曾懷靈，賀建國

（長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012）

MATLAB在機械優(yōu)化設計中的應用

曾懷靈，賀建國

（長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012）

介紹了MATLAB優(yōu)化工具箱中各種優(yōu)化模型及其在機械優(yōu)化設計中的應用，并給出了優(yōu)化實例和結果。采用MATLAB優(yōu)化工具箱來求解機械優(yōu)化設計中的問題，不僅提高了設計效率，而且編程簡單、結果可靠。

機械優(yōu)化設計；MATLAB；優(yōu)化模型；夾具設計

機械產品的設計，一般需要經過調查分析、方案擬定、技術設計、零件工作圖繪制等環(huán)節(jié)［1］。傳統(tǒng)的設計方法基本上是采取人工試湊和定性分析比較等粗略方法。而機械優(yōu)化設計是以數(shù)學規(guī)劃為理論基礎，以計算機為工具，尋求最佳機械設計方案的現(xiàn)代設計方法，取代了傳統(tǒng)的可行性設計［2］。目前，優(yōu)化設計已有很多成熟的優(yōu)化方法，都有各自的特點和適用范圍。在MATLAB優(yōu)化工具箱中就有很多實用的優(yōu)化函數(shù)，利用這些優(yōu)化函數(shù)去解決機械優(yōu)化設計中的問題不僅方便實用，而且編程簡單易懂。

1 MATLAB在機械優(yōu)化設計中的應用

MATLAB（Matrix Laboratory）是由美國Mathworks公司開發(fā)的集數(shù)值計算功能、符號運算功能和圖形處理功能于一身的超級科學計算語言。MATLAB有多個工具箱，其中優(yōu)化工具箱（Optimization Toolbox）可以為線性、非線性最小化、非線性最小二乘、二次規(guī)劃、方程求解、多目標優(yōu)化等問題提供可靠的求解方法。

1.1 線性規(guī)劃及其應用

線性規(guī)劃在機械設計中應用非常少，主要是因其要求目標函數(shù)、約束條件都是線性的，而機械設計問題一般都是非線性的。目前，線性規(guī)劃在一維下料問題中應用比較多，如文獻［3］～［5］。求解線性規(guī)劃問題常用的方法有單純形法、大M法等。在MATLAB中由linprog函數(shù)來求解線性規(guī)劃問題。線性規(guī)劃模型如下：

式中，f、b、beq、lb、ub、x為向量，A、Aeq為矩陣。

linprog函數(shù)調用格式為：

其中，x為線性規(guī)劃的最優(yōu)解；

fval為目標函數(shù)在最優(yōu)解處的函數(shù)值（可省略）；

exitflag為迭代終止條件（可省略），為正數(shù)時，表示目標函數(shù)收斂于解x處；為負數(shù)時，表示目標函數(shù)不收斂；為零，則表示已經達到函數(shù)評價或迭代的最大次數(shù)；

output為優(yōu)化詳細信息輸出（可省略）；

lambda為求得最優(yōu)解的拉格朗日乘子（可省略），反應了各個約束條件在求解最優(yōu)值的有效性；

f為目標函數(shù)；

x0為迭代初值（可省略）；

options設置優(yōu)化項目參數(shù)（可省略）。

1.2 二次規(guī)劃及其應用

通常把約束條件全為線性的而目標函數(shù)是二次函數(shù)的最優(yōu)化問題稱為二次規(guī)劃［6］。二次規(guī)劃在機械設計中的應用比較少，在文獻［7］～［8］中利用二次規(guī)劃法求解接觸、有限元問題。在MATLAB中求解二次規(guī)劃問題可用quadprog函數(shù)。二次規(guī)劃模型如下：

式中，H為對稱矩陣，其余參數(shù)意義同式（1）。

quadprog函數(shù)調用格式為：

其中參數(shù)意義同式（2）。

1.3 無約束優(yōu)化及應用

無約束優(yōu)化有很多種算法，如最速下降法、Newton法、擬Newton法、共軛梯度法、信賴域法等。其中，擬Newton法利用了Newton法的二次收斂性使得可靠性更高，同時這種算法收斂速度也很快，所以在目前應用得相當廣泛。而擬Newton法中應用比較多的主要有BFGS算法和DFP變尺度法。在MATLAB優(yōu)化工具箱中求解無約束優(yōu)化問題采用fminbnd函數(shù)、fminunc函數(shù)和fminsearch函數(shù)，其中默認的算法就是BFGS算法。fminunc函數(shù)和fminbnd函數(shù)要求目標函數(shù)必須連續(xù)，而函數(shù)fminsearch常用來處理不連續(xù)的函數(shù)。fminbnd函數(shù)可以求解區(qū)間［x1，x2］內單變量非線性函數(shù)的最小值。

無約束優(yōu)化模型如下：

minf（x）

fminbnd函數(shù)調用格式為：

其中，x1、x2為求解區(qū)間上下界，其余參數(shù)意義同式（2）。

fminunc函數(shù)調用格式為：

其中，grad為目標函數(shù)在最優(yōu)解處的梯度值，hessian為目標函數(shù)在最優(yōu)解處的hessian矩陣值，其余參數(shù)意義同式（2）。

fminsearch函數(shù)調用格式為：

其中參數(shù)意義同式（2）。

1.4 有約束優(yōu)化及應用

在機械優(yōu)化設計中大多數(shù)問題是有約束優(yōu)化問題。為了保證設計的機械零件安全可靠，設計時必須確定相應的設計準則，而這些設計準則就成了目標函數(shù)的約束條件［9］。這些設計準則包括強度準則、剛度準則、壽命準則、振動穩(wěn)定性準則和可靠性準則，大多數(shù)是非線性的。對于非線性約束優(yōu)化問題有很多解法，早期都是通過構造懲罰函數(shù)將有約束優(yōu)化轉換為無約束優(yōu)化問題求解，而現(xiàn)在已經被更為有效的基于K－T方程解的方法所取代。在MATLAB優(yōu)化工具箱中采用序列二次規(guī)劃法（SQP）求解約束優(yōu)化問題，采用的函數(shù)為fmincon函數(shù)。

