对动态优化设计的认识及其应用

现代设计理论与方法
z第1章
内容
优化设计概述 优化方法的数学基础 一维搜索方法 无约束优化方法 约束优化方法 多目标优化 机械设计优化实例 MATLAB基础 MATLAB优化计算
2
第1篇 优化设计方法 Optimization
z第2章 z第3章 z第4章 z第5章 z第6章 z第7章 z第8章 z第9章
12
x2 ≥ 0 x3 ≥ 0 x1 x2 x3 = 100
11
数学模型
设计参数： 设计目标： 约束条件：
例3：直齿圆柱齿轮副的优化设计
x A , xB
max P = PA xA + PB xB
已知：传动比i, 转速n, 传动功率P，大小齿轮的材料，设 计该齿轮副，使其重量最轻。 分析： （1）圆柱齿轮的体积(v)与重量(w)的表达； （2）设计参数确定：模数m，齿宽b，齿数z1； （3）设计约束条件： （a）大齿轮满足弯曲强度要求； （b）小齿轮满足弯曲强度要求； （c）齿轮副满足接触疲劳强度要求； （d） 齿宽系数要求； （e） 最小齿数要求。 14
h( x ) = 0
(2)不等式约束
g ( x) ≤ 0
可行域 :凡满足所有约束 条件的设计点，它在设计 空间中的活动范围 . 约束函数有的可以表示成显式形式，即反映设 计变量之间明显的函数关系，有的只能表示成隐 式形式 ,如例中的复杂结构的性能约束函数（变 形、应力、频率等） 复杂结构的性能约束函数（变形、应力、固有 22 频率等）需要通过有限元等方法计算求得
图1-1 设计变量所组成的设计空间 （a）二维设计问题 （b）三维设计问题
目前已能解决200个设计变量的大型最优化设计问题。
19
20
2、约束条件

泛 应用 ，有 限元分析 、计 算 机 辅助 设 计 等现代 设 计 方
把 接 线架 及 应变 片按 图示 粘贴 到测试 点位 置 。贴
法 在 工程 机械 设 计领 域 得 到广泛 应用 。我公司挖 掘 机 片完成 以后对各贴片位 置进行 测量 并记录 。 动 臂综 合 使用 三维 建 模 、有 限元 分析 等先 进软 件设 计 １ ． 焊接 接线 并测试 线路 ．３ ２ 出来的。 但在 有 限元分 析三维 建模 时，一些模 型特 征 将 应变 片 和测试 线接 线 端分 别在 接 线架 上 焊 接 固 进 行 了简化 和处 理 ，况且 挖 掘 机 工作状 况 恶劣 ，在 挖 定 ， 固定以后分别测量 应变 片两接 线焊接 点电阻值和测 掘过程 中承受很 大的交变 复合外力，极易受 到复杂 的瞬 试线测量仪接 口端两侧 电阻值 。 态冲 击 载荷 ，设 计 的产 品并不能够 完全 满足市场要 求。 因此 ， 我们采用测量挖掘 机动臂工作状况下的动态应 力， 把 实 测数 据 与有 限元 分析 得 出的数 据 进行 比较 ，并 以 此 为基 础对 有 限元分 析 的模 型 参数 设 置进 行 修正，达 到有 限元 分析 和 实 际实验 结 果 相 符 合 的 目的，从 而提 供 更有 效的数 据对挖 掘机动臂进 行优化设计。
挖 掘 机 动 臂 动 态 应 力 测 试 及 优 化 设 计
Ｄｙｎａ ｉ ｒ ｓ ｓ ｎｄ Ｏ ｐｔｍ ｉ ｉ ｅ ｉ ｎ ｏ ｍ ｃ Ｓｔ ｅ ｓＴｅ ｔａ ｉ ｚ ｎｇ Ｄ ｓ ｇ ｎ
ｔ ｏ ｆｔ ｃ ｖａ ｏ ｈｅ Ｂｏ ｍ ｏ ｈｅ Ｅｘ ａ ｔ ｒ
ｌ 动臂的动态应 力测试
１ 测 试 设备 ． １
将 结 构件 的微 观变 形 量转 化 为 电量 信号 ，同时将 电量 接 收和识别 的数字信 号进行 运算 和处理 。

