多学科设计优化综述

多学科设计优化综述机械工程学院机械设计及理论季懿栋152331401机械工程学院机械设计及理论张苗苗1105050315多学科设计优化形成动因多学科设计优化研究内容多学科设计优化发展现状多学科设计优化挑战展望合转承起CONTENT目录录续以论文为基础的应用分析多学科设计优化形成动因10液压流体力学结构力学传热学计算流体力学热力学空气动力学飞机的设计学科孤岛传热学电磁学摩擦学热力学流体力学结构力学动力学美国航空航天局美国航空航天学会NASA与AIAASobieszczanki-Sobieski美国国家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA）高级研究院、现任美国航空航天学会（AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics,AIAA）多学科设计优化技术委员会主席MultidisciplinaryDesignOptimization(MDO)isamethodologyforthedesignofcomplexengineeringsystemsandsubsystemsthatcoherentlyexploitsthesynergismofmutuallyinteractingphenomena——美国航空航天局兰利(Langley)研究中心的多学科分支机构对多学科设计优化1niidesigndisciplinaryMDO将设计过程系统化使性能特性设计的过程中贯穿专门特性的设计通过实现并行计算和设计，缩短设计周期通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应,获得系统的整体最优解多学科设计优化的意义231采用高精度的分析模型，提高设计结果的可信度多学科设计优化研究内容20MDO研究对象近似方法面向设计的分析系统分解技术数学建模计算框架求解策略优化算法灵敏度面向设计的分析在MDO中，往往需要将通过输入/输出相互耦合模块的代码集中，并连同各个代码输入/输出最新计算结果一起归档，存入数据库；当改变某输入而需要得到相应输出时，尽可能地利用数据相关信息通过逻辑推理确定哪些模块收到影响，然后再执行相应的分析模块，这样就可以尽量减少计算量。子系统2子系统1主系统数学模型的复杂性A计算量大B系统本身的复杂性造成对系统难以认知和求解C复杂系统分解010203MDO计算框架是指能实现MDO方法、包含硬件和软件体系的计算环境，在这个计算环境中能够集成和运行各学科的计算，实现各学科之间的通讯。计算框架层次分解求解策略非层次分解LOREMIPSUMDOLOR主系统子系统1子系统1.1子系统1.2子系统2子系统2.1子系统1子系统3子系统5子系统4子系统2多学科设计优化与传统优化比较项目传统优化多学科综合优化设计要求单一性能或多性能整体综合性能，包括技术性、经济性、社会性等优化对象零部件的单方面产品全系统，包括零部件、整机、系列及组合产品研究重点算法及搜索策略产品建模、规划、搜索策略和评价及决策的全过程优化范围参数优化设计全过程，包括功能概念优化与参数优化设计优化算法数值优化数值方法与非数值优化、人类与人工智能相结合寻优策略单机优化，串行为主整体优化，分层、分性能或分部件优化，人机合作的交互优化，多机并行的协同优化软件系统以寻优搜索为主支持优化设计全过程MDO流程多学科设计优化发展现状30美国48%英国16%德国10%日本7%中国3%其他16%全世界MDO研究机构1991AIAA1994NASA1993ISSMO当今各类研究机构MDO研究机构诞生19世纪90年代首次提出多学科设计优化国家研究机构研究对象与成果英国TheUniversityofSheffield使MDO应用同现存工业结构相协调DurhamUniversity发展模仿骨骼生成来进行结构的MDO方法UniversityofSouthampton在涡轮叶片和低振动人造卫星结构设计等方面进行MDO方法