优化设计与优化方法范文

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1 机械优化设计理论概述

1.1 机械优化设计的概念

机械优化设计是指最优化技术在机械设计领域的移植和应用，是以最低成本获得最高效益。其根据机械设计理论、方法与标准规范等建立能够正确反映实际工程设计的数学模型，利用数学手段和计算机计算技术，在众多的方法中快速找出最优方案。机械优化设计通过把机械问题转化为数学问题，加以计算机辅助设计，优选设计参数，在满足众多设计目的和约束条件的情况下，获得最令人满意、经济效益最高的方案。目前，机械优化设计已成为解决机械设计问题的有效方法。

1.2 机械优化设计研究的内容

机械优化设计主要研究的是其建模和求解两部分内容。 如何选择设计变量、列出约束条件、确定目标函数。其中，设计变量是指在设计过程中经过逐步调整，最后达到最优值的独立参数。设计变量的数目确定优化设计的维数，维数越大，优化设计工作越复杂，但效益越高，所以选取适当的设计变量显得尤为重要。约束条件即是对约束变量的限制条件，起着降低设计变量自由度的作用。目标函数即是指各个设计变量的函数表达式，工程中的优化过程即是指找出目标函数的最小值（最大值）的过程。一般而言，目标函数的确定相对容易，但约束条件的选取显得比较困难。

2 机械优化设计的一般思路与常见方法

2.1 机械优化设计的一般思路

2.1.1 分析问题，建立优化设计数学模型

在机械优化设计的过程中，首先需要通过对实际问题的分析，选取适当的设计变量，确定优化问题的目标函数和约束条件，从而建立优化设计的数学模型。

2.1.2 选择优化设计方法，编写程序

在设计变量、约束条件和目标函数三大要素已经确定，构建好数学模型的情况下，编写计算机语言程序。

2.1.3 分析结果，找到最优方案

准备必须的初始化数据，通过计算机数值计算，对比计算结果，在众多的设计方案中选择最完善或者最适宜的设计方案，使其期望的经济指标达到最高。

2.2 机械优化设计中的常见方法

2.2.1 传统优化设计理论方法

传统机械优化设计方法的种类有很多，按求解方法的特点可分为准则优化法、线性规划法和非线性规划法。准则优化法是指不应用数学极值原理而是采用力学、物理中的一些手段来谋求最优解的方法。常见的准则优化法有迭代法中的满应力准则法等，其主要特点是直接简单效率高，缺点是只能处理简单的工程问题。线性规划法是指应用数学极值原理，选取适当的设计变量和约束条件，求解目标函数的一种方法。常见的有单纯形法、序列线性规划法。其优点是通过把实际工程问题转化为数学极值问题的求解，使其直接、有效、精度系数高，缺点是工作量大。非线性规划法同样根据数学极值原理求最优问题，可分为无约束直接法、无约束间接法。有约束直接法和有约束间接法。其优点是应用范围广，可应用于大、中、小型工程问题，且都相对简单方便、可靠性高、稳定性强、精度高。

2.2.2 现代优化设计理论方法

现代优化设计方法不同于传统优化方法，其无需通过选取设计变量、约束条件、目标函数等因素，便可获得全局最优解，大大地减少了传统优化设计方法花费的人力与财力，在日今复杂的工程问题中，提出了全新的思路与方法。常见的现代优化设计方法有遗传方法、神经网络法、模拟退火法、粒子群算法等。

3 机械优化设计的现状与前景

机械优化设计是最优化理论、电子计算机技术和机械工程相结合的一门学科，包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状优化设计等。二十世纪五十年代以前，用于解决最优问题的数学方法仅限于古典的微分法与变分法，在处理现实问题时，计算量非常大。直到四十年代前后，大型线性规划技术的提出，数学方法首次被运用到结构最优化，使得计算过程不再复杂，有效的解决了数值最优化计算。近年来，随着数学规划理论与计算机技术的飞速发展及广泛应用，许多新兴优化算法，如遗传算法、神经网络法等相继被提出，机械优化设计广泛地被应用到建筑结构、化工、航天航空等诸多领域并取得飞速发展。机械优化设计具有广阔的发展前景。

机械优化设计给机械工程界带来的巨大经济效益是显而易见的，但其工程效应比起预期远远小得多。归结其原因，主要有以下两点：（1）建模难度大。（2）最优方法的选取难度大。

虽然有以上不足之处，但是机械优化设计的发现前景仍是非常广大的，且各领域也在积极做出相关的研究探索，并已取得一定的成就。

4 结语

机械优化设计即是指从众多设计方案中需找最优方案的过程，一般包括建立数学模型、选择优化方法、分析计算结果选择出最优方案三个过程。根据不同的分类方式，机械优化设计的方法有很多，从传统角度，最常用到的有线性规则法中的序列线性规则法等等，由于现在各技术领域的发展以及工程问题对优化设计的需求，衍生了很多与传统方法原理完全不同的新兴方法，最常见到的有遗传算法、神经网络法等。纵观几十年来机械优化设计的发展历程，其发展是非常迅速且令人可喜的，虽然仍存在建模困难、优化方法选取等等方面的一些挑战，但是其前景仍旧是非常广阔的。研究机械优化设计的理论与方法无论是学术领域还是实际经济效益方面都具有研究意义。

参考文献：

[1]刘惟信.机械最优化设计[M].北京：清华大学出版社，1993.

[2]陈立周.机械优化设计技术的发展现状及其新问题.2000年中国机械科学部份研究的征文，1984.

[3]秦东晨，陈江义，胡滨生等.机械结构优化设计的综述与展望[J].中国科技信息，2005（9）.

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1.1给水管网优化设计模型研究

给水管网优化设计模型是进行优化设计的基础，其优劣程度决定优化设计是否成功。因此，所建的模型必须真实地反映管网运行特征及管理要求。其模型的发展经历单目标函数和多目标函数两个阶段。20世纪50年代后，国内的研究者开始对管网优化设计模型研究，取得一定成果的有同济大学、哈尔滨工业大学等。国内研究者一般都以管网年费用折算值最小为目标函数建立管网优化设计数学模型。此模型没有考虑管网的可靠性约束。随着研究的深入和实践证明，人们逐渐认识到若仅以经济性作为管网优化设计的目标函数与工程实际相比存在某种欠缺和不足，还需要考虑系统可靠性这一因素。

1.2给水管网优化设计模型求解算法研究

给水管网优化设计模型求解方法主要经历了以下三个阶段。

（1）拉格朗日函数优化法。该方法主要用于求解以管径和水头损失为变量的单目标单工况优化设计模型。应用拉格朗日未定系数法，将目标函数进行转换，然后用计算机进行求解。但是由于管径为离散变量，应用此法求得的管径需要进行圆整，化为市售管径，这在某种程度上破坏了解的最优性。该算法目前应用较少。

（2）数学规划法。

①线性规划。线性规划法是在一组线性约束条件下，求某个线性目标函数的最小值(最大值)。该方法只能解决树状管网的优化设计，因此该算法应用较少。

②动态规划法。动态规划法是一种求解多阶段决策过程最优化方法。该法对模型中的目标函数和约束条件的形式要求不高，以标准管径为变量计算结果不需要调整。该方法对小型树状管网能得到最优解;对于简单的环状管网，需预先假设一组管径并进行初始流量分配，将环状网化为树状网;对于复杂管网应用该法不能得到最优解。

③非线性规划法。非线性规划法是在一组非线性约束条件下，寻求非线性目标函数的最大值或最小值。在管网优化设计中，目前所建的模型基本都是非线性模型，因为此种模型能更好地反映管网系统各因素之间的关系，因此该方法能提高计算精度。非线性规划法能较好的反映管网系统的本质。

(3)随机搜索优化方法。

①神经网络算法。神经网络算法是将优化问题的目标函数和约束条件映射到神经网络动力系统，利用人工神经网络的动力系统演化机制，搜索到局部最优解，将最优解映射为动力系统平衡点。目前将神经网络算法用于环状管网方面的研究较少。

②蚁群算法。蚁群算法(ACOAs)是由意大利学者Dorigo于1996年提出的一种模拟蚂蚁寻食行为的算法。该算法能够智能搜索、全局优化，且易与其它算法结合。但有以下缺点：a:当规模较大时，算法效率下降得很快，需要较长的搜索时间；b:容易出现停滞现象，即搜索到一定程度后，所有个体所发现的解完全一致，不能对解空间进一步进行搜索，不利于发现更好的解，从而容易陷入局部最优。

