机械优化设计实例及matlab优化工具.pptx

1、机械优化设计实例机械优化设计实例 及及 matlabmatlab 优化工优化工具 具 机械优化设计实例机械优化设计实例 机械优化设计的一般过程机械优化设计的一般过程 建立数学模型的基本原则建立数学模型的基本原则 机械优化设计实例机械优化设计实例 机械优化设计全过程一般可分为：机械优化设计全过程一般可分为：1)1)建立优化设计的数学模型。建立优化设计的数学模型。2)2)选择适当的优化方法。选择适当的优化方法。3)3)编写计算机程序。编写计算机程序。4)4)准备必要的初始数据并上机计算。准备必要的初始数据并上机计算。5)5)对计算机求得的结果进行必要的分析。对计算机求得的结果进行必要的分析。机械优

2、化设计的一般过程机械优化设计的一般过程1）设计变量的选择：）设计变量的选择：尽量减少设计变量数目尽量减少设计变量数目 设计变量应当相互独立设计变量应当相互独立2）目标函数的确定：）目标函数的确定：选择最重要指标作为设计追求选择最重要指标作为设计追求目标目标3）约束条件的确定：）约束条件的确定：性能约束和边界约性能约束和边界约束束建立数学模型的基本原则建立数学模型的基本原则试设计一重量最轻的空心传动轴。空心传动轴试设计一重量最轻的空心传动轴。空心传动轴的的 D D、d d 分别为轴的外径和内径。轴的长度不分别为轴的外径和内径。轴的长度不得小于得小于 3m3m。轴的材料为。轴的材料为 4545 钢

3、，密度为钢，密度为7.810-67.810-6 /，弹性模量，弹性模量 E=2105MPaE=2105MPa，许用切应力许用切应力 =60MPa=60MPa。轴所受扭矩为。轴所受扭矩为M=1.5106NmmM=1.5106Nmm。设计实例设计实例 1:1:分析分析设计变量：外径设计变量：外径 D D、内径、内径 d d、长度、长度l l设计要求：满足强度，稳定性和结构尺寸要设计要求：满足强度，稳定性和结构尺寸要求外，还应达到重量最轻目的。求外，还应达到重量最轻目的。所设计的空心传动轴应满足以下条件：（1）扭转强度 空心传动轴的扭转切应力不得超过许用值，即 空心传动轴的扭转切应力:设计实例设计实

4、例 1:1:)(1644dDD空心传动轴的扭切应力:设计实例设计实例 1:1:经整理得:)(1644dDD01027.1544DDd（2）抗皱稳定性 扭转切应力不得超过扭转稳定得临界切应力:空心传动轴的扭转稳定的临界切应力为:设计实例设计实例 1:1:2/3)2(7.0DdDE整理得:设计实例设计实例 1:1:（3）结构尺寸 034.1542/344DdDdDDminll0d0dD设：则数学模型为：则数学模型为：设计实例设计实例 1:1:ldDxxx32162210)(12.6)(minldDf63222110)(12.6xxx 设计实例设计实例 1:1:01027.11027.1)(5414

5、25441xxDDdXg034.15434.154)(2/3121424112/3442xxxxxxDdDdDDg033)(33xlXg0)(24xdXg0)(215xxdDXg平面连杆机构优化设计平面连杆机构优化设计一曲柄摇杆机构，一曲柄摇杆机构，M 为连秆为连秆 BC 上一上一点，点，mm 为预期为预期的运动轨迹，要求的运动轨迹，要求设计该曲柄摇杆机设计该曲柄摇杆机构的有关参数，使构的有关参数，使连杆上点连杆上点 M 在曲在曲柄转动一周中，其柄转动一周中，其运动轨迹运动轨迹(即连杆即连杆曲线曲线)MM 最佳地最佳地逼近预期轨迹逼近预期轨迹mm。设计实例设计实例 2:2:设计一再现预期轨迹设