研究Synaps利用MDO改善飞行器机翼的形状设计U.K.DefenceEvaluationandResearchAgency利用MDO进行飞行器机翼和集体的综合设计德国UniversitatSiegenMDO的研究应用于亚毫米级望远镜及铁路运输工具UniversitatBraunschweigMDO应用于裂缝及裂纹识别、质量控制、结构可靠性监控等方面UniversitatStuttgart开发用于自适应结构设计的MDO软件日本OsakaPrefectureUniversity卡车架脉冲分配器手柄MDO方法的应用中国大连理工声结构耦合设计优化南京航空航天大学飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向MDO的主要研究机构及成果国家研究机构研究对象与成果美国波音公司多目标MDO公理化方法Altair工程公司Optistruct软件成功用于带有制造工艺约束的拓扑优化NortheasternUniversity开发可执行程序和可视化方法以支持设计决策TheUniversityofArizona探讨利用MDO进行敏捷型复合机翼的设计方法，用于改善颤动特性、气流响应和其他性能UniversityofFlorida应用MDO开发支柱TheUniversityofIowa开发出MDO设计过程程序并融入机械多体动力学ADAMS软件TheuniversityatBuffalo研究产品及设计空间可视MDO方法，以支持设计决策TheUniversityofPennsylvania开发自适应机构拓扑优化的MDO方法，并用于微电子机械系统OhioUniversity获得能够解决非连续性约束和大系统优化问题的鲁棒性算法专利Sandia国家实验室对存储设计问题进行并行优化NASA-Langley实验室将MDO的基本知识应用于工程问题空军工业研究院及其智能中心开发GA算法用以从不完整信息反求导弹武器系统结构FEM电子计算机MDO数学规划法多学科设计优化发展现状工程领域Diagram2Diagram2航空领域汽车领域海洋工程其它领域具体表现在以下几个方面：多学科设计优化应用现状其它领域建筑工程新材料、新能源方面地下工程建筑工程：斯坦福大学集成设施工程中心（CIFE）将多学科优化的发展初次应用在建筑工程（ArchitectureEngineeringConstruction(AEC)），并提出了未来的结构优化研究对设计者提出了更高的要求，即需要考虑包括结构形态和扑拓学在内的更广泛的设计变量。并且提出了高性能计算（HPC）将MDO应用到大型复杂的建筑工程领域中的重要作用。新材料、新能源方面：由于近些年对新型材料的研究以及对新能源的大力开发，多学科设计优化在纤维复合结构、风电机组风力桨叶上的应用也取得了一定的成果。地下工程：地下工程（地下铁道、地下停车场、道路隧道等）设计的多学科问题（岩体力学、流体力学、结构力学等）起步阶段概念性探索飞行器卫星导弹鱼雷纤维复合结构船舶水下潜艇国内外多学科设计优化应用现状中国队国际队建筑新能源地下工程海洋汽车国内国际国内外多学科设计优化研究现状单一零散注重系统分解及其关系分析建模协调多目标方法特殊优化方法原理方法应用及算法并形成有机整体开发商用软件多学科设计优化挑战展望40多学科设计优化拦路虎MDO发展问题规模非线性耦合多学科接口交换耦合信息MDO研究急需解决的问题有效的寻优策略及整体收敛性分析产品多学科模型的建立学科的规划与分解学科之间的耦合性质分析合适的建模理论及可靠的建模工具减少学科之间相互迭代分析次数尽可能降低计算复杂性学科的划分及学科之间关系的确定明确耦合因素的性质MDO发展展望以论文为基础的应用分析50曲轴作为内燃机中最重要、载荷最大的零件之一，其设计的好坏不仅直接决定了内燃机的整体尺寸和重量，而且在很大程度上也决定了内燃机的可靠性和寿命。曲轴的设计往往涉及到热力学、系统动力学、流体力学等多个学科，多学科之间互相交叉耦合，具有明显的多学科特点。