③遗传算法。遗传算法(GA)近年来被认为是管网优化技术的飞跃，它通过模拟自然界生物种群的遗传和自然选择机制，随机搜索最优解。遗传算法是以标准管径为决策变量的，对其采用一定的编码方式，通过选择、交叉和变异等操作，求得最优解。它的优势主要在于:a:该算法不受可微、可导、连续等数学处理方式的限制；b:以离散的标准管径为决策变量避免了非线性规划法需对连续管径进行“圆整”带来的偏差；c:该算法是一种随机搜索过程，不会形成局部最优解；该算法也存在一些缺陷，如遗传算法的早熟现象、适应度值难以标定、接近最优解时收敛很慢等。

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中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

目前，工程控制网主要应用于城市控制测量、军事工程测量、形变监测、矿山、公路、铁路控制网测量等等，随着GPS技术的发展，其应用也越来越广泛。近十年来的实践证明，GPS测量在工程控制网的布设中具有效率高、费用低、工期短、精度高等优越性。

GPS工程控制网的优化设计

1.GPS网精度的评定

对于GPS网的精度要求，主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度，精度指标通常是以相邻点间弦长的标准差来表示，即

式中 ——GPS基线向量的弦长中误差，mm；

——GPS接收机标称精度中的固定误差，mm；

——GPS接收机标称精度中的比例误差系数，ppm；

——GPS定位网中相邻点间距离，km。

用于城市或工程的GPS控制网可根据相邻点的平均距离和精度参照《全球定位系统城市测量规程》中二、三、四等和一、二级要求，见下表。

GPS网的主要技术要求

2．GPS网的图形设计

1）.点连式

点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接，所构成的网形抗粗差定位能力差，网的几何强度也较弱。如图2-1所示。

图2-1 点连接示意图

2）.边连式

边连式是指相邻同步图形之间通过2个公共点相连，即同步图形由1条公共基线连接，用边连式布网方式布设的GPS网的几何强度较高，具有良好的自检能力，能够有效发现测量中的粗差，具有较高的可靠性。如图2-2所示。

图2-2 边连接示意图

3）.网连式

所谓网连式布网方法，是指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接，相邻同步图形之间存在相互重叠的部分，即某一同步图形的一部分

是另一同步图形中的一部分。网连式作业强度很高，但作业效率低。

4）.边点混合连接式

边点混合连接式是指把点连式与边连式有机

地结合起来，组成GPS网以保证网的几何强度，提高网的可靠指标，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个综合应用。这样既减少了外业工作量，又降低了成本，是一种较为理想的布网方法。

图2-3 边点混合连接示意图

3.GPS网的基准设计

GPS网的基准设计，一般主要是指确定网的位置基准问题。确定网的位置基准，通常可根据情况，选取以下方法：

1）选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权；

2）网中的点均不固定，通过自由网伪逆平差，确定网的位置基准；

3）在网中选若干点的坐标值并加以固定；

4）选网中若干点（直至全部点）的坐标值并给以适当的权。

二、GPS控制工程网的布设方法

1.点位分布

当测区范围较大时(几百平方公里)，为保证控制网点的整体精度，应使用经典大地测量方法布设控制网，控制网点要与高等级控制点构成图形，并且控制网点与点之间也要构成图形，如精度要求较高时，点与点之间应构成直接边。当布设的点位不均匀时，即点间距离差别较大时，在施测过程和数据处理中应分别进行。无论测区是面状还是线状，都应首先根据点位分布情况选择若干点做一骨架网，然后再利用该网进行工程网的布设，也就是分成二级控制。由于许多工程完成后需要用常规测量进行测量，因此布点时根据需要确定点位的位置，并考虑其图形结构。

2.基线长度对点位坐标精度的影响

边长对点位精度的影响基本上随着边长越长其影响越大的趋势，当边长超过40公里时，其误差明显有增大的趋势，在高程方向趋势更为明显。分析其原因，一是电离层的影响，随着基线长度的增长，电离层影响增大。二是没有进行网平差，缺少了网的控制，致使X, Y方向误差增大。

在布设GPS工程网时，若采用随机处理软件、广播星历，不能对电离层影响进行修正时，网的边长不易超过40公里。

3.已知点分布对控制点精度的影响

在GPS控制网的布设中，已知点的选择是非常重要的，己知点的选择不同，其控制网点的精度也不一样:一个工程网的已知点应选3-4个高等级控制点，高等级控制点应布设在控制网的周围，尽可能形成等边三角形，只有这样才能保证整个控制网点精度的统一。已知点的选择应避免成直线状，其点间距离应大于工程网点与点间的最大距离。如果整个控制网没有己知点，做自由网平差时其固定点的选择应选在整个网的中心点或选择网的质心(即所有点X, Y方向的平均值)。

4.坐标系统转换

用GPS测量布设工程控制网时，获得的是WGS-84坐标系统，这就需要将GPS测量的WGS-84坐标转换成地方坐标。 坐标系统转换的方法一般根据测区范围的大小和精度要求而定。

1）空间强制符合法

例如测区内已知点坐标为“北京五四坐标系”，平差前首先将这些点的大地坐标转换成直角坐标，平差时以这些已知点作为固定点，与GPS观测值一起平差。这样在平差过程中，同时完成了WGS-84空间直角坐标系向“五四坐标系”的转换。然后，将平差后的大地坐标投影到高斯平面上。

此种方法只使用于小面积的测区。

2）空间平差空间转换法

本方法是首先将GPS观测量在空间坐标系下进行平差，求出已知大地点上的空间直角坐标，然后利用己知大地点上的两种坐标(WGS-84和北京54)，用转换模型求出空间转换参数，而后利用转换参数求解其它点的北京54坐标，这样就将平差后的结果转换到了北京54坐标系上，最后将此结果投影到高斯平面上。

GPSG工程控制网的优化设计对整个测量工程施工有着非常重要的影响，不同精度、不同面积的控制网有不同的布设方法，在GPS控制网布设中其方法不同，作业效率不同，费用也不同。采用正确的布网方法，能够提高作业效率，降低作业成本。

参考文献

[1] 彭先进.测量控制网的优化设计[M].武汉测绘科技大学出版社，1991.

[2] 卓健成.工程控制测量建网理论[M].成都：西南交通大学出版社，1996.

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引言

应变天平是通过天平元件的形变来对模型受到力的大小、方向、作用点等进行测量，是基于物理原理的以一种设计天平。杆式应变天平在测量领悟发挥着十分重要的作用，对灵敏度要求较高，需要能够在力的改变较小的情况下有明显的输出信号。而灵敏度提高的同时，天平的刚度和强度也需要有所保证才能保证数据的准确测量。为了解决这两者的矛盾，本文采用序列二次规划优化算法，重新优化设计杆式六分量应变天平。

1、 天平元件结构形式

一般来说，为了减少阻力元件受到的干扰，量程小、容易扰的阻力（X）元件置于天平的中心对称面处，升力Y、测力Z、俯仰力矩M、偏航力矩My以及滚转力矩Mx这五个测量模型五分量复合元件布置于阻力元件的两侧。“I”型梁的阻力元件加工方便、抗干扰能力强，五分量复合元件的结构形式有三两式、四梁式以及矩形梁等等。

2、 优化设计方法以及数学模型

序列二次规划法利用数学软件进行处理，能够对天平元件参数优化中的非线性限定条件极小化问题提供解决方便。通过MATLAB软件，利用二次逼近算法，将非线性规划问题转化为标准二次规划问题，便可以得到相关问题的解。利用序列二次规划法的优势在于其在构造二次规划问题时有较好的收敛性。

下面，以杆式六分量天平的阻力元件和四梁式五分量复合元件，建立优化数学模型。

（1）杆式六分量天平阻力元件

“I”型梁和支撑梁如图1所示。

在阻力元件加工时，图中的l1和l2通常取相同长度，b1和b2一般也取相同值。n1（主测梁数）=2，n2（支撑梁数）=12。定义设计载荷为X、Y、Z、Mx、My、Mz，定义许用应变为、、、、、，定义许用应力为，弹性模量用E表示，剪切模量用G表示，则可得到一下表达式。