工程优化设计的一般步骤1.问题定义：确定优化设计的目标和限制条件。

在这一阶段，需要明确问题的目标，例如最小化成本、最大化利润、最大化产量等。

同时，还需确定优化设计的约束条件，例如资源限制、时间限制等。

通过明确问题目标和约束条件，可以为后续的优化设计提供有效的指导。

2.数据收集和验证：收集与问题相关的数据，并进行验证，确保数据的准确性和可靠性。

在这一阶段，需要确定所需的数据类型和数量，并通过可靠的方法进行数据采集。

同时，还需对数据进行验证和预处理，以排除错误和异常值的影响。

3.模型建立：根据问题定义和收集到的数据，建立适当的数学模型。

模型可以是线性或非线性的，可以是确定性或随机的。

根据实际情况和需求，选择适当的模型类型，并进行参数估计和模型验证。

4.参数优化：确定模型中的参数，并通过优化算法对参数进行估计。

常用的优化算法包括遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等。

通过调整模型的参数，可以使模型与实际情况更好地吻合，提高优化设计的准确性和可靠性。

5.约束条件优化：针对约束条件进行优化，以找到满足所有约束条件的最优解决方案。

常用的约束条件优化方法包括线性规划、非线性规划、整数规划等。

通过优化约束条件，可以使优化设计更符合实际需求，有效避免资源浪费和效果不佳的情况。

6.验证和分析：对优化设计的结果进行验证和分析。

通过与实际情况进行比较，评估优化设计的效果和可行性。

同时，还可以对优化设计的敏感性和稳定性进行分析，以了解其在不同条件下的性能表现。

7.结果展示和报告：将优化设计的结果以图表、报告等形式展示，并向相关人员和利益相关方进行沟通和汇报。

在报告中，应当明确说明优化设计的目标、方法和结果，以及可能存在的局限性和建议改进的方向。

8.反馈和改进：根据优化设计的结果和反馈意见，进行必要的改进和调整。

优化设计是一个动态的过程，需要不断地进行反馈和改进，以逐步提高优化效果。

总之，工程优化设计具有明确的步骤和方法，通过系统分析和模型建立，可以找到最优解决方案，提高工程项目的效率和经济性。

动态煤层气开采过程数值模拟与优化设计煤层气是一种地下天然气，是通过在煤层中压缩、吸附与解吸而形成的一种天然气资源。

煤层气的开采过程对其固有属性和地质条件有很强的依赖，同时也受到工程开采技术和设备装备等因素影响。

因此，为了更好地开采煤层气，并实现其可持续利用，必须进行数值模拟和优化设计研究。

一、煤层气开采过程数值模拟对于煤层气开采过程的数值模拟，通常采用有限元方法进行模拟。

在模拟过程中，需要考虑煤层孔隙度、渗透率、煤层气吸附解吸等参数。

该方法的数学模型通常包括连续介质的力学模型、多相流模型以及热力学模型等。

1. 连续介质力学模型在煤层气开采过程中，需要考虑地层的力学性质。

这可以通过连续介质力学模型进行建模。

其中，地层的应力状态是重要的参数。

在考虑应用有限元方法进行模拟时，地层的应力状态通常可以按照线性、非线性等不同形式进行建模。

2. 多相流模型在考虑煤层气开采过程的模拟时，还需要考虑气、液相同时存在的情况。

这可以通过多相流模型进行建模。

在建模时，可以采用质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程等不同方程进行描述。

3. 热力学模型在考虑煤层气开采过程的模拟时，还需要考虑气的温度变化。

这可以通过热力学模型进行建模。

在建模时，可以采用热能守恒方程、质量守恒方程以及理想气体状态方程等不同方程进行描述。

二、优化设计对于煤层气开采过程的优化设计，主要包括井网结构设计、注采方案设计和生产运营方案设计等。

1. 井网结构设计井网结构是指煤层气开采时地下各个井之间的联系结构。

井网结构设计的主要目的是最大化地提高煤层气开采效率，并减少煤层气开采过程的成本。

在进行井网结构设计时，需要考虑煤层气在地下的分布状况、开采技术和设备装备等因素。

2. 注采方案设计注采方案指开采过程中液态水和气体之间的注入和回收。

注采方案设计的主要目的是使液态水和气体之间达到最佳配比，以达到最高的采收率。

在进行注采方案设计时，需要考虑地层的物理性质、煤层气的产量和采收率等因素。

