优化设计就是确定一组设计变量，使目标函数在满足约束条件下达到最小值（或最大 值)的数学规划问题。 上述数学模型的几何意义可以这样来理解： (1)n个设计变量组成一个：维空间，它们的一组确定值，就相当n维空间中的一个点。 每一个点即代表一个方案。 (?)每一个不等式约束都是维空间中的一个超曲面（即这个曲面不限于三维空间，也 可在三维以上高维拍象空间内)。这些超曲面，将空间分成“可行城”与“不可行域”两部 分。满足不等式约束条件，就是设计点必须在“可行域中。” (3)每一个等式约束，也是维空间中的一个超曲面。满足等式约束条件，就是设计点 必须在这个超曲面上。 (4)设计变量的上、 下限约束条件组成维空间的一个超立方体。满足这个约束条件， 就是设计点必领在这个超立方体中， (5)目标函数取某一定值时，就在：维空间形成一个等值超曲面。一系列等值超曲面标 志者目标函数的变化规律」 优化设计的任务，就是在这维空问中寻找一个设计点，使它既满足约束条件，又位于 最小（设大）等值面上。 将设计任务构成数学模型之后，选用适当的坡优化计算方法，排好程序，利用电子计算 机即可白动寻我出址优方案的解。 最优化计笋方法是在高速电予计算机出现以后，由于大社会实践的需要而迅速发展起 来的计算数学的新分支。近代工程的优化设计中比较广泛地应用数学规划法，即从解极值问 题的数学原理出发，求出设计变爸的最优解。 四、关于电子计算机辅助设计方法的应用问题 随看电子计算机技术的不断发能，比子计算机轴时设计(CAD)是当前设计技术发展的 一个重婴方向，根据它的发展过程，基本上可以分为三种类型：简单CAD系统，绘图型 CAD系统及人机对话交五型CAD系统。 简单CAD系统是CAD系统发展前第一阶段，最初及是利用电了计算机进行辅助计算以 节省设计计算时间。在优化设计方法出现之后，开始利用电子计算机进行优化设计，然后很 据所得的优化方案，由人工绘成图纸。由丁于绘图工作占设计工作中的比例很大，随若自动绘 图机的发展，在葡单CAD系统中增加了月动绘阁机作为输出装置，从而发展成绘图型CAD 系统。这种系统根据所得优化方案，不但能够通过白动绘图机绘制零部件图形，还能标注零 部件的尺寸科各种符号与技术条件，也能绘制总图，因而显著地节省了时间，这是CAD发 的第二阶段。似贴，在这种系统中所采用的优化设计方法，通常是在结构型式已定、材料 已定的条件下娄行优化，如果想修政结构型式或材料就必须重新上机，然后再选收最优方 案，这费时费而且很不直观。因此，为了提高没计效率，出现了交互型的CAD系统，即利 用一些新型的、先进的计算外围设备来实现人机对话，使设计人员的设计经验能够随时干预 设计的中间过程。从而在设计人员的参与下，可以随时改变结构型式或材料，以达到满意的结 果，图1-5是一种交互型CAD系铣的原理框图，这是CAD系统发展的第三阶段，也就是 目前一般人所指的CAD系统。这种交互型CAD系统，国内外先进部门中已广泛应用于工 -18-
开蛤 。初喻设计 盘、光笔成因形 输入板) 观寒图形与数据 设计人员根据显示 图形及打印结果分析 和判断夜计方案是否满意？ 是 工程分析序 同靠性分析和优化设计等 停机 打印结果 四1-5一动为五：A几至特的占过年图 程设计中，在内燃机设计中也必须采用，以提高设计质量与设计速度 五、关于系统工程方法在内燃机设计中的应用问题 系统工程是一门新兴的学科，虽然尚处于发展阶段，还不十分成熟，但已被广泛地应用 于各个部门。 所浮系统，是指由相互作用和相互依赖的者干组成要素按一定规律结合并具有特定功能 的整体。