通过将本次优化结果与传统试凑法的设计结果进行比较可以发现，在保证天平尺寸基本不变，输出应变一致的情况下，天平元件的横截惯性矩得到了显著提升，约在4%～13%。

3、 结语

从以上的模型中我们可以看出，通过序列二次规划法进行杆式应变天平的优化设计，可以有效改善各分量之间的干扰。

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中图分类号：S611 文献标识码： A

1 引言

电梯轿架的主要功能是支撑整个轿厢系统，载着轿厢在曳引钢丝绳的作用下沿着电梯导轨上下运行，它要具有足够强度的同时也要保证轿厢内乘客乘坐舒适，且要有与安全制动装置相配合的机构来保证特殊状态下乘客的安全。一套设计合理的产品须满足如下几个基本要求：

1）结构、功能及强度要求

2）使用性能要求。

3）标准化及成本、工艺等要求

以下以轿架上横梁设计为例，介绍最优化方法和CAE有限元分析方法在电梯结构设计方面的具体应用。

2 上横梁受力分析及结构选型

在轿架系统中，上横梁需承受所有的重量，所以上横梁所用物料的结构形式和尺寸参数是设计的关键所在。 以载重1600kg轿架设计为例，其中轿架各部分重量分布如下表：

表2.1系统配置参数

2.1 截面选型

上横梁承受的主要载荷类型是弯矩，因此要优化截面类型就要选择截面面积最小且抗弯系数最大的截面形状。截面形状为简单的矩形时（矩形高度为h，宽度为b），截面的抗弯系数为

ABC

图2.1三种常见上横梁截面

取3种截面的高度尺寸相同，在相同面积下比较其惯性矩及抗弯截面系数，根据截面惯性矩如下计算公式及具体截面的惯性矩算法可对图2.1三种截面抗弯系数进行对比。

（以上公式：即面积元素A对Z轴的惯性矩为：面积A与其到Z轴的距离平方的乘积。）

经比较，截面A和C的惯性矩和截面抗弯系数在高度和面积相同的情况下大于截面B，考虑到结构的加工工艺，截面A加工较C更为简单，所设计的上横梁基本结构型式如下图2.2所示（图右为上横梁横截面示意图）。

图2.2 上横梁结构型式及横截面示意图

2.2 上承重梁受力情况分析

取单根梁为研究对象，上横梁长度为L，其受力简图如下图所示：

图2.1 上横梁受力简图

单根梁所受力为：

2.3截面模量计算

为便于计算，将上横梁槽钢截面简化分解成如图2.2所示的模块，其中上横梁高度为h，宽度为b，厚度值为t，分别计算截面3个部分的惯性矩得：

上横梁所受应力为

3参数优化及有限元分析

3.1 上横梁结构参数优化计算

结构优化的目的是为寻求零部件结构参数的最优配置，力求综合满足各设计目标。如使所设计的部件在强度满足时，具有更小的原材料消耗量，最佳的制作装配工艺等。根据引言所述的设计目标以及对上横梁的受力分析，确立上横梁结构参数的最优化数学模型如下:

其中优化目标为：上横梁重量最小，对应的目标函数为：

约束条件1为：最大应力小于材料屈服极限235MPa，其对应的约束条件为：

约束条件2为：上横梁的最大挠度σ≤【σ】，其中【σ】为上横梁最大容许挠度，【σ】=3，其对应的约束条件方程为

根据设计经验，初步确定上述各参数变化范围为：

根据表2.1所列出的电梯轿厢的各部分重量值，计算得出作用在上横梁上的总重量为：

又由文中2.2对上横梁的受力分析所得，单根梁所承受的力和弯矩分别为

将上述公式所计算值代入目标函数及约束条件，并在matlab中应用数值搜索和穷举法对优化方程进行求解得：

t=8.32mmb=76.8mm h=230.6mm

当上横梁截面参数取上述3个值时，满足优化优化目标，此时为参数的优化值，即保证零件强度的情况下，材料重量最小。

因此，根据GB型材标准，选用厚度的槽钢作为载重1600kg轿架上横梁材料。此时，根据式3.1函数，计算的上横梁的实际重量为

按优化计算值，在solidworks中创建上横梁实际结构模型，测得上横梁实际重量值和惯性矩分别为：

此为优化的最终结果。

3.2优化解的有限元验算

根据3.1中对上横梁横截面参数优化计算得出的最优解，在solidworks中，创建上横梁结构的简易模型，并依据对上横梁的受力分析，在ansys 12.0环境下对该参数下的上横梁进行结构静力解析，得出的结果见下图3.1。

图3.1 上横梁ansys仿真结果图

从图3.1可以看出上横梁的最大应力为211.46MPa，为压应力，而最容易引起破坏的拉应力的为81.67，均小于材料Q235的屈服强度极限，由图右的应变示意中，上横梁的最大变形为2.7263mm，小于容许挠度【σ】=3，因此优化计算得出的截面参数t=9，b=80，h=250合格。

4结论

在电梯行业中，现代设计理论和方法的使用也越来越多，本文应用最优化思想和现代CAD/CAE手段以电梯轿架零部件上横梁为例，说明了优化设计和有限元方法在电梯部件结构设计中的应用。

参考文献

[1] 傅海明.电梯轿厢的ansys优化设计.机电信息.2012（6）

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Abstract: in order to improve the engineering construction investment effect, from the construction site selection and engineering general layout began, until finally the design of the structural components, and should be made more campaign plan, choose the advanced technology, reasonable economy the optimal design of, or to the existing design scheme is optimized, so it can more reasonable in economy.

Keywords: building engineering design optimization strategy method

中图分类号：S611 文献标识码：A文章编号：

引言

工程设计阶段是项目建设过程中最具创造性、经济性和思想性的阶段，是人们充分发挥主观能动性，在技术和经济上对拟建项目的实施进行全面安排的阶段。工程设计对于拟建项目的工程质量、建设周期、工程造价以及在建成后能否获得较好的经济效果起着决定性的作用。据有关专家分析，设计费用一般只相当于建筑工程全寿命费用的l％以下，但是它对工程造价的影响程度却达到75％以上。当一个工程项目的初步设计确定以后，大到工程规模、建设规划、结构形式和建筑标准，小到建筑用料、构件配件和设备的种类型号及数量基本上被决定了，工程项目投资方案也基本定型。因此，在做出项目投资决策后，控制工程造价的关键在于设计。优化设计方案、加强设计阶段工程造价控制，对提高工程投资效益、降低建设工程成本，有着极其重要的意义。本文简单介绍一下建筑工程设计方案优化的途径。

1.主管部门应加强对优化设计工作的监控

作为《建设工程质量管理条例》配套文件之一的《建筑工程施工图设计文件审查暂行办法》已由建设部颁布施行，它的实施将对控制设计质量提供重要保证，但《办法》中规定的审查主要针对设计单位的资质、设计收费、建设手续、规范的执行情况、新材料新工艺的推广应用等方面的内容，缺乏对方案的经济性及功能的合理性内容的审查要求。因此，为保证设计方案优化工作的顺利开展，建设主管部门在执行《办法》的同时，还要制定设计方案优化的评定标准和具体实施细则，并增加专业技术人员配备和审查力度，对各阶段设计成果进行全面审查。既要审查技术可行性，又要审查经济合理性。具体来说，“初步设计”可由规划部门审查，“技术设计”由业主会同上级主管部门和有关中介咨询服务机构审查，“施工图设计”由建设主管部门属下的审图中心审查。第二，建设主管部门应加强对设计市场的管理力度，严格通过资质管理、人员注册、设计招标、图纸审查等环节来规范设计市场，力求减少无证设计和越级设计。三是利用主管部门的职能，不断总结推广标准规范和标准设计，适时公布合理的技术经济指标及考核指标，为设计方案优化的进行提供良好服务。设计单位在向业主提供“初步设计”、“技术设计”、“施工图设计”文件时，业主应通过合同约定让设计单位同时提供与之相对应的“设计总概算”、“修正总概算”、“施工图预算”，以便为主管部门考核设计方案的经济性和业主作相关决策时提供直接依据。

2.推广标准化设计

标准化设计又称定型设计、通用设计，是工程建设标准化的组成部分。各类工程建设的构件、配件、零部件、通用的建筑物、构筑物、公用设施等，只要有条件的，都应该实施标准化设计。采用标准化设计的优点有：设计质量比一般工程设计质量高；可以提高劳动生产率，加快工程建设进度；可以节约建筑材料，降低工程造价。

