010 5224.122min x x x f +?=- 约束条件为:0420577600106)(2 12 2 41≤-+?=x Tx x X g π () 057760025.63272.259078577600106)(2 2 212 12 2 42≤++-+?= X x x x Tx x g π010)(13≤-=x X g 0120)(14≤-=x X g 0200)(25≤-=x X g 01000)(26≤-=x X g 四、优化方法、编程及结果分析 1优化方法 综合上述分析可得优化数学模型为:()T x x X 21,=;)(min x f ;()0..≤x g t s i 。 考察该模型,它是一个具有2个设计变量,6个约束条件的有约束非线性的单目标最优化问题,属于小型优化设计,故采用SUMT 惩罚函数内点法求解。 2方法原理 内点惩罚函数法简称内点法,这种方法将新目标函数定义于可行域内,序列迭代点在可行域内逐步逼近约束边界上的最优点。内点法只能用来求解具有不等式约束的优化问题。 对于只具有不等式约束的优化问题
燕山大学机械优化设计论文 专业:12机械工程 班级:工学部1班 学号: 姓名: 2012年12月05日
摘 要: 机械优化设计是将最优化原理和计算技术应用于设计领域,为工程设计提供一种重要的科学设计方法。机械优化设计包括建立优化设计问题的数学模型和选择恰当的优化方法与程序两方面的内容。由于机械优化设计是应用数学方法寻求机械设计的最优方案,所以首先要根据实际的机械设计问题建立相应的数学模型,即用数学形式来描述实际设计问题。在建立数学模型时,需要用专业知识确定设计的限制条件和所追求的目标,确立各设计变量之间的相互关系等。机械优化设计问题的数学模型可以是解析式,实验数据或经验公式。虽然它们给出的形式不同,但都是反应设计变量之间的数量关系的。MATLAB 是目前国际上最流行的科学与工程计算的软件工具, 它具有强大的数值分析、矩阵运算、信号处理、图形显示、模拟仿真和最优化设计等功能。本文用MATLAB 来解决机械设计中的几个常见的问题。 关键词:MATLAB ;优化;机械设计;软件 1 引 言 近年来发展起来的计算机辅助设计,在引入优化设计方法后,使得在设计过程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案,又可以加快设计速度,缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新日益缩短的今天,把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来,使设计过程完全自动化,已成为设计方法的一个重要趋势。 2 采用MATLAB 软件进行优化设计 2.1.问题描述: 求3682+-=t t f 的最优解 2.1.1规划模型的建立: 目标函数 36102+-=t t f 约束条件 无约束 2.1.2对应的程序: clc clear syms t f=t^2-10*t+36; x1=0; h=2; f1=subs(f,x1);
浅析机械优化设计方法基本理论 【摘要】在机械优化设计的实践中,机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法,能从众多的设计方案中找出最佳方案,从而大大提高设计的效率和质量。每一种优化方法都是针对某一种问题而产生的,都有各自的特点和各自的应用领城。在综合大量文献的基础上,总结机械优化设计的特点,着重分析常用的机械优化设计方法,包括无约束优化设计方法、约束优化设计方法、基因遗传算方法等并提出评判的主 要性能指标。 【关键词】机械;优化设计;方法特点;评价指标 一、机械优化概述 机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的一门科学,它包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状的优化设计等诸多内容。该领域的研究和应用进展非常迅速,并且取得了可观的经济效益,在科技发达国家已将优化设计列为科技人员的基本职业训练项目。随着科技的发展,现代化机械优化设计方法主要以数学规划为核心,以计算机为工具,向着多变量、多目标、高效率、高精度方向发展。]1[ 优化设计方法的分类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。按目标函数的多少,可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法按维数,可分为一维优化设计方法和多维优化设计方法按约束情况,可分为无约束优化设计方法和约束优化设计方法按寻优途径,可分为数值法、解析法、图解法、实验法和情况研究法按优化设计问题能否用数学模型表达,可分为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。 1.1 设计变量 设计变量是指在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数,在优化过程中,这些参数就是自变量,一旦设计变量全部确定,设计方案也就完全确定了。设计变量的数目确定优化设计的维数,设计变量数目越多,设计空间的维数越大。优化设计工作越复杂,同时效益也越显著,因此在选择设计变量时。必须兼顾优化效果的显著性和优化过程的复杂性。