在整体中每一个要素的性质或行为将影响到整体的性质或行为，而各个要素之间是 有机联系的、相互作用的，在这些要素之间具有某种依赖的特定关系。任何一个系统都存在 于一定环境中，它必须适应环境的变化，而一个系统中的任何部分可以被看成为一个子系 统，每一个系统又可以认为是一个更大母系统中的一个予系统。 系统工程方法就是以系统思想为指导，立足整体，统筹全局，使整体与局部辩证地统 一，将分析和综合有机地结合，运用数学方法和电于计算工具，由此来研究和处理系统，从而 达到系统综合最优化的科学方法，运用系统工程方法研究和处理问题时应遵循整体性、综合 19
性与最优性三大原则。 所调整体性，就是把系统作为若干子系统有机结合成的整体来设计，对每个子系统的技 术要求都首先从实现整个系统技术协调的观点来考虑，对研制过程中子系统与子系统之间的 矛盾都要从总体协调的需要来选择方案。同时，把系统作为它所从属的更大系统的组成部分 来进行研究，对它的所有技术惑求，燃尽可能从堂即这个声大系统技术协调的观点来考虑 在实践中，某些技术措施从局部来看效果是好的，但从全局来看就不一定好，另外有些技术 措能从局部来看效果不太理想，但从整体来看却有应用的价值。因此，必须根据整个系统的 总目标来分析，作出科学的判新。同时，除了空间上的整体性外，还要考虑时间上的整体 性，也就是婴考虑系统的整个寿命周期，不但应考虑近期，还要从长远着跟 所谓综合性，有两重食义：一方面认为任何系统都是以这些或那些要素为特定目标而组 成的综合体，婴运用各种学科、各种技术互相渗透，互相融合，创造出新的技术综合体。另 一方面，要求对任一系统的研究，都必须从它的成分、结构、功能、相互联系方式、历史发 展、外邵环境等方面，进行综合考察。要基于系统整体性的概念建立起一系列衡量系统效果 的综台性指标，如价值寿命、功能/成本比、造价/维护费用比和时间价值等 功能/城本比是指在设计和研制一个新的技术系统时，在满足所要求的技术性能范图内， 为提高系统的功能采用新技术而付出的代价（成本）的指标。 造价/维护费用比是表示一次制造费用和今后长期运行中维护费用的比例，可由此作为 权衡系统的整体经济性的指标 随若科学技术日益发达， 一般设计研制复杂的技术系统，研制周期长，面且更新淘汰 快，如果一项工程任务拒的时间越长，所付出的代价就越大，甚至一个系统研制了多年，当 它进行整定时，技术上已经陈旧落后，以致失去了它的使用价值。这时所花费的全部人力、 钩力和资金就失去了原有的意义。时间价值这一综合性指标可用来衡量系统的这一效果。 所谓最优性，就是在设计系统时，应尽可能使系统有效、完著，能够最优地工作。为了 进行系统的优化， 婴在环境的约束下，通过可以控制的因素，使系统处于最优状态。对大而 复杂的系统，不能只是耍求它各部分处于最优状态，而是应通过协调，使局部日标服从整体 目标，达到总体最优化。 系统工程方法所应用的技术（除了各种具体的系统的专业内容外）有的是发源子控制 论、运筹学、数理统计、经济数学方法和伤真技术，有的是系统工程自身形成的。归纳起 主要的有：系统信息技术、系统分析技术、系统预测技术，系统模型技术、系统仿真技 术、系统价值分析技术、系统可靠性技术、人机工程技术、系统优化技术、系统控制技术 网络分析技术、系统决策技术等。随所解决具体系统问题的不同，所采用的具体技术也不 样。 系统工程解决同题的步骤，随具体系统问题的不词而异，一般的步绿是 . 明确课题即明确系统要达到的目标，其工作的内容、范围和具体要求。 。收集信息即进行调查研究，收集有关课题的资料和数据。 3。赌立模型即根据所收集的资科和数拐，建立表征系统的物理模型与数学棋型。在 “般工程没计中通常是通过绘制图样、进行计算、数字仿真、制成模样和试验装置等来林现 横型化过程。在系统工程中，建立数学模型是其主要手段， 4,进行系统分析，选择最优方案根据建立的模型进行方案评比，特别是通过数学模 20
