104
1. Principi racionalnog konstruisanja Racionalne konstrukcije podrazumijevaju primjenu principa: 1. smanjenja mase mašinskih dijelova, 2. pravil nog i zb or a mat er ij al a i 3. opt imiza cij e glav nih parametara kon str ukc ije prema usvojenim tehničkim i ekonomskim kriterijumima.

Optimiziacija - Skraćeno i

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 1/104

1. Principi racionalnog konstruisanja

Racionalne konstrukcije podrazumijevaju primjenu principa:

1. smanjenja mase mašinskih dijelova,

2. pravilnog izbora materijala i

3. optimizacije glavnih parametara konstrukcije prema

usvojenim tehničkim i ekonomskim kriterijumima.

Page 2: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 2/104

Prednosti lakih konstrukcija:

• smanjenje potrošnje materijala,

• olakšano rukovanje i transportovanje, • smanjenje inercijalnih sila – olakšavanje kočenja i

ubrzavanja pokretnih dijelova konstrukcija.

Nedostaci lakih konstrukcija su:

• primjena skupljih materijala (visokokvalitetni čelici, legurelakih metala i kompozitni materijali),

• primjena specijalnih lakih profila od savijenih limova čija jeizrada skuplja u odnosu na standardne profile.

1.1 Primjena olakšanih konstrukcija

Page 3: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 3/104

Faktori uticaja na teorijsku masu konstrukcije

Teorijska masa grede konstantnog poprečnog presjeka jednaka jeproizvodu njene površine S, dužine L i gustine ρ:

m = S L ρ

Također, teorijska masa grede je definisana sa:

m = K 1 K 2 K 3

K 1 – faktor opštih uslova (način oslanjanja, opterećenja i deformacija)

K 2 – faktor profila (oblika poprečnog presjeka) i

K 3 – faktor materijala.

Masa konstrukcije prema kriterijumima za proračun: • čvrstoća: m a = K 1a K 2a K 3a

• krutost: m b = K 1b K 2b K 3b

• deformacioni rad: m c = K 1c K 2c K 3c

Page 4: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 4/104

Page 5: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 5/104

vrijednost

Page 6: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 6/104

Page 7: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 7/104

Spajanje zidova

Page 8: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 8/104

Racionalno opterećenje

Page 9: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 9/104

1.2. Izbor materijala

Osnovni faktori izbora materijala su:

• osobine materijala• namjena materijala• način izrade mašinskog dijela • mogućnost nabavke i zalihe materijala i • cijene materijala.

Page 10: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 10/104

1.3 Optimizacija konstrukcija

Primjena optimizacije u razvoju mašinskihkonstrukcija vrši se u dva smjera:

• izbor optimalne varijante konstrukcije i• primjena metoda matematičke optimizacije naizbor važnih parametara konstrukcije

Page 11: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 11/104

1.3.11.3.1. Tehno-ekonomsko vrednovanje varijantikonstrukcije

Koncipiranje konstrukcije se vrši u više varijanti da bise od njih izabrala najbolja – optimalna.Da bi se izbjegao subjektivizam uvode se postupci

vrijednosne analize.U fazi koncipiranja ukupna funkcija sistema serazlaže na parcijalne, koje su povezane naodgovarajuće načine. Parcijalne funkcije se kombinuju tako da daju različitemogućnosti realizacije ukupne funkcije.

Page 12: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 12/104

1.3.21.3.2. Metode matematičke optimizacije parametarakonstrukcije

Primjena matematičkih metoda optimizacije odnosise na izbor konfiguracije, dimenzija i materijalakonstrukcije.

Suština je u postavljanju funkcije cilja preko koje sematematički izražava neki bitan parametarkonstrukcije.Taj parametar se optimizira tako što se nađe maksimalna ili minimalna vrijednost funkcije cilja uzzadovoljenje svih zahtjeva, uslova i ograničenja.

Page 13: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 13/104

FORMULACIJA OPTIMIZACIONOG PROBLEMA

• Optimizacija je proces nalaženja kombinacijeparametara (nezavisnih promjenljivih) koja optimizujeposmatranu veličinu, uz moguća ograničenja dozvoljenihoblasti za pojedine parametre.

• Veličina koja treba da se optimizuje (minimizira ilimaksimizira) se naziva funkcija cilja .