基于模态分析的结构优化设计一、引言结构优化设计是工程领域中的一项重要任务，其目的是通过提高结构的性能和效率，使之更加符合设计要求。

传统的结构优化设计往往是基于某个特定负载情况下的最小重量或最大刚度为目标，但实际工程中结构的工作条件和需求多样化，仅考虑单一因素往往不能得到最佳设计。

因此，基于模态分析的结构优化设计成为了一种有效的方法。

二、模态分析的基本原理模态分析是一种通过计算结构的固有频率和固有振型来研究结构动力学性能的方法。

在模态分析中，结构可以看作是由多个模态共同组成的，每个模态都具有自己的振动频率和振型形态。

通过模态分析，我们可以了解到结构的动态响应特性，如固有频率、振动模态和结构的动力特性等。

三、模态分析在结构优化设计中的应用1. 确定结构的固有频率：通过模态分析可以获得结构的固有频率，进而了解结构的振动特性。

在结构优化设计中，我们可以通过调整结构的几何形态或材料的性质来改变结构的固有频率，以满足工程要求。

2. 优化结构的振动模态：在模态分析中，我们可以观察和分析各个模态的振动模态，了解结构的不同部分的振动情况。

通过优化设计，可以调整结构的刚度和几何形态，使得结构的振动模态分布合理，减小结构的振动幅值和振动频率。

3. 提高结构的动态稳定性：模态分析还可以帮助我们评估结构的动态稳定性。

通过分析结构的振动模态，可以判断结构的临界振型和临界振频，为预防结构的失稳提供依据。

在优化设计中，可以通过增加结构的刚度或改变结构的几何形态，提高结构的动态稳定性。

四、应用实例以桥梁结构为例，结构的动力性能对于桥梁的安全性和使用寿命具有重要影响。

在结构优化设计中，可以利用模态分析方法对桥梁结构进行优化。

首先，通过模态分析确定桥梁的固有频率。

根据桥梁的设计要求和预期使用情况，可以确定合理的固有频率范围。

如果桥梁的固有频率偏低，可能会导致结构的动态响应大，增加了结构的疲劳破坏的风险；如果固有频率过高，可能会造成结构的共振问题，降低结构的稳定性。

《冲击载荷下结构拓扑优化设计与动态响应分析》篇一一、引言随着现代工程技术的快速发展，结构拓扑优化设计在冲击载荷下的应用日益受到关注。

结构在承受冲击载荷时，其拓扑优化设计对于提高结构的稳定性和耐久性具有重要意义。

本文旨在探讨冲击载荷下结构拓扑优化设计的方法，并对其动态响应进行分析，以期为相关领域的研究和应用提供参考。

二、结构拓扑优化设计1. 优化目标与约束在冲击载荷下，结构拓扑优化设计的目标是在满足一定的约束条件下，使结构在承受冲击时的性能达到最优。

约束条件包括结构的质量、材料、尺寸等。

优化目标则主要包括结构的动态响应、稳定性、耐久性等。

2. 优化方法针对冲击载荷下的结构拓扑优化设计，常用的方法包括基于均匀化方法的拓扑优化、基于水平集方法的拓扑优化等。

这些方法可以通过数学规划、有限元分析等手段，对结构进行优化设计。

3. 实例分析以某桥梁结构为例，采用拓扑优化方法对其在冲击载荷下的结构进行优化设计。

通过有限元分析，确定结构的应力分布、位移等动态响应参数，进而对结构进行优化设计。

优化后的结构在承受冲击时，其动态响应性能得到显著提高。

三、动态响应分析1. 分析方法动态响应分析主要采用有限元分析方法。

通过建立结构的有限元模型，对结构在冲击载荷下的应力、位移、振动等动态响应进行计算和分析。

2. 分析步骤动态响应分析的步骤包括建立有限元模型、施加冲击载荷、求解动态响应等。

在建立有限元模型时，需要考虑结构的几何尺寸、材料属性、连接方式等因素。

在施加冲击载荷时，需要确定载荷的大小、方向、作用位置等。

通过求解动态响应，可以得到结构的应力分布、位移等参数。

3. 分析结果以某汽车碰撞事故为例，通过动态响应分析，可以得出结构在碰撞过程中的应力分布、位移等参数。

这些参数对于评估结构的稳定性和耐久性具有重要意义。

同时，通过对不同结构方案的动态响应进行比较，可以为结构的优化设计提供参考。

四、结论与展望本文针对冲击载荷下结构拓扑优化设计与动态响应分析进行了探讨。

一.配气凸轮优化设计1.1配气凸轮结构形式及特点配气凸轮是决定配气机构工作性能的关键零件，如何设计和加工出具有合理型线的凸轮轴是整个配气系统设计中最为重要的问题。

