多學科設計優(yōu)化綜述

1、多學科設計優(yōu)化多學科設計優(yōu)化綜述綜述機械工程學院機械設計及理論季懿棟152331401機械工程學院機械設計及理論張苗苗1105050315多學科設計優(yōu)化形成動因多學科設計優(yōu)化研究內(nèi)容多學科設計優(yōu)化發(fā)展現(xiàn)狀多學科設計優(yōu)化挑戰(zhàn)展望合轉承起CONTENT目錄錄錄續(xù)以論文為基礎的應用分析多學科設計優(yōu)化形成動因10液壓流體力學結構力學傳熱學計算流體力學熱力學空氣動力學飛機的設計學科孤島傳熱學電磁學摩擦學熱力學流體力學結構力學動力學美國航空航天局美國航空航天學會NASA與AIAASobieszczanki-Sobieski美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space A

2、dministration ,NASA）高級研究院、現(xiàn)任美國航空航天學會（American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA）多學科設計優(yōu)化技術委員會主席Multidisciplinary Design Optimization(MDO)is a methodology for the design of complex engineering systems and subsystems thatcoherently exploits the synergism of mutually interacting phenomena美國

3、航空航天局蘭利(Langley)研究中心的多學科分支機構對多學科設計優(yōu)化1niidesigndisciplinaryMDO多學科設計優(yōu)化的目的將設計過程系統(tǒng)化使性能特性設計的過程中貫穿專門特性的設計通過實現(xiàn)并行計算和設計，縮短設計周期通過充分利用各個學科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應,獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解多學科設計優(yōu)化的意義231采用高精度的分析模型，提高設計結果的可信度多學科設計優(yōu)化研究內(nèi)容20MDO研究對象近似方法面向設計的分析系統(tǒng)分解技術數(shù)學建模計算框架求解策略優(yōu)化算法靈敏度面向設計的分析在MDO中，往往需要將通過輸入/輸出相互耦合模塊的代碼集中，并連同各個代碼輸入/輸出最新計算結果一起

4、歸檔，存入數(shù)據(jù)庫；當改變某輸入而需要得到相應輸出時，盡可能地利用數(shù)據(jù)相關信息通過邏輯推理確定哪些模塊收到影響，然后再執(zhí)行相應的分析模塊，這樣就可以盡量減少計算量。子系統(tǒng)2子系統(tǒng)1主系統(tǒng)主系統(tǒng)數(shù)學模型的復雜性A計算量大B系統(tǒng)本身的復雜性造成對系統(tǒng)難以認知和求解C復雜系復雜系統(tǒng)分解統(tǒng)分解01通用框架02針對某一特定MDO方法的計算框架03基于一種MDO方法針對某類特定優(yōu)化問題的計算框架MDO計算框架是指能實現(xiàn)MDO方法、包含硬件和軟件體系的計算環(huán)境，在這個計算環(huán)境中能夠集成和運行各學科的計算，實現(xiàn)各學科之間的通訊。計算框架層次分解層次分解非層次分解非層次分解LOREM IPSUM DOLOR LO

5、REM IPSUM DOLOR 主系統(tǒng)子系統(tǒng)1子系統(tǒng)1.1子系統(tǒng)1.2子系統(tǒng)2子系統(tǒng)2.1子系統(tǒng)1子系統(tǒng)3子系統(tǒng)5子系統(tǒng)4子系統(tǒng)2多學科設計優(yōu)化與傳統(tǒng)優(yōu)化比較多學科設計優(yōu)化與傳統(tǒng)優(yōu)化比較項目項目傳統(tǒng)優(yōu)化傳統(tǒng)優(yōu)化多學科綜合優(yōu)化多學科綜合優(yōu)化設計要求單一性能或多性能整體綜合性能，包括技術性、經(jīng)濟性、社會性等優(yōu)化對象零部件的單方面產(chǎn)品全系統(tǒng)，包括零部件、整機、系列及組合產(chǎn)品研究重點算法及搜索策略產(chǎn)品建模、規(guī)劃、搜索策略和評價及決策的全過程優(yōu)化范圍參數(shù)優(yōu)化設計全過程，包括功能概念優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化設計優(yōu)化算法數(shù)值優(yōu)化數(shù)值方法與非數(shù)值優(yōu)化、人類與人工智能相結合尋優(yōu)策略單機優(yōu)化，串行為主整體優(yōu)化，分層、分性能