• Parametri koji mogu da se mijenjaju u cilju optimizacijenazivaju se promjenljive .

• Granice koje se postavljaju za moguće vrijednostipromjenljivih nazivaju se ograničenja .

Page 14: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 14/104

Šta je optimizacija dizajna?

Odabir “najboljeg” izvodivog dizajna.

Matematička metoda koja zahtjeva formalizacijuprocesa konstruisanja.

1. Šta predstavlja kriterij za “najbolji” dizajn? Funkcija cilja, kriterij dizajna.

2. Kako su predstavljeni zahtjevi dizajna?Ograničenjima, zahtjevima.

3. Kako se opisuju različita dizajn rješenja? Varijablama dizajna koje čine prostor dizajna.

4. Šta predstavlja prostor (domena) dizajna? Sva moguća rješenja dizajna.

Page 15: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 15/104

OPTIMIZACIJA - PROGRAMIRANJE

U ranim danima optimizacije set vrijednosti kojipredstavlja rješenje problema nazivan je program. Rije č program koristila se je u smislu planiranje.

Otuda se i danas koriste termini kao što su:• mathematical programming,• linear programming,• nonlinear programming,• mixed integer programming,

Ovo ne treba povezivati sa programiranjem računara.

Page 16: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 16/104

Osnovni pojmovi optimizacijskogproblema

Minimizirati

Tako da je

Funcija cilja koja se minimizira

Ograničenja tipa nejednakosti

Ograničenja tipa jednakosti

Varijable dizajna

Page 17: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 17/104

Osnovni pojmovi

Optimalnatačka

Lokalni

optimum Funkcijacilja

x

y

x1x2

Page 18: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 18/104

Da bi se optimizacija dizajna izvela matematičkimputem potrebno je:

funkciju cilja i ograničenja izraziti kao funkcijuvarijabli dizajna ( x) .

Masa = f ( x ),Pomjeranja = f ( x ),Naponi = f ( x ),

Troškovi = f ( x ) ...

Šta predstavlja “f ” u svakom od slučajeva?

Page 19: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 19/104

Tok optimizacije

Definisanje inicijalnog dizajna(x 0)

Definisanje f(x), g(x) ih(x)Računarska simulacija

Konvergencija?

DaNe

Da li dizajn zadovoljava

postavljene kriterije?

Poboljšanjedizajna

Promjenaparametara x

KRAJ

MinimizirajTako da je:

Page 20: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 20/104

MODELIRANJE PROBLEMA U CILJU OPTIMIZACIJE

Da bi se izvršila optimizacija (bilo kojom metodom)potrebno je prvo formulisati model problema.

Realni sistem Model

Zaključci orealnom sistemu

Zaključci izvedeninad modelom

Formulacija

(idealizacija)

Dedukcija

(optimizacija)

Interpretacija

Page 21: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 21/104

KLASIFIKACIJA OPTIMIZACIONIH PROBLEMA

• Prema prirodi funkcije cilja – Linearni – Nelinearni

• Prema broju funkcija cilja – Sa jednim ili – Sa više ciljeva

• Prema broju ograničenja – Bez ograničenja – Sa ograničenjima

Page 22: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 22/104

• Prema prirodi nezavisno promenljivih – Kontinualne (sa realnim nezavisnim promjenljivim)

– Diskretne (sa cjelobrojnim nezavisnimpromjenljivim, kada su sve promjenljive ograničenesamo na cjelobrojne vrijednosti)• Binarne (sa binarnim nezavisnim promjenljivim -

specijalni slučaj cjelobrojnih nezavisnihpromjenljivih koje mogu da uzmu samovrijednosti 0 i 1)

– Mixed-integer (sa cjelobrojnim i realnim nezavisnimpromenljivim, kada su samo neke promjenljiveograničene na cjelobrojne vrijednosti)

Page 23: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 23/104

VRSTE FUNKCIJE CILJA

Kontinualne Diskontinualne Diskretne

Page 24: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 24/104

Definisanje problema dizajna

Arrora: Ispravno definisanje problema zahtjeva pola truda i

energije od kompletnog procesa.

Primjer: Dizajn bicikla Atraktivne karakteristike (moguće funkcije cilja):• krutost• mala težina • niska cijena• trajnost.