3.建立必要的设计竞争机制

为保证设计市场的公平竞争，设计经营也应采用招标投标。

3.1作为业主，应明确设计招标虽需多支付设计费和增加前期准备时间，但设计方案优化可节省更多的投资。为此，各地首先应成立合法的设计招标机构。

3.2各地方主管部门应制定相应规定，确定项目设计招标范围，对符合条件的项目必须进行设计招标。

3.3业主对拟建项目应有明确的功能及投资要求，必须编制完整的设计招标文件。

3.4招标时应对投标单位的资质信誉等方面进行必要的资格审查。

3.5应组建健全的评标机构和制定合理的评标方法，这样既可保证公平竞争，又可对业主在项目建设上的随意性加以限制

现阶段，建筑设计虽有各种建筑结构设计软件，但建筑构件、建筑配件的构造做法仍需设计人员人为确定，并在此基础上手工计算出构件所承受的各种荷载。荷载的大小，直接决定了结构布置形式和构件的形状大小及材料用量，从而也就直接决定了工程造价的高低。例如商品住宅现浇钢筋混凝土楼面，一般构造做法为：板底粉刷，现浇结构层，板顶找平层。通过适当改变施工工艺，构造做法可改为：板底局部批腻子，现浇结构层随捣随抹光，这样既简化了构造做法，减小了荷载，又实实在在地节约了人工和材料，降低的工程造价也是显而易见的。事实充分说明，设计方案的优化不仅仅是总体和全局的优化，还体现在细部构造上。因此，从某种意义上来说，能否做到设计方案优化，也是设计单位是否具有市场竞争实力的具体表现。设计单位欲提高自身竞争能力，在内部管理上应把设计质量同个人经济收入挂钩，促使设计人员加强经济观念，把技术与经济统一起来，改变以前设计过程中不算账，设计完了概算见分晓的现象，由“画了算”变为“算着画”。并通过室主任、总工程师和造价工程师层层把关，确保设计既满足功能要求，又力求经济合理。

4.实施限额设计

所谓限额设计，就是按照批准的设计任务书及投资估算控制初步设计，按照初步设计总概算控制施工图设计，同时各专业在保证达到使用功能的前提下，按分配的投资限额控制设计，严格控制技术设计和施工图设计的不合理变更，保证总投资限额不被突破。投资分解和工程量控制是实行限额设计的有效途径和主要方法。限额设计是将上阶段设计审定的投资限额和工程量先分解到各专业，然后再分解到各单位工程和各分部工程而得到的，通过层层限额设计，实现对投资限额的控制与管理；同时也实现了对设计标准、工程数量与概预算指标等各方面的控制。限额设计是设计阶段控制工程造价的重要手段，它能有效地克服和控制“三超”现象，使设计单位加强技术与经济的对立统一管理，能克服设计概预算本身的失控对工程造价带来的负面影响。

4.对设计人员实施奖惩

4.1 惩罚措施建立相应的法律法规约束，并在设计委托合同中明确一定的惩罚，可以使设计方懂规矩、辨是非，促使其改过，具有一定的警告作用

4.2 激励措施在设计委托合同中，明确一定的激励措施，使利益激励能更好调动设计人员的工作主动性、积极性、实施有效的激励，可以激发设计人员的工作热情，使其自觉提高工作水平与质量。

4.3从思想上端正设计人员的态度，加强其职业道德教育：(1)建筑设计人员要努力提高自身的政治思想水平，在处理建筑设计事务中，坚持客观立场，一切从实际出发，以客观事实为依据。(2)加强对建筑设计人员的诚信教育，必须让每一位建筑设计人员都明白，一流的专业技术不是走向成功道路的唯一条件，而一流的道德水平才是建筑设计人员完善境界的基本要素。

5结束语

设计方案优化，是确保工程造价更趋合理和经济的先决条件。设计方案优化，既要把握全局和总体方案的优化，又要关注建筑细部设计的优化。通过设计方案优化来控制建设投资是一个综合性问题。在设计实务中，工程设计人员应正确处理技术与经济的对立统一，既要反对片面强调节约，忽视技术上的合理要求，使项目达不到功能要求的倾向，又要反对重技术，轻经济、设计保守浪费的现象，要利用价值工程的原理来进行设计方案分析，以提高价值为目标，以功能分析为核心，以系统观点为指针，最大程度上确保设计方案优化，从而最终达到节省建设投资的目的。

参考文献：

[1]周耀俊．浅谈设计阶段的投资控制[J]．建筑经济，2009

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【 abstract 】 along with the development of social development and progress, and pay attention to the scheme optimization is of great significance. This paper mainly introduces the architecture design scheme optimization related content, to understand scheme optimization, application scheme optimization.

【 key words 】 architectural design; Scheme optimization; Strategies; methods

中图分类号：TU2 文献标识码：A文章编号：

引言

建筑设计的理念是着眼于持久的长期价值，它通过良好的功能与适用性的产品，在很长一段时间里，能够给消费者带来很高的价值。因此在目标要求、市场要求、销售要求、材料要求、结构及其要素的合理选用与商品生命周期间的配合下。形成了最佳配比和系统优化的组合，避免了资源的浪费及增加无效的投入。

一、建筑设计方案优化的必要性

建筑设计方案优化是在建筑设计招标工作结束后 建设单位 与中标设计单位需要立刻展开的一项重要工作，其必要性在于：

1、中标设计方案有待成熟与完善

方案中标并不意味着方案的完善。通常情况下，自招标文件公布至提交方案．留给设计单位的有效设计周期不会超过40天。同时，依据招投标法规，招标期间建设单位与设计单位之间，除“答疑 之外不能进行其他方式的沟通，因此，在有限时间与有限交流的前提下，要求设计单位拿出能够充分领悟建设单位意 图、完全满足建设需求的方案是不现实的。此外为了加快进度，目前建设单位一般都采用”概念设计方案 招标。在功能布局及 技术标准等方面，中标设计方案的深度难以直接衔接后续的相关设计活动，需要在设计方案优化阶段加以深化与细化。

2、建设单位的技术要求有待明确与落实

目前的建设项目 尤其是大型复杂建设项目，面临功能、交 通、环保、景观、法规等越来越复杂的内外部环境条件和设计约 束，在缺乏建筑设计方案雏形的情况下，建设单位很难提出明确 详细的设计要求，其在设计招标文件中对功能需求建筑风格的描述往往是模糊的或是框架的。因此，在明确中标方案后，应该 基于中标方案的建筑布局，对各项技术要求、功能需求及设计约 束进行逐一细化、优化和协调 并最终落实和确认。

3、集思广益，博采众长

中标方案仅为一家单位的设计成果，其设计思路的局限性在所 难免。而设计招标过程中，少则三家，多则十几家单位参与设计，各投标方案的设计手法、设计亮点对开拓建设单位和中标设计单位的思路是有价值的，可以在设计方案优化阶段集思广益、博采众长，充分借鉴其他投标方案的优点，对中标方案进行优化完善。

鉴于这些情况 对于工程建设项目，尤其是大型复杂建设项目，方案优化工作已成为工程建设过程中不可或缺的工作程序和环节。建设单位要摒弃建筑设计方案优化可有可无的思想误区，在设计招标结束后不要急于展开后续设计，而要发挥各方优势，对中 标方案进行充分的优化和深化，使各项功能指标及技术措施更为合理，建筑风格定位更为准确，造价与运营成本更为经济，并为后续工程设计、工程施工等环节提供科学、系统的工作依据。

二、建筑设计方案优化的风险与原则

建筑设计方案优化的初衷往往都是好的，但是否所有的优化工作都能够实现目标呢？一些建设单位和设计单位虽然投入了大量精力、时间进行方案优化，但由于工作方法不当，往往出现调改了一个地方，却引发更多相关问题的现象。 因此，为了实现优化目标，达到理想的优化效果，在建筑设 计方案优化过程中，如下几条原则是应该严格遵循的：