6、或分部件優(yōu)化，人機合作的交互優(yōu)化，多機并行的協(xié)同優(yōu)化軟件系統(tǒng)以尋優(yōu)搜索為主支持優(yōu)化設計全過程MDOMDO流程流程多學科設計優(yōu)化發(fā)展現(xiàn)狀30美國48%英國16%德國10%日本7%中國, 3%其他16%全世界全世界MDO研究機構研究機構1991 AIAA1994 NASA1993 ISSMO當今 各類研究機構MDO研究機構誕生研究機構誕生19世紀90年代首次提出多學科設計優(yōu)化國家研究機構研究對象與成果英國The University of Sheffield使MDO應用同現(xiàn)存工業(yè)結構相協(xié)調Durham University發(fā)展模仿骨骼生成來進行結構的MDO方法University of South

7、ampton在渦輪葉片和低振動人造衛(wèi)星結構設計等方面進行MDO方法研究Synaps利用MDO改善飛行器機翼的形狀設計U. K. Defence Evaluation and Research Agency利用MDO進行飛行器機翼和集體的綜合設計德國Universitat SiegenMDO的研究應用于亞毫米級望遠鏡及鐵路運輸工具Universitat BraunschweigMDO應用于裂縫及裂紋識別、質量控制、結構可靠性監(jiān)控等方面Universitat Stuttgart開發(fā)用于自適應結構設計的MDO軟件日本Osaka Prefecture University卡車架脈沖分配器手柄MDO方法

8、的應用中國大連理工聲結構耦合設計優(yōu)化南京航空航天大學飛機總體多學科設計優(yōu)化的現(xiàn)狀與發(fā)展方向MDO的主要研究機構及成果國家研究機構研究對象與成果美國波音公司多目標MDO公理化方法Altair工程公司Optistruct軟件成功用于帶有制造工藝約束的拓撲優(yōu)化Northeastern University開發(fā)可執(zhí)行程序和可視化方法以支持設計決策The University of Arizona探討利用MDO進行敏捷型復合機翼的設計方法，用于改善顫動特性、氣流響應和其他性能University of Florida應用MDO開發(fā)支柱The University of Iowa開發(fā)出MDO設計過程程序并

9、融入機械多體動力學ADAMS軟件The university at Buffalo研究產(chǎn)品及設計空間可視MDO方法，以支持設計決策The University of Pennsylvania開發(fā)自適應機構拓撲優(yōu)化的MDO方法，并用于微電子機械系統(tǒng)Ohio University獲得能夠解決非連續(xù)性約束和大系統(tǒng)優(yōu)化問題的魯棒性算法專利Sandia 國家實驗室對存儲設計問題進行并行優(yōu)化NASA-Langley 實驗室將MDO的基本知識應用于工程問題空軍工業(yè)研究院及其智能中心開發(fā)GA算法用以從不完整信息反求導彈武器系統(tǒng)結構FEM電子計算機MDO數(shù)學規(guī)劃法 多學科設計優(yōu)化發(fā)展現(xiàn)狀多學科設計優(yōu)化發(fā)展現(xiàn)狀工

10、程領域工程領域Diagram 2Diagram 2航空領域航空領域汽車領域汽車領域海洋工程海洋工程其它領域其它領域具體表現(xiàn)在以下幾個方面：多學科設計優(yōu)化應用現(xiàn)狀多學科設計優(yōu)化應用現(xiàn)狀其它領域建筑工程新材料、新能源方面地下工程建筑工程建筑工程： 斯坦福大學集成設施工程中心（CIFE）將多學科優(yōu)化的發(fā)展初次應用在建筑工程（Architecture Engineering Construction (AEC)），并提出了未來的結構優(yōu)化研究對設計者提出了更高的要求，即需要考慮包括結構形態(tài)和撲拓學在內(nèi)的更廣泛的設計變量。并且提出了高性能計算（HPC）將 MDO 應用到大型復雜的建筑工程領域中的重要作用。