Navedeni kriteriji su kontradiktorni. Dizajn problem nije dobropostavljen.Potrebno je napraviti kompromis između navedenih želja ilipretvoriti sve funkcije cilja u ograničenja (izuzev jedne).

Page 25: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 25/104

Analiza je formiranje modela koji će na osnovuprihvatljivog ulaza proizvesti izlaz.

Ulaz IzlazDizajn Karakteristike

dizajna

Optimizacija je traženje ulaza na osnovu željenogizlaza

Ulaz je skup varijabli dizajna Izlaz je funkcija cilja i ograničenja Model je najčešće implicitan

Page 26: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 26/104

Analiza

Eksplicitna i implicitna

MKE

Page 27: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 27/104

OptimizacijaGrafički prikaz

Optimum bezograničenja

Optimum saograničenjima

Domenizvodljivosti

Dobro postavljeni problemi

dizajniranja mogu imativiše ograničenja, ali nikadaviše od jednog cilja.U slučaju implicitnogmodela jasna grafička predstava je otežana jer ne

znamo kako funkcija ciljaizgleda.Naravno, u takvimslučajevima do rješenja dolazimo matematičkim metodama.

Page 28: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 28/104

Tipovi strukturne optimizacijeOptimizacija dimenzija (size), oblika (shape) i topologije (topology) 1

Topologija Oblik Dimenzije

1Topologija je prikaz organizacije (smještaja) pojedinih objekata unutar neke cjeline

ili sistema.

Faza izrade koncepta(idejnog rješenja)

Odabir oblikakomponenata

Detaljan dizajn

Page 29: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 29/104

Strukturna optimizacija

1. Načiniti strukturu krućom tj. minimiziratipomjeranja

2. Ukupna masa ≤ Mc (zahtjevana masa)

Opterećenja poznata Ograničenja poznata

Minimizirati

Tako da je

Page 30: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 30/104

Optimizacija dimenzija

Štapovi Minimizirati

Tako da je

Varijable dizajna (x)x: prečnik svakog od cilindričnih štapova

Broj varijabli dizajna (n dv)ndv = 5

x

f(x): pomjeranje,deformacioni rad

g(x): masa

Page 31: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 31/104

Optimizacija dimenzija

- Oblik

- Topologijasu zadani

- Optimizirati dimenzije poprečnog presjeka

Page 32: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 32/104

Optimizacija oblika

B - splajnMinimizirati

Tako da je

Varijable dizajna (x)

x: kontrolne tačke B-splajna(položaj svih kontrolnih tačaka)

Broj varijabli dizajna (n dv)ndv = 8

f(x): pomjeranje,deformacioni rad

g(x): masa

...

Page 33: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 33/104

Optimizacija topologije

Ćelije Minimizirati

Tako da je

Varijable dizajna (x)x: gustoća ćelija

Broj varijabli dizajna (n dv)ndv = 27

f(x): pomjeranje,deformacioni rad

g(x): masa

Page 34: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 34/104

Optimizacija topologije

Problem kratke konzole

Domen dizajna

F

Problem nosača

Inicijalno

Optimizirano

F

Page 35: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 35/104

Optimizacija topologije

- dovodi do boljih rješenja od optimizacije oblika

Prostordizajna Optimizacija oblika Optimizacija topologije

Smanjenje mase za60%

Page 36: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 36/104

Optimizacija topologije

Problem mosta

Ravnomjerno raspoređeno opterećenje

Minimizirati

Tako da je

Masa ograničena na: 35%

Page 37: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 37/104

Gradijentne metode

Prije op tim izacije funk cija nepoznata

Provjera gradijenta

Provjeragradijenta

Gradijent = 0

Kretanje

Optimalno rješenje (x*)

(Zaustavni kriterij: Gradijent = 0)

Nema aktivnih ograničenja

Page 38: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 38/104

Globalni i lokalni optimum

(Zaustavni kriterij: Gradijent = 0)

Lokalni optimum

Lokalni optimum

Globalni optimum

Lokalni optimum

Nema aktivnih ograničenja

Page 39: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 39/104

Softveri za optimizaciju opšte namjene

iSIGHT (IBM)

DOT Matlab (fmincom)

Page 40: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 40/104

Kada je upotreba optimizacije opravdana?

