第五章優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

第五章優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)全壽命周期優(yōu)化概述優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法§5-1全壽命周期優(yōu)化概述

優(yōu)化設(shè)計(jì)（OptimalDesign）是從60年代初期開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的學(xué)科，它是最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用的結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計(jì)為工程設(shè)計(jì)提供了一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，在解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，它能從眾多的設(shè)計(jì)方案中找到盡可能完善的或最適宜的設(shè)計(jì)方案。最優(yōu)化技術(shù)最優(yōu)化技術(shù)，是優(yōu)化設(shè)計(jì)全過(guò)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(shè)計(jì)問(wèn)題的建模技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的求解技術(shù)。如何將一個(gè)實(shí)際的設(shè)計(jì)問(wèn)題抽象成一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，并建立起符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，這就是建模技術(shù)研究的主要內(nèi)容。實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題，經(jīng)抽象處理后建立起相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，接下來(lái)的任務(wù)是求解數(shù)學(xué)模型。

優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的求解技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)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(lái)，借助于計(jì)算機(jī)程序，一大批的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法（優(yōu)化設(shè)計(jì)方法），解決了許多實(shí)際的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。但至今還沒(méi)有任何一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法程序能求解全部的非線性規(guī)劃問(wèn)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(shí)，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(gè)方法程序和一些輔助程序組成的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法程序包或程序庫(kù)。最優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與發(fā)展1）最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面比較有效，對(duì)方案設(shè)計(jì)與選擇、決策等方面則無(wú)能為力。2）建模難度大，技術(shù)性高，數(shù)學(xué)模型描述能力低，數(shù)學(xué)模型誤差大。

3）方法程序的求解能力有限，難以處理復(fù)雜問(wèn)題和性態(tài)不好的問(wèn)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(shè)計(jì)、決策等優(yōu)化問(wèn)題的能力，在優(yōu)化方法中的參數(shù)選擇時(shí)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(duì)難以處理性態(tài)不好的問(wèn)題、難以求得全局最優(yōu)解等弱點(diǎn)，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(luò)法、模糊算法、小波變換法、分形幾何法等。

3）在數(shù)學(xué)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(jī)變量、模糊變量、非數(shù)值變量等，在建模方面，開(kāi)展了柔性建模和智能建模的研究。

現(xiàn)狀4）在研究對(duì)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(shè)計(jì),進(jìn)入到整體優(yōu)化,分步優(yōu)化、分部和分級(jí)優(yōu)化、并行優(yōu)化等，提出了覆蓋設(shè)計(jì)全過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想。方法研究的重點(diǎn)，從著重研究單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)入到著重研究多目標(biāo)問(wèn)題。

5）在最優(yōu)化方法程序設(shè)計(jì)研究中，一方面努力提高方法程序的求解能力和各個(gè)方法程序之間的互換性，研制方法程序包、程序庫(kù)等；另一方面大力改善優(yōu)化設(shè)計(jì)求解環(huán)境，開(kāi)展了優(yōu)化設(shè)計(jì)集成環(huán)境的研究，集成環(huán)境為設(shè)計(jì)者提供輔助建模工具、優(yōu)化設(shè)計(jì)前后處理模塊、可視化模塊、接口模塊等。現(xiàn)狀優(yōu)化設(shè)計(jì)將從傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)向廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)渡。廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)在基本理論上應(yīng)是常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論、人工智能、信息科學(xué)等多學(xué)科的綜合產(chǎn)物；在求解問(wèn)題的類型上有數(shù)值型和非數(shù)值型問(wèn)題，設(shè)計(jì)變量也可以有多種類型；在方法上應(yīng)是多種算法互補(bǔ)共存；在實(shí)現(xiàn)上應(yīng)是將多個(gè)方法、多個(gè)工具、多個(gè)軟件系統(tǒng)無(wú)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(shè)計(jì)集成環(huán)境。發(fā)展全系統(tǒng)優(yōu)化現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的系統(tǒng)性、綜合性和規(guī)?；瘜?dǎo)致設(shè)計(jì)模型的橫向擴(kuò)展。把研究對(duì)象由傳統(tǒng)優(yōu)化的簡(jiǎn)單零部件擴(kuò)展到復(fù)雜零部件、整機(jī)、系列產(chǎn)品和組合產(chǎn)品的整體優(yōu)化，由單學(xué)科領(lǐng)域的優(yōu)化發(fā)展到機(jī)、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(dǎo)致基于全性能的多目標(biāo)優(yōu)化。把優(yōu)化準(zhǔn)則由傳統(tǒng)優(yōu)化的單方面性能優(yōu)化擴(kuò)展到技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)性的綜合評(píng)估和優(yōu)化。技術(shù)上追求實(shí)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(dòng)態(tài)性能的組合優(yōu)化。稱為~。全設(shè)計(jì)過(guò)程優(yōu)化對(duì)產(chǎn)品壽命周期優(yōu)化的市場(chǎng)需求導(dǎo)致設(shè)計(jì)模型的縱向擴(kuò)展。把優(yōu)化范圍由傳統(tǒng)優(yōu)化的產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化擴(kuò)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(shè)計(jì)過(guò)程，進(jìn)而面向制造、經(jīng)銷(xiāo)、使用和用后處置的壽命周期設(shè)計(jì)過(guò)程。全壽命周期優(yōu)化§5-2優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法優(yōu)化