对内燃机气门通过能力的要求，实际上就是对由凸轮外形所决定的气门升程规律的要求，气门开启迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧、机构动力特性变差。

因此，对气门通过能力的要求与机构动力特性的要求间存在一定矛盾，应该观察所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮外形设计中兼顾解决发动机配气凸轮外形的设计也就是对凸轮从动件运动规律的设计。

从动件升程规律的微小差异会引起加速度规律的很大变动，在确定从动件运动规律时，加速度运动规律最为重要，通常用其基本工作段运动规律来命名，一般有下面几种：1.1.1等加速凸轮等加速凸轮的特点是其加速度分布采取分段为常数的形式，其中又可分为两类，一类可称为“正负零型”，指其相应的挺柱加速度曲线为正一负一零：另一类可称“正零负型”，指其加速度曲线为正一零一负。

当不考虑配气机构的弹性变形时，对最大正负加速度值做一定限制且在最大升程、初速度相同的各种凸轮中，这种型式的凸轮所能达到的时面值最大。

等加速型凸轮常常适用于平稳性易保证，而充气性能较差的中低速柴油机中。

但就实际情况而言，配气机构并非完全刚性，等加速凸轮加速度曲线的间断性必然会影响机构工作平稳性，在高速内燃机中一般不采用等加速型凸轮[9]1.1.2组合多项式型组合多项式型凸轮的基本段为一分段函数，它由几个不同的表达式拼接而成。

通过调整各段所占角度及函数方程，获得不同斜率的加速度曲线。

组合多项式型凸轮时面值大，而且能够方便地控制加速度变化率及确保正、负加速段间的圆滑过渡，可以较好地协调发动机充气性能及配气机构工作平稳性的要求⑺。

由于凸轮从动件运动规律由若干函数组成，在各段间联结点处不易保证升程规律三阶以上导数的连续性，可能会影响配气机构工作的平稳性，组合多项式型凸轮主要应用在要求气门时面值大和较好动力性能的情形。

其他优化方法
粒子群优化算法
粒子群优化算法是一种基于群体智能的优化算法，通过模拟 鸟群、鱼群等自然现象的群体行为来寻找最优解。
人工神经网络
人工神经网络是一种模拟人脑神经元网络结构的计算模型， 通过训练来逼近某个映射函数或分类器。
03
优化设计的实际应用
建筑设计的优化
总结词
提高功能性、美观性和经济性
优化设计方法ppt
xx年xx月xx日
目录
• 引言 • 优化设计的基本方法 • 优化设计的实际应用 • 优化设计的新发展 • 优化设计的实践技巧
01
引言
什么是优化设计
优化设计是一种通过合理选择和调整设计方案参数，在给定 的一组约束条件下，使设计性能指标达到最优化的方法。
优化设计旨在找到一个或多个最优解，使设计在满足各种约 束条件的同时，最大化或最小化某一特定的设计性能指标。
迭代次数设置
合理设置迭代次数，避免 因迭代次数过多或过少导 致收敛效果不佳。
收敛条件设置
合理设置收敛条件，以便 在满足条件时实现算法收 敛。
初始化参数设置
合理设置初始化参数，避 免算法过早收敛或无法收 敛。
如何避免优化过程中的局部最优解
随机初始化
通过随机初始化参数，避 免算法在初始阶段就陷入 局部最优解。
适应性。
自适应选择
自适应选择是根据问题的特征和 性质，自适应地选择不同的算法 或策略，以获得更好的性能和适 应性。
自适应学习
自适应学习是通过学习历史经验和 数据，自适应地调整算法参数和策 略，以适应不同的情况和问题，提 高算法的效率和精度。
05
优化设计的实践技巧
如何选择合适的优化方法
根据问题特性选择

