机械优化设计是建立在近代应用数学、物理学、应用化学、应用力学和材料学和计算机程序设计之上的，是解决复杂设计问题的一种有效工具。②选择适当的优化方法，编写优化程序。以上所述的优化进程所需重视的问题主要是针对优化软件的专门研制领域的，且优化设计工作者可据实际需求选择最合适的方法，较灵活的改变和组合各类设计思路，但这对设计者的综合优化理论知识背景要求较高。
关键词：机械优化设计，优化方法，优化软件

　　机械设计是机械工程的重要组成部分，是决定机械性能最主要的因素。科技论文。从工程设计基础和目标上可将设计分为：新型设计(开发性设计)、继承设计、变型设计(基于标准型的修改)。所谓新型设计，即应用成熟的科学技术或经过实验证明可行的新技术，设计未曾有过的新型机械，主要包括功能设计和结构设计，是机械设计发展的方向所在，然而贯穿其中的关键环节即是设计的方法和实现的手段。人类一直都在不断探索新方法和新设计理念。从17世纪前形成的直觉设计过渡到经验设计和传统设计，直到目前的现代设计[1]，从静态、经验、手工式的‘安全寿命可行设计’方法发展到动态、科学、计算机化、自动化的优化设计方法，已将科学领域内的实用方法论应用于工程设计中了。
　　1.机械优化设计应用
　　现代设计都是面向市场、实现功能及产品优势的设计。科技论文。创新设计、绿色设计、优化设计、可靠性设计等现代设计方法备受国内外机械设计领域的关注。而机械的优化设计，与机构设计、机械传动设计和机械强度评价共同组成了机械设计的内涵。机械优化设计是建立在近代应用数学、物理学、应用化学、应用力学和材料学和计算机程序设计之上的，是解决复杂设计问题的一种有效工具。机械优化设计是把机械设计与优化理论及方法密切结合起来去处理机械设计问题，工程实用价值大。
　　作者利用CNKI知识网络服务平台对中国期刊全文/中国优秀硕博学位论文/中国重要会议论文进行机械优化设计文献检索，根据不完全统计发现自1999年至今十年内我国科技工作者在此方面约3500篇论文发表，特别是从2002开始，机械优化设计的研究和应用工作更为的活跃，应用领域更加的广泛，涉及到航空航天、工程机械、通用机械与机床、水利、桥梁、船舶/汽车/铁路运输行业、通讯行业、轻工纺织、能源工业、军事工业、建筑机械、石油及石化行业、食品机械等诸多方面，主要处理那些具有复杂结构系统的设计，如飞机机身、飞机结构整体、火箭发动机壳体、航空发动机轮盘、潜艇结构、潜艇外部液压舱[2]、机器人等，或大规模的工程建设，如建筑、桥梁、石油钻井井架、大型水轮机结构等，或产量大的汽车车架/悬挂/车身、箱形梁结构、起重机、装载机、平面或空间桁架结构、各类减速器/制动器、圆锥/圆柱齿轮、连杆机构/凸轮机构、各类弹簧/轴承等。解决问题从减轻结构重量扩展到降低应力水平、改进结构静态/动态性能、提高全寿命周期和绿色创新元素添加等更多的方面。
　　2.机械优化设计基本思路
　　在保证基本机械性能的基础上，借助计算机，应用一些精度较高的力学/数学规划方法进行分析计算，让某项机械设计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（外观、形状、结构、重量、成本、承载能力、动力特性等）获得最优值。
　　机械优化设计的过程：①分析设计变量，提出目标函数，确定约束条件，建立优化设计的数学模型；②选择适当的优化方法，编写优化程序；③准备必须的初始数据并上机计算，对计算机求得的结果进行必要的分析。
　　近年来，随着数学规划理论的不断发展和工作站计算能力的不断挖掘，机械优化设计方法和手段都有非常大的突破。且优化设计思路不断的开阔，仿生学理论、基因遗传学理论和人工智能优化等现代设计理论的引入，都大大促进优化设计方法的更新和完善。文献[3~12]对机械优化设计方法进行了详尽的阐释或方法优劣描述，大致方法归类可如图1所示。
　　3.设计中值得重视的几个问题
　　优化设计工作中，针对具体设计问题是否选择了合适的优化方法，相应的计算程序是否有效，数学模型构造是否合理，能否充分反映实际间题且尽量简化，这些都直接关系到优化设计进程和机械设计结果。
