第五章优化设计方法

优化设计方法优化设计的主要目标：（1）效率指数；（2）经济性指数；（3）动态性能指数；（4）安全性评价指数；（5）寿命。

针对优化设计目标而确定的优化设计方法：方法1.多目标函数优化设计根据这样的一个层次模型，可以选择一个最符合目标层的最优方案，作为波轮机优化设计的最优解。

（1） 宽容分层序列法这种方法的基本思路是将几个分目标函数按工程中的某种意义分清主次，按重要程度逐一排队，重要的目标函数排在前面，然后依次对分目标函数求各自的最优解，只是后一个目标函数求优应在前一个目标最优解的集合域内求优。

但由于坟墓变函数的最优解常常是唯一的，其最优解域的集合只能有一个设计点，那么求下一个目标函数的最优解就无意义了。

为了使分成序列法不失有效性，则将各自目标函数最优解给予放宽，能使下一个目标函数求优时，能在前一个的范围内求优。

（2） 线性加权法这是一种常用的较简便的一种方法，按照目标函数的重要性，对应的选用一组加权系数，将多目标函数组合成一个评价函数。

求新的评价函数的最优解。

但是怎样选用加权系数是这种方法的难点。

它的优点是简单清晰。

（3） 理想点法先对各个目标函数分别求出最优值和相应的最优点构造出理想点的评价函数（表示为相对误差函数）为:()()21l i i i i f X f U X f ∆∆=⎡⎤-=⎢⎥⎣⎦∑求出此评价函数的最优解，即是原多目标优化问题的最优解。

然后在此理想点法的基础上，引入权系数构造的评价函数为：此即为平方和加权法。

其中权系数由各单目标允许的宽容值决定： ； 宽容值大，不重要；反之则重要。

（4） 乘除法这种方法适合解决一类目标越小越好，一类目标越大越好的问题。

其优化模型为：求解这样的模型，即将模型中的各分目标函数进行相乘或相除处理后，在可行域上求解。

也就是求解 这样就构造了上述模型的评价函数 （5） 协调曲线法基本思想：在多目标优化设计中，当各分目标函数的最优值出现矛盾时，先求出一组非劣解，以其集合得出协调曲线，再根据恰当的匹配关系得到满意曲线，沿着满意程度的增加的方向，各分目标值下降，直至获得选好解。

可编辑修改精选全文完整版第5章 PDC 钻头水力参数优化设计方法在机泵条件一定的情况下，水力参数优化设计的主要任务是确定钻头的喷嘴直径和钻井泵的压力和排量。

5.1 泵压和排量对PDC 钻头机械钻速的影响现场实践表明，泵压和排量对PDC 钻头和牙轮钻头机械钻速的影响规律不同。

在泵功率一定的条件下，对PDC 钻头来说，排量对钻速的影响更为重要；而对牙轮钻头来说，泵压对钻速的影响更为重要。

因此，PDC 钻头趋向于使用较大排量和较低泵压，而牙轮钻头则趋向于使用较高泵压和较低排量。

在相同地层用相同尺寸钻头钻进，PDC 钻头所用排量一般比牙轮钻头高5~10 L/s ，而泵压一般低2~3MPa 。

图5-1、图5-2是由现场资料统计分析得出的牙轮钻头与PDC 钻头的机械钻速与排量的关系。

可以看出，PDC 钻头的机械钻速随着排量的增大几乎线性增长。

而对牙轮钻头，排量超过一定值（25 L/s ）后，机械钻速几乎不再增加。

图5-1 排量对牙轮钻头钻速的影响 图5-1 排量对PDC 钻头钻速的影响泵压和排量对牙轮钻头和PDC 钻头的影响不同，是因为两种钻头的破岩机理和结构不同。

牙轮钻头主要以冲击压碎的方式破碎岩石，在井底形成裂纹发育的破碎坑穴（图5-3），故需要的较大的水功率来清除破碎坑内的岩屑。

而且，射流水功率越大，辅助破碎岩石的效果越好。

然而，牙轮钻头的喷嘴距井底较远，射流能量衰减严重，故需要较高的泵压（钻头压降）来补偿射流能量损失。

图5-3 牙轮钻头破岩作用 图5-3 PDC 钻头破岩作用PDC 钻头的喷嘴距井底只有30~40mm ，一般小于射流等速核长度（等速核长度约为喷嘴当量直径的4.8~5倍），射流能量可以得到有效利用。

PDC 钻头是以切削作用破碎岩石，岩屑直接被剥离井底，破岩效率高。

因此，使岩屑离开井0510152025252627282930313233排量/L/s机械钻速/m /h02468100510152025303540排量/L/s机械钻速/m /h底原位置并不困难，关键问题是有效地将岩屑清离井底。

