车辆优化设计理论与实践_第3章剖析
车辆优化设计理论与实践课件：优化设计在汽车上的应用实例 -
用值，即
g8 ( X ) 1 [ 1] 0
g9 ( X ) 2 [ 2] 0
g10 ( X ) j [ j] 0
7）齿轮轴的最大挠度应不大于其许用值，
即
g11( X ) f 1max [ f 1] 0
g12 ( X ) f 2max[ f 2] 0
6.3 变速器传动齿轮的优化设计
Z1
Z2
Z3
Z4
6.3 变速器传动齿轮的优化设计
对于二级圆柱齿轮传动装置而言，影响承载
能力系数 (X ) 的独立变量仅有传动比 i 、
螺旋角 和第一、二级传动的中心距变动系 数 1 、2 。因此设计变量为
X [x1 x2 x3 x4]T [i 1 2]T
为提高齿轮的接触强度，应尽量增大承载能 力系数，也就是使其倒数最小。对第一级和 第二级齿轮传动来说，应分别使其最小
4）齿轮模数应大于零，即 g5 (X ) x3 0
5）齿轮轴的最小尺寸若分别规定为 d1min 和 d 2min ，则有
g6 ( X ) d1min x4 0 g7 ( X ) d 2min x5 0
6.3 变速器传动齿轮的优化设计
6）轮齿的弯曲应力及接触应力不大于其许
os1
2m
c
os2
车辆模型的优化设计与制造流程分析
车辆模型的优化设计与制造流程分析随着汽车工业的快速发展，车辆模型的设计和制造流程的优化成为了汽车制造业的重要课题。
车辆模型作为汽车设计过程中的重要环节，直接影响着车辆的性能、安全和可靠性。
本文将对车辆模型的优化设计和制造流程进行分析，并探讨相关的技术和方法。
1. 车辆模型的优化设计在车辆模型的设计过程中，需要考虑多个方面的因素，例如车辆的气动性能、结构强度、材料选择和悬挂系统等。
优化设计的目标是实现车辆在各种工况下的最佳性能。
首先，优化车辆的气动性能是重要的设计指标之一。
通过模拟和分析空气流动情况，可以减小空气阻力，提高车辆的燃油经济性和稳定性。
采用计算流体力学（CFD）等先进技术，可以对车辆的外形进行优化，如降低车身高度、改善车身流线形状等。
其次，结构强度是车辆模型设计的另一个重要方面。
优化结构强度可以提高车辆的安全性和耐久性。
在设计过程中，通过有限元分析（FEA）、多体动力学仿真等方法，可以评估车辆在碰撞、变形和疲劳等工况下的受力情况，并进行结构改进，以提高车辆的整体刚度和耐久性。
此外，材料的选择也对车辆模型的性能有重要影响。
优化材料的选择可以降低车辆的自重、改善车辆的刚度和强度。
现代汽车制造中，使用高强度轻量化材料，如高强度钢、铝合金和复合材料等，可以达到减重和提高车辆性能的目的。
最后，在车辆模型的设计中，悬挂系统也是需要优化的关键部分。
悬挂系统的设计直接决定了车辆的操控性和乘坐舒适性。
通过合理的悬挂系统调校、减振器和悬挂弹簧的选择，可以实现车辆的平稳行驶和良好的操控性能。
2. 车辆模型的制造流程分析车辆模型的制造流程是将设计图纸和技术要求转化为实际的产品的过程。
优化制造流程可以提高生产效率、降低生产成本、改善产品质量。
首先，车辆模型的制造流程包括零部件的加工制造和总装过程。
对于零部件的加工制造，采用先进的数控机床和自动化制造技术可以提高加工精度和生产效率。
同时，应制订合理的零部件加工工艺和质量控制流程，以确保零部件的精度和质量。
汽车工程中零部件设计优化的理论与方法研究
汽车工程中零部件设计优化的理论与方法研究随着汽车工业的不断发展，零部件设计优化在汽车工程中变得越来越重要。
优化设计可以提高零部件的性能、可靠性和效率，减少制造成本，降低能源消耗，改善驾驶体验等。
因此，研究汽车工程中零部件设计优化的理论与方法对于汽车工业的进一步发展至关重要。
1. 零部件设计优化的理论基础零部件设计优化的理论基础主要包括工程力学、材料力学、热力学等知识。
工程力学是基础，它研究物体在外力作用下造成变形和破坏的原因和规律。
材料力学是研究材料性能和力学特性的学科，它对零部件材料的选择和设计提供了基础理论。
热力学是研究能量转化和传递的学科，它对于研究汽车零部件的能量效率和热环境有着重要作用。
2. 零部件设计优化的方法（1）有限元分析方法有限元分析方法是一种基于数学模型的分析方法，广泛应用于零部件的设计优化。
