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文檔簡介
第五章優(yōu)化設計評價全壽命周期優(yōu)化概述優(yōu)化設計評價方法§5-1全壽命周期優(yōu)化概述
優(yōu)化設計(OptimalDesign)是從60年代初期開始發(fā)展起來的一門新的學科,它是最優(yōu)化技術和計算機計算技術在設計領域應用的結果。優(yōu)化設計為工程設計提供了一種重要的科學設計方法,在解決復雜設計問題時,它能從眾多的設計方案中找到盡可能完善的或最適宜的設計方案。最優(yōu)化技術最優(yōu)化技術,是優(yōu)化設計全過程中各種方法、技術的總稱。它主要包含兩部分內容:優(yōu)化設計問題的建模技術和優(yōu)化設計問題的求解技術。如何將一個實際的設計問題抽象成一個優(yōu)化設計問題,并建立起符合實際設計要求的優(yōu)化設計數學模型,這就是建模技術研究的主要內容。實際設計問題,經抽象處理后建立起相應的優(yōu)化設計數學模型,接下來的任務是求解數學模型。
優(yōu)化設計問題的求解技術優(yōu)化設計問題的求解方法很多,早期的方法有:試算法、表格法、圖解法和一元函數極值理論等。80年代以來,借助于計算機程序,一大批的數學規(guī)劃方法(優(yōu)化設計方法),解決了許多實際的優(yōu)化設計問題。但至今還沒有任何一個優(yōu)化設計方法程序能求解全部的非線性規(guī)劃問題。
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,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方法程序和一些輔助程序組成的優(yōu)化設計方法程序包或程序庫。最優(yōu)化設計的現狀與發(fā)展1)最優(yōu)化設計方法在參數優(yōu)化設計和結構優(yōu)化設計等方面比較有效,對方案設計與選擇、決策等方面則無能為力。2)建模難度大,技術性高,數學模型描述能力低,數學模型誤差大。
3)方法程序的求解能力有限,難以處理復雜問題和性態(tài)不好的問題,難以求得全局最優(yōu)解。
現狀為了提高最優(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,增加了最優(yōu)化方法中處理方案設計、決策等優(yōu)化問題的能力,在優(yōu)化方法中的參數選擇時借助專家系統(tǒng),減少了參數選擇的盲目性,提高了程序求解能力。
2)針對難以處理性態(tài)不好的問題、難以求得全局最優(yōu)解等弱點,發(fā)展了一批新的方法,如:模擬退火法、遺傳算法、人工神經網絡法、模糊算法、小波變換法、分形幾何法等。
3)在數學模型描述能力上,由僅能處理連續(xù)變量、離散變量,發(fā)展到能處理隨機變量、模糊變量、非數值變量等,在建模方面,開展了柔性建模和智能建模的研究。
現狀4)在研究對象上,從單一部分的、單一性能或結構的、分離的優(yōu)化設計,進入到整體優(yōu)化,分步優(yōu)化、分部和分級優(yōu)化、并行優(yōu)化等,提出了覆蓋設計全過程的優(yōu)化設計思想。方法研究的重點,從著重研究單目標優(yōu)化問題進入到著重研究多目標問題。
5)在最優(yōu)化方法程序設計研究中,一方面努力提高方法程序的求解能力和各個方法程序之間的互換性,研制方法程序包、程序庫等;另一方面大力改善優(yōu)化設計求解環(huán)境,開展了優(yōu)化設計集成環(huán)境的研究,集成環(huán)境為設計者提供輔助建模工具、優(yōu)化設計前后處理模塊、可視化模塊、接口模塊等。現狀優(yōu)化設計將從傳統(tǒng)的優(yōu)化設計向廣義優(yōu)化設計過渡。廣義優(yōu)化設計在基本理論上應是常規(guī)優(yōu)化設計理論、計算機科學、控制理論、人工智能、信息科學等多學科的綜合產物;在求解問題的類型上有數值型和非數值型問題,設計變量也可以有多種類型;在方法上應是多種算法互補共存;在實現上應是將多個方法、多個工具、多個軟件系統(tǒng)無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)化設計集成環(huán)境。發(fā)展全系統(tǒng)優(yōu)化現代機械產品的系統(tǒng)性、綜合性和規(guī)?;瘜е略O計模型的橫向擴展。