优化设计是指什么？

优化设计是指什么？

优化设计（Optimal Design）是近年来发展起来的一门新学科，是最优化技术和计算机计算技术在设计领域应用的结果。优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案。在设计过程中，常常需要根据产品设计的要求，合理确定各种参数，例如，重量、成本、性能、承载能力等，以达到最佳的设计目标。这就是说，一项工程设计总是要求在一定的技术和物质条件下，取得一个技术经济指标为最佳的设计方案。优化设计就是在这样一种思想的指导下产生和发展起来的。

目前优化设计方法在结构设计、化工系统设计、电气传动设计、制造工艺设计等各专业中都有广泛的应用。实践证明，在工程设计中采用优化设计方法，不仅可以减轻机械设备重量，降低材料消耗与制造成本，而且可以提高产品的质量与工作性能。因此，优化设计已成成为现代机械设计理论和方法中的一个重要领域，并且越来越受到从事机械设计的科学工作者和工程技术人员的重视。

机械优化设计是使某项机械设计在规定的各种设计限制条件下，优选设计参数，使某项或几项设计指标获得最优值。工程设计上的“最优值”（Optimum）或“最佳值”是指在满足多种设计目标和约束条件下所获得的最令人满意、最适宜的值。它反映了人们的意图和目的，这不同于表示事物本身规律的极值——最大值和最小值，但是在很多情况下，也可以用最大值或最小值来代表最优值。最优值的概念是相对的，随着科学技术的发展及设计条件的变动，最优化的标准也将发生变化。也就是说，优化设计反映了人们对客观世界认识的深化，它要求人们根据事物的客观规律，在一定的物质基础和技术条件之下，充分发挥人的主观能动性，得出最优的设计方案。

最优化技术，是优化设计全过程中各种方法技术的总称。它主要包含两部分内容：优化设计问题的建模技术和优化设计问题的求解技术。如何将一个实际的设计问题抽象成一个优化设计问题，并建立起符合实际设计要求的优化设计数学模型，这是建模技术要解决的问题。建立实际问题的优化数学模型，不仅需要熟悉掌握优化设计方法的基本理论；设计问题抽象和数学模型处理的基本技能；更重要的是要具有该设计领域的丰富设计经验。此外，在进行优化设计求解过程中，要不断地分析实际问题，以及数学模型之间存在的差距，不断地修正优化设计数学模型，只有这样，才能建立起正确的数学模型，求解得到的最优解才具有实际意义。

优化设计的基本思想是搜索、迭代和逼近。首先确定设计变量和目标函数构造优化模型，从某一点x出发，根据目标函数和约束函数在该点的某些信息，确定本次迭代计算的一个方向和适当的步长，去寻找新的迭代点x′，然后用x′代替x，x′点的目标函数值应比原x点的目标函数值小一些。这样一步步的重复迭代，逐步改进目标函数值，直到最终逼近极值点。这样一个逐步寻优的过程，即寻找极小点（无约束或约束极小点）的过程比喻为向“山”的顶峰攀登的过程，始终保持向“高”的方向前进，直至达到“山顶”。当然，“山顶”可以理解为目标函数的极大值，也可以理解为极小值，前者称为上升算法，后者称为下降算法。这两种算法都有一个共同的特点，就是每前进一步都应该使目标函数值有所改善，同时还要为下一步移动的方向提供有用的信息，如图4-22所示。

图4-22　优化设计