通过将零部件划分为多个小单元，并在每个单元上建立数学模型，可以较为精确地预测零部件的力学特性、疲劳寿命和振动特性等。
有限元分析方法可以帮助工程师在不同设计方案之间进行比较，选择最优设计方案，并减少制造成本。
（2）拓扑优化方法拓扑优化方法是一种通过改变零部件内部结构的方法，以达到减少重量和提高强度的目的。
它基于有限元分析方法，通过优化设计变量来改变零部件的形状和材料分布，使得零部件在承载要求下尽可能轻量化。
拓扑优化方法能够显著提高零部件的性能和效率。
（3）参数化设计方法参数化设计方法是一种通过建立数学模型来描述零部件设计变量与性能指标之间的关系的方法。
通过建立参数化模型，工程师可以快速有效地进行设计优化。
参数化设计方法可以将设计优化问题转化为参数优化问题，通过优化设计变量，使得零部件的性能指标最优化。
（4）多目标优化方法多目标优化方法是一种基于多个目标函数进行设计优化的方法。
汽车工程中的零部件设计优化通常涉及到多个冲突的目标，例如重量、成本、燃油效率等。
多目标优化方法可以帮助工程师在多个目标之间寻找最佳平衡点，得到综合考虑各个目标的最优设计方案。
车辆优化设计理论与实践第3章
另外研究无约束优化问题的另一个原因是，通过熟 悉它的解法可以为研究约束优化问题打下良好的基 础。除此以外，约束优化问题的求解可以通过一系 列无约束优化方法来达到。所以无约束优化问题的 解法是优化设计方法的基本组成部分，也是优化方 法的基础。
随机选择步长，只要保证函数值下降。
2）最优步长法
利用一维搜索来完成该方向上的最优步长，该方法的每一
步均可最大限度地减小目标函数值，故可期望收敛得更快些，但 程序稍微复杂。
3）加速步长法 这方法是开始选一个不大的初始步长，在每
一次搜索中，都是以
开始，随后在函数值下降的情况下
以 ， ， ……倍增的速度加大步长，直至函数值不再下
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.2 坐标轮换法
3.2.1 坐标轮换法的算法原理
1．基本思想 将一个n维问题转化为一系列的一
维优化问题来求解，是一个降维的思想，具体来说
，就是沿着坐标方向轮流搜索，每次n－1个变量
固定，只对一个变量作一维搜索，首先沿第一个坐
标轴方向
进行一维搜索，求出该方向
上目标函数最小的点或函数值有所下降的点 ，
降，取其前步长为最终步长，这种办法较简单，程序易编制。
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.2 坐标轮换法
例3-1 求min
，
初始点为
解：从 出发，沿 方向搜索，得 点 ：
由
得
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
车辆动力系统的模拟分析及优化设计
车辆动力系统的模拟分析及优化设计车辆动力系统是指驱动车辆运行的各种动力装置及其控制系统。
在现代汽车工业中，动力系统的设计和优化是提高车辆性能、降低排放、提高燃油经济性的关键。
本文将针对车辆动力系统的模拟分析及优化设计进行详细的讨论。
1. 车辆动力系统的模拟分析车辆动力系统的模拟分析是通过建立数学模型来模拟车辆动力系统的运行规律。
该模拟分析能够帮助工程师理解系统的行为特性、研究系统的工作原理，并对系统进行评估和改进。
在进行车辆动力系统的模拟分析时，需要考虑以下几个方面：1.1 发动机模拟分析发动机是车辆动力系统的核心部件，对发动机进行模拟分析是确保系统性能和燃油经济性的关键。
该模拟分析应包括发动机的燃烧过程、热力学特性、排放性能等方面的模拟。
通过模拟分析，可以优化发动机的工作参数，提高燃烧效率，减少排放。
1.2 传动系统模拟分析传动系统是将发动机的动力传递给车轮的关键组成部分，其设计直接影响到车辆的性能和燃油经济性。
在进行传动系统的模拟分析时，需要考虑传动比、摩擦等因素，并通过模拟分析来评估和改进传动系统的效率。
1.3 能量管理系统模拟分析能量管理系统是为了最大程度地利用发动机动力、电池电力等资源，优化车辆动力系统的设计。
在能量管理系统的模拟分析中，需要对电池的充放电性能、能量转化效率等进行模拟分析，以实现对能量的有效管理。
2. 车辆动力系统的优化设计车辆动力系统的优化设计是通过改进系统的结构和参数，以提高车辆性能、降低排放和燃料消耗。