11、新材料、新能源方面新材料、新能源方面： 由于近些年對新型材料的研究以及對新能源的大力開發(fā)，多學科設計優(yōu)化在纖維復合結構、風電機組風力槳葉上的應用也取得了一定的成果。地下工程地下工程： 地下工程（地下鐵道、地下停車場、道路隧道等）設計的多學科問題（巖體力學、流體力學、結構力學等）起步階段概念性探索飛行器衛(wèi)星導彈魚雷纖維復合結構船舶水下潛艇國內(nèi)外國內(nèi)外多學科設計優(yōu)化應用現(xiàn)狀多學科設計優(yōu)化應用現(xiàn)狀中國隊國際隊建筑新能源地下工程海洋汽車國內(nèi) 國際 國內(nèi)外國內(nèi)外多學科設計優(yōu)化研究現(xiàn)狀多學科設計優(yōu)化研究現(xiàn)狀單一零散注重系統(tǒng)分解及其關系分析建模協(xié)調多目標方法特殊優(yōu)化方法原理方法應用及算法并形成有機整體開發(fā)商

12、用軟件 多學科設計優(yōu)化挑戰(zhàn)展望40多學科設計優(yōu)化攔路虎MDO發(fā)展計算復雜性問題規(guī)模非線性耦合多學科接口交換耦合信息信息交換復雜性MDOMDO研究急需解決的問題研究急需解決的問題有效的尋優(yōu)策略及整體收斂性分析產(chǎn)品多學科模型的建立學科的規(guī)劃與分解學科之間的耦合性質分析合適的建模理論及可靠的建模工具減少學科之間相互迭代分析次數(shù)盡可能降低計算復雜性學科的劃分及學科之間關系的確定明確耦合因素的性質0101提高模型精度0202高性能計算0303MDO 集成平臺0404合理的優(yōu)化方法MDOMDO發(fā)展展望發(fā)展展望以論文為基礎的應用分析50 曲軸作為內(nèi)燃機中最重要、載荷最大的零件之一，其設計的好壞不僅直接決定了

13、內(nèi)燃機的整體尺寸和重量，而且在很大程度上也決定了內(nèi)燃機的可靠性和壽命。曲軸的設計往往涉及到熱力學、系統(tǒng)動力學、流體力學等多個學科，多學科之間互相交叉耦合，具有明顯的多學科特點。 曲軸與連桿、活塞組成曲柄連桿機構，從而將活塞連桿組傳來的氣體作用力轉化為曲軸的旋轉力矩并向外輸出動力。對曲軸的分析不僅需要考慮缸內(nèi)氣體作用力、往復慣性力和旋轉慣性力的作用，同時對曲軸所受的連桿推力、主軸承支撐力、所受扭矩的影響也應考慮在內(nèi)。以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析曲軸的有限元分析01曲軸的試驗仿真02多學科設計優(yōu)化在曲軸上的實現(xiàn)03以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析曲軸的有限元分析01以論

14、文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析曲軸整體模型的建立曲軸有限元模型的建立邊界條件處理曲軸有限元分析結果 多學科設計優(yōu)化的一般流程可以描述為：首先需要確定優(yōu)化目標，即根據(jù)實際情況我們要明確優(yōu)化什么，再根據(jù)優(yōu)化目標確定與目標值相關的約束條件，建立約束函數(shù)，在約束條件中，可能涉及到多種學科，比如機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等；然后選取合適的試驗方法，進行敏度分析，求解所有參數(shù)響應因子的顯著性，提高下一步多學科優(yōu)化的準確度和計算效率，節(jié)約時間成本。同時對數(shù)據(jù)進行回歸分析建立數(shù)學模型，選取合適的優(yōu)化方法和優(yōu)化算法，進行求解，最終為產(chǎn)品的可靠性設計提供方向。 以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用

15、分析多學科設計優(yōu)化流程圖 以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析多學科設計優(yōu)化在曲軸上的實現(xiàn)03以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析曲軸優(yōu)化數(shù)學模型的建立協(xié)同優(yōu)化算法Isight 平臺及實現(xiàn)優(yōu)化算法的選取和 CO 的改進以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析曲軸優(yōu)化數(shù)學模型的建立曲軸優(yōu)化數(shù)學模型的建立1.目標函數(shù)的確定 研究對象是曲軸在第二缸發(fā)火狀況下曲軸結構參數(shù)對曲軸最大應力的影響，而曲軸的正常工作需要建立在滿足靜強度、疲勞強度等條件下，因此在此工況下以最大應力最小為目標函數(shù)，以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析2.目標變量的確定 對試驗結果的方差分析，我們可以得

