機械優(yōu)化設計的可視化方法
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可視化歸屬于計算方法的范疇，其能夠借助圖形對相關的物理現(xiàn)象進行描述，可使模型中的數(shù)學符號轉(zhuǎn)化為各種幾何圖形，由此能使數(shù)據(jù)的表達更加直觀、形象，有助于設計人員對計算過程進行模擬和交互控制。在傳統(tǒng)的機械優(yōu)化設計中，設計人員通常需要完成如下操作：對設計中變量的個數(shù)進行確定，依托優(yōu)化問題構建數(shù)學模型，據(jù)此進行主程序的編制，并在主程序中選取包含優(yōu)化方法的子程序，最后運行程序獲得最優(yōu)解。在相當長的一段時期內(nèi)，機械工程設計領域中采用的都是這種方法。然而，通過實際應用后發(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行反復調(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，無法實現(xiàn)人機交互，致使設計人員不能實時了解優(yōu)化的進展程度。近年來，隨著技術的飛速發(fā)展，機械設備從最初簡單的機器，變成了集光、機、電、液等多種先進于一身的產(chǎn)品，如果在機械設計中，仍然使用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，極有可能導致最終的設計無法滿足實際需求。鑒于此，在機械優(yōu)化設計中對可視化方法進行合理應用顯得尤為必要。
2可視化方法在機械優(yōu)化設計中的具體應用
2.1可視化的基本思路
構建數(shù)學模型是可視化方法在機械優(yōu)化設計中應用的重要前提和基礎，在這一過程中，應當確保模型構建使用的所有數(shù)據(jù)真實、可靠，并且能夠反映出機械產(chǎn)品的特點。同時，構建的數(shù)學模型不宜太過復雜，因為復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)學模型進行構建的過程中，應當充分以下幾個方面的因素：設計變量、目標函數(shù)和約束函數(shù)。當模型建立好之后，便可將之可視化方法在機械優(yōu)化設計中進行應用，以此為基礎，創(chuàng)建人機交互界面，與此同時，需要對如下事項加以關注：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可視化的實現(xiàn)過程
模型、計算過程及結(jié)果是優(yōu)化設計中的關鍵因素，所以可視化的方法應用，需要實現(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)學模型應當至少包括兩類函數(shù)，即目標與約束。設計人員可根據(jù)實際需要，對輸入的目標函數(shù)進行增加或是刪除，當所輸入的目標函數(shù)達到要求之后，可通過點擊界面中的確定按鈕來完成輸入。而數(shù)學模型中的約束函數(shù)即約束條件，它的輸入與目標函數(shù)的方法基本相同，在此不進行累述。輸入到數(shù)學模型中的函數(shù)全部都是以字符串的形式存在，需要將它們轉(zhuǎn)化為可被計算機識別的圖形，進而完成模型可視化。
2.2.2計算過程可視化
按照具體的設計問題，設置初始參數(shù)，當所有的參數(shù)輸入完畢之后，設計人員可以點擊界面中的確定按鈕，進入優(yōu)化算法的選擇頁面，在該頁面當中有多種參數(shù)設計選項，點擊參數(shù)設置進行選取，再點擊確定便可進入到優(yōu)化跟蹤頁面，最后點擊確定，即可開始優(yōu)化計算，此時設計人員可借助可視化軟件，繪制出迭代次數(shù)與目標函數(shù)之間的關系圖像，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，則可終止運行，重新對參數(shù)進行設定，并進行計算，直至達到最優(yōu)化的目標為止。
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)學模型中，設計人員能夠直觀地看到這些數(shù)據(jù)值，由此可為進一步的分析研究提供參考依據(jù)。點擊保存，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系統(tǒng)當中。
2.3可視化方法的運用實例
在機械領域中，各種型材的使用量相當較大，其中又以管棒類型材居多。在對此類型材進行加工的過程中，如果是在未優(yōu)化的情況下直接下料，可能會導致原材料的浪費，從而造成生產(chǎn)成本增大，不利于經(jīng)濟效益的提升。通過可視化方法的應用，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
在對管棒類型材進行下料的過程中，一般是安好機械工程的應用需要截取相應的長度，由于不同的機械工程對長度需要有所不同，所以可設計一個可視化的交互界面，在這個界面當中，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，與之相關的數(shù)據(jù)模型實質(zhì)上是截取方法矩陣與余量矩陣，簡單來講，就是構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，需要基于不同構的前提，對數(shù)學模型進行可視化構建。
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)化設計實質(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)果保存到計算機系統(tǒng)當中，可為后續(xù)的設計加工提供參考依據(jù)。
3結(jié)論
綜上所述，機械優(yōu)化設計是一項復雜程度相對較高的工作，為縮短設計周期，提高工作效率和設計水平，設計人員應當在實際問題的解決中，對可視化方法進行合理運用。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)完成機械優(yōu)化設計，從而使機械產(chǎn)品能夠快速投入生產(chǎn)，為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。
參考文獻
[1]孫新城,葉軍.機械優(yōu)化設計中可視化方法的研究[J].現(xiàn)代制造技術與裝備,2017(09).
[2]林昶,蔡甫卿,余秀德.關于機械優(yōu)化設計中可視化方法的研究[J].內(nèi)燃機與配件,2018(17):13-14.
作者：李淵 蘇芳 張明慧 單位：山西大同大學機電工程學院