　　(1)设计变量选择
　　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。应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。
　　(2)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。
　　(3)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/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。
(4)数学模型的尺度变换
　　因各设计变量、各目标函数、各约束函数表达意义的不同，将可能使得各自在量级上相差很大，从而导致在给定的搜索方向上各自的灵敏度差距也很大。灵敏度大的搜索变化快，灵敏度小的搜索变化慢。科技论文。为消除这种差别，可以对其进行重新标度。使它成为无量纲或规格化的设计变量，即进行目标函数尺度变换、设计变量尺度变换和约束函数的规格化，以提高优化进程，提高结果进度，加快收敛速度。
　　(5)优化程序中易忽略的问题
　　注意检验变量是否在函数定义域内，防止无效变量生成而导致优化计算失败；注意函数表达式中分母出现非常小或等于0情况的处理，避免数值溢出；用函数值的数值差分计算梯度，尽量避免函数与导数值之间的不一致性。
　　4.优化软件的应用
　　以上所述的优化进程所需重视的问题主要是针对优化软件的专门研制领域的，且优化设计工作者可据实际需求选择最合适的方法，较灵活的改变和组合各类设计思路，但这对设计者的综合优化理论知识背景要求较高。而对于通用机械，大批量生产的零部件的优化设计问题，更多的是考虑优化效率和快速的市场投入，从而针对普通设计的通用性较好的商业化优化软件也就应运而生。
　　随着商业化软件市场的逐步扩大，大型综合性强的优化软件更是具有广阔的发展前景。近十多年来，国内外不断开发和研制新的软件继承系统，扩大了软件的通用性和普及性。功能较强的软件通常包括：造型、绘图装配与零件设计、机构设计、有限元分析、注塑流场分析，数据交换与传输，加工等等，功能几乎涵盖设计和制造的全过程。
　　目前，机械优化领域应用较广的国外软件主要有。国内自行开发的软件如平面连杆机构优化设计程序(KOGEOP)/齿轮连杆机构优化设计程序近几年来，Ansys与matlab的应用尤为广泛，优化设计的领域也不断扩展，如文献[17～28]中，磁流变阻尼器磁路/飞机炮舱段结构/大跨度斜拉桥/汽车车架/水下结构声学/行星齿轮传动可靠性/圆柱齿轮或齿轮减速器/复杂机构运动/包装容器结构尺寸/整体法兰/潜艇耐压液舱结构/弹性双棘爪棘轮机构等。可见，软件已经很成熟的运用于通用机械设计中，这大量简化了设计优化的繁重数学建模和编程工作，加快了机械设计的进程。
　　5.未来前景
　　机械优化设计给机械工程界带来了巨大经济效益，随着技术更新和产品竞争的加剧，优化设计的发展前景非常的广阔。当今的优化正逐步的发展到多学科优化设计，充分利用了先进计算机技术和科学的最新成果。虚拟设计技术是发展到必然，仿真技术也将更加趋于协同化和系统化。
　　尚处于理论探索阶段的结构拓扑优化[29]、智能算法优化设计、结构动态性能优化设计、柔性机械优化[30]、绿色优化、可靠性稳健设计、基于仿生学/遗传学算法的优化设计、机械人性化设计和可持续性创新优化等都是未来机械优化设计的发展方向。
　　但我们仍需关注的是，在优化技术水平得到了提高的同时，国内机械加工或工艺水平、加工手段和制造技术也应配套提升才行，否则整体机械水平仍然将停滞不前。这不仅要加工技术的引进，更重要的是加工设备的性能提升，尤其是数控机床的加工水平。加强与国际技术发达国家的合作和交流，软硬件技术共同提升，以期达到机械设计-加工一体化的目标。

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