Optimizaciju koristimo kada problemi vezani za dizajn nisupod našom punom kontrolom:

• ako postoji veći broj varijabli dizajna (više od dvije) • kada je u pitanju fizikalno složen problem • kada se radi o neuobičajenom dizajnu

Page 41: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 41/104

Optimizacija je korisna

... kada je dizajn prostor prevelik za primjenu intuicije

Dizajn prostor (broj mogućih rješenja) može bitiznatno veći nego što to izgleda na prvi pogled.

Prikazani okvir sastoji se od 11 štapova .Proanalizirajmo jednostavan problem određivanja površine poprečnog presjeka štapova .Ograničimo pretraživanje na 5 standardnih veličina poprečnih presjeka štapova .Dizajn prostor je tada: 5 11 = 49 000 000 različitih dizajn rješenja.

Ne postoji način na koji bi konstruktor bez upotreberačunara provjerio sve kombinacije, niti inženjer kojibi odabrao najbolju kombinaciju vodeći se samointuicijom.Optimizacija može rješiti ovaj problem za nekolikosekundi na klasičnim računarima.

Page 42: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 42/104

Optimizacija je korisna

... kada je problem složen Kod prikazanog turbinskog kola opterećenje, raspodjelatemperature i čvrstoća materijala zavise od oblikapoprečnog presjeka kola. Optimizacijom se dolazi dorješenja ovog izuzetno složenog problema.

Page 43: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 43/104

Optimizacija je korisna

... kao alat za estetski dizajn

Prostor dizajna: svi mogući membranski oblici Cilj:Tehnički: minimum resursa Dizajnerski: ljepota oblika sa minimalnih površinama

Ograničenja: strukturni integritet

Page 44: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 44/104

Identifikacija

- korisna upotreba principa optimizacije

Identifikacija se može iskoristiti u cilju utvrđivanjanepoznatih osobina:• proizvoda,• procesa,

• materijala ili bilo koje druge fizikalne veličine. Ovo je veoma korisna tehnika.

Page 45: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 45/104

Primjer identifikacije- u određivanju parametara materijala

Parametri materijala su najčešće teško mjerljivi nerazarajućim metodama. Pretpostavimo da imamo problem sa vibracijama ukompozitnom materijalu i želimo da formiramo MKE model, ali neznamo osobine materijala. Ako ih želimo utvrditi klasičnim ispitivanjimamoramo razoriti strukturu.

Nedestruktivnaispitivanja

Izmjerena frekvencija- Izrač. frek.

Razlika (karak. mater.)

Minimizirati

MKE

MKE model

Page 46: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 46/104

Page 47: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 47/104

2.2. Optimalno projektovanje u mašinstvu

Primjeri mogućih ciljeva optimizacije:• minimalna masa mašinskog sklopa, strukture, člana, • minimalna površina geometrijske forme (oblikovanje posuda), • minimalan otpor na pogonskom članu (minimizacija sila), • minimalna greška putanje (sinteza geometrije mehanizma), • maksimalna pouzdanost mašinskog sistema, • minimalan otpor kretanja (kod oblikovanja plašta letjelica),

• minimalna amplituda oscilovanja (raspoređivanje mase vozila), • maksimalno iskorištenje materijala (u naponskom smislu), • minimalno vrijeme izvršenja radnih funkcija mašina, • maksimalno iskorištenje energije (kod sagorijevanja).

Page 48: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 48/104

Definicije optimizacije:Optimizacija je postupak nalaženja najpovoljnijeg rješenja konstrukcije pri

zadatim uslovima. U teoriji optimalnog projektovanja, optimizacijom seodređuju konstruktivni parametri (geometrija) koji definišu ekstremnasvojstva (minimum-maksimum) posmatrane veličine konstrukcije.

Optimizacija je u matem. smislu, proces nalaženja uslova koji dajuekstremne vrijednosti funkcija cilja.

Optimizacija je primjenjena naučna disciplina koja metodamamatematičkog programiranja, varijacionog računa, teorijom optimalnogupravljanja i metodama teorijske mehanike, definiše tražena tehnička svojstva konstrukcija.

Ostale oblasti : Teorija optimalnog upravljanja, Teorija dinamički optimalnihkonstrukcija, Stabilnost mašinskih sistema, Teorija otkaza (pouzdanost), sudio savremene teorije optimalnog projektovanja i predstavljaju nadgradnjuosnovne teorije.