6、计一再现预期轨迹 mm 的曲柄摇杆机构。已知的曲柄摇杆机构。已知xA 67mm，yA 10mm，等分数，等分数 s 12，对应，对应的轨迹的轨迹 mm 上上 12 个点的坐标值见表，许用传动角个点的坐标值见表，许用传动角 300。设计实例设计实例 2:2:一、建立优化设计的数学模型 一、建立优化设计的数学模型 点点 M 的坐标的坐标:设计实例设计实例 2:2:)sin()sin()cos()cos(5151llyyllxxAMAMcossincos22cos2arccos)(14141242124124232221lllarctgl lllll lllll点点 M 的坐标的坐标:设计实例设计实

7、例 2:2:)sin()sin()cos()cos(5151llyyllxxAMAMcossincos22cos2arccos)(14141242124124232221lllarctgl lllll lllll出。将由设计的已知条件给其中0该问题有该问题有 8 个设计变量，记为：个设计变量，记为：设计实例设计实例 2:2:Txxxx821,Tlllll054321,2）确定目标函数）确定目标函数将曲柄一周转角分为将曲柄一周转角分为 s 等分，要求连秆曲线最佳地逼近等分，要求连秆曲线最佳地逼近预期轨迹预期轨迹 mm，具体可由连杆曲线上的，具体可由连杆曲线上的 s 个点个点 M 最佳最佳地逼近预

8、期轨迹上的地逼近预期轨迹上的 s 个点个点 m 予以实现。由此可按点距予以实现。由此可按点距和最小的原则建立如下目标函数：和最小的原则建立如下目标函数：设计实例设计实例 2:2:simiMimiMiyyxxxf122)()()(3）确定约束条件）确定约束条件(1)由曲柄存在条件，可由曲柄存在条件，可得得:(2)由杆长必须大于零及曲柄由杆长必须大于零及曲柄 1 为最短杆，可得：为最短杆，可得：设计实例设计实例 2:2:0)(0)(0)(324134231243211llllxgllllxgllllxg0)(14lexg(3)由满足传动角条件由满足传动角条件 ，可得：，可得：设计实例设计实例 2:

9、2:02)(arccos180)(02)(arccos)(32214232263221423225llllllxgllllllxg。优化设计工具优化设计工具优化设计工具优化设计工具r第第 1 部分 部分 MATLAB 基础基础r第第 2 部分 优化计算工具部分 优化计算工具第第 1 1 部分 部分 MATLABMATLAB 基础基础1.1 MATLAB 环境简介环境简介1.2 数据表示数据表示1.3 数组数组1.4 源文件（源文件（M 文件）文件）1.1 MATLABMATLAB 窗口窗口 启动启动 MATLAB其窗口如右其窗口如右n1、Command Window (命令窗口命令窗口)n2、

10、Workspace (工作区工作区)1.2 数据表示 n1、变量 变量用标识符表示（字母打头、字母、数字、下划线组成，长度 19）。可以合法出现而定义。区分大小写字母，以当前值定义其类型。n2、函数名 函数名用标识符表示。1.3 数组 行向量、列向量、矩阵行向量、列向量、矩阵1.3.1 创建数组的常用方法创建数组的常用方法 1）直接列表定义数组）直接列表定义数组例如：例如：x=1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 y=1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 z=1,2,3,4,5;2,3,4,5,6,71.3 数组 2）域表定义数组）域表定义数组 变量初值：增量：终值初值：终变量初值：增量：

11、终值初值：终值值 变量（初值：增量：终值）常数变量（初值：增量：终值）常数 例如：例如：x=0:0.02:10 y=1:80 1.3 数组 1.3.2、数组的访问（一维）、数组的访问（一维）数组名 表示全体元素数组名 表示全体元素数组名数组名(k)表示第表示第 k 元素元素数组名数组名(k1:k2)表示第表示第 k1 到到 k2 元素元素1.3.3 数组运算1).纯量与数组的算术运算纯量与数组的算术运算 a c1 或 或 c1 a 其中其中 可为、可为、结果为结果为 a1c1 a2c1 anc1 或或 c1a1 c1a2 c1an2).数组加（减）数组加（减）使两数组的对应各元素相加使两数组的

