馬福全 張建華

【摘 ?要】機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)代設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要研究課題，更是機(jī)械領(lǐng)域中最優(yōu)化計(jì)算的實(shí)際反映。然而，當(dāng)代的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的可視化方法已無法滿足復(fù)雜工程對象設(shè)計(jì)的要求，所以將可視化技術(shù)引入到機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì);可視化;計(jì)算

引言

優(yōu)化設(shè)計(jì)作為機(jī)械領(lǐng)域一種重要的設(shè)計(jì)方法，伴隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法越來越先進(jìn)，與此同時(shí)，工程設(shè)計(jì)問題也越來越多，這些都極大的限制了實(shí)際工程生產(chǎn)。而借助計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，可視化設(shè)計(jì)方法的引進(jìn)，能夠?qū)⒊橄蟮臄?shù)字符號轉(zhuǎn)化成直觀的幾何圖形，極大的豐富了科學(xué)研究的過程，提高了機(jī)械生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)效率，成為了當(dāng)下機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的研究熱點(diǎn)，可以說研究可視化計(jì)算理論，建立可視化系統(tǒng)平臺，是現(xiàn)代機(jī)械生產(chǎn)優(yōu)化的必然趨勢。

1可視化優(yōu)化建模的基本理論

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)主要是采取形象設(shè)計(jì)方法，所有設(shè)計(jì)對象均是根據(jù)設(shè)計(jì)者的工作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并非以數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn)。如何將設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)化的方式表現(xiàn)，使設(shè)計(jì)者可以依據(jù)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)地評估每次的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這是值得所有機(jī)械設(shè)計(jì)工作人員不斷探索與研究的一個(gè)重要課題。開展機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，首先必須構(gòu)建優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)必須保證數(shù)據(jù)所描述產(chǎn)品的真實(shí)性;其次，針對所設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，不能為了追求細(xì)化而增加數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度，以免加大后續(xù)科學(xué)計(jì)算的難度。具體地，可從以下三方面對一個(gè)數(shù)學(xué)模型的好壞進(jìn)行評估。第一，設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量主要是指設(shè)計(jì)期間的參數(shù)，部分參數(shù)從完成數(shù)學(xué)模型構(gòu)建后便可確立，還有部分參數(shù)必須在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中結(jié)合現(xiàn)場的具體狀況確立，如產(chǎn)品的應(yīng)力、長度、截面尺寸等。針對不確定的變量，可采取可視化方法計(jì)算出與實(shí)際狀況最接近的值，即最優(yōu)值。第二，目標(biāo)函數(shù)。數(shù)學(xué)模型構(gòu)建過程中，目標(biāo)函數(shù)的選擇是較為重要的一個(gè)內(nèi)容，也是評估數(shù)學(xué)模型好壞的一個(gè)重要量化指標(biāo)。第三，約束函數(shù)。針對設(shè)計(jì)的方案必須制定某些約束條件，從而有效地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。機(jī)械設(shè)計(jì)的約束函數(shù)主要包括兩種：一是性能約束;二是邊界約束。性能約束主要是指設(shè)計(jì)的規(guī)范，性能約束函數(shù)的計(jì)算可借助機(jī)械學(xué)、幾何學(xué)以及物理學(xué)等基礎(chǔ)知識;邊界約束主要取決于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的剛度條件、震動(dòng)、強(qiáng)度條件以及穩(wěn)定性等。站在整體設(shè)計(jì)角度，不能過分追求性能約束與邊界約束的范圍，否則會(huì)陷入無限循環(huán)計(jì)算中。

2機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中可視化方法應(yīng)用的必要性分析

可視化歸屬于計(jì)算方法的范疇，其能夠借助圖形對相關(guān)的物理現(xiàn)象進(jìn)行描述，可使模型中的數(shù)學(xué)符號轉(zhuǎn)化為各種幾何圖形，由此能使數(shù)據(jù)的表達(dá)更加直觀、形象，有助于設(shè)計(jì)人員對計(jì)算過程進(jìn)行模擬和交互控制。在傳統(tǒng)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員通常需要完成如下操作：對設(shè)計(jì)中變量的個(gè)數(shù)進(jìn)行確定，依托優(yōu)化問題構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，據(jù)此進(jìn)行主程序的編制，并在主程序中選取包含優(yōu)化方法的子程序，最后運(yùn)行程序獲得最優(yōu)解。在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中采用的都是這種方法。然而，通過實(shí)際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，該方法存在諸多的不足之處。比如，編寫完的程序需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)試后才能使用，整個(gè)過程的工作量相對較大，耗時(shí)長，不利于效率的提升;又如，無法實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，致使設(shè)計(jì)人員不能實(shí)時(shí)了解優(yōu)化的進(jìn)展程度。近年來，隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備從最初簡單的機(jī)器，變成了集光、機(jī)、電、液等多種先進(jìn)于一身的產(chǎn)品，如果在機(jī)械設(shè)計(jì)中，仍然使用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，極有可能導(dǎo)致最終的設(shè)計(jì)無法滿足實(shí)際需求。鑒于此，在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中對可視化方法進(jìn)行合理應(yīng)用顯得尤為必要。

