08任务书开题报告.doc

题 目
机械设计中的离散变量优化问题研究
学生姓名

学 号

专业班级

指导教师

职 称

教 研 室
机械
毕业设计（论文）任务与要求
机械优化设计作为现代设计理论和方法的重要内容之一，广泛应用于机电产品的生命周期的各个阶段，已经产生重大的意义和效益。离散变量问题在机械优化设计领域普遍存在，优化方法不同于连续变量问题。在介绍离散变量优化方法基础之上，针对具体的工程实例，选择相应的算法和软件,得到满意可靠的结果。
建立工程实例的优化模型，选择离散变量优化算法，通过相应优化软件，实现相应的功能。同时翻译相关的英语科技文献。

毕业设计（论文）工作进程
起止时间
工作内容
第1-3周

第4-6周

第7-8周

第9周

第10-13周

第14-15周

第16周
查阅资料，理清思路，明确要求。学习MATLAB软件和优化设计理论。

学习机械优化设计离散变量优化算法。

针对具体的工程实例，建立数学模型。

利用MATLAB软件，实现算法。

整理资料，完成和修改论文。

论文定稿，准备答辩。

答辩。
开始日期 2012年1月10 日 完成日期 2012年5月10日
教研室主任（签字） 系主任（签字）

题 目
机械设计中离散变量优化问题的研究
学生姓名

学 号

专业名称
机械设计制造及其自动化
指导教师

开题时间
2012.2
班 级

一、 选题目的和意义
在近代科学技术中，最优化已作为分析复杂问题时所依据的原则，最优化指通常在多种因素下的令人满意的最恰当、最适宜的值，在某些情况下也可以用最大值或最小值来代替最优值。最优化的概念是相对的。
传统的机械设计过程，一般需要经过调查分析、方案拟定、技术设计、零件工作图绘制等环节。传统设计方法通常在调查分析的基础上，参照同类产品通过估算、经验类比或试验来确定出设计方案。然后，根据初始设计方案的设计参数进行强度、刚度、稳定性等性能分析计算，检查各性能是否满足设计指标的要求。整个传统设计过程就是人工试凑和定性分析比较的过程,凭借经验或直观判断对参数进行修改，并不是根据某种理论精确计算出来的。优化设计与传统相比具有以下优点:采用了最优化的思想和策略;建立了一个能正确反映工程设计问题的数学模型；用高速计算机寻求最佳方案。传统设计方法只是被动重复分析性能，而非主动设计参数。并没有体现“设计”的含义。
机械优化设计包括建立优化设计问题的数学模型和选择恰当的优化方法与程序两方面内容。由于机械优化设计时应用数学方法寻求机械设计的最优方案，所以首先要根据实际的机械设计问题建立相应的数学模型，数学模型一旦建立，机械优化设计问题就变成一个数学求解问题。应用数学规划的理论，根据数学模型的特点，选择适当的优化方法，进而可以选取或自行编制计算机程序，以计算机作为工具球的最佳设计参数。
机械优化设计的解决是一谈机械优化的定义分类，过程产生的意义
个系统任务，全过程一般可包括为：1.根据设计要求和目的定义优化设计问题；2.建立优化设计问题的数学模型；3.选用合适的优化设计方法；4.确定必要的数据和设计初始点；5.编写包括数学模型和优化算法的计算机程序，通过计算机求解计算获取最优结构参数；6.对结果数据和设计方案进行合理性和实用性分析。
建立数学模型包括以下三个要素：1.设计变量，即在优化过程中逐步调整，最后达到最优值的独立参数，其个数就是优化设计的维数。1.目标函数，反映设计便量间的相互关系，可以用来评价方案的好坏，根据其个数，优化设计问题可分为单目标和多目标优化问题。3.约束条件，是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件。优化设计的最终实现过程是在计算机软件上进行的。优化设计数学模型是用数学的形式表示设计问题的特征和追求的目的，反映了设计指标和各个主要影响因素间的依赖关系。他是获得正确优化结果的前提。
针对优化涉及数学模型要素的不同可将设计方法分类为：1.按约束情况可分为无约束优化设计方法和由约束优化设计方法。2.按维数可分为一位优化设计方法和多维优化设计方法。3.按目标函数的多少可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法。4.按寻优途径，可分为数值法、解析法、图解法、实验法和情况研究法。5.按优化问题能否用数学模型表达，可分为能用数学模型表达的优化问题和难以用数学模型表达的优化问题。加上离散和连续

