第五章优化设计方法.

设计方法学第五章优化设计评价全寿命周期优化概述优化设计评价方法设计方法学§5-1全寿命周期优化概述优化设计（OptimalDesign）是从60年代初期开始发展起来的一门新的学科，它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，在解决复杂设计问题时，它能从众多的设计方案中找到尽可能完善的或最适宜的设计方案。设计方法学最优化技术最优化技术，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，这就是建模技术研究的主要内容。实际设计问题，经抽象处理后建立起相应的优化设计数学模型，接下来的任务是求解数学模型。设计方法学优化设计问题的求解技术•优化设计问题的求解方法很多，早期的方法有：试算法、表格法、图解法和一元函数极值理论等。80年代以来，借助于计算机程序，一大批的数学规划方法（优化设计方法），解决了许多实际的优化设计问题。但至今还没有任何一个优化设计方法程序能求解全部的非线性规划问题。•不同的非线性规划方法有各自的求解能力和求解范围。在选择方法程序时，不仅要选择方法，更重要的是选择程序。通常最好选择由多个方法程序和一些辅助程序组成的优化设计方法程序包或程序库。设计方法学最优化设计的现状与发展1）最优化设计方法在参数优化设计和结构优化设计等方面比较有效，对方案设计与选择、决策等方面则无能为力。2）建模难度大，技术性高，数学模型描述能力低，数学模型误差大。3）方法程序的求解能力有限，难以处理复杂问题和性态不好的问题，难以求得全局最优解。现状设计方法学为了提高最优化方法的综合求解能力，人们探索：1）引入了人工智能、专家系统技术，增加了最优化方法中处理方案设计、决策等优化问题的能力，在优化方法中的参数选择时借助专家系统，减少了参数选择的盲目性，提高了程序求解能力。2）针对难以处理性态不好的问题、难以求得全局最优解等弱点，发展了一批新的方法，如：模拟退火法、遗传算法、人工神经网络法、模糊算法、小波变换法、分形几何法等。3）在数学模型描述能力上，由仅能处理连续变量、离散变量，发展到能处理随机变量、模糊变量、非数值变量等，在建模方面，开展了柔性建模和智能建模的研究。现状设计方法学4）在研究对象上,从单一部分的、单一性能或结构的、分离的优化设计,进入到整体优化,分步优化、分部和分级优化、并行优化等，提出了覆盖设计全过程的优化设计思想。方法研究的重点，从着重研究单目标优化问题进入到着重研究多目标问题。5）在最优化方法程序设计研究中，一方面努力提高方法程序的求解能力和各个方法程序之间的互换性，研制方法程序包、程序库等；另一方面大力改善优化设计求解环境，开展了优化设计集成环境的研究，集成环境为设计者提供辅助建模工具、优化设计前后处理模块、可视化模块、接口模块等。现状设计方法学优化设计将从传统的优化设计向广义优化设计过渡。广义优化设计在基本理论上应是常规优化设计理论、计算机科学、控制理论、人工智能、信息科学等多学科的综合产物；在求解问题的类型上有数值型和非数值型问题，设计变量也可以有多种类型；在方法上应是多种算法互补共存；在实现上应是将多个方法、多个工具、多个软件系统无缝集成在一起形成具有统一的、使用方便的、功能齐全的最优化设计集成环境。发展设计方法学全系统优化现代机械产品的系统性、综合性和规模化导致设计模型的横向扩展。把研究对象由传统优化的简单零部件扩展到复杂零部件、整机、系列产品和组合产品的整体优化，由单学科领域的优化发展到机、液、光、电、信息的集成优化。统称为~。设计方法学全性能优化客户要求的多样化导致基于全性能的多目标优化。把优化准则由传统优化的单方面性能优化扩展到技术性、经济性和社会性的综合评估和优化。技术上追求实现目的性能、约束性能、使用性能和结构性能的综合优化；结构上追求静态性能和动态性能的组合优化。