1、坚持并充分发挥专业人员的主导作用

优化不成反遭劣化的原因可能来自多方面，但非专业因素过多地干预甚至主导优化过程是其中一项主要原因，一方面是建设单位的参与热情或领导的主观意愿不知不觉中影响或压制了建筑师的创作空间：另一方面，中标单位也常常存在任务完成式的被动工作心态“既然已经中标了 业主单位说怎么改就怎么改吧! ”结果是系统思考不足引发更多的问题，造成方案的劣化。虽然建筑设计方案优化是一项需要多方参与、博采众长的 活动，但同时也是一项专业性极强的工作。为确保优化方案的科学性与合理性，来自各方面的的意见与建议必须要经过建筑师 的整理、甄别与过滤后，通过专业的设计手段与技术举措加以落实。建筑师要摒弃任务完成式的消极态度。积极承担起方案优化的主导责任。同时，建设单位要给予建筑师以充分的信任与授权，并在工作程序、机制上给予保证。

2、识别并坚持中标设计方案的精髓，避免颠覆性的修改

设计招投标制度对中标方案的法律地位是有明确规定的，且大型重要项目的中标方案一般都经过了建设单位高层领导的认可，所以不能敞开来优化，而是应该充分挖掘、识别、提炼出原有中标方案的亮点，在保持原有方案精髓的基础上开展设计优化。

三、建筑工程设计方案优化的途径。

1、主管部门应加强对优化设计工作的监控

作为《建设工程质量管理条例》配套文件之一的《建筑工程施工图设计文件审查暂行办法》已由建设部颁布施行，它的实施将对控制设计质量提供重要保证，但《办法》中规定的审查主要针对设计单位的资质、设计收费、建设手续、规范的执行情况、新材料新工艺的推广应用等方面的内容，缺乏对方案的经济性及功能的合理性内容的审查要求。因此，为保证设计方案优化工作的顺利开展，建设主管部门在执行《办法》的同时，还要制定设计方案优化的评定标准和具体实施细则，并增加专业技术人员配备和审查力度，对各阶段设计成果进行全面审查。既要审查技术可行性，又要审查经济合理性。

2、推广标准化设计

标准化设计又称定型设计、通用设计，是工程建设标准化的组成部分。各类工程建设的构件、配件、零部件、通用的建筑物、构筑物、公用设施等，只要有条件的，都应该实施标准化设计。采用标准化设计的优点有：设计质量比一般工程设计质量高；可以提高劳动生产率，加快工程建设进度；可以节约建筑材料，降低工程造价。

3、建立必要的设计竞争机制

为保证设计市场的公平竞争，设计经营也应采用招标投标。

（1）作为业主，应明确设计招标虽需多支付设计费和增加前期准备时间，但设计方案优化可节省更多的投资。为此，各地首先应成立合法的设计招标机构。

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中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：

在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则，对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异; 使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通; 能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中;竖向刚度最好不要突变，而要渐变，否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象。

1 结构优化设计的模型和方案

房屋工程分部结构优化设计包括: 基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则，结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。

1．1 结构优化设计模型

结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤是: 设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。

1. 2 房屋建筑结构设计的基本方法

(1) 当结构平面图在绘制结构平面布置图时，需要输入结构软件进行建模。建筑物根据设防类别、烈度、结构类型和房屋高度进行相应的计算和构造措施要求。注意“地震作用”、“抗震措施”与“抗震构造措施”，提高地震作用，则结构的各构件均全面增加材料; 抗震措施指除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施，其中的一般规定及计算要点中的地震作用效应(内力和变形) 调整的规定均属于抗震措施，提高抗震措施，着眼于把财力、物力用在增加结构薄弱部位的抗震能力上，是经济而有效的方法; 抗震构造措施指根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。设计中需要注意受压和局部受压的一些问题。

(2) 屋顶(面) 结构图当建筑是坡屋面时，结构处理方式有梁板与及折板式两种。梁板式适用于建筑平面不规整，板跨度较大，屋面坡度及屋脊线转折复杂的坡屋面，折板式适用于相反的条件。两种形式的板均为偏心受拉构件。板配筋时应有部分或全部的板负筋拉通以抵抗拉力。板厚基于构造需要一般不宜小于120 厚。至于坡屋面板的平面画法，通常使用剖面示意图加大样详图的表示方法，这样更便于施工人员正确理解图纸。正确绘图和设计的关键是设计人员真正的心知肚明，结构设计者必须要具备一定的空间概念，正确理解建筑图纸和意图。设计的图纸方能让施工人员明白。由于屋面的起坡会造成阁楼层的部分墙体超高，要结合门窗顶设置圈梁来降低墙的计算高度。

1．3 结构优化设计方案

结构设计优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。

2 结构设计优化技术在应用中的几个问题

结构设计优化方法应用于实践之中，是目前一个比较广泛的课题，利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题。

2．1 前期参与

因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。

2．2 细部结构设计优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I 级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。

2．3 地基基础结构设计

地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。

3 结构设计优化的的功用

3．1 降低总造价

进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。

3．2 提高建筑结构经济性

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中图分类号： TU2 文献标识码： A

引言

建筑设计的理念是着眼于持久的长期价值，它通过良好的功能与适用性的产品，在很长一段时间里，能够给消费者带来很高的价值。因此在目标要求、市场要求、销售要求、材料要求、结构及其要素的合理选用与商品生命周期间的配合下。形成了最佳配比和系统优化的组合，避免了资源的浪费及增加无效的投入。

1.建筑设计方案优化的风险与原则

建筑设计方案优化的初衷往往都是好的，但是否所有的优化工作都能够实现目标呢？一些建设单位和设计单位虽然投入了大量精力、时间进行方案优化，但由于工作方法不当，往往出现调改了一个地方，却引发更多相关问题的现象。 因此，为了实现优化目标，达到理想的优化效果，在建筑设 计方案优化过程中，如下几条原则是应该严格遵循的：

1.1坚持并充分发挥专业人员的主导作用

优化不成反遭劣化的原因可能来自多方面，但非专业因素过多地干预甚至主导优化过程是其中一项主要原因，一方面是建设单位的参与热情或领导的主观意愿不知不觉中影响或压制了建筑师的创作空间：另一方面，中标单位也常常存在任务完成式的被动工作心态“既然已经中标了 业主单位说怎么改就怎么改吧! ”结果是系统思考不足引发更多的问题，造成方案的劣化。虽然建筑设计方案优化是一项需要多方参与、博采众长的 活动，但同时也是一项专业性极强的工作。为确保优化方案的科学性与合理性，来自各方面的的意见与建议必须要经过建筑师 的整理、甄别与过滤后，通过专业的设计手段与技术举措加以落实。建筑师要摒弃任务完成式的消极态度。积极承担起方案优化的主导责任。同时，建设单位要给予建筑师以充分的信任与授权，并在工作程序、机制上给予保证。

1.2识别并坚持中标设计方案的精髓，避免颠覆性的修改

设计招投标制度对中标方案的法律地位是有明确规定的，且大型重要项目的中标方案一般都经过了建设单位高层领导的认可，所以不能敞开来优化，而是应该充分挖掘、识别、提炼出原有中标方案的亮点，在保持原有方案精髓的基础上开展设计优化。

2.建筑工程设计方案的优化分析

由于建筑工程设计方案对工程投资有着重要的意义,因此,加强建筑工程设计方案的优化已经成为现代工程建设的重要工作,是影响投资收益、建筑施工质量与成本控制的关键。

2.1建筑工程设计方案现状分析

目前我国的建筑工程设计方案主要是本着对投资方要求负责的理念进行,有关部门仅对图纸等进行简单的审核,这就造成对建筑工程设计方案缺乏必要的考核与评价。而且投资方没有认识到方案设计对投资的影响,仅注重投标价与标底价的差距,没有认识到设计方案的优化对投资的影响。因此导致在投标过程中方案审核不细、概算粗略、要求出图时间紧、刻意压低设计费用。种种原因导致了建筑工程设计方案没有得到足够的重视,设计方案的优化也无从谈起,最终导致工程投资超标的现象屡屡发生。针对这样的情况,建筑工程投资企业必须认识到建筑工程设计方案优化的重要性,认真审核投标方设计方案,通过对设计方案的优化达到降低工程投资、提高工程造价管理水平的目的。