曲轴与连杆、活塞组成曲柄连杆机构，从而将活塞连杆组传来的气体作用力转化为曲轴的旋转力矩并向外输出动力。对曲轴的分析不仅需要考虑缸内气体作用力、往复惯性力和旋转惯性力的作用，同时对曲轴所受的连杆推力、主轴承支撑力、所受扭矩的影响也应考虑在内。以论文为基础的应用分析曲轴的有限元分析01曲轴的试验仿真02多学科设计优化在曲轴上的实现03以论文为基础的应用分析曲轴的有限元分析01以论文为基础的应用分析曲轴整体模型的建立曲轴有限元模型的建立边界条件处理曲轴有限元分析结果多学科设计优化的一般流程可以描述为：首先需要确定优化目标，即根据实际情况我们要明确优化什么，再根据优化目标确定与目标值相关的约束条件，建立约束函数，在约束条件中，可能涉及到多种学科，比如机械系统、液压系统、电控系统等；然后选取合适的试验方法，进行敏度分析，求解所有参数响应因子的显著性，提高下一步多学科优化的准确度和计算效率，节约时间成本。同时对数据进行回归分析建立数学模型，选取合适的优化方法和优化算法，进行求解，最终为产品的可靠性设计提供方向。以论文为基础的应用分析多学科设计优化流程图以论文为基础的应用分析多学科设计优化在曲轴上的实现03以论文为基础的应用分析曲轴优化数学模型的建立协同优化算法Isight平台及实现优化算法的选取和CO的改进以论文为基础的应用分析曲轴优化数学模型的建立1.目标函数的确定研究对象是曲轴在第二缸发火状况下曲轴结构参数对曲轴最大应力的影响，而曲轴的正常工作需要建立在满足静强度、疲劳强度等条件下，因此在此工况下以最大应力最小为目标函数，以论文为基础的应用分析2.目标变量的确定对试验结果的方差分析，我们可以得出在试验设计过程中，对试验结果表现比较显著的因子，最终取这些因子为目标变量，由此得出，将影响本试验的显著因子即连杆轴颈直径1D和连杆轴颈过渡圆角半径1R取为目标变量。以论文为基础的应用分析3.约束条件的确定考虑到曲轴在实际工作状态下变形的影响和曲轴的轻量化设计要求，以曲轴在此工况下变形量不大于原工况下变形量为条件约束，同时对曲轴质量也进行约束，最终可获得曲轴优化数学模型：式中：1D为连杆轴颈直径，单位为毫米（mm）；1R为连杆轴颈过渡圆角半径，单位为毫米（mm）。以论文为基础的应用分析1.CO的设计思想和数学框架由于协同优化算法将设计优化问题分为两大块，即一个系统级优化问题和多个子学科之间的优化问题。各个学科之间只需要满足自己的约束条件，在一定的优化算法下寻优本学科级的目标变量，然后将学科内的目标变量传送给系统级，构成系统级的一致性约束，从而解决学科间系统变量不一致性的问题。算法框架如图协同优化算法框架图协同优化算法以论文为基础的应用分析在Isight中对协同优化算法的应用主要分为以下几个步骤：1）确定系统级优化函数和各个子学科级优化函数；2）选取合适的优化算法，并对优化过程中算法的控制进行合理定义；3）对系统级和学科级之间的数据传递进行定义；4）优化求解，进行数据分析。首先是系统级优化函数，本文的系统级优化函数由两部分组成：一是优化目标，即以曲轴在第二缸发火状况下曲轴的最大应力最小为目标，二是对子学科级传递给系统级的数据进行一致性约束，可表示为：Isight平台及实现以论文为基础的应用分析结合曲轴优化模型的系统级和子学科级的分配情况，考虑子学科与系统级之间的数据传递，得到曲轴优化模型的CO框架如图曲轴优化模型的CO框架图参考文献[1]秦东晨,王丽霞,张珂等.大型机械结构件的多学科设计优化(MDO)研究[J].机床与液压,2004,(4):64-65,48.DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2004.04.024.[2]孔凡国,李钰.多学科设计优化方法与传统设计优化方法的比较研究[J].计算机工程与科学,2008,30(7):136-138.DOI:10.3969/j.issn.1007-130X.2008.07.039.[3]陈余军,周志成,曲广吉等.多学科设计优化技术在卫星设计中的应用[J].航天器工程,2013,22(