I t ij ki t t i t

Page 49: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 49/104

Istorijski posmatrano: tri etape:

- period zdravog razuma i intuicije,- period inženjerskih rješenja i

- period čisto analitičkih rješenja i tehničke kibernetike.

Matematičke podloge optimalnog projektovanja:

Oblasti: Klasična i numerička matematika, računarske i informacione

tehnologije.Newton -a i Leibnitz -a (1646-1716), su postavili osnove diferencijalnogračuna.U oblasti varijacionog računa, prve radove su dali Bernoulli , Euler (1707-1783) i Lagrange (metoda Lagrangeovih množilaca). Cauchy je postavio koncept neograničenog silaznog “spusta” ka minimumu. U oblasti numeričkih metoda (Velika Britanija): Dantzig je 1947. razvio metod optimizacije problema linearnogprogramiranja,Bellman je razvio princip optimalnosti kod dinamičkog programiranja, Kuhn i Tucker su 1951. definisali uslove za egzistenciju rješenjaoptimizacije.

2 2 M d i i ij ši

Page 50: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 50/104

2.2. Metode optimizacije u mašinstvu

Zašto toliko metoda? Jedinstven metodološki postupak za optimizaciju konstrukcija ne postoji jeri sami zadaci nemaju jednak matematički model. Različiti matematički zahtjevi proističu iz različitih matematičkih formulacija cilja i funkcijaograničenja.

Metode u mašinstvu optimalnog projektovanja konstrukcija, mogu seprokomentarisati:

Metoda diferencijalnog programiranja je klasična metoda analitičke algebrekod koje se diferenciranjem konveksnih funkcija cilja i funkcija ograničenja, dobija ekstremum. Metode varijacionog računa se koriste kod funkcija cilja

formulisanih u integralnom obliku. Metoda maksimuma se koristi kodfunkcija cilja (FC) formiranih u obliku diferencijalnih jednačina saograničenjima u vidu nejednačina . Primjenjuje se kod sinteze optimalnogupravljanja.

M t d li g g i j se široko koriste u planiranju i organizaciji

Page 51: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 51/104

Metoda linearnog programiranja se široko koriste u planiranju i organizacijiproizvodnih sistema. Poznata metoda linearnog programiranja je Simplexmetoda, koristi se za rješavanje zadataka optimalnog rasporeda (borbenihsredstava, transportnog problema itd.). Metode linearnog programiranja se

mogu primjeniti u optimalnom projektovanju ako je moguća linearnaaproksimacija problema. To je onda linearno aproksimativno programiranje.

Metoda nelinearnog programiranja su osnovne metode za optimalnoprojektovanje konstrukcija u tehnici jer su funkcije cilja i funkcije

ograničenja uglavnom nelinearne prirode. Složenost ili prekidnost funkcijakoje opisuju problem, zahtjeva poboljšanje numeričke forme problema, pase u tim slučajevima koriste metode nelinearnog aproksimativnogprogramiranja.

Klasifikacija zadataka optimizacije:

Zadaci sa i bez ograničenja

Matematičke metode:

metode bezuslovne i metode uslovljene minimizacije.

2 3 M t tičk ti i ij

Page 52: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 52/104

2.3. Matematičke osnove optimizacije Funkcija cilja:Cilj optimalnog projektovanja je funkcija nezavisnih parametaraoptimizacije z i:

Rezultat optimizacije je ekstremna vrijednost funkcije cilja:

Ekstremna vrijednost funkcije cilja određuje specifične osobineprojektovane konstrukcije, zbog čega se definiše optimalnom. Parametrioptimizacije z i mogu biti različite fizičke i vremenske prirode.

Funkcije ograničenja G j.U matematičkom smislu mogu biti različitog oblika: polinoma, diferencijalnihi integralnih jednačina i mogu se uopšteno definisati:

Funkcije ograničenja: Opšte (metrički prostor) i posebne (fizičke osobine).