称为~。设计方法学全设计过程优化对产品寿命周期优化的市场需求导致设计模型的纵向扩展。把优化范围由传统优化的产品技术设计阶段的优化扩展到包含功能、原理方案和参数、结构方案、参数和形状，以及工艺和公差优化的全设计过程，进而面向制造、经销、使用和用后处置的寿命周期设计过程。设计方法学全寿命周期优化设计方法学§5-2优化设计评价方法优化宏观层面上的优化包含技术、经济、社会诸多因素寻求产品总体设计的最佳效果价值系数是优化的目标创造思维是优化方案产生的源泉评价决策是确定最佳方案的主要手段产品总体设计内容设计方法学一、目标与过程目标：方案的价值系数：总体优化的过程：确定优化对象优化方案的建立优化方案的评选CFv——功能——成本方案优化法：以功能分析为基础运用创造技巧最大程度降低成本努力提高功能寻求最大价值系数设计方法学二、优化对象的确定情报资料齐全无需大量人力物力牵涉面不广优化对象总体方案优化不能没有重点应选出优化对象可以从六个方面考虑:考虑方面对象特点设计方面生产方面销售方面质量方面效果方面难易方面环节多，结构复杂设备性能落后，生产技术落后原材料贵重，消耗量大产品产量大工艺复杂落后燃料、动力耗量大用户意见大产品市场竞争激烈产品市场趋于饱和产品返修率高次品率、废品率高产品赔偿率，退换率高效果显著具备各种改善条件有改善潜力设计方法学具体方法1.从技术角度选择优化对象（1）经验分析法（2）综合分析法确定评价指标计入权重专家评分按加权总评分决策设计方法学案例：某产品有A、B、C、D4个组成部分。经过企业有关人士的分析,决定以可靠性、操作性、维修性、工艺性、生产效率和安全性等6项指标来评价每一部分的技术水平，并根据6项指标对产品的不同工艺重要性赋予不同的权重设计方法学2.从经济角度选择优化对象（1）成本百分比这种方法主要是根据产品部分费用所占的总费用的比重，选择比重较大的作为优化对象。这是一种定量方法，较易实行，但由于考虑了成本的一个因素，所以具有较大的片面性。设计方法学选择C项目作为优化对象ABC成本/万元161720成本比例(%)303238利润/万元1587利润比例(%)502723指标项目实例：某企业有三个产品项目，它的成本和利润比例见下表：设计方法学（2）ABC分类法这是由意大利经济学家帕莱托应用数理统计分析的方法发展而来。它根据不同零部件（或生产环节）的局部成本所占总成本比重大小来选择优化分析对象。设计方法学实例:某产品由10个零部件组成，试用ABC法进行分类。解：把各零部件从1到N编号，则有件8及10定为优化对象零件编号10879426135成本比重(%)3928154333221累计比重(%)671914类别ABC第i个零件的成本比重＝—————————第i个零部件的成本所有零部件成本之和设计方法学（3）功能成本双重比率分析法此方法综合了成本分析和功能分析，以功能成本比平均值作为标准，选择比率较大的作为优化对象。下表中：功能比重＝项目功能得分/总功能得分成本比重＝项目成本/总成本功能成本平均比＝(功能比重+成本比重)/2设计方法学实例:某项目的制造费用主要用于机械、控制、软件和监测四个部分，为降低成本必须对其进行优化。监测项功能与成本平均比最高，应选为优化对象项目功能得分功能比重(%)目前费用/千元成本比重(%)功能成本平均比(%)选择次序机械90281002526.52控制80255012.518.83软件70225012.517.34监测80252005037.51设计方法学3.从市场分析角度选择优化对象产品寿命周期法用户评估法4.功能评价指数法(1)强制确定法，亦称FD法先求出功能指数、成本指数和价值指数，根据价值指数选择优化对象。然后还可以按功能指数分配预计成本，求出成本降低指标，以实现功能价值的最优化。设计方法学1）求功能指数式中：Fi为第i个环节的功能指数；fi为第i个环节的累计得分；n为某个方案的环节数。