解：设裁去的四个小方块的边长为x，则盒子的容
积可表示成x的函数 f(x)＝x(6-2x)2
•于是，上述问题可描述为
•变量 x—设计变量
•
f(x)＝x(6-2x)2—目标函数
•
g(x)＝x>0 —约束条件
•使函数 f(x)＝x(6-2x)2 极大化
•
即对 f(x)= 6x-2x3 求导
•
f’(x)=1-x2=0
在多级火箭发射过程中，如何控制燃料的 燃烧速率，从而用火箭所载的有限燃料使 火箭达到最大升空速度；
优化设计在汽车设计中的应用举例 ----汽车在悬架系统方面的优化设计
• 汽车悬架系统非线性阻尼的优化设 计
•
• 以轿车后悬挂系统作为研究对象, 将汽车简化成两个自由度的振动系统, 采用改进的非高斯闭合法计算车辆在 路面谱激励下车身振动加速度均方根 值、车轮与路面间相对动载及悬架的 穿越频率.在此基础上提出了一种对汽 车悬架非线性阻尼进行优化设计的方 法,该方法在汽车动态设计研究中具有 一定的实用价值.
常规设计流程
优化设计流程
3、传统设计与优化设计的对比
•机械的传统设计方法
---基于手工劳动或简易计算工具 低效,一般只能获得一个可行的设计方案.
•机械的现代优化设计方法
---基于计算机的应用 设计过程--- ① 从实际问题中抽象出数学模型;
② 选择合适的优化方法求解数学模型. 特点--- 以人机配合或自动搜索方式进行,能从“所
用性
优化设计在汽车设计中的应用举例 ----离合器的优化设计
• 膜片弹簧离合器仿真优化设计
•为了在离合器设计过程中降低膜片弹 簧离合器的制造成本,减少尺寸,使之在 结构上得到更好的性能,提出了以整个 结构重量最小为主要设计目标的离合 器数学模型,并对膜片弹簧离合器参数 进行了优化计算.结果显示,在保证性能 要求的前提下,该方法所设计的膜片弹 簧离合器能显著地降低结构的重量,对 进一步研究膜片弹簧离合器具有重要 的意义.