16、出在試驗設計過程中，對試驗結果表現(xiàn)比較顯著的因子，最終取這些因子為目標變量，由此得出，將影響本試驗的顯著因子即連桿軸頸直徑1D 和連桿軸頸過渡圓角半徑1R 取為目標變量。以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析3.約束條件的確定 考慮到曲軸在實際工作狀態(tài)下變形的影響和曲軸的輕量化設計要求，以曲軸在此工況下變形量不大于原工況下變形量為條件約束，同時對曲軸質量也進行約束，最終可獲得曲軸優(yōu)化數(shù)學模型： 式中：1D 為連桿軸頸直徑，單位為毫米（mm）； 1R 為連桿軸頸過渡圓角半徑，單位為毫米（mm）。 以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析1.CO 的設計思想和數(shù)學框架 由于協(xié)同優(yōu)化算法將

17、設計優(yōu)化問題分為兩大塊，即一個系統(tǒng)級優(yōu)化問題和多個子學科之間的優(yōu)化問題。各個學科之間只需要滿足自己的約束條件，在一定的優(yōu)化算法下尋優(yōu)本學科級的目標變量，然后將學科內(nèi)的目標變量傳送給系統(tǒng)級，構成系統(tǒng)級的一致性約束，從而解決學科間系統(tǒng)變量不一致性的問題。算法框架如圖 協(xié)同優(yōu)化算法框架圖協(xié)同優(yōu)化算法協(xié)同優(yōu)化算法以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析 在 Isight 中對協(xié)同優(yōu)化算法的應用主要分為以下幾個步驟： 1）確定系統(tǒng)級優(yōu)化函數(shù)和各個子學科級優(yōu)化函數(shù)； 2）選取合適的優(yōu)化算法，并對優(yōu)化過程中算法的控制進行合理定義； 3）對系統(tǒng)級和學科級之間的數(shù)據(jù)傳遞進行定義； 4）優(yōu)化求解，進行數(shù)據(jù)分析

18、。 首先是系統(tǒng)級優(yōu)化函數(shù)，本文的系統(tǒng)級優(yōu)化函數(shù)由兩部分組成：一是優(yōu)化目標，即以曲軸在第二缸發(fā)火狀況下曲軸的最大應力最小為目標，二是對子學科級傳遞給系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)進行一致性約束，可表示為：Isight 平臺及實現(xiàn)平臺及實現(xiàn)以論文為基礎的應用分析以論文為基礎的應用分析 結合曲軸優(yōu)化模型的系統(tǒng)級和子學科級的分配情況，考慮子學科與系統(tǒng)級之間的數(shù)據(jù)傳遞，得到曲軸優(yōu)化模型的 CO 框架如圖 曲軸優(yōu)化模型的 CO 框架圖參考文獻參考文獻1秦東晨,王麗霞,張珂等.大型機械結構件的多學科設計優(yōu)化(MDO)研究J.機床與液壓,2004,(4):64-65,48.DOI:10.3969/j.issn.1001-388

19、1.2004.04.024. 2孔凡國,李鈺.多學科設計優(yōu)化方法與傳統(tǒng)設計優(yōu)化方法的比較研究J.計算機工程與科學,2008,30(7):136-138.DOI:10.3969/j.issn.1007-130X.2008.07.039. 3陳余軍,周志成,曲廣吉等.多學科設計優(yōu)化技術在衛(wèi)星設計中的應用J.航天器工程,2013,22(3):16-24.DOI:10.3969/j.issn.1673-8748.2013.03.003. 4趙敏,崔維成.多學科設計優(yōu)化研究應用現(xiàn)狀綜述J.中國造船,2007,48(3):63-72.DOI:10.3969/j.issn.1000-4882.2007.03.009. 5聶勇軍,廖啟征.多學科優(yōu)化設計在工程機械產(chǎn)品開發(fā)中的應用展望J.起重運輸機械,2011,(8):8-11.DOI:10.3969/j.issn.1001-0785.2011.08.003. 6余雄慶,姚衛(wèi)星,薛飛等.關于多學科設計優(yōu)化計算框架的探討J.機械科學與技術,2004,23(3):286-289.DOI:10.3321/j.issn:1003-8728.2004.03.012. 7Wen Yao,Xi