12、对应各元素相加(减减)3).数组点乘数组点乘两数组的对应元素相乘两数组的对应元素相乘 a.*b 结果：结果：a1 b1 a2 b2an bn （a 与与 b 的维数必须相的维数必须相同）同）1.3.3 数组运算4).数组点正除（右除）数组点正除（右除）使两数组的对应元素正除 使两数组的对应元素正除 a./b 结果为结果为:（a a、b b 维数必须相同）维数必须相同）1.3.3 数组运算nnbababa11122111.4 1.4 源文件（源文件（MM 文件）文件）分为两类：函数文件和非函数文件 分为两类：函数文件和非函数文件 都用扩展名都用扩展名.M 1.4.1 函数文件（相当于子程序）函数

13、文件（相当于子程序）格式 格式 function 输出表输出表 函数名函数名(输入输入表表)函数体函数体1.4.2 1.4.2 非函数文件 非函数文件 无函数头的无函数头的 M 文件，由若干命令和注释构成。文件，由若干命令和注释构成。相当于主程序相当于主程序如：如：%Filename is a sine.m x=0:0.1:2*pi;y=sin(x);plot(x,y)1.4.3 M-1.4.3 M-文件的操作 文件的操作 1.4.3 M-1.4.3 M-文件的操作 文件的操作)5.75.7,5.75.7()sin(2222yxyxyxz1.4.3 M-1.4.3 M-文件的操作 文件的操作

14、1.4.3 M-1.4.3 M-文件的操作 文件的操作 第第 2 2 部分 优化计算工具部分 优化计算工具n2.1 线性规划优化函数线性规划优化函数n2.2 无约束非线性优化函数无约束非线性优化函数n2.3 约束优化函数约束优化函数MATLAB 解决的线性规划问题的标准形式为：min.tsxcT0,xbAxTnnmijxxxxxaA),.,(,)(32,10,),.,(,),.,(2121bbbbbccccTmTn且2.1 2.1 线性规划优化函数线性规划优化函数 函数函数 linprog 格式格式 x=linprog(f,A,b,Aeq,beq)x=linprog(f,A,b,Aeq,beq

15、,lb,ub,x0)f 是优化参数是优化参数 x 的系数矩阵的系数矩阵；A 线性不等式约束系数阵线性不等式约束系数阵b 线性不等式约束常数向量线性不等式约束常数向量Aeq 线性等式约束系数阵线性等式约束系数阵Beq 线性等式约束常数向量线性等式约束常数向量 2.1 线性规划及其优化函数 应用举例应用举例 求使函数 求使函数 取最小值的 取最小值的 x 值，值，且满足约束条件：且满足约束条件：321645)(xxxxf20321xxx42423321xxx302321xx0,0,0321xxx2.12.1 线性规划及其优化函数线性规划及其优化函数 代码 f=-5;-4;-6;A=1-1 1;3

16、2 4;3 2 0;b=20;42;30;lb=zeros(3,1);x,fval=linprog(f,A,b,lb)结果 x=0.0000 15.0000 3.0000 fval=-78.00002.2 2.2 无约束非线性优化函数无约束非线性优化函数 函数函数 fminunc 格式格式 x=fminunc(fun,x0)x=fminunc(fun,x0,options)x,fval=fminunc()2.2 2.2 无约束非线性优化函数无约束非线性优化函数 应用举例 求 的最小值 代码%首先编写目标的.m文件 functi on f=m yfun(x)f=3*x(1)2+2*x(1)*x(

17、2)+x(2)2%然后调用函数 fm i nunc x0=1,1;x,fval=fm i nunc(m yfun,x0)22212123)(xxxxxf2.2 2.2 无约束非线性优化函数无约束非线性优化函数 结果结果 x=1.0e-008*-0.7512 0.2479fval=1.3818e-0162.3 2.3 约束优化函数约束优化函数 函数 fmincon 格式 x=fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon)x=fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options)x,fval=fmincon()2.3