3可視化方法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

可視化的實(shí)現(xiàn)過程模型、計(jì)算過程及結(jié)果是優(yōu)化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，所以可視化的方法應(yīng)用，需要實(shí)現(xiàn)這三個(gè)環(huán)節(jié)的可視化。

3.1模型可視化

在可視化方法中，一個(gè)完整的數(shù)學(xué)模型應(yīng)當(dāng)至少包括兩類函數(shù)，即目標(biāo)與約束。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際需要，對輸入的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行增加或是刪除，當(dāng)所輸入的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到要求之后，可通過點(diǎn)擊界面中的確定按鈕來完成輸入。而數(shù)學(xué)模型中的約束函數(shù)即約束條件，它的輸入與目標(biāo)函數(shù)的方法基本相同，在此不進(jìn)行累述。輸入到數(shù)學(xué)模型中的函數(shù)全部都是以字符串的形式存在，需要將它們轉(zhuǎn)化為可被計(jì)算機(jī)識別的圖形，進(jìn)而完成模型可視化。

3.2計(jì)算過程可視化

按照具體的設(shè)計(jì)問題，設(shè)置初始參數(shù)，當(dāng)所有的參數(shù)輸入完畢之后，設(shè)計(jì)人員可以點(diǎn)擊界面中的確定按鈕，進(jìn)入優(yōu)化算法的選擇頁面，在該頁面當(dāng)中有多種參數(shù)設(shè)計(jì)選項(xiàng)，點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置進(jìn)行選取，再點(diǎn)擊確定便可進(jìn)入到優(yōu)化跟蹤頁面，最后點(diǎn)擊確定，即可開始優(yōu)化計(jì)算，此時(shí)設(shè)計(jì)人員可借助可視化軟件，繪制出迭代次數(shù)與目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系圖像，由此可直觀地看到增加函數(shù)值后的變化情況，若是優(yōu)化結(jié)果不符合要求，則可終止運(yùn)行，重新對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并進(jìn)行計(jì)算，直至達(dá)到最優(yōu)化的目標(biāo)為止。

3.3結(jié)果可視化

通過優(yōu)化計(jì)算得出的結(jié)果中包含以下內(nèi)容：初始數(shù)據(jù)值、迭代優(yōu)化數(shù)據(jù)值以及優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)值。在可視化的數(shù)學(xué)模型中，設(shè)計(jì)人員能夠直觀地看到這些數(shù)據(jù)值，由此可為進(jìn)一步的分析研究提供參考依據(jù)。點(diǎn)擊保存，可將優(yōu)化后的結(jié)果以數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中。

4可視化優(yōu)化軟件的關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要是優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)與零部件。現(xiàn)階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要分為以下兩種。第一，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的遺傳算法。在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中采取遺傳算法，在開始搜索最優(yōu)結(jié)果時(shí)，主要是先開始搜索多個(gè)點(diǎn)，然后持續(xù)開展適應(yīng)度的計(jì)算，淘汰掉適應(yīng)度較差的點(diǎn)或數(shù)據(jù)，從而得到最優(yōu)結(jié)果，而并非從某個(gè)點(diǎn)或某個(gè)數(shù)據(jù)著手。采取此種計(jì)算方法得到的點(diǎn)或數(shù)據(jù)更加趨近于最佳結(jié)果。第二，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的進(jìn)化策略。進(jìn)化策略是由最初的自然進(jìn)化模型發(fā)展而成的，在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中采取進(jìn)化策略，所獲得的結(jié)果主要取決于相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，其主要是通過重組與隨機(jī)變異數(shù)據(jù)獲得全新的數(shù)據(jù)，從而得到最優(yōu)的結(jié)果。對機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)而言，遺傳算法的設(shè)計(jì)思路等同于進(jìn)化策略方法。

結(jié)語

總而言之，若要將可視化方法有效地使用于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須借助強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)硬件和軟件設(shè)施。從目前的機(jī)械加工生產(chǎn)來看，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)人員必須充分掌握可視化方法的基礎(chǔ)與理論，努力學(xué)好、掌握好可視化技術(shù)，這樣才能在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中科學(xué)、恰當(dāng)?shù)厥褂每梢暬椒?，從而更快、更好地發(fā)展機(jī)械加工生產(chǎn)行業(yè)。

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（作者單位：沈陽遠(yuǎn)大智能高科機(jī)器人有限公司）