前言

制造业是国民经济的支柱产业，是整个工业及国民经济的基石，是国家创造力、竞争力、综合国力和科技水平的重要体现。同时，以大型装备为代表的现代机械产品制造业不仅为现代工业社会提供物质基础，为信息与知识社会提供先进装备和技术平台，也是国家安全的基础。当前，随着计算机技术、信息技术、自动化技术、互联网技术、人工智能等相关技术的发展及应用，现代机械产品的复杂性日益增强，其设计开发过程向着智能化、专业化、快速化、集成化、并行化等方向发展，相应地衍生出智能设计、优化设计、可靠性设计、稳健性设计、虚拟设计及协同设计等先进设计方法。

随着各学科理论和计算机仿真技术的不断发展，现代机械产品的研发通常采用基于仿真的设计优化，但在很多情况下，产品涉及多个不同学科领域，而且各学科的仿真模型可能非常复杂，要获得理想的优化结果需要各学科分析模型之间多次迭代才能完成，计算时间的大量耗费往往令人无法接受。同时，制造业的主要竞争目标是缩短产品设计和制造的周期，最终达到降低产品开发成本的目的。因此，计算复杂性是复杂产品研发中面临的一个重要问题。

当前机械产品设计理论发展中，无论是对于设计周期及开发成本的要求，还是设计与计算效率的要求，都有必要投入大量的研究精力去发展能有效减少实际结构试验或复杂计算机仿真分析的实用结构设计方法，而代理模型技术就是解决以上问题的有效途径，并逐渐得到重视与发展，在国内外已经成为产品设计优化领域的一个研究热点。所谓代理模型技术，是指在不降低精度情况下采用少数样本点构建一个简单的数学模型。该模型的计算结果与仿真分析模型结果很接近，在解决优化问题时用该简单数学模型替代复杂的仿真模型，优化迭代过程中可以不断更新模型，提高代理模型的精度，代理模型实际就是“模型的模型”。代理模型计算量小，计算周期短，能够大幅提高设计优化计算的效率。因此，将代理模型技术应用到机械产品的设计优化具有重要意义。

本书的主要目的是将代理模型技术用于解决复杂机械产品设计优化问题，为工程设计人员提供参考。全书共六章，第一章主要分析代理模型技术及现代复杂机械产品的设计优化方法。第二章主要阐述代理模型技术基本原理和试验设计的基本理论，分析了它们各自的优缺点和适用场合，供工程设计人员参考。第三章将代理模型技术应用于产品多目标优化问题，提出了基于支持向量机和遗传算法的优化方法、基于支持向量机和粒子群算法的优化方法和基于支持向量机和改进遗传算法的优化方法、基于改进量子粒子群算法的Kriging代理模型优化方法；详细阐述了这些方法的算法流程，以工程多目标优化问题实例，验证了它们的有效性和可行性。第四章将代理模型技术应用于产品可靠性优化问题，建立了可靠性分析的极限状态方程，并利用改进的一次二阶矩方法分析了可靠性及其对设计参数的灵敏度，提出了基于Markov Chain改进的重样抽样的Monte Carlo方法来验证改进一次二阶矩方法分析可靠性的正确性；并以变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的可靠性优化实例验证了它们的有效性和可行性。第五章将代理模型技术应用于产品稳健优化问题，研究了不确定因素对产品质量特性的影响机理，提出了多目标稳健优化的数学模型；提出了基于支持向量回归机代理模型的稳健优化方法和基于Kriging代理模型的可靠性稳健优化方法，并详细阐述该算法流程；以典型产品结构优化问题对所提出方法进行验证，比较研究了不同代理模型在逼近具有不确定因素的优化模型时的性能。第六章将代理模型技术应用于产品多学科优化问题，介绍了五种代表性的多学科设计优化方法，并分析了各自的优缺点；提出了基于支持向量回归机代理模型的多学科协同优化方法和基于协同近似的多学科设计优化方法，建立了该算法的数学模型，并详细阐述了算法流程。以典型的耦合优化问题算例对SVR-CO方法进行验证，比较研究了SVR-CO方法、标准CO与MDF方法的优化效果，验证了该方法的有效性。

最后，衷心希望每一位阅读本书的工程师、教师、学生都能够有所收获，拥有一个美好灿烂的明天。作者水平有限，不足之处请多多包涵。

向国齐张祺
2024年4月