偏心转子的动力学分析和优化设计偏心转子是一种重要的机械结构，在机械传动、工具加工、风力发电等领域有广泛的应用。

然而，由于其复杂的结构和动态特性，偏心转子的动力学分析和优化设计一直是一个重要的研究领域。

一、偏心转子的结构偏心转子是由转子和偏振环组成的，偏振环在装配时将转子偏心，从而使得转子相对于轴线产生旋转。

偏心转子的结构如图1所示：图1 偏心转子结构示意图图1中，O为旋转轴，CE为转子长度，DF为偏振环半径，AD为转子直径，BG为偏心量。

二、偏心转子的运动特性偏心转子的运动特性主要包括偏心量、转速、转矩和振动等参数。

1. 偏心量偏心量是偏心转子的一个重要参数，它表示转子相对于轴线的偏移量。

偏心量越大，则转子产生的离心力和振动力也越大，极易产生机械失效。

2. 转速偏心转子的转速是指转子每分钟旋转的圈数，对转子的动态特性有重要影响。

转速过高，会导致转子产生很大的离心力和振动力，从而使得转子产生旋转不稳定和脱落等问题。

3. 转矩偏心转子的转矩是指转子所受的扭矩，它与偏心量、转速、转子质量和惯性等因素有关。

转矩越大，则转子的承载能力和稳定性越差，易产生机械失效。

4. 振动偏心转子的振动是指转子在运转中发生的动态振动，它与偏心量、转速、转子质量和惯性等因素有关。

振动过大，会导致传动系统的噪声、磨损和疲劳损伤等问题，严重影响机械设备的稳定性和安全性。

三、偏心转子的动力学分析为了更好地研究偏心转子的动态特性和稳定性，必须对其进行动力学分析。

偏心转子的动力学分析主要包括以下几个方面：1. 动力学模型建立偏心转子的动力学模型是研究其动态特性和稳定性的基础。

根据传动系统的结构和运动特性，可以建立偏心转子的运动学和动力学方程，进而求解偏心转子的稳定运动状态和振动响应。

2. 稳定性分析偏心转子的稳定性分析是指对偏心转子的稳态转动和失稳状态进行研究。

通过计算偏心转子稳态转动的关键参数，如稳态转速、阻尼和刚度等，判断其是否产生失稳运动，并分析失稳的原因和条件。

线性时不变系统具有叠加性、比例性和时移 性等特性。
非线性时不变系统
定义
非线性时不变系统是指系统的 输出响应与输入信号不成正比， 或系统参数随时间变化的系统。
数学描述
非线性时不变系统通常用非线 性微分方程或差分方程来描述，
如 (y^2(t) + y'(t) = x(t))。
特性
非线性时不变系统具有非叠加 性、非比例性和非时移性等特
01
鲁棒性的定义
系统在存在不确定性或参数摄动 的情况下，仍能保持稳定性和性 能的能力。
02
鲁棒性的分析方法
03
鲁棒性的优化
常用的分析方控制器，可以提高 系统的鲁棒性，减小外界干扰和 参数摄动对系统性能的影响。
能控性与能观性
能控性的定义
对于给定的初始状态和输入信号，系统能否达到任意目标状态的 能力。
控制系统实例
一阶控制系统
分析一阶控制系统的动态响应，了解系统的传递函数、时间常数和阶跃响应等参数。
二阶控制系统
分析二阶控制系统的动态响应，了解系统的自然频率、阻尼比和调节时间等参数对系统性能的影响。
THANKS
感谢观看
复域分析
1 2 3
复域分析定义 复域分析是在复数域内研究系统运动规律的方法。
主要特点 能够处理复数运算，方便进行系统分析和设计。
应用场景 适用于处理复杂系统，如控制系统、信号处理等。
最优控制方法
最优控制方法定义
最优控制方法是一种基于数学规划的控制系统设计方法。
主要特点
能够找到最优的控制策略，使系统性能达到最优。
性。
时变系统
定义
01
时变系统是指系统的参数随时间变化的系统。

动态注塑成型工艺的翘曲优化设计
1 动态注塑成型技术
动态注塑成型技术是一种用于制造塑料零件的新兴技术，可以实
现各种高精度、复杂零部件的快速制造。

该技术通过高压冲击熔融塑
料成型而获得良好的流动性能，而且还能提供较高的非晶分散度、丝
状或微晶尺寸，并能有效改善材料塑料的力学性能、零件的表面质量等。

2 翘曲优化设计
动态注塑成型技术应用于翘曲优化设计中的显著特点表现在：在
熔融状态下能实现更高的匹配度和较大的量；能够实现空平力学性能；塑料材料成型能力更好，可以有效的释放更多的能量；能够实现更智
能的设计，及更多的定制产品设计。

正是由于这些优势，动态注塑成
型技术在翘曲优化设计中得到了广泛应用。

3 翘曲优化设计的方法
翘曲优化设计通常采用三维建模和二维绘图等技术，根据动态注
塑成型的特点建立优化目标，并使用多目标算法和数值模拟来最小化
模具的设计数据，有效地改善注塑件的成形品质。

优化模型可以对拉
伸路径、塑料部件设计几何形状、变形模具以及材料变形性能等进行
优化。

此外，翘曲优化设计还考虑动态成型工艺过程中发生的塑性加载、机械损坏以及其他因素，以降低成形过程中产生的加工废料。

4 优化结果
通过翘曲优化设计，可以提高材料加工效率和生产经济性，显著地提高产品的表面完整度和精度，达到更优的翘曲结构和更精确的细节，从而获得更好的产品品质。

此外，翘曲优化设计技术可以有效地减少加工损耗，提高产品回收率，从而提升制造效率和成本效益。

关越词 优化设计 创新设计 中图分类号;TH 122 素质 教育 文献标识码: A 高等学校作为国家知识创新和技术创新 体系的基础， 承担着 “ 培养具有创新精神的 和实践能力的高级专门人才’的重任。加强 对大学生的创新意识和创新能力的培养已经 成为当前我国教育界推进素质教育的核心课 题。对于工科机械专业大学生 ， 更是责无旁 货。工程是科学技术应用于创新物质文明的 动态形式 ， 其特点是实践性强。工程岗位对 人的要求是强调能力和责任感。因此工科大 学生的能力比知识更为重要。 ， 创新 能力 1 ,1 创新能力的含义 创新能力是指个人提出新理论、新概念 或发明新技术、 新产品的能力。 就表现形式来 说. 创新能力就是发明和发现， 就是人类创造 性的操作化。从心理学层面来看即为创新意 识培养、 创新思维培养、 创新技能培养、 创新
约梯度法 移 瀚 规 $1 与 燕 散 l I 规划
P=8.9*1 05N
图I 平面五杆结构
自然模拟法等
中国科 教创新导刊
C hina E duc a t ion Innova t i on He r a ld
17 年总第 462 期 Chioa 〔 uoa aIon i nov at on H , aw 口 n i o
调优化
态
优 化
最优控制理论方法 变分法 ( 无限维 ) 变分法 ( 无限维)
数学规划法
结构尺 寸优化
准则法、序列规划法
E=6.9*1 0Nl厉 夕
P=2.7 03k m 2.1 g1 [ o1=t1.7* 8N1, 10
14m
沼=1 12;r .3. 0 2
护 二 。
515,,2 *0
表2 数学规划法类型与求解方法 数学规划法类型 }求 方 解 法 一维搜索 牛 顿 ;法。 .6拍法，平分法， 。 分致1 法， 抛物线法，插值法等 n 维 极 值解 0 E, 法，牛顿法 ， 共扼方向法 无 析法 及 共 !扼梯度法，交尺度法等 约 。 维 极值 直 H ooke-Jeeve s 模式搜索法， 柬 接法 Ros enbxock 算法，单纯形法 ， 优 Por el l 法 化 平 方 和形 式 最小二桑法. Raxqu ar dt 方法 ， 函 数 极小 间 Pow l 法 el 题 线性规划 单纯形法，对偶单纯形法 二议规划 Lexr ke 茸法 ，W f e 算法，矩 o ol 形法。短形法，长形法 序列 线性规 划法 ，近1p 规划 , 法. 侧平面法 ， 复合形法 ，简 非线性规划 约梯度法，罚函数法，可行方 向法，梯度投影法. 自然模拟 法等 动态规划 数值法，坝表法 几何规划 A i el - W l l i - 法 ，修正简 vr l