离散变量优化问题算法可分为：1.以连续变量为基础的优化方法（拟离散法、离散惩罚函数法）。2.离散变量搜索方法（离散复合型法）。3.分支定界法。4.离散变量型网格法（离散变量型普通网格法、离散变量型正交网格法）。5.离散变量的组合型法。连续变量优化问题的算法可分为：1.一维搜索方法。2.无约束优化方法（梯度、牛顿型方法、共轭梯度法、变尺度法、坐标轮换法和鲍威尔法）。3.约束优化方法（随即方向法、复合型、可行方向法、惩罚函数法、增广乘子法、线性逼近法、二次规划法）。分别介绍离散和连续算法概述
4.线性规划（单纯形方法、修正单纯型法）。

本课题是研究机械优化设计中的离散问题，完成用相应的算法和软件对具体工程实例进行优化设计。通过对该课题的研究，了解离散变量优化问题并运用所学知识完成设计。本课题重点在于离散变量优化的算法以及MATLAB软件的应用，设计时需按具体的工程实例选择相应的算法按照具体情况，从各方面参数进行综合分析和对比，最后得到最优化方案。离散变量是指在规定的变量界限内，只能从有限个离散值或整数值中取值的一种变量。由于离散变量问题在机械优化设计领域普遍存在，故研究离散变量的优化方法是非常必要的。
二、 本课题在国内外的研究状况及发展趋势
在国内，机械优化设计在现代设计产品中经济效果还是很显著地。例如：对某大型一级减速器，优化设计结果使其重量减轻12%，另外对各种机构进行优化设计后，其性能，精度都有显著改善。目前，国内的机械优化设计已开始由零部件和机构的设计转向系统或整机设计。总之，近十几年来的机械优化发展给机械工程带来很大效益，对进一步提高机械产品质量，降低成本，缩短产品周期等方面产生深刻影响。
在国外，早在二十世纪五十年代以前，工程设计问题的最佳决策还只限于古典数学中的微分法和变分法，或用拉格朗日乘系法解决等式约束问题，随后发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支，为优化设计奠定了理论基础。二十世纪六十年代电子计算机和计算技术的发展为优化设计提供了强有力的手段。直到七十年代前后，特别是Dantzing提出大型线性规划技术后，使得借用数值算术求解优化问题才成为可能。随着电子计算机和计算技术迅速发展，不仅推动了最优化技术的广泛应用，也促进最优化理论进一步发展。机构运动参数的优化设计是机械优化设计中发展较早的领域，不仅研究了连杆机构，凸轮机构等再现函数和轨迹的优化设计问题，而且还提出一些标准化程序。机构动力学优化设计方面也有很大进展。机械零部件的优化设计最近十几年也有很大发展，主要是研究各种减速器的优化设计，液压轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的结构参数优化。除此之外，在机床、锻压设备、汽车等基本参数、基本工作机构和主体结构方面也进行了优化工作。

机械优化设计给机械工程界带来了巨大经济效益，随着技术更新而产品竞争加剧，优化设计的发展前景非常广阔，当今的优化正逐步发展成多学科优化设计，充分利用了先进计算机技术和科学最新成果。虚拟设计技术是发展必然。尚处于理论探索阶段和结构拓扑优化，智能算法优化设计，结构动态优化设计，柔性优化设计，绿色优化设计，可靠性稳健设计，给予仿生学、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发展趋势。但我们仍需关注在优化技术水平提高的同时国内机械加工工艺水平和加工手段也应配套才行。否则整体机械水平仍将停滞不前。这不仅要加工技术的引进。更重要的是加工设备性能增长。这样我们才能够在优化领域领先世界，永远立于不败之地！

三． 主要研究内容
1. 学习MATLAB软件和优化程理论。

2学习离散变量优化算法。

3. 针对工程实例，建立数学模型。

4. 利用MATLAB，实现算法。

指导教师意见及建议：

理清了设计思想，查阅了相关资料，学习了相关知识和软件，可以针对毕业任务和要求，展开毕业论文工作。

签字：
年 月 日
教研室审核意见：

签字：
年 月 日

注：此表前三项由学生填写后，交指导教师签署意见，经教研室审批后，才能开题。