以下是几个常见的优化设计方法：2.1 多目标优化设计车辆动力系统的多目标优化设计是在满足传动系统和发动机性能要求的基础上，综合考虑燃油经济性、排放性能、车辆的驾驶性能和舒适性等多个指标进行优化。
这种设计方法可以帮助工程师在设计过程中找到最优解，并根据不同的需求进行权衡和调整。
2.2 拓扑优化设计拓扑优化设计是通过改变结构的拓扑，如增加或减少零部件的数量、修改零部件的布局等，来优化车辆动力系统的性能。
汽车机械结构的优化设计及模拟分析
汽车机械结构的优化设计及模拟分析近年来，随着汽车产业的迅猛发展和消费者对汽车性能的不断要求，汽车机械结构的优化设计和模拟分析变得越来越重要。
通过优化设计和模拟分析，可以提高汽车的安全性、燃油经济性和乘坐舒适度，为用户提供更好的驾驶体验。
首先，我们来谈谈汽车机械结构的优化设计。
在汽车的设计中，机械结构起着至关重要的作用。
它涉及的领域包括发动机、底盘、悬挂系统等多个方面。
优化设计的目标是在保证汽车性能的前提下，最大限度地减少结构的重量和材料消耗。
通过合理设计的结构，可以减轻汽车的整体重量，提高燃油经济性并降低排放。
例如，通过应用轻量化材料和结构的设计，可以减少车身重量，从而降低燃油消耗并提高行驶性能。
此外，优化发动机和底盘结构的设计也可以提高汽车的操控性和舒适性，使驾驶者在行驶过程中更加舒适和安全。
其次，模拟分析在汽车机械结构优化设计中的重要性不可忽视。
通过模拟分析，可以在设计阶段模拟不同工况下的汽车性能，以评估和验证设计的合理性。
其中，有限元分析是常用的一种模拟分析方法。
有限元分析可以将复杂的结构问题转换为简单的网格模型，并通过求解数学方程组来获得结构的应力和变形情况。
通过分析结果，设计师可以评估结构的强度、刚度和疲劳寿命等指标，以指导优化设计的方向。
此外，计算流体力学分析在发动机和空气动力学方面也是重要的模拟分析手段。
利用计算流体力学分析，设计师可以模拟发动机燃烧过程和气流分布情况，从而优化发动机的设计和燃烧效率。
优化设计和模拟分析的过程也需要借助先进的计算工具。
目前，各种计算软件和仿真平台的发展为汽车机械结构的优化设计和模拟分析提供了强大的支持。
在优化设计方面，有CAD（计算机辅助设计）软件可以实现结构的三维建模和优化，同时还有拓扑优化工具可以寻找最佳结构形状和布局。
在模拟分析方面，有ANSYS、ABAQUS等有限元分析软件，以及STAR-CD、FLUENT等计算流体力学软件，可以实现结构和流场的模拟分析。
汽车传动系统的优化设计与分析技术研究
汽车传动系统的优化设计与分析技术研究汽车传动系统是汽车运行的重要组成部分，其设计和优化直接影响汽车性能和效率。
在这篇文章中，我们将探讨汽车传动系统的优化设计和分析技术，以了解如何提高汽车的性能和效率。
一、传动系统的基本构成传动系统是指汽车发动机能量传递至驱动轮的一系列零部件的总和。
主要包括离合器、变速器、传动轴、驱动轴和差速器等。
这些零部件的作用是在不同的车速和转速下转换发动机的动力和扭矩，并传递给车轮。
离合器是传动系统的关键部件之一。
它位于发动机和变速器之间，通过压盘和摩擦盘的组合来控制动力的传递。
当驾驶员踩下离合器踏板时，压盘从离合器盘离开，阻止了动力传递。
当离合器连接时，摩擦盘将发动机的动力传递到变速箱。
变速器负责将发动机的动力通过齿轮传递给驱动轴。
现在很多汽车都配备了自动变速器，能够根据车速和路况自动调整换档的时机和时间。
而手动变速器则需要驾驶员通过踩离合器和换挡来实现。
传动轴是将变速器输出轴的动力传递到驱动轴的部件。
通常由两节万向节和一个铰链连接。
其作用在于通过万向节连接变速器输出轴和驱动轴，使得发动机的动力和扭矩可以传递给驱动轴，从而让车轮转动。
驱动轴是连接差速器和车轮的部分，通过它扭矩传递到车轮。
差速器则是连接驱动轴和车轮的部分。
它能够使左右两个车轮不同时转动，从而适应不同的路况（如转弯）。
二、传动系统的优化设计的目的传动系统的优化设计目的是提高汽车的性能和效率。
其中，性能包括加速能力、最高车速、燃油经济性等。
效率则包括发动机的动力输出和燃油利用率等。
通过优化设计传动系统能够减小驱动轮与车轮之间的滑移，从而提高车辆的动力输出和燃油利用率。
传动系统的优化可以从以下方面着手：1. 优化离合器性能离合器的摩擦盘是关键部件之一。