7
1.1 优化设计概述
优化设计就是借助最优化数值计算方法与计算机技术， 优化设计就是借助最优化数值计算方法与计算机技术， 求取工程问题的最优设计方案。 求取工程问题的最优设计方案。 机械优化设计包括： 机械优化设计包括： （1）必须将实际问题加以数学描述，形成数学模型； ）必须将实际问题加以数学描述，形成数学模型； （2）选用适当的一种最优化数值方法和计算程序运 ） 算求解。 算求解。 机械优化设计是应用数学方法寻求机械设计的最优方 案，所以需要应用机械工程的专业知识确定设计的限制 条件追求的目标。 条件追求的目标。
5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第1章 章
优化设计的基本概念
自古以来的多数工程设计，都经过了某种程度的“优化” 自古以来的多数工程设计，都经过了某种程度的“优化”过 程 1. 传统的设计过程： 传统的设计过程： 设计（综合） 设计（综合） 选用（决策） 选用（决策） (a) 经验和知识； 经验和知识； (b) 试验； 试验； (c) 优胜劣汰
15
二维和三维设计空间
设计变量有连续变量和离散变量之分。 设计变量有连续变量和离散变量之分。 只能在给定数列或集合中取值的变量称为离散变量， 只能在给定数列或集合中取值的变量称为离散变量， 含离散变量的优化问题称离散规划问题。 含离散变量的优化问题称离散规划问题。
16
2.约束条件 2.约束条件 设计空间是所有设计方案的集合， 设计空间是所有设计方案的集合，但这些设计方案有些 是工程上所不能接受的。 是工程上所不能接受的。如一个设计满足所有对它提出的 要求，就称为可行设计。 要求，就称为可行设计。 一个可行设计必须满足某些设计限制条件，这些限制条 一个可行设计必须满足某些设计限制条件， 件称作约束条件，简称约束。 件称作约束条件，简称约束。 根据约束的性质可以把它们区分成性能约束和侧面约束 两大类。针对性能要求而提出的限制条件称作性能约束。 两大类。针对性能要求而提出的限制条件称作性能约束。 例如，选择某些结构必须满足受力的强度、 例如，选择某些结构必须满足受力的强度、刚度或稳定性 等要求. 等要求 只是对设计变量的取值范围加以限制的约束称作侧 面约束。例如，允许机床主轴选择的尺寸范围， 面约束。例如，允许机床主轴选择的尺寸范围，对轴段长 度的限定范围就属于侧面约束。侧面约束也称作边界约束。 度的限定范围就属于侧面约束。侧面约束也称作边界约束。

风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的开题报告一、选题依据和研究背景随着能源需求和环境保护的日益重要，风能作为一种清洁、可再生的能源得到了越来越广泛的关注和使用。

风力发电机是利用风能将其转化为电能的主要设备。

在风力发电机中，齿轮传动系统是核心部件之一，其传动效率和寿命直接关系到风力发电机的经济性和可靠性。

目前，国内外都在开展风力发电机齿轮传动系统的优化设计研究。

传统方法主要是规划在设计前进行静态优化设计，但仅考虑到初始工况的齿轮动态载荷分布，并忽略了齿轮传动系统的非线性、瞬态和耦合效应，不能真实地反映出齿轮传动在工作过程中的真实状态，因此无法满足高精度、长寿命和低噪音的发电机要求。