机械优化设计——复合形方法及源程序 (一) 题目:用复合形法求约束优化问题 ()()()2221645min -+-=x x x f ;0642 2211≤--=x x g ;01013≤-=x g 的最优解。 基本思路:在可行域中构造一个具有K 个顶点的初始复合形。对该复合形各顶点的目标函数值进行比较,找到目标函数值最大的顶点(即最坏点),然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行的新点,并用此点代替最坏点,构成新的复合形,复合形的形状每改变一次,就向最优点移动一步,直至逼近最优点。 (二) 复合形法的计算步骤 1)选择复合形的顶点数k ,一般取n k n 21≤≤+,在可行域内构成具有k 个顶点的初始复合形。 2)计算复合形个顶点的目标函数值,比较其大小,找出最好点x L 、最坏点x H 、及此坏点x G .. 3)计算除去最坏点x H 以外的(k-1)个顶点的中心x C 。判别x C 是否可行,若x C 为可行点,则转步骤4);若x C 为非可行点,则重新确定设计变量的下限和上限值,即令C L x b x a ==,,然后转步骤1),重新构造初始复合形。 4)按式()H C C R x x x x -+=α计算反射点x R,必要时改变反射系数α的值,直至反射成功,即满足式()()()()H R R j x f x f m j x g ?=≤;,2,1,0,。然后x R以取代x H,构成新的复合形。 5)若收敛条件()()[] ε≤?? ? ?????--∑=2 1 1211k j L j x f x f k 得到满足,计算终止。约束最优解为:() ()L L x f x f x x ==*,*。 (三) 复合形法程序框图见下图:
优化设计案例分析 优化设计是在给定的设计指标和限制条件下,运用最优化原理和方法,在电子计算机上进行自动调优计算,从而选定出最优设计参数,使设计指标达到最优值。该最优设计参数就是一个最优设计方案。所谓设计指标,就机械设计而言,一般是指重量轻、能耗小、刚性大、成本低等;所谓限制条件,是指强度要求、刚度要求、尺寸范围要求等。 设计变量选择 一个设计方案可以用一组基本参数的数值来表示,这些基本参数可以是构件尺寸等几何量,也可以是质量等物理量,还可以是应力、变形等表示工作性能的导出量。在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立的基本参数,称作设计变量,又叫做优化参数。在充分了解设计要求的基础上,根据各设计参数对目标函数的影响程度分析其主次,尽量减少设计变量的数目,以简化优化设计问题。注意各设计变量应相互独立,避免耦合情况的发生,否则会使目标函数出现“山脊”或“沟谷”,给优化带来困难。 目标函数与约束的确定 对于一般机械,可按重量最轻或体积最小建立目标函数;对应力集中现象突出的构件,以应力集中系数最小为目标;对精密仪器,应按其精度最高或误差最小的要求建立目标函数。约束条件是就工程设计本身而提出的对设计变量取值范围的限制条件,目前尚无一套完整的评价方法来检验哪些约束是必须,哪些约束是可忽略的,通常是凭经验取舍,不可避免会带来模型和现实系统的不相吻合。在最优化设计问题中,可以只有一个目标函数,称为单目标函数。当在同一设计中要提出多个目标函数时,这种问题称为多目标函数的最优化问题。在一般的机械最优化设计中,多目标函数的情况较多。目标函数愈多,设计的综合效果愈好,但问题的求解亦愈复杂。对于复杂的问题,要建立能反映客观工程实际的、完善的数学模型往往会遇到很多困难,有时甚至比求解更为复杂。这时要抓住关键因素,适当忽略不重要的成分,使问题合理简化,以易于列出数学模型,这样不仅可节省时间,有时也会改善优化结果。 数学模型确立 数学模型越精确,设计变量越多,维数越大,建模越复杂,优化进程越慢;但数学模型忽略过多元素,则难以确切凸现结构的特殊之处。故要结合工程实际和优化设计经验,把握与研究目标相关程度大的因素,尽可能的建立确切、简洁的数学模型。然后通过基于统计理论的检验方法———t 检验/F 检验/ X2检验/ 拟合优度检验等,分析模型的置信区间,对模型有效性进行评价,提高模型的准确度。 下面以机票销售策略案例进行说明 某航空公司每天有三个航班服务于A, B, C, H四个城市,其中城市H是可供转机使用的, 三个航班的出发地-目的地分别为AH, HB, HC,可搭乘旅客的最大数量分别为120人, 100人, 110人, 机票的价格分头等舱和经济舱两类. 经过市场调查,公司销售部得到了每天旅客的相关信息, 见表1. 该公司应该在每条航线上分别分配多少头等舱和经济舱的机票?