第五章ANSYS 优化设计拓扑优化拓扑优化是指形状优化，也称为外形优化，其目的是寻找载荷作用下的物体最佳材料分配方案，最大刚度设计。

拓扑优化的原理是在满足结构体积缩减量的条件下使结构的柔度极小化。

极小化的结构柔度实际就是要求结构的刚度最大化。

ANSYS提供的拓扑优化技术用于确定系统的最佳几何形状，其原理是系统材料发挥最大利用率，同时确保诸如整体刚度、自振频率等在满足工程要求的条件下获得极大或极小值。

优化参数：不需要人工定义优化参数，而是自动将材料分布当作优化参数。

目标函数：是在满足给定的实际约束条件下（如体积减小等）需要极大或极小化的参数，通常采用的目标函数是结构柔量能量(the energy of structure compliance)极小化和基频最大等。

支持的单元类型：二维实体单元：PLANE2、PLANE82，用于平面应力或轴对称问题；三维实体单元：SOLID92、SOLID95；壳单元：SHELL93。

特别提醒：1、ANSYS程序只对单元类型编号等于1的单元部分进行拓扑优化，对于单元类型编号等于或大于2的单元网格不进行拓扑优化。

2、（1）拓扑优化只能基于线性结构静力分析或模态分析，其它分析类型暂时还不支持。

（2）ANSYS实际提供的拓扑优化为基于线性结构静力分析的最大静态刚度拓扑优化设计和基于模态分析的最大动态刚度优化设计，同时需要达到体积最小化目的。

（3）采用单载荷步或多载荷步的线性结构静力分析时，施加相应的载荷和边界条件。

采用模态频率分析，仅仅施加边界条件。

3、拓扑优化的结果对网格划分密度非常敏感，较细密的网格可以产生更加清晰、确定的拓扑结果，但计算会随着单元规模的增加而需要更多的收敛时间；相反，较粗的网格会生成模糊、不确定的拓扑结果。

另外，拓扑优化结果对载荷情况十分敏感，有时很小的载荷变化将导致拓扑优化结果的巨大差异。

优化设计1． 简介举例：如何在原材料消耗最少情况下，使水杯的容积最大。

优化设计方法引言在现代科技发展的趋势下，优化设计方法逐渐成为产品设计领域的关键技术。

优化设计方法旨在通过数学模型和计算机模拟，寻找最佳设计方案，提高产品性能和效率。

本文将介绍常见的优化设计方法及其应用领域，以及如何使用这些方法来提高产品设计效果。

1. 数学优化模型数学优化模型是优化设计方法的基础。

通过数学模型，我们可以描述设计问题，并将其转化为数学形式。

最常见的数学优化模型包括线性规划、非线性规划和多目标规划。

•线性规划：线性规划是一种将目标函数和约束条件均为线性关系的优化模型。

线性规划广泛应用于生产优化、资源分配等问题。

•非线性规划：非线性规划是一种目标函数或约束条件存在非线性关系的优化模型。

非线性规划常用于工程设计、经济决策等领域。

•多目标规划：多目标规划是一种存在多个目标函数的优化模型。

多目标规划可以同时考虑多个设计指标，并寻找它们之间的最佳平衡。

数学优化模型为优化设计方法提供了理论基础和计算手段。

2. 优化算法优化算法是实现优化设计方法的关键。

根据问题的特点和数学模型的复杂程度，可以选择不同的优化算法。

•梯度下降法：梯度下降法是一种迭代算法，通过不断调整设计参数，使目标函数逐渐趋近最小值。

梯度下降法适用于凸优化和连续设计空间。

•遗传算法：遗传算法是通过模拟自然进化过程，通过不断迭代和交叉变异，使设计方案不断进化和优化的一种算法。

遗传算法适用于复杂的非线性优化问题。

•蚁群算法：蚁群算法模拟蚂蚁觅食过程，通过信息素的传递和蚂蚁的合作，在设计空间中寻找最佳解。

蚁群算法适用于组合优化和离散设计空间。

不同的优化算法适用于不同的问题类型，选择适合的优化算法可以提高设计效率和优化结果的准确性。

3. 优化设计应用领域优化设计方法在各个领域都有广泛的应用，以下列举几个常见的应用领域：3.1. 工程设计在工程领域，优化设计方法可以帮助工程师寻找最佳的设计方案，提高工程系统的性能和效率。

例如，优化设计方法在结构设计中可以减小结构重量，提高结构的稳定性和耐久性。