Na osnovu ovako definisanih funkcija cilja i funkcija ograničenja zadatak

Page 53: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 53/104

Na osnovu ovako definisanih funkcija cilja i funkcija ograničenja, zadatakoptimizacije u matematičkom smislu može se definisati zahtjevomnalaženja takvih vrijednosti nezavisnih parametara zi (u n-dimenzionomeuklidskom prostoru Z), koje funkcije cilja FC, uz ograničenja Gj (j=1÷q)

daju ekstremnu vrijednost:

Matematički uslov: Rješivost ovog zadatka je neprekidnost i diferencijabilnost funkcija, što se u

mašinskim sistemima uglavnom obezbjeđuje vezama, uslovima sprezanja,kontinualnošću prostiranja napona i deformacija kroz kontinuum. Globalni optimum:Tačka je optimalna ako je za svakoOvako određena tačka minimizacijom se naziva globalni optimum. Više ekstremuma: Složene funkcije cilja konveksnog tipa, mogu da imaju više ekstremuma.Jedan ekstremum je najizraženiji i to je globalni, a ostali su lokalni z.Funkcije cilja sa više izraženih ekstremuma u matematičkomprogramiranju, nazivaju se multimodalnim funkcijama. Slika 1.4. interpretiraneke od navedenih pojmova u 3D prostoru.

Page 54: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 54/104

2 4 E i l j k j

Page 55: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 55/104

2.4. Etape optimalnog projektovanjaPostupak optimizacije konstrukcija ima strategiju koja se može sagledati saslike 1.5. Prvo se opisno definiše optimizacioni zadatak (etapa 1:

Definisanje zadatka), čime se utvrđuju nezavisni parametri i cilj optimizacijesa realnim ograničenjima zadatka. Naredna etapa je izbor kriterijuma optimizacije-formulacija karakterafunkcije cilja. Kriterijumi optimizacije mogu biti: tehničke, ekonomske itehno-ekonomske prirode.

9. TESTIRANJE I PRIMJENAOPTIMALNOG RJEŠENJA

Kriteriji optimizacije:

Page 56: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 56/104

Kriteriji optimizacije:Mogu biti potpuno definisani. Nasuprot tome kod složenih procesa, kriterijimogu dati različite ishode. Prema načinu vrjednovanja, mogući su izborisljedećih kriterija:

- Deterministički kriteriji - Kriteriji statističke vjerovatnoće - Kriteriji za uslove konfliktnih situacija

Relativni kriteriji optimizacije:Primjena univerzalnih kriterija nije moguća zato što to usložnjava računski aparat, uvećava broj parametara i zahtjeva iznova verifikaciju pouzdanostimatematičkog modela.Iz tih razloga, kod kompleksnih tehničkih optimizacija izbor funkcije cilja nijestrogo matematički zadatak već predstavlja kompromis mnoštva uticajnihfaktora proisteklih iz matematičkog modeliranja, eksperimentalnih rezultatai intuitivnih opažanja .Ovako formirani kriteriji optimalnosti su tzv. relativni kriteriji optimalnosti.

Opravdanost: Sastavljanje kriterija optimalnosti je besmisleno za slučaj

Page 57: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 57/104

p j j j p j jpostojanja dovoljno tačnih matematičkih modela. Kod mnogih optimizacionih zadataka, ocjena rješenja kvaliteta se ne vrši naosnovu samo jednog, već više kriterija. Tako formirane funkcije cilja

predstavljaju kompleks kriterija optimizacije parcijalnih kriterija optimalnosti.Tu složenost je moguće vektorski definisati izrazom:

Page 58: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 58/104

Page 59: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 59/104

Page 60: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 60/104

Page 61: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 61/104

Page 62: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 62/104

Page 63: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 63/104

Page 64: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 64/104

LINEARNA OPTIMIZACIJA

Page 65: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 65/104

Page 66: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 66/104

Optimizacioni parametri (geometrijske varijable-projektne promjenljive)

Page 67: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 67/104

Optimizacioni parametri (geometrijske varijable-projektne promjenljive)

Page 68: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 68/104

Page 69: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 69/104

Page 70: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 70/104

Page 71: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 71/104

Page 72: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 72/104

Page 73: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 73/104

Page 74: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 74/104

Page 75: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 75/104

Page 76: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 76/104

Page 77: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 77/104

Page 78: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 78/104

Page 79: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 79/104

Page 80: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 80/104

Page 81: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 81/104

Page 82: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 82/104

L

Page 83: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 83/104

Page 84: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 84/104

Page 85: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 85/104

Page 86: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 86/104

Vrijednosti funkcijecilja za različiteparametre

Page 87: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 87/104

Pravacmaksimumafunkcije određenu tački A

A

parametrekonstrukcije(prostorna površ)

