机械优化设计第一章
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机械优化设计理论与方法多媒体教学系统主讲:黄文权2005.02.第一章基本概念与理论基础主要内容:1 优化设计的基本思想2 优化设计的应用及发展概况3 优化设计数学模型、基本术语4 优化设计理论的数学基础5 优化设计的求解方法及其收敛判定条件要求:1 掌握优化设计的基本思想、数学模型、基本术语、一般过程、求解方法及收敛判定条件、数学基础2 了解优化设计的应用及发展概况1.1优化设计概述优化设计(Optimal Design)是20世纪60年代发展起来的一门新学科,将最优化原理和计算技术应用于设计领域,为工程设计提供的一种重要的科学设计方法,是现代设计理论和方法的一个重要领域。
设计原则:参数(过程)最优设计设计手段:计算机及其程序设计方法:最优化数学方法设计内容:物理模型->数学模型->数学模型求解1.1.1机械优化设计基本思想一设计过程图1-1机械产品设计过程二传统设计到优化设计1传统设计方法:参照相同或相似产品进行估算、经验类比或试验分析准则:安全-寿命设计;破损-安全设计过程:主要由人工完成图1-2传统设计计算方法2机械优化设计方法:建立产品优化模型并在约束条件下应用最优化方法求最优解准则:单(多)目标最优化过程:主要由计算机完成图1-3优化设计计算方法三优化设计基本思想根据机械设计的一般理论、方法以及设计规范和行业标准等,把工程设计问题按照具体要求建立一个能体现设计问题的数学模型,然后采用最优化技术与计算机计算技术自动找出它的最优方案,使问题的解决在某种意义上达到无可争议的完善化。
即在规定的各种设计限制条件下,优选设计参数,使某项或几项设计指标获得最优值,解决设计方案参数的最佳选择问题。
四优化设计过程1优化设计过程2优化设计过程应用图1-5优化设计过程应用1.1.2优化设计发展状况一优化设计方法学以数学规划、数值解法为理论基础,计算机技术和计算技术为手段,结合设计方法学,逐步发展成为一门新兴学科。
第一章,原理和基本概念 优化问题的数学模型1,设计变量(变量矢量)2,约束条件(等式约束和不等式约束) 3,目标函数(评价函数) 4,优化问题的数学模型 设x=(x 1 x 2 … x n )T s.t. h k (x)=0,(k=1,2,…,l) g j (x)≤0,(j=1,2,…,m) 求min x ∈R f (x ) 第二章,数学基础 1,梯度和方向导数梯度:∇f x 0 = ∂f∂x1∂f ∂x 2 x0(f (x 1,x 2))多元:∇f x 0 =∂f ∂x 1⋮∂f ∂x n x(f (x 1,…,x n ))方向导数:∂f ∂d 1x0cos θ1+∂f∂d 2x0cos θ22,多元函数的泰勒公式二元函数f (x 1,x 2)在x 0(x 10,x 20)处的泰勒展开。
∆x 1=x 1-x 10;∆x 2=x 2-x 20。
f (x 1,x 2)=f (x 10,x 20)+∂f ∂x 1丨x 0∆x 1+∂f∂x 2丨x 0∆x 2+12[∂2f ∂x 12丨x 0∆x 12+2∂2f∂x1∂x 2丨x 0∆x 1∆x 2+∂2f ∂x 22丨x 0∆x 22]+…矩阵形式:f (x )=f (x 0)+ ∂f∂x1∂f∂x 2 x 0∆x 1∆x 2 +12 ∆x 1∆x 2∂2f ∂x 12∂2f ∂x 1∂x 2∂2f∂x 1∂x 2∂2f ∂x 22 ∆x1∆x 2+… = f (x 0)+∇f x 0 T ∆x +12∆x T G(x 0)∆x +… G 为海塞矩阵 3,无约束问题的一元函数在x=x 0处取极值:f‘ x 0 =0;二元函数在x 0=(x 10,x 20)处取极值的必要条件,∇f (x 0)=0; 二元函数在x 0=(x 10,x 20)处取极值的充分条件,G (x 0)正定。
4,凸集、凸函数、凸规划 凸集:一个点集(或区域),如果连接其中任意两点x 1,x 2的线段都全部包括包含在该集合内,就称该点集为凸集。