機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的可視化方法

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1機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中可視化方法應(yīng)用的必要性分析

可視化歸屬于計算方法的范疇，其能夠借助圖形對相關(guān)的物理現(xiàn)象進(jìn)行描述，可使模型中的數(shù)學(xué)符號轉(zhuǎn)化為各種幾何圖形，由此能使數(shù)據(jù)的表達(dá)更加直觀、形象，有助于設(shè)計人員對計算過程進(jìn)行模擬和交互控制。在傳統(tǒng)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中，設(shè)計人員通常需要完成如下操作：對設(shè)計中變量的個數(shù)進(jìn)行確定，依托優(yōu)化問題構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，據(jù)此進(jìn)行主程序的編制，并在主程序中選取包含優(yōu)化方法的子程序，最后運(yùn)行程序獲得最優(yōu)解。在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，機(jī)械工程設(shè)計領(lǐng)域中采用的都是這種方法。然而，通過實(shí)際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，該方法存在諸多的不足之處。比如，編寫完的程序需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)試后才能使用，整個過程的工作量相對較大，耗時長，不利于效率的提升；又如，無法實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，致使設(shè)計人員不能實(shí)時了解優(yōu)化的進(jìn)展程度。近年來，隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備從最初簡單的機(jī)器，變成了集光、機(jī)、電、液等多種先進(jìn)于一身的產(chǎn)品，如果在機(jī)械設(shè)計中，仍然使用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，極有可能導(dǎo)致最終的設(shè)計無法滿足實(shí)際需求。鑒于此，在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中對可視化方法進(jìn)行合理應(yīng)用顯得尤為必要。

2可視化方法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中的具體應(yīng)用

2.1可視化的基本思路

構(gòu)建數(shù)學(xué)模型是可視化方法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)用的重要前提和基礎(chǔ)，在這一過程中，應(yīng)當(dāng)確保模型構(gòu)建使用的所有數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，并且能夠反映出機(jī)械產(chǎn)品的特點(diǎn)。同時，構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型不宜太過復(fù)雜，因?yàn)閺?fù)雜程度過高的模型會增大后續(xù)的計算量及計算難度。在對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建的過程中，應(yīng)當(dāng)充分以下幾個方面的因素：設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)。當(dāng)模型建立好之后，便可將之可視化方法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中進(jìn)行應(yīng)用，以此為基礎(chǔ)，創(chuàng)建人機(jī)交互界面，與此同時，需要對如下事項(xiàng)加以關(guān)注：利用可視化方法反映出優(yōu)化計算的迭代過程，并確保計算結(jié)果的可視化。

2.2可視化的實(shí)現(xiàn)過程

模型、計算過程及結(jié)果是優(yōu)化設(shè)計中的關(guān)鍵因素，所以可視化的方法應(yīng)用，需要實(shí)現(xiàn)這三個環(huán)節(jié)的可視化。

2.2.1模型可視化

在可視化方法中，一個完整的數(shù)學(xué)模型應(yīng)當(dāng)至少包括兩類函數(shù)，即目標(biāo)與約束。設(shè)計人員可根據(jù)實(shí)際需要，對輸入的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行增加或是刪除，當(dāng)所輸入的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到要求之后，可通過點(diǎn)擊界面中的確定按鈕來完成輸入。而數(shù)學(xué)模型中的約束函數(shù)即約束條件，它的輸入與目標(biāo)函數(shù)的方法基本相同，在此不進(jìn)行累述。輸入到數(shù)學(xué)模型中的函數(shù)全部都是以字符串的形式存在，需要將它們轉(zhuǎn)化為可被計算機(jī)識別的圖形，進(jìn)而完成模型可視化。

