基于MATLAB和Pro/ENGINEER优化设计实例解析

出版说明

前言

第1章优化设计和工程软件应用概述

1.1优化设计概述

1.1.1常规设计与优化设计

1.1.2优化设计的发展概况

1.1.3工程软件在优化设计分析中的应用

1.2MATLAB系统简介

1.2.1MATLAB的主要特点

1.2.2MATLAB的工作界面

1.2.3M文件和流程控制结构

1.2.4图形处理功能

1.3Pro/ENGINEER系统简介

1.3.1Pro/ENGINEER的主要特点

1.3.2Pro/ENGINEER的典型模块和应用

1.3.3使用Pro/ENGINEER开发产品的过程

1.3.4Pro/ENGINEER在结构优化分析中的应用

第2章优化设计的数学模型

2.1设计变量

2.1.1基本参数

2.1.2设计方案的表示形式

2.1.3设计变量的选取

2.2设计约束

2.2.1设计约束的种类

2.2.2可行区域与非可行区域

2.3目标函数

2.3.1目标函数的含义

2.3.2单目标和多目标问题

2.4优化设计数学模型的几何意义

2.4.1优化设计数学模型的一般形式

2.4.2最优化问题的几何描述

2.4.3局部最优解和全域最优解

2.5优化设计数学模型的建立

2.5.1优化设计问题大小的分类

2.5.2优化设计问题建模举例

第3章优化设计的数学基础

3.1多维函数的方向导数、梯度和海赛矩阵

3.1.1函数的偏导数

3.1.2函数的方向导数

3.1.3函数的梯度和M文件

3.1.4函数的海赛矩阵和M文件

3.2函数的泰勒展开式和二次型

3.2.1函数的泰勒表达式和M文件

3.2.2函数的二次型

3.2.3正定二维二次函数的性质

3.3目标函数的极值条件

3.3.1无约束目标函数的极值条件

3.3.2有约束目标函数的极值条件

3.4优化设计的数值迭代方法

3.4.1迭代算法的概念

3.4.2优化问题的迭代过程

3.4.3优化迭代算法的分类

3.4.4迭代点列的收敛条件和终止判别

第4章一维搜索优化方法

4.1概述

4.2进退法确定搜索区间

4.3黄金分割法

4.3.1基本原理

4.3.2区间收缩率的确定

4.3.3迭代过程、算法框图和M文件

4.4二次插值法

4.4.1基本原理

4.4.2迭代过程、算法框图和M文件

第5章多维搜索优化方法

5.1共轭方向法

5.1.1坐标轮换法的基本思想

5.1.2共轭方向的概念

5.1.3共轭方向的构成

5.1.4迭代过程、算法框图和M文件

5.2鲍威尔(Powell)法

5.2.1共轭方向法的缺陷

5.2.2鲍威尔对共轭方向法的改进

5.2.3迭代过程、算法框图和M文件

5.3梯度法

5.3.1基本原理

5.3.2迭代过程和算法框图

5.3.3梯度法的特点

5.4共轭梯度法

5.4.1基本原理

5.4.2迭代过程、算法框图和M文件

第6章约束优化方法

6.1随机方向法

6.1.1约束坐标轮换法的基本原理

6.1.2随机方向法的基本原理

6.1.3随机数的产生

6.1.4初始点的选择

6.1.5随机搜索方向的产生和M文件

6.1.6迭代过程和算法框图

6.2复合形法

6.2.1基本原理

6.2.2初始复合形的产生

6.2.3迭代过程、算法框图和M文件

6.3惩罚函数法

6.3.1基本原理

6.3.2外点惩罚函数法和M文件

6.3.3内点惩罚函数法和M文件

6.3.4混合惩罚函数法

6.4几何规划方法

6.4.1几何不等式定理

6.4.2正项几何规划

6.4.3正困难度问题的解法

第7章多目标优化和离散变量优化概述

7.1多目标优化方法

7.1.1多目标优化设计的数学模型

7.1.2多目标优化问题解的特性

7.1.3线性加权法

7.1.4规格化加权法

7.1.5功效系数法(几何平均法)

7.1.6乘除法

7.1.7主要目标法

7.2离散变量问题的优化方法

7.2.1离散变量优化问题的基本概念

7.2.2离散变量优化问题的凑整解法

7.2.3离散变量优化问题的网格解法

第8章优化设计应用实例

8.1机械优化设计概述

8.1.1优化设计数学模型的分析处理

8.1.2优化方法的选择和结果分析

8.2人字架结构尺寸的优化设计

8.3连杆机构的优化设计

8.4滚子链传动优化设计

8.5蜗杆传动优化设计

8.6机床主轴结构优化设计

8.7无心磨削工艺参数优化

8.8螺栓组联接的优化设计

8.9弹簧结构参数的多目标优化

8.10齿轮传动的几何规划

第9章基于MATLAB优化工具箱的优化计算

9.1MATLAB优化工具箱

9.2线性规划问题

9.3二次规划问题

9.4无约束非线性规划问题

9.4.1函数fminbnd

9.4.2函数fminsearch

9.4.3函数fminunc

9.5约束非线性规划问题

9.6多目标优化问题

9.6.1函数fgoalattain

9.6.2函数fminimax

第10章遗传优化算法和MATLAB实现

10.1遗传算法概述

10.1.1遗传算法的基本思想

10.1.2遗传算法的基本内容和步骤

10.1.3遗传算法的特点

10.2遗传优化算法函数的应用

10.2.1遗传优化算法函数

10.2.2一维优化的遗传算法问题

10.2.3多维优化的遗传算法问题

10.2.4约束优化的遗传算法问题

10.3机械优化设计遗传算法实例

10.3.1圆锥齿轮传动优化设计的遗传算法

10.3.2高速轴动力稳定性优化设计的遗传算法

第11章基于Pro/ENGINEER行为建模的参数分析和优化

11.1行为建模概述

11.1.1行为建模的特点和内容

11.1.2行为建模的功能和步骤

11.2建立分析特征

11.3电子表格分析

11.4用户定义分析

11.5敏感度分析

11.6可行性和优化分析

11.7多目标设计研究

参考文献

　　本书是“CAD/CAM/CAE工程应用丛书”之一，该书介绍了优化设计的基本知识、常用优化方法、机械工程优化设计应用实例，以及基于MATLAB和Pro/ENGINEER系统的优化分析和计算，充分体现了现代设计思想和理念，注重优化设计的实用性和技术应用。本书可以作为高等院校机械设计与制造类专业的理想教材，也可作为工程技术人员学习优化设计技术应用的重要参考书。　　优化设计是将数学规划理论和计算机技术应用在工程设计中，从大量的可行设计方案中自动寻找出最佳设计方案，从而获得显著的技术和经济效益的一种现代设计法。本书力图从技术应用的特点和层次出发，讲解优化设计应用有关的问题，注重优化问题的技术应用。该书还针对技术应用特色，加强了基于工程设计软件Pro/ENGINEER和MATLAB的结构参数优化设计内容，本书中包含了作者进行科研和结合企业生产实践技术应用的成果，如优化问题的几何描述、多目标优化的规格化加权等。为方便优化技术的计算机辅助应用，书中还讲述了优化设计数学基础中的函数梯度和模、海赛矩阵和正定性的计算，在常用优化设计方法中的黄金分割法等，并都附有MATLAB的计算程序和运行示例说明。