2.2如何提高我国建筑工程设计方案优化水平

建筑工程设计方案优化水平的提高不仅仅是提高投资方对设计方案的认识,还要通过国家主管部门提高监管力度、提高设计监理推广、完善有关法规、强化综合性设计方案优化等多方面工作共同提高我国建筑工程设计方案优化水平。通过建筑工程设计方案优化不能够单纯的强调节约投资,应从综合性考虑出发,注重设计的科学性、技术的先进性,以提高设计价值目标为基础、总体效益为出发点,达到建筑工程设计方案优化效果。

3.建筑设计方案优化的策略与方法

3.1通过设计招投标和方案竞选优化设计方案

建设单位就拟建工程的设计任务通过报刊、信息网络或其他媒介公告，吸引设计单位参加设计招标或设计方案竞选，以获得众多的设计方案；然后组织评标专家小组，采用科学的方法，按照经济、适用、美观的原则，以及技术先进、功能全面、结构合理、安全适用、满足建筑节能及环境等要求，综合评定各设计方案优劣，从中选择最优的设计方案，或将各方案的可取之处重新组合，提出最佳方案。

3.2运用价值工程优化设计方案

价值工程(Value Engineering)，又称价值分析，是一门技术与经济相结合的现代化管理科学。价值工程中的“价值”是功能与成本的综合反映，其表达式为：价值(V)= 功能(F)／成本(C)。在设计过程中，利用价值工程对设计方案进行经济比较，对不合理的设计提出意见，运用价值工程原理，对方案实行科学决策，对工程设计进行优化，使设计项目的产品质量，也就是产品最终价值体现在经济效益和社会效益中。由此可见，设计质量的优劣是价值工程应用的最好体现。在工程设计中应用价值工程，对资源合理配置，增加设计产品的科技含量和价值均具有重大的意义。

3.3实施限额设计，优化设计方案

所谓限额设计，就是按照批准的设计任务书及投资估算控制初步设计，按照初步设计总概算控制施工图设计，同时各专业在保证达到使用功能的前提下，按分配的投资限额控制设计，严格控制技术设计和施工图设计的不合理变更，保证总投资限额不被突破。投资分解和工程量控制是实行限额设计的有效途径和主要方法。限额设计是将上阶段设计审定的投资限额和工程量先分解到各专业，然后再分解到各单位工程和各分部工程而得到的，通过层层限额设计，实现对投资限额的控制与管理；同时也实现了对设计标准、工程数量与概预算指标等各方面的控制。限额设计是设计阶段控制工程造价的重要手段，它能有效地克服和控制“三超”现象，使设计单位加强技术与经济的对立统一管理，能克服设计概预算本身的失控对工程造价带来的负面影响。

3.4推广标准化设计，优化设计方案

标准化设计又称定型设计、通用设计，是工程建设标准化的组成部分。各类工程建设的构件、配件、零部件、通用的建筑物、构筑物、公用设施等，只要有条件的，都应该实施标准化设计。采用标准化设计的优点有：设计质量比一般工程设计质量高；可以提高劳动生产率，加快程建设进度；可以节约建筑材料，降低工程造价。

4.结束语

现代建筑工程设计方案要求的提高对建筑工程施工企业有关部门的工作人员提出了更高的要求,要求施工企业专业技术人员不断提高专业技术与管理水平,以全过程、全面性施工管理理念对就建筑工程设计方案进行审核与优化,积极与设计单位进行沟通,为提高投资效率、提高施工质量奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]刘鸿钧.论建筑工程设计方案优化[J].建筑工业资讯,2008,10.

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中图分类号： TF341.1 文献标志码： B

0 引 言

蒸发冷却器是一种将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体且兼有两者之长的高效节能冷却设备，具有结构紧凑、传热效率高、投资省、操作费用低，以及安装和维护方便等优点，被广泛应用于化工、冶金、建筑等领域.该设备的工作原理是向不饱和气体喷洒液态水，通过水与气体的接触换热以及水的蒸发吸热迅速降低气体温度.

蒸发冷却理论的形成可上溯到18世纪道尔顿提出的蒸发理论.1952年，CHUKLIN提出一种关于蒸发式冷却器管内制冷剂冷凝设计的普遍化方法，并将蒸发冷却技术应用于工业制冷，蒸发冷却器从此正式走向工艺化应用阶段.此后，众多专家学者通过多种组合实验总结出一系列传热膜系数的经验公式，初步完善蒸发冷却器的工程应用参考.[1-2]20世纪80年代以来，对蒸发冷却器的强烈需求和计算机应用技术的飞速发展，使得蒸发冷却理论和模拟研究达到新的高度.WEBB[3]较早推出统一的蒸发冷却理论模型，采用不同的相关系数区分水膜的传热系数和通过水膜传递给空气流的传质系数.随后，包括PASCAL等[4]很多人都提出自己理论模型，但到目前为止，尚没有一种获得公认的蒸发冷却换热机理的准确模型.除运用传热传质理论来分析蒸发冷却过程外，BORIS[5]和QURESHI等[6]从热力学角度研究蒸发换热模型，在系统性能评价上获得良好的效果，但并没有从根本上改变目前理论模型难以准确表述传热传质过程的窘境.

尽管蒸发换热的精确模型还有待更进一步研究，但采用现有模型的相关模拟已被大量应用，如FOUDA等[7]、QURESHI等[8]和WU等[9]都对蒸发冷却器进行数值仿真研究.然而，目前的研究大部分都集中在空调制冷方向，对于大型的工业高温气体冷却研究较少.本文针对目前钢铁冶金领域广泛应用的转炉煤气干法除尘系统中的蒸发冷却器进行仿真分析，并对该系统特有的流场结构下的喷淋布置方案进行优化.

1 数值方法

转炉煤气干法除尘系统是指在转炉钢水吹炼过程中，烟气由活动烟罩捕集并经余热锅炉冷却至1 273 K左右的转炉煤气，首先进入蒸发冷却器降温、调质和粗除尘，温度降至473 K左右后，进入静电除尘器进行精除尘；经过精除尘后的煤气，根据其品质及生产状况回收或放散.[10]在该系统的蒸发冷却器中，高压液态水经设备入口附近的喷枪喷洒到高温气体中，高压作用下的液态水在喷口形成雾化液滴.此过程中液态水滴所占体积很小，故可仅考虑气相对液滴的作用，忽略由于液滴体积和运动对气相造成的能量和动量影响.因此，本文采用离散相模型（Discrete Phase Model，DPM）模拟气-液两相流动，并在分散相液滴上应用蒸发换热模型，在DPM中选择雾化器模型.

1.1 连续相控制方程

1.2 离散相控制方程

1.2.1 离散相运动方程

1.2.2 离散相的传热和传质模型

当液滴温度低于蒸发温度时，采用热平衡方程关联液滴温度Tp与其表面的对流传热[11]，即

1.2.3 两相间的耦合

在计算液滴运动轨迹的同时，跟踪计算液滴沿轨道运动的热量、质量和动量的得失，并将这些量作用于随后的连续相计算中.交替求解离散相与连续相的控制方程，直到二者均收敛为止，实现双向耦合计算.

2 应用算例

2.1 计算模型

以某钢厂200 t级转炉蒸发冷却器为研究对象，其入口直径为3.825 m；U型段在水平方向上投影长度为7 m，直径与入口直径相同；喷枪位于U型段末端，本体直筒高为21 m，直径为5.224 m.蒸发冷却器三维模型及网格划分示意见图1.

按照传统设计方法，18个喷枪在圆周方向上均匀布置，喷枪之间的角度间隔θ=20°，见图2，其中：1，2，17和18号喷枪的插入深度为945 mm， 其他喷枪插入深度为600 mm.

喷枪喷管直径为315 mm，喷嘴直径为420 mm.喷管工作压力为0.3 MPa.假设喷嘴在0.3 MPa压力条件下冷却水完全雾化且液滴呈30°实心圆锥体状喷出，以此作为DPM模型的入口边界条件.

计算网格采用完全结构化网格，对喷嘴附近区域局部加密，网格数约为120万个，最小网格尺寸约10 mm，远小于喷嘴直径.

由于系统庞大，蒸发冷却器被布置在一个180°的管道弯头后，进入蒸发冷却器的气流受此弯头影响会明显向弯管外侧偏斜，传统喷枪均匀布置方案必然无法达到理想的冷却效果，因此必须优化设计蒸发冷却器上18个喷枪的雾化喷口方案，保证蒸发冷却器出口温度均衡为473±20 K，否则会影响下一步静电除尘器工作；另外，还要尽量减少蒸发冷却器上端壁面的高温（>573 K）区域，以减少该区域耐高温材料的使用量，降低成本.