18、2.3 约束优化函数盖板优化实例约束优化函数盖板优化实例：目标函数：目标函数：约束：211205.02602)(xxhtxf0)(0)(01321115.1)(014571)(014571)(01411)(2615221max4231max321max22max1xxgxxgxxfxgxxxgxxxgxxgc盖板优化实例盖板优化实例211205.02602)(xxhtxf盖板优化实例盖板优化实例0)(0)(032111)(04571)(04571)(0411)(26152214231321221xxgxxgxxxgxxxgxxxgxxg盖板优化实例盖板优化实例运行结果：x=0.6332 25.

19、3264fval =101.3056盖板优化实例盖板优化实例前面空心轴的问题：clear allx0=23,19,4;options=optimset(largescale,off,display,iter,tolx,1e-6);x,fval,exitflag,output=fmincon(myfun1,x0,confun1,options)function f=myfun1(x)f=6.12*(x(1)2-x(2)2)*x(3)*10e-6x=33.7505 12.8830 3.0000fval=0.1787exitflag=4output=iterations:7 funcCount:39

20、 stepsize:1 algorithm:medium-scale:SQP,Quasi-Newton,line-search前面空心轴的问题：装载机优化设计:任何一个行业，一个市场，都是先来的有肉吃，后来的汤都没的喝。2423年 月 日2423年 月 日2423年 月 日年轻人欠缺经验，但请不要忘记：年轻是你最大的本钱。不要怕犯错，也不要畏惧挑战，你应该坚持到底，在出人头地的过程中努力再努力。09:36:1209:36:1209:36:122423年 月 日 09:36:12君子心胸开朗，思想上坦率洁净，外貌动作也显得十分舒畅安定。小人心里欲念太多，心理负担很重，就常忧虑、担心，外貌、动作也

21、显得忐忑不安，常是坐不定，站不稳的样子。2423年 月 日09:36:1209:36:122423年 月 日2423年 月 日开始努力吧！在这个过程中你必须放弃很多东西，但你要明白它们都不是你最终想要的，你要相信在你成功以后，总有一天它们会再回来，而且比现在更美好！。09:36:1209:36:1209:36:122423年 月 日想赢个三回两回，三五，有点智商就行;想做个百老店，想一辈子赢，没有德商绝对不行。我们这个世界，从不会给一个伤心的落伍者颁发奖牌。2423年 月 日2423年 月 日09:36:1209:36:122423年 月 日没有承受困难的能力，就没有希望了。在漫长的人生旅途中

22、，有时要苦苦撑持暗无天日的境遇；有时却风光绝项，无人能比。2423年 月 日09:36:122423年 月 日2423年 月 日我知道什么是劳动:劳动是世界上一切欢乐和一切美好事情的源泉。企业不景气，问题不在员工，而在老板的管理方法不当。2423年 月 日09:36:1209:36:122423年 月 日一个公司要发展迅速得力于聘用好的人才，尤其是需要聪明的人才。2423年 月 日09:36:122423年 月 日09:36:122423年 月 日防民之口，甚于防川。国语。2423年 月 日 09:36:1209:36:122423年 月 日与人交往的时候，多听少说。这就是，上帝为什么给我们一个嘴巴两个耳朵的原因。09:36:1209:36:1209:36:122423年 月 日逆风的方向，更适合飞翔。2423年 月 日2423年 月 日09:36:1209:36:1209:36:122423年 月 日一个成功的决策，等于90%的信息加上 10%的直觉。2423年 月 日 09:36:122423年 月 日幸运之神会光顾世界上的每一个人，但如果她发现这个人并没有准备好要迎接她时，她就会从大门里走进来，然后从窗子里飞出去。2423年 月 日2423年 月 日 09:36:122423年 月 日谢谢各位谢谢各位！