Page 88: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 88/104

Page 89: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 89/104

Page 90: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 90/104

Page 91: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 91/104

Page 92: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 92/104

Page 93: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 93/104

Izbor tipa optimizacije

Page 94: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 94/104

Optimizirani parametar (funkcija cilja)Kliknite na Select ... da bi vam se prikazala lista parametara koja sepotencijalno može optimizirati.Nakon odabira, pokreće se CATIA ažuriranje da bi vrijednost

optimiziranog parametra bila ažurirana.

Slobodni parametri (optimizacioni parametri)• Da bi se odredili slobodni parametri, kliknite na dugme Edit list

ž li

Page 95: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 95/104

• Da odredite granice za slobodan parametar, odaberite parametar kojem želite zadati granice,u listi Free Parameters , onda kliknite Edit ranges and step . Dijaloški okvir koji se prikazujetakođer dozvoljava da odredite korak.

Sada je moguće istovremeno vrednovati granice i korake raznih slobodnih parametara.• Odaberite 1 slobodni parametar i dodjelite mu granice i/ili korake• Odaberite nekoliko slobodnih parametara i klikni na Edit Ranges and step dugme. Prozor jepopunjen sa vrijednostima prvog selektovanog slobodnog parametra. Sve “All ... ” opcije suomogućene .

-Ukoliko se deselektuje jedna od “Apply this ... Selected parameters” nastale modifikacije naodgovarajućem opsegu i/ili koraku neće se uzeti u proračun selektovanih parametara.Tj l kt i t i će zadržati l tit ij d ti

Page 96: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 96/104

Dostupni tipovi algoritama

Tj. selektovani parametri će zadržati vlastite vrijednosti.- Ako je donja, gornja granica ili korak neselektovan optimizacija se vrši bez tih vrijednosti.

(zaustavni kriterij)

k k l l

Page 97: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 97/104

Zaustavni kriterij se koristi za zaustavljanje optimizacionog algoritma.Kada je pokrenuta optimizacija, okvir za poruke (message box) prikazuje podatke zasvako ažuriranje. Proračun se može zaustaviti klikom na Stop.

Ukoliko ne intervenišemo, proračun će se zaustaviti:- kada vrijednost (minimalna, maksimalna ili ciljna) se pronađe i algoritam je unemogućnosti da dalje napreduje (gradijentni) ili- kada se zadovolji jedan od zaustavnih kriterija.

Mogu se definisati sljedeći zaustavni kriteriji:

- maksimalni broj ažuriranja (Maximum number of updates) tj. najveći broj proračuna funkcije cilja- broj ažuriranja bez poboljšanja (Number of updates without improvement) tj.dozvoljeni broj ažuriranja bez postizanja boljeg rezultata.- maksimalno vrijeme trajanja proračuna

Algoritam simuliranog kaljenja funkcioniše dok se ne dostigne zaustavni kriterij.Gradijentni algoritam se zaustavlja ranije ako je postignut lokalni optimum.

Ako nije poznat oblik funkcije cilja, treba pokrenuti algoritam sa vrijednostima podifoltu. Po potrebi se algoritam uvijek može ponovo pokrenuti ukoliko se pokaže daproces zahtjeva više iteracija.

Prozor - ograničenja

Page 98: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 98/104

Formiranje ograničenja

Page 99: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 99/104

-ograničenje kreiramokoristeći dugme New.- ograničenja trebadefinisati jedno po jedno.

Jedini operatori koji semogu koristiti su:== (Simulated Annealing i

Algorithm for Constraintsand Derivates Providers) i

<, > (svi algoritmi)

Težinski faktori koji semogu dodjeliti svakomograničenju.

PROBLEMI NELINEARNOG PROGRAMIRANJA

Page 100: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 100/104

Page 101: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 101/104

Page 102: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 102/104

Page 103: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 103/104

Page 104: Optimiziacija - Skraćeno i

8/19/2019 Optimiziacija - Skraćeno i

http://slidepdf.com/reader/full/optimiziacija-skraceno-i 104/104