2.2 计算工况及边界条件

入口条件：煤气流量为105 N・m3/h，温度为1 273 K，密度为1.362 kg/m3，定压比热容为1.518 kJ/（m3・K），导热系数为0.022 2 W/（m・K），动力黏度为1.61×10-5 Pa・s.出口为压力出口边界条件，表压为-150 Pa.壁面为无滑移边界条件.

DPM喷射条件为：（1）水流质量入口12.795 18 kg/s，18个喷枪均分该水量；（2）根据设备厂家提供的参数，蒸发冷却器中的喷枪喷洒出的平均喷射粒径为60 μm；（3）液滴温度为306 K.

2.3 计算结果及分析

对不喷洒液滴情况下的蒸发冷却器流场进行仿真，结果见图3.由此可知：蒸发冷却器入口前的U型弯管对煤气的速度分布产生很大影响，导致煤气流量在蒸发冷却器入口截面上分布不均匀，流动在弯管外侧明显较强而在内侧很弱，这就要求在流动较强一侧设置更大的喷淋量.

通过反复调整喷枪布置并对比仿真结果，得到一种优化方案，见图4.图中编号对应的线条代表喷枪的位置和插入深度（具体数值见表1）.该优化方案的模拟结果见图5，喷枪在蒸发冷却器右侧密集，使得右侧高温得到一定缓解，入口下方7 m处壁面最高温度为562 K，入口下方6 m处壁面最高温度为595 K，高温区域集中在蒸发冷却器入口下方7 m的范围内.

优化前后截面y=-9 m和出口的温度场比较见图6和7.优化前后截面的温度及偏差范围（定义为（（最高温-最低温）/最低温）×100%）见表2.

由图6和7及表2可以看出：通过仿真优化，截面温度不均匀性得到明显改善，出口处温度由优化前的473±40 K，缩小至473±9 K范围以内，满足473±20 K的设计要求；出口截面左侧温度高于右侧，说明如果进一步增强右侧的喷淋强度，虽然可以减少蒸发冷却器壁面高温区域，但出口右侧的温度可能会过低，甚至有可能导致机械水的产生，不满足设计要求.优化后其他截面的温度分布见图8和9，各截面的最低温度均超过373 K，因此可以判断流场不存在机械水.

蒸发冷却器中按照温度渲染的喷淋液滴的流动迹线见图10.由此可知，喷淋液滴全部蒸发，没有碰到内壁，不易引起湿壁和积灰结垢.

3 结 论

采用DPM对转炉干法除尘系统中蒸发冷却器的工作过程进行模拟，成功将蒸发换热模型施加在离散液滴上.通过该数值方法对某干法除尘系统中蒸发冷却器的喷淋布置方案进行优化，蒸发冷却器出口温度偏差范围由原设计方案的18.6%降低至3.4%，满足473±20 K设计要求；同时，蒸发冷却器壁面的高温区域减小，从而降低制造成本，提高系统的运行性能.

需要指出的是，由于工程尚未投产，缺乏实际生产运行数据，本文采用的数值计算方法有待进一步确认.待条件成熟，可结合测试数据对该方法进行验证与优化，为未来蒸发冷却器的持续改进与方案创新提供支撑.

参考文献：

[1] 朱冬生， 涂爱民， 蒋翔， 等. 蒸发式冷凝冷却设备的研究状况及其应用前景分析[J]. 化工进展， 2007， 26（10）： 1404-1409. DOI： 10.3321/j.issn：1000-6613.2007.10.008.

ZHU D S， TU A M， JIANG X， et al. Research progress and application prospect analysis of evaporative condensing/cooling equipment[J]. Chemical Industry and Engineering Progress， 2007， 26（10）： 1404-1409. DOI： 10.3321/j.issn：1000-6613.2007.10.008.[2] 尾花英郎. 热交换器设计手册[M]. 3 版. 徐中全，译.北京： 化学工业出版社， 1973： 300-355.

[3] WEBB R L. A unified theoretical treatment of thermal analysis of cooling towers， evaporative condensers， and fluid coolers[J]. ASHRAE Transactions， 1984（90）： 398-415.

[4] PASCAL S， DOMINIQUE M. Simplified model for indirect contact evaporative cooling-tower behavior[J]. Applied Energy， 2004， 78（4）： 433-451. DOI： 10.1016/j.apenergy.2003.09.004.

[5] BORIS H. A general mathematical model of evaporative cooling devices[J]. Revue Generale de Thermique， 1998， 37（4）： 245-255. DOI： 10.1016/S0035-3159（98）80092-5.

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中图分类号：TK422.4；O241.82文献标志码：A

0 引 言

自BENDSOE等［1］首次提出连续体结构拓扑优化概念和基于均匀化理论的拓扑优化方法――均匀化法以来，连续体结构拓扑优化方法就被公认为结构优化研究领域的热点之一.目前，随着结构拓扑优化理论研究的逐步深入［2］，以及一些商品化软件拓扑优化功能的实现，拓扑优化的应用研究也逐步展开.在对结构优化设计要求较高和对产品重量要求苛刻的行业，如微机电系统、车辆和发动机等行业［3-7］，拓扑优化技术体现出强大优势并正发挥巨大的作用.

本文以某发动机支架为研究对象，在多工况结构分析的基础上，基于TOSCA软件建立结构拓扑优化模型，设置过滤半径和各类制造加工约束，得到清晰且满足工程约束性要求的结构拓扑优化结果.通过对比优化前后结构分析结果，证明单元变密度结构拓扑优化方法在发动机支架结构优化设计上的可行性和有效性.

1 发动机支架多工况结构分析

某发动机支架总成结构由起悬挂作用的空间桁架和支架主体组成，其中支架主体结构由2根纵向工字梁和4根板状横梁组成.根据结构特点，支架主体结构采用实体单元离散，桁架结构采用空间杆单元模拟，得到的整体有限元模型见图1.

模型共包括189 410个节点，148 536个六面体实体单元，12个杆单元.通常，由于优化需进行多次结构分析迭代至收敛，若采用全模型进行优化分析，则将导致分析计算量过大.鉴于支架主体结构的重复性特点，在分析与优化建模中采用如图2所示的1/4局部结构.在该模型结构分析中，根据等效刚度原则将桁架结构简化为弹簧单元，将整体分析得到的位移值施加到分离体连接面上，选取的结构和边界条件采用各横梁中相对较恶劣的情况.

发动机在实际工作状况中产生的冲力反作用于支架上，反作用力处于图2所示垂直向上与y向夹角0～8°范围内，这里极限工况1的作用力夹角为0°，极限工况2的作用力夹角为8°，轴承座载荷分布为在120°范围内余弦函数的形式.这两种不同工况下的位移分布结果见图3.

2 发动机支架拓扑优化设计

2.1 单元变密度结构拓扑优化理论与模型建立

在常见的单元变密度结构拓扑优化理论中，通常以单元相对密度ρi为设计变量，材料弹性模量与密度变量之间满足假设的函数关系.常见的插值模型有固体各向同性惩罚微结构模型(Solid Isotropic Microstructures with Penalization, SIMP)和材料属性的有理近似模型(Rational Approximation of Material Properties, RAMP)，两种模型均通过增大惩罚因子数值对中间密度值进行惩罚，使之向0～1状况靠近，从而减少中间材料的出现.以SIMP插值模型为例，弹性模量

2.2 支架结构拓扑优化常见问题设置与结果分析

支架结构拓扑优化模型的建立采用TOSCA完成.由于TOSCA软件本身不进行结构分析，而是通过提取商品化结构分析软件（如MSC Nastran）的结构分析结果(如单元应变能)进行敏度分析并形成优化模型列式，在优化求解后将新的单元密度值重新赋予结构模型并进入下一轮循环迭代，直至满足预先给定的收敛判定条件.基于上述模式的拓扑优化流程见图4.