目前，常用的离合器摩擦盘材料包括铜，石棉和铝合金等。
其中，铝合金的轻质化和高热性能使其成为汽车离合器的理想材料。
降低离合器的惯性和惯量，可以提高响应速度和换挡的顺畅性。
车辆优化设计理论与实践课件：一维搜索方法 -
P'( p) a1 2a2 p 0
p a1 / 2a2
2.4.2 二次插值法
利用：
P(
1)
a0
a1
1
a 2
2 1
y1
f ( 1)
P(
2)
a0
a1
2
a 2 =
2 2
y2
f ( 2)
P(
3)
a0
a1
3
a
2
2 3
y3
f ( 3)
求得：
a1 a 2 p a1 / 2a2
2.4.2 二次插值法
否
是
y2 y1 ?
b 2 2 1, y2 y1
否 b-a ?
是 a* 1 (b a) 2
1 b (b a) y1 f (1 )
例2-2 試用黃金分割法求函數 f ( ) 2 2
極小點，搜索區間為[-3 5]時。
迭代序號
0 1 2 3 4
a
-3 -3 -3 -1.832 -1.832
其中 S (k為) 第k+1次迭代的搜索方向， k 為沿搜索 的最佳步長因數。當方向給定，求最佳步長就是求 一元函數的極值問題，它稱作一維搜索。而求多元 函數極值點，需要進行一系列的一維搜索。可見一 維搜索是優化搜索方法的基礎。
2.1 概述
求解一元函數 ()的極小點 * ，可採用解析解法， 即利用一元函數的極值條件求 * 。
f
( )
( )
f
(0 )
f
(0 )(
0)
1 2
f
(0 )(
0 )2
2.4.1牛頓法
1．演算法原理
然後以二次函數 () 的極小點作為 f ( )
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.2 坐标轮换法
将
X (1) 2
X (0)
，进行第二轮迭代，按此法
迭代下去，经7步（14次）迭代，可得到
点 X 2.22 1.11T ，目标函数值为0.002，
此问题的最优解应为，
X * 2,1T
f X*0
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.2 坐标轮换法
3．迭代步骤
①取初始点，判别收敛精度，维数n。
就是沿着坐标方向轮流搜索，每次n－1个变量固
定，只对一个变量作一维搜索，首先沿第一个坐标
轴方向
E1=1，0，进，0行T 一维搜索，求出该方向上
目标函数最小的点或函数值有所下降的点
以为起点，沿第二坐标轴方向
E2
=
，X 1(再1)
进0，1， 行(依1) 次进行至
迭代点 ，X到n(1) 此完成一轮迭代 。
另外研究无约束优化问题的另一个原因是，通过熟 悉它的解法可以为研究约束优化问题打下良好的基 础。除此以外，约束优化问题的求解可以通过一系 列无约束优化方法来达到。所以无约束优化问题的 解法是优化设计方法的基本组成部分，也是优化方 法的基础。
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.1 概述
按下述公式不断进行，形成迭代的下降算法。
3.2 坐标轮换法
3.2.2 算法的MATLAB实现
在MATLAB中编程实现的坐标轮换法函数为：minZB。
功用：用坐标轮换法求解函数的极值。
调用格式：[x,minf] = minZB(f,x0,
3.2 坐标轮换法
得：
X (1) 1
=
3.13
3
从
X (1) 1
出发，沿
E2
方向搜索，求得
X
(1) 2
X
(1) 2
X
(1) 1
2E2
3.13
3
0 2 1
由 ( 2 ) (1.13)4 (2.87 2 2 )2 得 2 1.44
X
(1) 2
=
3.13 1.56
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
车辆优化设计理论与实践
江苏大学 汽车与交通工程学院
第3章 无约束优化方法
3.1 概述 3.2 坐标轮换法 3.3 鲍威尔方法 3.4 最速下降法 3.5 牛顿型方法 3.6 共轭梯度法 3.7 变尺度法 3.8无约束优化方法的选用
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.1 概述