宏觀層面上的優(yōu)化包含技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)諸多因素尋求產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)的最佳效果價(jià)值系數(shù)是優(yōu)化的目標(biāo)創(chuàng)造思維是優(yōu)化方案產(chǎn)生的源泉評(píng)價(jià)決策是確定最佳方案的主要手段產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)內(nèi)容一、目標(biāo)與過(guò)程目標(biāo)：方案的價(jià)值系數(shù)：總體優(yōu)化的過(guò)程：確定優(yōu)化對(duì)象

優(yōu)化方案的建立

優(yōu)化方案的評(píng)選——功能——成本方案優(yōu)化法：以功能分析為基礎(chǔ)運(yùn)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(jià)值系數(shù)二、優(yōu)化對(duì)象的確定情報(bào)資料齊全

無(wú)需大量人力物力

牽涉面不廣優(yōu)

化

對(duì)

象總體方案優(yōu)化不能沒(méi)有重點(diǎn)應(yīng)選出優(yōu)化對(duì)象可以從六個(gè)方面考慮:考慮方面對(duì)象特點(diǎn)設(shè)計(jì)方面生產(chǎn)方面銷(xiāo)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(fù)雜

設(shè)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(fù)雜落后

燃料、動(dòng)力耗量大用戶意見(jiàn)大

產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈

產(chǎn)品市場(chǎng)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(duì)象（1）經(jīng)驗(yàn)分析法（2）綜合分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)入權(quán)重專家評(píng)分按加權(quán)總評(píng)分決策案例：某產(chǎn)品有A、B、C、D4個(gè)組成部分。經(jīng)過(guò)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(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)每一部分的技術(shù)水平，并根據(jù)6項(xiàng)指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品的不同工藝重要性賦予不同的權(quán)重2.從經(jīng)濟(jì)角度選擇優(yōu)化對(duì)象（1）成本百分比這種方法主要是根據(jù)產(chǎn)品部分費(fèi)用所占的總費(fèi)用的比重，選擇比重較大的作為優(yōu)化對(duì)象。這是一種定量方法，較易實(shí)行，但由于考慮了成本的一個(gè)因素，所以具有較大的片面性。選擇C項(xiàng)目作為優(yōu)化對(duì)象ABC成本/萬(wàn)元161720成本比例(%)303238利潤(rùn)/萬(wàn)元1587利潤(rùn)比例(%)502723指標(biāo)項(xiàng)目實(shí)例：

某企業(yè)有三個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目，它的成本和利潤(rùn)比例見(jiàn)下表：（2）ABC分類法這是由意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家帕萊托應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的方法發(fā)展而來(lái)。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(lái)選擇優(yōu)化分析對(duì)象。實(shí)例:某產(chǎn)品由10個(gè)零部件組成，試用ABC法進(jìn)行分類。

解：把各零部件從1到N編號(hào)，則有件8及10定為優(yōu)化對(duì)象零件編號(hào)10879426135成本比重(%)3928154333221累計(jì)比重(%)671914類別ABC第i個(gè)零件的成本比重＝—————————第i個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，選擇比率較大的作為優(yōu)化對(duì)象。下表中：功能比重＝項(xiàng)目功能得分/總功能得分成本比重＝項(xiàng)目成本/總成本功能成本平均比＝(功能比重+成本比重)/2實(shí)例:某項(xiàng)目的制造費(fèi)用主要用于機(jī)械、控制、軟件和監(jiān)測(cè)四個(gè)部分，為降低成本必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。監(jiān)測(cè)項(xiàng)功能與成本平均比最高，應(yīng)選為優(yōu)化對(duì)象項(xiàng)目功能得分功能比重(%)目前費(fèi)用/千元成本比重(%)功能成本平均比(%)選擇次序機(jī)械90281002526.52控制80255012.518.83軟件70225012.517.34監(jiān)測(cè)80252005037.513.從市場(chǎng)分析角度選擇優(yōu)化對(duì)象產(chǎn)品壽命周期法用戶評(píng)估法4.功能評(píng)價(jià)指數(shù)法(1)強(qiáng)制確定法，亦稱FD法先求出功能指數(shù)、成本指數(shù)和價(jià)值指數(shù)，根據(jù)價(jià)值指數(shù)選擇優(yōu)化對(duì)象。然后還可以按功能指數(shù)分配預(yù)計(jì)成本，求出成本降低指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)功能價(jià)值的最優(yōu)化。1）求功能指數(shù)式中：Fi為第i個(gè)環(huán)節(jié)的功能指數(shù)；