2.2.2計算過程可視化

按照具體的設(shè)計問題，設(shè)置初始參數(shù)，當(dāng)所有的參數(shù)輸入完畢之后，設(shè)計人員可以點(diǎn)擊界面中的確定按鈕，進(jìn)入優(yōu)化算法的選擇頁面，在該頁面當(dāng)中有多種參數(shù)設(shè)計選項(xiàng)，點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置進(jìn)行選取，再點(diǎn)擊確定便可進(jìn)入到優(yōu)化跟蹤頁面，最后點(diǎn)擊確定，即可開始優(yōu)化計算，此時設(shè)計人員可借助可視化軟件，繪制出迭代次數(shù)與目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系圖像，由此可直觀地看到增加函數(shù)值后的變化情況，若是優(yōu)化結(jié)果不符合要求，則可終止運(yùn)行，重新對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并進(jìn)行計算，直至達(dá)到最優(yōu)化的目標(biāo)為止。

2.2.3結(jié)果可視化

通過優(yōu)化計算得出的結(jié)果中包含以下內(nèi)容：初始數(shù)據(jù)值、迭代優(yōu)化數(shù)據(jù)值以及優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)值。在可視化的數(shù)學(xué)模型中，設(shè)計人員能夠直觀地看到這些數(shù)據(jù)值，由此可為進(jìn)一步的分析研究提供參考依據(jù)。點(diǎn)擊保存，可將優(yōu)化后的結(jié)果以數(shù)據(jù)文件的形式存儲到計算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中。

2.3可視化方法的運(yùn)用實(shí)例

在機(jī)械領(lǐng)域中，各種型材的使用量相當(dāng)較大，其中又以管棒類型材居多。在對此類型材進(jìn)行加工的過程中，如果是在未優(yōu)化的情況下直接下料，可能會導(dǎo)致原材料的浪費(fèi)，從而造成生產(chǎn)成本增大，不利于經(jīng)濟(jì)效益的提升。通過可視化方法的應(yīng)用，能夠使這一問題得到有效解決。

2.3.1基于可視化方法的下料數(shù)據(jù)輸入

在對管棒類型材進(jìn)行下料的過程中，一般是安好機(jī)械工程的應(yīng)用需要截取相應(yīng)的長度，由于不同的機(jī)械工程對長度需要有所不同，所以可設(shè)計一個可視化的交互界面，在這個界面當(dāng)中，用戶可按照具體情況任意輸入長度，輸入過程可以手動，也可以讀取文件的形式完成。

2.3.2建立模型

對于型材的下料問題而言，與之相關(guān)的數(shù)據(jù)模型實(shí)質(zhì)上是截取方法矩陣與余量矩陣，簡單來講，就是構(gòu)建一個包含各種可能的型材截取方法列表。由于型材下料種類的不同，所以獲得的截取方法矩陣中的行數(shù)與列數(shù)均不同，相應(yīng)的余量矩陣中的行數(shù)也會有所不同。因此，需要基于不同構(gòu)的前提，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可視化構(gòu)建。

2.3.3算法選取與結(jié)果可視化

因管棒型材的使用要保證完整性，所以其個數(shù)必須是整數(shù)解。鑒于此，可在模型中用舍入法來近似替代，這樣可以獲得最優(yōu)的計算結(jié)果。管棒類型材的優(yōu)化設(shè)計實(shí)質(zhì)上是一個線性規(guī)劃的過程，通過算法的合理選用，最終能夠得到可視化結(jié)果，將該結(jié)果保存到計算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，可為后續(xù)的設(shè)計加工提供參考依據(jù)。

3結(jié)論

綜上所述，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜程度相對較高的工作，為縮短設(shè)計周期，提高工作效率和設(shè)計水平，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)在實(shí)際問題的解決中，對可視化方法進(jìn)行合理運(yùn)用。通過可視化建模和計算過程的可視化，力爭在較短的時間內(nèi)完成機(jī)械優(yōu)化設(shè)計，從而使機(jī)械產(chǎn)品能夠快速投入生產(chǎn)，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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作者：李淵 蘇芳 張明慧 單位：山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院