型、仿真计算等采用最优化方法求出最优解来确定最优方案。在进行方案选择中，决策者不 仅是从许多可能的方案中选择，而且采用人-机对话的计算机辅助设计方法，根据自己经验 来设置条件，构戒 一系列新的方案，而在其中作最后选择 5，系统反馈根据方案实现情况，作为反愤信总输入分析与决策者头威，后者随时把 实际的反应和预期的目标相比较，如果两者之差较大，则再次作出分析，修改决策方案。 从系统工程的观点来看，内燃机是一个由许多零部件组成的，即由一些机构与辅助系统 技一定规律、互相联系、互相作用而结合的复杂的工程系统。可把内燃机的各机构与辅助系 统看成为内燃机的子系统，而内燃机本身又可看作为其配套机械动力系统的更大母系统的一 个子系统。不同内燃机应澜足其母系统的具体要求，同时要适应国家关于内燃机工业的发展 纲要与有关的技术政策以及国内外对内燃机的需求情况。 根据系统工程研究和处理系统的原则，在设计内燃机时，最主要的就是应根据国家关子 内燃机工业的发展纲要与有关技术政策以及国内外对内燃机的求情况，从为一类用户专门 设计内燃机转向为满足多类用户需要设计系列与变形机型，以诚少用于系列内任一种内燃机 的研制和生产、维修点的创办和经营、生产和使用、维修人员培训所需的时间、人力和物力 的消耗。并且便于集中专家的力量，利用现代方法解决内燃机的设计问题以提高所设计内燃 机的质量。国外内燃机的设计制造经验表明，将内燃机按某些特征组成型诺系列进行研制， 是最合理和最有前途的方法。例如蹭士苏尔寿公司的RND.M系列、丹麦B&W公可的 KGF系列、联邦德国曼恩公同的RSZ-B系列与奔兹公司的MB系列、英国道完斯福特公间 的1型系列、日本洋马公司的TS系列、美国卡特匹勒公司的3400系列以及苏联的B2系列 等。 型谱系列是按一定规律根据通用化原则制造的儿何尺寸不同的各种型式的机种。内燃 机的型谱系列可以是某种用户型谱系列的子系统（例如汽车、船舶、发电机等型谱系列的子 系统)的全部或大部分。此时内燃机的主要和基本参数取决于用户母系统型谐系列有关的参数 值，然后选用配套范围广泛的内燃机，或者以其中最复杂的内燃机作为基础内燃机，确定基础 结构。在确定基础结构时，同时要确定可用于所设计系列的大部分变形的模件（指在型谱系 列中各机种中所通用的子系统或元件)和系列基础的典型结构方案。 在确定型谱系列时，必须调查研究，收集国内外样机资料及各种信息进行系统分析分 析在现有资海、人材、固定和流动资金的条件下研制具有给定质赋指标的型谱系列的合理 性，分析内燃机的供求趋势，进行预测研究，选定主要工作方向等。 在系统分析中，内燃机供求趋势的分析是其中最重要的一个问题。为了进行分析，必须 进行多项综合研究，特别是应进行经济研究和技术经济研究。 经济研究主要是研究决定图家经济潜力的主要部门的发展趋势：确定制造和使用内燃机 部门的发展趋势，估计内燃机及其备件按国家和公司的进出口的去向和数，确定国内外内 燃机制造部门的专业化和协作范围，了解有关内燃机以及配套产品和材料的价格政策，了解 内燃机的销售市场等 技术经济研究主要是研究用户对内燃机技术指标的要求，确定长远规划研究课题的范 围。研究在内然机使用中技术服务方面的经验。 在设计具体内燃机时，有时只是专门为某-一配套机诚面设计，这时可在已有型谱系列中 选择某一内燃机加以改进设计以达到配套母系统的要求。在设计型谱系列的基础内燃机或者 -21