2）求成本指数式中：Cki为成本指数Ci为各环节的现实成本),...2,1(1nnffFniiii),...2,1(1nnCCCniiiki设计方法学3）求价值指数价值指数＝功能指数/成本指数式中：Vi为价值指数),...2,1(1nnCFVnikiii设计方法学4）价值指数分析根据Vi的不同数值，做如下分析：Vi=1，即功能与成本所占比重一致，属非优化对象Vi=0，说明该环节没有价值，可以合并或省去Vi1,表明功能较重要，或是运用了先进技术使成本较低，若Vi值过大，则可能是成本太低或投入不足Vi1,表明功能不重要，或成本偏高根据国外经验，Vi3以上或Vi0.5以下的，均可作为重点分析和改进对象，即可选定为须优化项目。设计方法学5）确定目标成本经过价值分析，可发现有些环节的功能与成本之间不协调，需根据计算所得功能指数，重新分配现实成本。式中：Ci’为重新分配的现实成本6）新目标成本可确定一个新的总控制成本CP，由此可得各环节新的目标成本由此得成本降低幅度Ci−Ci0,它通过优化予以实现),...2,1('1nnCFCniiii),...2,1(0nnCFCfii设计方法学案例：某方案有8个环节，已知各自的实现成本，现用FD法进行分析。设Cp＝5000元。（1）用“01”评分法进行一对一比较：设计方法学（2）已知的现实成本Ci。利用公式分别求得成本指数Cki和价值指数Vi。设计方法学（3）求重新分配的现实成本和改进后的目标成本，最终看出优化后成本的降低幅度。设计方法学(2)理想区域法此方法是日本田中教授提出的。思路：价值指数相同的对象，由于各自的成本指数及功能指数的绝对不同，因而可能对方案的实际影响由很大的差异。所以在选择优化对象时，不应把价值指数相同的对象同等看待。而应选择对设计方案实际影响大的环节设计方法学基本原理设计方法学案例B、D环节都在理想区域之外应作重点优化对象22102.0ixy222202.0xy现实成本、成本指数、价值指数表用理想区域确定优化对象设计方法学三、优化方案的建立情报是优化方案建立的基础价值分析是优化方案建立的步骤创新是优化方案建立的根本四、评价决策1.评价目标树（1）技术目标（2）经济目标（3）社会目标技术性能、工艺性可靠性、自动化程度成本、利润、投资额回报率、市场寿命国家政策、国际惯例资源、节能、环境污染设计方法学图目标评价树目标:b1,b2,…子目标:b11,b12,b21,b22,b23,…加权系数：一阶qi1,∑qi=1二阶qij1,∑qij=qiq11b11q1b1q12b12q21b21q22b22q23b23q2b2b设计方法学2.评分法评价电池0.5寿命0.3电压0.2成本0.8性能设计方法学电池评分线图设计方法学3.技术——经济评价法技术价Wt经济价WW相对价方案A为最佳方案wt方案A为最佳方案设计方法学一高速专用磨床的主轴前支撑被列为优化对象，共提出三种方案,即：3排深沟球轴承,3排液体动压轴承，或3排球面液体静压轴承。轴承0.3刚度0.3抗振性0.2性能0.8制造0.2加工0.1装配0.2使用设计方法学设计方法学经济价WHI—理想成本Hi—实际成本)3,2,1(iHHWiIWi设计方法学相对价W1＝0.676W2＝0.632W3＝0.605WT0.6不合格WW0.7不合格方案1在允许区域内WiTi设计方法学4.模糊评价法今确定以计算管理系统为优化对象，提出了购买专用软件，构买通用软件或自行开发3中方案，投资必须控制在15万元以内，15万元为中，低于15万元为优，同时建立性能和周期等价目标，以及相应的加权系数。管理系统0.2投资0.55性能0.25周期管理系统的评价目标树设计方法学专家按优、中、差设计方法学设计方法学设计方法学建立模糊评价矩阵在本例中设计方法学K＝Q·R本案例设计方法学方案I为最佳方案设计方法学设计方法学碱性电池的涂封口胶工艺，是生产碱性电