把研究對象由傳統(tǒng)優(yōu)化的簡單零部件擴展到復雜零部件、整機、系列產品和組合產品的整體優(yōu)化,由單學科領域的優(yōu)化發(fā)展到機、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致基于全性能的多目標優(yōu)化。把優(yōu)化準則由傳統(tǒng)優(yōu)化的單方面性能優(yōu)化擴展到技術性、經濟性和社會性的綜合評估和優(yōu)化。技術上追求實現目的性能、約束性能、使用性能和結構性能的綜合優(yōu)化;結構上追求靜態(tài)性能和動態(tài)性能的組合優(yōu)化。稱為~。全設計過程優(yōu)化對產品壽命周期優(yōu)化的市場需求導致設計模型的縱向擴展。把優(yōu)化范圍由傳統(tǒng)優(yōu)化的產品技術設計階段的優(yōu)化擴展到包含功能、原理方案和參數、結構方案、參數和形狀,以及工藝和公差優(yōu)化的全設計過程,進而面向制造、經銷、使用和用后處置的壽命周期設計過程。全壽命周期優(yōu)化§5-2優(yōu)化設計評價方法優(yōu)化
宏觀層面上的優(yōu)化包含技術、經濟、社會諸多因素尋求產品總體設計的最佳效果價值系數是優(yōu)化的目標創(chuàng)造思維是優(yōu)化方案產生的源泉評價決策是確定最佳方案的主要手段產品總體設計內容一、目標與過程目標:方案的價值系數:總體優(yōu)化的過程:確定優(yōu)化對象
優(yōu)化方案的建立
優(yōu)化方案的評選——功能——成本方案優(yōu)化法:以功能分析為基礎運用創(chuàng)造技巧最大程度降低成本努力提高功能尋求最大價值系數二、優(yōu)化對象的確定情報資料齊全
無需大量人力物力
牽涉面不廣優(yōu)
化
對
象總體方案優(yōu)化不能沒有重點應選出優(yōu)化對象可以從六個方面考慮:考慮方面對象特點設計方面生產方面銷售方面質量方面效果方面難易方面環(huán)節(jié)多,結構復雜
設備性能落后,生產技術落后
原材料貴重,消耗量大產品產量大
工藝復雜落后
燃料、動力耗量大用戶意見大
產品市場競爭激烈
產品市場趨于飽和產品返修率高
次品率、廢品率高
產品賠償率,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.從技術角度選擇優(yōu)化對象(1)經驗分析法(2)綜合分析法確定評價指標計入權重專家評分按加權總評分決策案例:某產品有A、B、C、D4個組成部分。經過企業(yè)有關人士的分析,決定以可靠性、操作性、維修性、工藝性、生產效率和安全性等6項指標來評價每一部分的技術水平,并根據6項指標對產品的不同工藝重要性賦予不同的權重2.從經濟角度選擇優(yōu)化對象(1)成本百分比這種方法主要是根據產品部分費用所占的總費用的比重,選擇比重較大的作為優(yōu)化對象。這是一種定量方法,較易實行,但由于考慮了成本的一個因素,所以具有較大的片面性。選擇C項目作為優(yōu)化對象ABC成本/萬元161720成本比例(%)303238利潤/萬元1587利潤比例(%)502723指標項目實例:
某企業(yè)有三個產品項目,它的成本和利潤比例見下表:(2)ABC分類法這是由意大利經濟學家帕萊托應用數理統(tǒng)計分析的方法發(fā)展而來。它根據不同零部件(或生產環(huán)節(jié))的局部成本所占總成本比重大小來選擇優(yōu)化分析對象。實例:某產品由10個零部件組成,試用ABC法進行分類。
解:把各零部件從1到N編號,則有件8及10定為優(yōu)化對象零件編號10879426135成本比重(%)3928154333221累計比重(%)671914類別ABC第i個零件的成本比重=—————————第i個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準,選擇比率較大的作為優(yōu)化對象。下表中:功能比重=項目功能得分/總功能得分成本比重=項目成本/總成本功能成本平均比=(功能比重+成本比重)/2實例:某項目的制造費用主要用于機械、控制、軟件和監(jiān)測四個部分,為降低成本必須對其進行優(yōu)化。監(jiān)測項功能與成本平均比最高,應選為優(yōu)化對象項目功能得分功能比重(%)目前費用/千元成本比重(%)功能成本平均比(%)選擇次序機械90281002526.52控制80255012.518.83軟件70225012.517.34監(jiān)測80252005037.513.從市場分析角度選擇優(yōu)化對象產品壽命周期法用戶評估法4.功能評價指數法(1)強制確定法,亦稱FD法先求出功能指數、成本指數和價值指數,根據價值指數選擇優(yōu)化對象。然后還可以按功能指數分配預計成本,求出成本降低指標,以實現功能價值的最優(yōu)化。1)求功能指數式中:Fi為第i個環(huán)節(jié)的功能指數;