结构拓扑优化模型建立首先需要指定设计区域，即弹性模量可变区域内的单元.如图2所示，支架两端的工字梁结构、安装轴承孔以及起连接紧固作用的螺栓孔等部位为完成结构功能要求的非设计区域，而其余部分均设定为设计区域.为增强结构拓扑优化结果的可制造加工性，基于数字图像处理技术，设定过滤半径(filter radius)抑制棋盘格现象和消除网格依赖性等数值不稳定性问题.［8］这里过滤半径值为平均单元尺寸的2.0倍.在8°夹角推力作用下，为保证载荷不对称情况下优化结果具有对称性，可设置平面对称性约束(plane symmetry constraint)和与对称面平行的一致性约束(stamp constraint).［9］ 2种不同载荷工况分别优化迭代至24步和25步收敛，得到的结构拓扑优化结果见图5.

由图5可知，不同夹角工况下的拓扑优化结果类似，其原因在于载荷作用位置和方向差别较小，最佳传力路径几乎一致.在此情况下，多工况加权目标函数中权因子分配对优化结果的影响不大，可省略多工况下拓扑优化计算.利用优化模型设置的各类制造加工性约束，能进一步限制设计变量空间的搜索范围，得到满足设计要求和制造工艺要求的优化结果.由于有限单元离散性特点，使得结构拓扑优化边界通常出现锯齿形边界，为得到较平滑的优化结果，采用TOSCA Smooth模块对结构拓扑优化结果进行平滑处理，得到平滑后的优化结果见图6.由图6可见，经过平滑处理后的拓扑优化结果边界光滑，局部特征如圆角、倒角等细微特征均有所体现.

根据上述拓扑优化结果，对支架重新建模、分网和分析计算，两种不同载荷工况下的支架优化前后最大位移结果见表1.由表1可知，优化结构在各工况下的最大变形值下降程度较小，相对于初始结构 设计方案，在保持体积大幅削减的情况下满足结构设计刚度.

表 1 支架优化前后最大位移值对比mm0°工况最大位移8°工况最大位移初始结构0.710.71最优结构1.101.10

3 结 论

在整体模型结构分析的基础上，采用局部结构有限元模型适当减少结构分析计算量.优化模型中各类制造加工约束条件的设定，得到满足制造工艺要求的优化结果.平滑后的拓扑优化结果边界光滑、清晰.通过优化前后结构分析对比可知，基于单元变密度结构拓扑优化方法能有效进行发动机支架轻量化设计，从而避免传统结构设计方法的盲目性.

在实际的支架结构拓扑优化中，还需要考虑强度、模态等方面的要求.但在目前的通用化优化软件中，除HyperWorks optistruct等具有满足应力约束的拓扑优化功能外，大多数商用化软件（如TOSCA）尚无此项功能.同时，即使在概念设计阶段未考虑到强度约束，在精细设计阶段中，采用形状优化或尺寸优化的方式也可以考虑到.由于本文着重论述结构拓扑优化方法在发动机支架设计中的应用，故而未考虑强度约束.

参考文献：

［1］ BENDSOE M P, KIKUCHI N. Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method［J］. Comput Methods in Appl Mech & Eng, 1988, 71(2): 197-224.

［2］ 罗震, 陈立平, 黄玉盈, 等. 连续体结构的拓扑优化设计［J］. 力学进展, 2004, 34(4): 463-476.

［3］ 王振海, 张卫红. 柔性结构拓扑优化设计发展概括［J］. 机械设计, 2004, 21(3): 1-4.

［4］ 龙凯, 覃文洁, 左正兴. 基于拓扑优化方法的牵引车车架优化设计［J］. 机械设计, 2007, 24(6): 52-54.

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多目标最优化是门研究多目标最优化问题的重要学科，它的研究对象是多数值目标函数，目的是为了实现在固定区域内实现最优函数值。多目标最优化问题由V.Pareto在1896年首次提出；在1951年，Koopmans在分析上产与分配效率时引入有效解，进一步推动了多目标最优化的发展；20世纪60年代起，人们开始广泛关注多目标最优化问题，并设计了多种多目标最优化问题解决方案。

一、多目标优化方法的种类

优化设计可以提高工程设计的整体水平，因此备受设计人员的喜爱。优化的目的不同，采用的优化方法也有所不同。

（一）评价函数法。评价函数法应用简单，只需建立评价函数就能用单目标优化取代多目标优化问题。根据评价函数法的形式对它进行分类，能分为多种类型：P模理想点法、线性加权法以及最短距离法等。这些评价方法具有不同的形式，但却具有相似的原理。

（二）逐步宽容约束法。评价函数法虽然应用简单，但却很难在现实环境中构造。要使复杂的多目标优化问题转变成简单的单目标优化问题，还可以采用逐步宽容约束法。这种方法是选取多目标中的一个目标，通过限定其他目标的选值范围，构成一个单目标优化问题。在使用时不断改变其他目标的取值，记录函数值的变化情况，最后选出最优函数值。

（三）目标规划模型。目标规划模型的原理是：分别计算每个目标的最优函数值，计算各目标最优点与计算设计点的正负偏差和，通过偏差和确定优化工程设计的最佳方案。

（四）多目标遗传算法。遗传算法发展较迅速，它主要应用于含有多变量、多参数和多目标的数值求解。多目标遗传算法以遗传算法为基础，经过多年发展，已经出现了NCGA、NPGA、SPGA等多种形式。其中，NCGA方法在传统遗传算法的基础上优化了加速收敛过程。

（五）多目标模糊优化算法。多目标模糊优化算法应用广泛，它通过对设计特征进行详细分析，划分优化涉及的可行域，给设计人员提供优化空间。这种方法充分考虑了工程设计中的模糊因素，算法的核心就是模糊的设计变量、模糊的约束条件、模糊的目标函数。

二、多目标优化方法的特征及决策方法

优化工程设计，是为了提高设计的整体性能，不可能保证每个设计目标都能得到最好的实现。例如，在优化过程中，一个设计目标达到最佳函数值，但其他的设计目标却处于较差的状态。优化目标之间存在的矛盾关系，给优化方案的评判带来一定困扰；不同设计目标有不同的度量标准，难以比较各自的优化效果；不同设计人员对优化方向的定位不同。因此，针对多目标的优化进度不同，引入了非劣解理论。

非劣解，是指采用不同的优化方案得到的解的集合。每个解都有自己的优化方向，不能仅通过数据进行比较。多目标优化的最优解其实是不存在的。设计人员根据个人意愿，在非劣解中选择优化方法的过程就是多目标决策。

（一）二元相对比较法。首先，以各分目标对非劣解集合满意度为参考依据，建立矩阵；然后，使用 截矩阵概念，选择综合满意度最高的非劣解。

（二）模糊关联度。模糊关联度是对理想解与非劣解接近程度的反映，通过对非劣解相对理想解的隶属度进行计算，解决物理量纲影响问题。非劣解一般情况下都是在理想解周围对称分布，所以可以选用具有对称分布特征的隶属函数，计算非劣解与理想解关联度的值，关联度值最大的非劣解就是最优非劣解。

三、实例分析多目标模糊优化设计

首先，根据约束的模糊性，建立多目标模糊优化模型；然后，使用 最优水平截集法，转化模糊约束的规定区间为普通集合；再然后，计算优化函数在普通集合范围内的最大值与最小值；构造子目标函数的模糊目标集；以字母表的相对重要性未依据，判断多目标模糊优化的最优解。

四、分析不同优化方法的优化特点与效果

线性加权法：通过改变优化目标的权系数，得到相应的非劣解。然后根据非劣解计算得到Pareto的前沿。

逐步宽容约束法：首先处理优化目标，将它转化成约束条件，进而简化优化问题。然后通过渐次放宽目标约束条件手段，计算得到Pareto的前沿。在本方法使用中，应合理选择优化目标范围作为约束条件。

P模理想点法：使用不同的P值进行计算，分析计算结果可知，P值对优化结果影响较小，试验后取得的优化结果很相似。极大模理想点法与P模理想点法具有相同的优化目标系数1，计算取得的非劣解在线性加权法（0.5，0.5）范围内。

目标点法：参考点的选择很重要，能对优化结果产生直接影响。选取参考点，首要考虑的就是Pareto前沿，参考点位置离Pareto前沿越近，优化结果和Pareto前沿越相符。但是这种方法对设计者的要求较高，设计者不仅需要有丰富的知识储备和设计经验，还要对工程有全面了解。在初期设计中，设计者缺乏对工程项目问题的具体分析，不适宜使用这种方法。

NCGA方法：该方法在取得Pareto前沿的同时，还能计算可行域范围的可行解，对工程设计有很大的促进作用。