有約束優(yōu)化模型如下：

式中，C（x）、Ceq（x）分別為非線性函數(shù)，其余參數(shù)意義同式（1）。

fmincon函數(shù)的調用格式為：

其中，nonlcon為非線性約束條件包括C（x）和Ceq（x），其余參數(shù)意義同式（6）。

1.5 多目標優(yōu)化及應用

對于大量的工程設計方案要評價其優(yōu)劣，往往需要同時考慮多個目標。如在機械加工中，往往要求機械加工成本最低、生產率最高和刀具壽命最長。顯然，這樣的問題就屬于多目標優(yōu)化問題。多目標優(yōu)化問題的求解方法很多，其中一種常用的方法就是將多目標優(yōu)化問題重新構造一個函數(shù)，即評價函數(shù)，從而將多目標優(yōu)化問題轉化為求評價函數(shù)的單目標優(yōu)化問題。這類方法主要有：主要目標法、線性加權和法、理想點法和極大極小法等。另一種是將多目標優(yōu)化問題轉化為一系列單目標優(yōu)化問題來求解，這一類主要有分層序列法。在MATLAB中常用fminimax函數(shù)求解最大最小化問題，用fgoalattain函數(shù)求解多目標達到問題。

最大最小化問題模型如下：

式中，參數(shù)意義同式（8）。

fminimax函數(shù)的調用格式為：

其中，maxfval為在最優(yōu)解處目標函數(shù)中最大目標函數(shù)的函數(shù)值，其余參數(shù)意義同式（9）。

多目標達到問題模型如下：

式中，goal變量為目標函數(shù)的目標值，weight變量為權重用于控制低于或超過fgoalattain函數(shù)指定目標的相對程度，其余參數(shù)意義同式（8）。

fgoalattain函數(shù)的調用格式為：

其中，attainfactor是目標達到情況，當attainfactor≥0時，目標達到值沒有溢出；當attainfactor＜0時，目標達到值有溢出，其余參數(shù)意義同式（9）。

2 MATLAB優(yōu)化工具箱應用實例

在礦用高強度圓環(huán)鏈材料力學性能的安標檢驗檢測工作中，需要設計一對能承受350t（約3500 kN）拉力的實驗夾具來連接拉力機和礦用高強度圓環(huán)鏈夾具。已知夾具的材料為45鋼板材，屈服強度σs為355MPa，取安全系數(shù)s為1.2，要求設計的夾具質量最?。ɑ蝮w積最?。?。根據(jù)設計要求，夾具上表面的尺寸及受力情況如圖1所示。

圖1 夾具表面尺寸及受力示意

2.1 建立優(yōu)化模型

通過分析，設夾具的設計變量為L、R（Δr＝R－r）以及板材的厚度h，設計目標為minV（L，R，h）：

根據(jù)設計準則得如下約束條件：

（1）對于V形槽面，夾具受力面在受力時不能被壓潰：

（2）對于圓孔面，夾具受力面在受力時不能被壓潰：

（3）如圖1所示，Δr處截面積最小，最易拉裂，為此需滿足：

（4）由圖1可知在V形槽面的L截面處存在最大彎曲應力，按照設計要求夾具計算彎曲應力應低于屈服強度（忽略應力集中影響）：

綜合上述，約束條件化簡后優(yōu)化數(shù)學模型為：

2.2 MATLAB優(yōu)化工具箱求解

（1）編寫目標函數(shù)M文件myfun.m，其中L＝x（1），R＝x（3），h＝x（3）

（2）編寫約束函數(shù)M文件mycon.m

（3）編寫運行程序M文件my.m

運行my.m文件，結果如下：

3 結 論

在機械設計中引入優(yōu)化設計方法不僅能使設計的機械零件滿足性能要求，還能使其在某些特定方面達到最優(yōu)。利用MATLAB優(yōu)化工具箱求解機械優(yōu)化設計問題不僅避免了傳統(tǒng)的設計方法中人工試湊、分析比較過程中的繁雜與重復，而且編程簡單、結果可靠。在上述實例中，利用MATLAB軟件中fmincon函數(shù)求解夾具設計問題，最終設計的夾具要比采用傳統(tǒng)設計方法設計的質量輕、成本低，并且設計效率高。

［1］孫靖民.機械優(yōu)化設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］劉鶴松，姜 晶.基于MATLAB算法的機械優(yōu)化設計［J］.煤礦機械，2004（11）：11－12.

［3］唐 健，劉 浩.從線性規(guī)劃談一維下料［J］.南京工程學院學報（自然科學版），2005，3（3）：1－5.

［4］王連杰.基于線性規(guī)劃的一維優(yōu)化下料系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.大連：大連理工大學，2003.

［5］張春玲，崔耀東.一維優(yōu)化下料問題［J］.桂林工學院學報，2004，24（1）：103－106.

［6］曹衛(wèi)華，郭 正.最優(yōu)化方法及MATLAB的實現(xiàn)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［7］黃敬賢，張 杰.解彈性接觸問題的二次規(guī)劃法［J］.機械設計，1988（1）：1－6.

［8］孫惠學.二次規(guī)劃法求解軸對稱組合模具接觸強度［J］.太原重型機械學院學報，1993，14（1）：79－84.

［9］濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2001.

2012－02－24）

曾懷靈（1987－），男，湖南永州人，碩士研究生，主要從事機電液方向的研究與設計工作。