fi為第i個環(huán)節(jié)的累計得分;
n
為某個方案的環(huán)節(jié)數。2)求成本指數式中:Cki為成本指數
Ci為各環(huán)節(jié)的現實成本3)求價值指數價值指數=功能指數/成本指數式中:V
i為價值指數4)價值指數分析
根據Vi的不同數值,做如下分析:Vi=1,即功能與成本所占比重一致,屬非優(yōu)化對象Vi=0,說明該環(huán)節(jié)沒有價值,可以合并或省去Vi>1,表明功能較重要,或是運用了先進技術使成本較低,若Vi值過大,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
根據國外經驗,Vi>3以上或Vi<0.5以下的,均可作為重點分析和改進對象,即可選定為須優(yōu)化項目。5)確定目標成本經過價值分析,可發(fā)現有些環(huán)節(jié)的功能與成本之間不協(xié)調,需根據計算所得功能指數,重新分配現實成本。式中:Ci’為重新分配的現實成本6)新目標成本可確定一個新的總控制成本CP,由此可得各環(huán)節(jié)新的目標成本由此得成本降低幅度Ci?Ci0,它通過優(yōu)化予以實現案例:某方案有8個環(huán)節(jié),已知各自的實現成本,現用FD法進行分析。設Cp=5000元。
(1)用“01”評分法進行一對一比較:(2)已知的現實成本Ci。利用公式分別求得成本指數Cki和價值指數Vi。(3)求重新分配的現實成本和改進后的目標成本,最終看出優(yōu)化后成本的降低幅度。(2)理想區(qū)域法此方法是日本田中教授提出的。思路:價值指數相同的對象,由于各自的成本指數及功能指數的絕對不同,因而可能對方案的實際影響由很大的差異。所以在選擇優(yōu)化對象時,不應把價值指數相同的對象同等看待。而應選擇對設計方案實際影響大的環(huán)節(jié)基本原理案例B、D環(huán)節(jié)都在理想區(qū)域之外應作重點優(yōu)化對象現實成本、成本指數、價值指數表用理想區(qū)域確定優(yōu)化對象三、優(yōu)化方案的建立
情報是優(yōu)化方案建立的基礎價值分析是優(yōu)化方案建立的步驟創(chuàng)新是優(yōu)化方案建立的根本四、評價決策1.評價目標樹(1)技術目標(2)經濟目標(3)社會目標技術性能、工藝性可靠性、自動化程度成本、利潤、投資額回報率、市場壽命國家政策、國際慣例資源、節(jié)能、環(huán)境污染圖目標評價樹
目標:b1,b2,…子目標:b11,b12,b21,b22,b23,…加權系數:一階qi<1,∑qi=1二階qij<1,∑qij=qiq11b11q1b1q12b12q21b21q22b22q23b23q2b2b2.評分法評價電池0.5壽命0.3電壓0.2成本0.8性能電池評分線圖3.技術——經濟評價法
技術價Wt
經濟價WW
相對價方案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)化對象,共提出三種方案,即:3排深溝球軸承,3排液體動壓軸承,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使用經濟價WHI—理想成本
Hi—實際成本相對價
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4.模糊評價法
今確定以計算管理系統(tǒng)為優(yōu)化對象,提出了購買專用軟件,構買通用軟件或自行開發(fā)3中方案,投資必須控制在15萬元以內,15萬元為中,低于15萬元為優(yōu),同時建立性能和周期等價目標,以及相應的加權系數。管理系統(tǒng)0.2投資0.55性能0.25周期管理系統(tǒng)的評價目標樹專家按優(yōu)、中、差建立模糊評價矩陣在本例中K=Q·R本案例方案I
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