fi為第i個(gè)環(huán)節(jié)的累計(jì)得分；

n

為某個(gè)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(shí)成本3）求價(jià)值指數(shù)價(jià)值指數(shù)＝功能指數(shù)/成本指數(shù)式中：V

i為價(jià)值指數(shù)4）價(jià)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(duì)象Vi=0，說(shuō)明該環(huán)節(jié)沒(méi)有價(jià)值，可以合并或省去Vi>1,表明功能較重要，或是運(yùn)用了先進(jìn)技術(shù)使成本較低，若Vi值過(guò)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(guó)外經(jīng)驗(yàn)，Vi>3以上或Vi<0.5以下的，均可作為重點(diǎn)分析和改進(jìn)對(duì)象，即可選定為須優(yōu)化項(xiàng)目。5）確定目標(biāo)成本經(jīng)過(guò)價(jià)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(jì)算所得功能指數(shù)，重新分配現(xiàn)實(shí)成本。式中：Ci’為重新分配的現(xiàn)實(shí)成本6）新目標(biāo)成本可確定一個(gè)新的總控制成本CP，由此可得各環(huán)節(jié)新的目標(biāo)成本由此得成本降低幅度Ci?Ci0,它通過(guò)優(yōu)化予以實(shí)現(xiàn)案例：某方案有8個(gè)環(huán)節(jié)，已知各自的實(shí)現(xiàn)成本，現(xiàn)用FD法進(jìn)行分析。設(shè)Cp＝5000元。

（1）用“01”評(píng)分法進(jìn)行一對(duì)一比較：（2）已知的現(xiàn)實(shí)成本Ci。利用公式分別求得成本指數(shù)Cki和價(jià)值指數(shù)Vi。（3）求重新分配的現(xiàn)實(shí)成本和改進(jìn)后的目標(biāo)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(jià)值指數(shù)相同的對(duì)象，由于各自的成本指數(shù)及功能指數(shù)的絕對(duì)不同，因而可能對(duì)方案的實(shí)際影響由很大的差異。所以在選擇優(yōu)化對(duì)象時(shí)，不應(yīng)把價(jià)值指數(shù)相同的對(duì)象同等看待。而應(yīng)選擇對(duì)設(shè)計(jì)方案實(shí)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(yīng)作重點(diǎn)優(yōu)化對(duì)象現(xiàn)實(shí)成本、成本指數(shù)、價(jià)值指數(shù)表用理想?yún)^(qū)域確定優(yōu)化對(duì)象三、優(yōu)化方案的建立

情報(bào)是優(yōu)化方案建立的基礎(chǔ)價(jià)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(píng)價(jià)決策1.評(píng)價(jià)目標(biāo)樹(shù)（1）技術(shù)目標(biāo)（2）經(jīng)濟(jì)目標(biāo)（3）社會(huì)目標(biāo)技術(shù)性能、工藝性可靠性、自動(dòng)化程度成本、利潤(rùn)、投資額回報(bào)率、市場(chǎng)壽命國(guó)家政策、國(guó)際慣例資源、節(jié)能、環(huán)境污染圖目標(biāo)評(píng)價(jià)樹(shù)

目標(biāo):b1,b2,…子目標(biāo):b11,b12,b21,b22,b23,…加權(quán)系數(shù)：一階qi<1,∑qi=1二階qij<1,∑qij=qiq11b11q1b1q12b12q21b21q22b22q23b23q2b2b2.評(píng)分法評(píng)價(jià)電池0.5壽命0.3電壓0.2成本0.8性能電池評(píng)分線圖3.技術(shù)——經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法

技術(shù)價(jià)Wt

經(jīng)濟(jì)價(jià)WW

相對(duì)價(jià)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(duì)象，共提出三種方案,即：3排深溝球軸承,3排液體動(dòng)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(jì)價(jià)WHI—理想成本

Hi—實(shí)際成本相對(duì)價(jià)

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(píng)價(jià)法

今確定以計(jì)算管理系統(tǒng)為優(yōu)化對(duì)象，提出了購(gòu)買(mǎi)專用軟件，構(gòu)買(mǎi)通用軟件或自行開(kāi)發(fā)3中方案，投資必須控制在15萬(wàn)元以內(nèi)，15萬(wàn)元為中，低于15萬(wàn)元為優(yōu)，同時(shí)建立性能和周期等價(jià)目標(biāo)，以及相應(yīng)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(píng)價(jià)目標(biāo)樹(shù)專家按優(yōu)、中、差建立模糊評(píng)價(jià)矩陣在本例中K＝Q·R本案例方案I