对己有型谐系列中某一内燃机进行改进设计时，都必须从配套的整体性与综合性原则出发来 进行设计。如前所述有些技术措施从局部来看效果不太理想，但从全局来看却有应用的价 值。例如，苏联为T-72坦克设计的B46柴油机，它是在T-62坦克用的B2型谱系列柴油机 中55柴油机的基础上采用机城增压办法来提高功率以满足T-?2坦克的要求的。众所周知， 机械增压与涡轮增压相比，机械负荷与热负荷都较高，而且燃油消耗率较大。从世界各国技 术发展来君，70年代以来，废气涡轮增压正遂步取代机械增压，如联邦德国的豹I式坦克发 展为豹1式坦克，其所用内燃机即由机械增压荣油机改为涡轮增压柴油机。苏联之所以在70 年代还在T-72坦克上采用机械增压柴油机，主要是从T~72坦克的总体布？来决定。改进的 B46荣油机的机械增压器安装在柴油机的功率输出曲轴法兰盘的上方，由曲轴功率输出端 的增压器驱动齿轮传动。这样的布置方式可将B55柴油机曲轴的第八轴承与止动滚珠轴承 取消，因而柴油机的功率从427kW增大到574kW,而其总长度却较B55柴油机缩短100mm 左右。这样可使柴油机在坦克车体中仍能横置，车体动力室总布置方式可以不变，维持动力 室体积为最小。也就是从B46柴油机本身来说，采用机械增压并不理想，而对其母系统T-72 坦克却有很大好处。另外，B46柴油机是在B55柴油机基础上进行改进设计，其绝大部分零 部件不变，生产线不变，比重新研制一台新的专用柴油机，省时间。这对新的T72坦克的 研制与定型也是十分有利的。因此，根据系统工程研究与处理问题原则，内燃机设计时应从 其整体性、综合性来考虑 前已指出，在系统工程中建立系统的物理模型与数学模型，特别是建立数学模型，这是 研究和处理问题的主要手段，但过去内松机设计的传统方法只重视建立物理模型，即重视验 制图祥、制成模型（如模拟对活塞、气缸套或气缸盖的热作用的装置模拟进、排气情况的 装置，模拟加于曲柄连杆机构零件上的交变载荷的装置模拟加于轴承上的载荷的装置，单 缸试验机试验样机以及采用铁皮、术材、纸板等辅助材料制造内燃机模样用以检查和分析 布置方案的模样内燃机等)，对建立数学模型进行数学仿真计算的工作还不够重视，这方面 的工作开展得很不够。而采用系统工程方法，则必须重视建立数学模型问题，因为数学模型 是定量化的基础，同时又可通过建立数学模型进行模拟试验，并且由数学模型反映的规徘来 预测系统的未来状况。在设计中选择优化方案时，也需要采用数学模型构成最优化数学规划 问题寻求其最优解。 在进行内燃机设计时，其数学模型可分为功能模型、结构模型、控制模型、时间模型与 工艺模型等五种第一级模型。各种第一级模型又可菱级分解成为若干级数学模型。例如，功 能模型可分为过程模型、强度棋型、振动模型、声学模型.等第二级棋型而过程棋型又可 分为燃烧室中过程模型、增压装置中过程模型、燃油子系统中过程模型、散热器中过程模型 等第三级模型：燃烧室中过程模型又可分为单虹中的过程模型与考感相邻气缸影响的过程 棋型两种第四级模型单缸中的过程模型又可分为稳态一元模型、非稳态一元模型、半稳态 二元模型与非稳态三元模型等四种第五级模型。其它第一级模型也是如此。根据这些模型便 可进行仿真模拟，进行优化计算，进行分析评比以便迅速得出最优方案。根据数学棋型，设 计人员还可采用人-机对话的计算机辅助设计方法，通过改变一些条件构成一系列新方案， 而在其中作最后选择。 在内燃机设计时，根据设计要求进行分析比较，除了传统设计所作的一般分析比较外， 心 根据系统工程观点，还必须进行价值分析。价值分析就是从系统功能和成本的综合分析来选 22