因此，开展齿轮系统动态优化设计显得非常必要。

二、研究目的和意义本文旨在研究风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的方法和技术，探究全局优化算法在齿轮系统动态优化设计中的应用，为提高风力发电机的经济性、可靠性和性能贡献力量。

三、研究内容和技术路线1.齿轮传动系统动态载荷分析方法研究2.齿轮系统多学科优化设计理论及方法研究3.齿轮系统动态优化设计算法研究4.齿轮系统动态优化设计的实验研究与分析技术路线：1.采集齿轮传动数据实现动态载荷分析；2.探究齿轮系统多学科优化设计理论及方法；3.通过分析算法优点与缺点，确定最优算法；4.利用仿真软件验证优化设计的正确性；5.通过实验验证优化设计的正确性。

四、预期成果和论文结构预期成果：通过对风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的研究，设计出高精度、长寿命和低噪音的风力发电机齿轮传动系统，提高风力发电机的经济性、可靠性和性能。

论文结构：第一章绪论1.1 选题背景及意义1.2 国内外研究现状1.3 研究内容和技术路线1.4 预期成果和论文结构第二章齿轮传动系统动态载荷分析方法研究2.1 风力发电机齿轮传动系统结构特点2.2 齿轮动态载荷特点分析2.3 鉴于齿轮系统载荷特点的分析及其对传动性能的影响，开展齿轮传动系统动态载荷分析方法的研究，研究分析方法及其完整性第三章齿轮系统多学科优化设计理论及方法研究3.1 齿轮系统静态优化设计方法分析3.2 多学科协同优化方法分析3.3 新型多学科协同优化方法研究第四章齿轮系统动态优化设计算法研究4.1 求解算法优势及不足的分析4.2 全局优化算法在齿轮系统动态优化设计中的应用研究4.3 齿轮系统动态优化设计算法理论模型的建立第五章齿轮系统动态优化设计的实验研究与分析5.1 实验研究方法5.2 实验结果及分析5.3 分析其可靠性与稳定性并对其进行评价第六章结论与展望6.1 研究成果概述6.2 研究结论研究方向展望6.3 研究不足与展望参考文献。

动态载荷不确定条件下的周期性结构稳健拓扑优化目录1. 第一章 - 内容简述 (2)1.1 周期性结构的重要性 (2)1.2 拓扑优化的进展 (3)1.3 动态载荷不确定性的研究空白与挑战 (5)1.4 本研究目的与贡献概述 (6)2. 第二章 - 周期性结构与拓扑优化基础 (7)2.1 周期性结构基本概念 (9)2.2 拓扑优化的数学模型 (10)2.3 静态载荷条件下的拓扑优方法 (11)2.4 动态载荷的理论基础 (12)3. 第三章 - 动态载荷不确定性的理论分析 (13)3.1 动态载荷模型的建立 (15)3.2 载荷不确定性的数学描述 (16)3.3 周期性结构的动态响应分析 (17)3.4 加载情况下的性能评估方法 (18)4. 第四章 - 动态响应与拓扑优化算法结合 (20)4.1 动态响应与拓扑优化的集成方法概述 (21)4.2 周期性结构的动态拓扑优化流程 (21)4.3 不同时期典型案例的研究 (23)4.4 不确定性下的结构稳健性分析 (24)5. 第五章 - 数值模拟与实例分析 (25)5.1 数值模型构建与计算平台介绍 (27)5.2 不同动态载荷条件下的拓扑优化结果 (27)5.3 结构性能的对比分析 (28)5.4 实例比较与讨论 (29)6. 第六章 - 稳健拓扑优化的方法和策略 (30)6.1 结构稳健性考虑的优化方法 (32)6.2 实验验证与有限元模拟的结合 (33)6.3 优化结果的进一步改进与建议 (34)7. 第七章 - 结论与展望 (35)7.1 主要研究结果的总结 (36)7.2 存在的问题与改进建议 (38)7.3 未来研究的方向与趋势 (39)1. 第一章 - 内容简述随着现代工程技术的飞速发展，结构设计已逐渐从传统的静力平衡扩展到了动态载荷不确定条件下的结构性能优化。

在这一背景下，“动态载荷不确定条件下的周期性结构稳健拓扑优化”这一课题显得尤为重要。