现代优化设计理论方法的综述。
摘要:针对现代机械设计日趋复杂,传统优化算法渐显力不从心。因此,遗传算法、神经网络、粒子群算法、进化算法等智能优化法于 20 世纪 80 年代相继提出,不需要目标函数和约束条件的导数信息,且可获得全局最优解,为复杂机械的优化设计提供了新的思路和方法,取得了良好效果,并在实际工程优化设计中有了成功应用。
关键词:现代机械设计;遗传算法;神经网络;粒子群算法;进化算法;优化设计。
中图分类号:tk438 文献标识码:a 文章编号:
1 遗传算法。
遗传算法起源于 20 世纪 60 年代对自然和人工自适应系统的研究,最早由美国密歇根大学 holland 教授提出,是模拟生物进化过程、高度并行、随机、自适应的全局优化概率搜索算法。它按照获得最大效益的原则进行随机搜索,不需要梯度信息,也不需要函数的凸性和连续性,能够收敛到全局最优解,具有很强的通用性、灵活性和全局性;缺点是不能保证下一代比上一代更好,只是在总趋势上不断优化,运行效率较低,局部寻优能力较差。作为一种实用、鲁棒性强的优化技术,遗传算法发展极为迅速, 20 世纪 80 年代在人工搜索、函数优化等方面得到了广泛应用,近些年越来越多地应用于工程优化设计,适合于设计变量较少的非连续性结构优化问题。
文献[1]基于实数编码的遗传算法对飞机气动外形进行优化设计的同时,采用演化策略,即把遗传算法等全局性优化方法与梯度法等局部性优化方法结合起来,实现优化质量和优化效率的良好折衷。目前该策略研究尚处于初期,是一个值得探索的方向。
2 神经网络法。
神经网络是一个大规模自适应的非线性动力系统,具有联想、概括、类比、并行处理以及很强的鲁棒性,且局部损伤不影响整体结果。美国物理学家 hopfield 最早发现神经网络具有优化能力,并根据系统动力学和统计学原理,将系统稳态与最优状态相对应,系统能量函数与优化目标函数相对应,神经网络参数与优化设计变量相对应,系统演化过程与优化寻优过程相对应,与 tank 在 1986 年提出了第一个求解线性优化问题的 th 选型优化神经网络。该方法利用神经网络的稳定平衡点总是对应网络能量函数的极小点进行优化设计,并利用神经网络强大的并行计算、近似分析和非线性建模能力,提高优化计算的效率,其关键是神经网络的构造,多用于求解组合优化、约束优化和复杂优化[2]。
近些年,神经网络法有较大发展, berke 等将神经网络用于航空工程结构件的优化设计; adeli 和 park 将结构优化设计与罚函数法、lyapunov 稳定性定理、 k-t 条件等神经动力学概念相结合,提出了具有极高稳定性和鲁棒性的神经动力学模型,特别适用于大型结构的自动设计与优化设计[3]。文献[4]结合随机摄动技术和随机模拟方法,提出了可靠性优化设计的数值逼近法,可以迅速准确地获得优化设计结果。
3 粒子群算法。
kennedy 和 ebehart 于 1995 年提出了模拟鸟群觅食过程的粒子群法,从一个优化解集开始搜索,通过个体间协作与竞争,实现复杂空间中最优解的全局搜索。粒子群法与遗传算法相比,原理简单、容易实现、有记忆性,无须。
交叉和变异操作,需调整的参数不多,收敛速度快,算法的并行搜索特性不但减小了陷入局部极小的可能性,而且提高了算法性能和效率,是近年被广为关注和研究的一种随机起始、平行搜索、有记忆的智能优化算法。目前,粒子群算法已应用于目标函数优化、动态环境优化、神经网络训练等诸多领域,但用于机械优化设计领域研究还很少。文献[5]应用粒子群算法对复合形法进行改进,提出了融合两种算法机制的粒子群复合形法,克服了易陷入局部极值的不足,增强了求解非线性优化问题的全局搜索能力和稳定性,对敏感性自变量优化函数的优化能力更强。
参考文献]1] 王晓鹏。基于遗传算法的飞机气动优化设计[j].计算力学学报, 2002, 19(2): 188-191.
2] sinanoglu c,borkluh assembly sequence-planning system formechanical parts using neural network[j].as-semblyautomation, 2005, 25(1): 38-52.
3] 靳蕃。神经计算智能基础原理与方法[m].成都:西南交通大学出版社, 2000.
4] 张义民,张雷。基于神经网络的机械零部件可靠性优化设计[j].农业机械学报, 2005, 36(4): 113-115, 122.
5] 莫愿斌。粒子群优化算法的扩展与应用[d].杭州:浙江大学, 2006.
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