当机械优化设计的很多问题，都是在一定的限制条 件下追求某一指标为最小，所以它们都属于约束优 化问题。但是，也有些实际问题，其数学模型本身 就是一个无约束优化问题，或者除了在非常接近最 终极小点的情况下，都可以按无约束问题来处理。
数值计算方法最常用的是搜索方法，其基本思想是 从给定的初始点出发，沿某一搜索方向进行搜索， 确定最佳步长使函数值沿方向下降最大。
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.2 坐标轮换法
3.2.1 坐标轮换法的算法原理
1．基本思想 将一个n维问题转化为一系列的一
维优化问题来求解，是一个降维的思想，具体来说，
步均可最大限度地减小目标函数值，故可期望收敛得更快些，但 程序稍微复杂。
3）加速步长法 这方法是开始选一个不大的初始步长，在每
一以降次，0搜取，2索其中前0 ，，步4都长0是为…以最…终倍步增长的0，速开这度始种加，办大随法步后较长在简，函单直数，至值程函下序数降易值的编不情制再况。下下
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.2 坐标轮换法
例3-1 求min f (X )= x1 24 + x1 2，x2 2
初始点为
X
(0)
0 3
解：从 X (0) 出发，沿
E1
方向搜索，得
X (1) 1
点：
由
X1(1)
X
(0)
1E1
0 3
1 1 0
(1) (1 2)4 (1 6)2 得 1 3.13
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
敛很慢，因此它适用于维数较低（一 般＜10）的目标函数求优。
脊线
另外对于如图3-2所示的有“脊线”
的目标函数等值线的情形，如果迭代
p
点出现在脊线上点时，沿两个坐标轴 方向均不能使函数值下降，而只有在
x1
一定范围内的方向才能使函数值下降， 这就出现了病态而导致迭代失效。
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.1 概述
对于无约束优化问题的求解，可以直接应用第2章 讲述的极值条件来确定极值点位置。
除了一些特殊情况外，一般说来非线性方程组的求 解与求无约束极值一样也是一个困难问题，甚至前 者比后者更困难。一般用数值计算方法直接求解无 约束极值问题。
②求单变量极值问题的最优解，以求出 1。
min
f
(
X
(k) i1
Ei(k ) )
f
(
X
(k) i1
i Ei(k ) )
X
( i
k
)
X (k) i1
i Ei(k )
X (k ) i
X (k ) i 1
E(k)
ii
③判别是否满足 i n ，若 i n ，则转④；若i＜n，则
令 i 1 i ，转到②。
X (k 1) X (k ) k S (k )
各种无约束优化方法的区别就在于确定其搜索方向的方法
不同。所以，搜索方向
的构成问S题(k ) 乃是无约束优化方
法的关键。
根据构成搜索方向所使用的信息性质的不同，无约束优化 方法可以分为两类。一类是只利用目标函数值的无约束优
化方法，如坐标轮换法，鲍威尔（Powell）法等。另一类 是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如
E，n =得0到，0， ，1T
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.2 坐标轮换法
X (1) 1
X（0）
X( 2) 1
X(1) 2
X*
X(2) 2
图3-1 坐标轮换法的迭代过程
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.2 坐标轮换法
2．步长的确定 步长的选择可有下面三种方法。 1）随即选择法 随机选择步长，只要保证函数值下降。 2）最优步长法 利用一维搜索来完成该方向上的最优步长，该方法的每一
④检验是否满足精度要求 X (n) X (0)
若满足判别准则，则迭代停止，即所求；否则 转②。
《车辆优化设计理论与实践》教学课件
3.2 坐标轮换法
4．坐标轮换法讨论
坐标轮换法具有程序简单，易于掌握 的优点，但它的计算效率较低，因此
x2
它虽然步步在登高，但相当于沿两个
垂直方向在爬山，路途迂回曲折，收