多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化綜述

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化綜述第一頁，共51頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化形成動(dòng)因多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究?jī)?nèi)容多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化發(fā)展現(xiàn)狀多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化挑戰(zhàn)展望合轉(zhuǎn)承起CONTENT目錄錄續(xù)以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析第二頁，共51頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化形成動(dòng)因10第三頁，共51頁。液壓流體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)傳熱學(xué)計(jì)算流體力學(xué)熱力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)飛機(jī)的設(shè)計(jì)第四頁，共51頁。第五頁，共51頁。美國航空航天局美國航空航天學(xué)會(huì)NASA與AIAA第六頁，共51頁。Sobieszczanki-Sobieski美國國家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA）高級(jí)研究院、現(xiàn)任美國航空航天學(xué)會(huì)（AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics,AIAA）多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)委員會(huì)主席第七頁，共51頁。MultidisciplinaryDesignOptimization(MDO)isamethodologyforthedesignofcomplexengineeringsystemsandsubsystemsthatcoherentlyexploitsthesynergismofmutuallyinteractingphenomena——美國航空航天局蘭利(Langley)研究中心的多學(xué)科分支機(jī)構(gòu)對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化第八頁，共51頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的將設(shè)計(jì)過程系統(tǒng)化使性能特性設(shè)計(jì)的過程中貫穿專門特性的設(shè)計(jì)第九頁，共51頁。通過實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算和設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期通過充分利用各個(gè)學(xué)科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng),獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義231采用高精度的分析模型，提高設(shè)計(jì)結(jié)果的可信度第十頁，共51頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究?jī)?nèi)容20第十一頁，共51頁。MDO研究對(duì)象近似方法面向設(shè)計(jì)的分析系統(tǒng)分解技術(shù)數(shù)學(xué)建模計(jì)算框架求解策略優(yōu)化算法靈敏度第十二頁，共51頁。面向設(shè)計(jì)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(gè)代碼輸入/輸出最新計(jì)算結(jié)果一起歸檔，存入數(shù)據(jù)庫；當(dāng)改變某輸入而需要得到相應(yīng)輸出時(shí)，盡可能地利用數(shù)據(jù)相關(guān)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(yīng)的分析模塊，這樣就可以盡量減少計(jì)算量。第十三頁，共51頁。子系統(tǒng)2子系統(tǒng)1主系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性A計(jì)算量大B系統(tǒng)本身的復(fù)雜性造成對(duì)系統(tǒng)難以認(rèn)知和求解C復(fù)雜系統(tǒng)分解第十四頁，共51頁。01通用框架02針對(duì)某一特定MDO方法的計(jì)算框架03基于一種MDO方法針對(duì)某類特定優(yōu)化問題的計(jì)算框架MDO計(jì)算框架是指能實(shí)現(xiàn)MDO方法、包含硬件和軟件體系的計(jì)算環(huán)境，在這個(gè)計(jì)算環(huán)境中能夠集成和運(yùn)行各學(xué)科的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)各學(xué)科之間的通訊。計(jì)算框架第十五頁，共51頁。層次分解求解策略非層次分解LOREMIPSUMDOLOR第十六頁，共51頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化與傳統(tǒng)優(yōu)化比較項(xiàng)目傳統(tǒng)優(yōu)化多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)要求單一性能或多性能整體綜合性能，包括技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)性等優(yōu)化對(duì)象零部件的單方面產(chǎn)品全系統(tǒng)，包括零部件、整機(jī)、系列及組合產(chǎn)品研究重點(diǎn)算法及搜索策略產(chǎn)品建模、規(guī)劃、搜索策略和評(píng)價(jià)及決策的全過程優(yōu)化范圍參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)全過程，包括功能概念優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)合尋優(yōu)策略單機(jī)優(yōu)化，串行為主整體優(yōu)化，分層、分性能或分部件優(yōu)化，人機(jī)合作的交互優(yōu)化，多機(jī)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(shè)計(jì)全過程第十七頁，共51頁。MDO流程第十八頁，共51頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化發(fā)展現(xiàn)狀30第十九頁，共51頁。1991AIAA1994NASA1993ISSMO當(dāng)今各類研究機(jī)構(gòu)MDO研究機(jī)構(gòu)誕生19世紀(jì)90年代首次提出多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化第二十頁，共51頁。國家研究機(jī)構(gòu)研究對(duì)象與成果英國TheUniversityofSheffield使MDO應(yīng)用同現(xiàn)存工業(yè)結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)DurhamUniversity發(fā)展模仿骨骼生成來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的MDO方法UniversityofSouthampton在渦輪葉片和低振動(dòng)人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行MDO方法研究Synaps利用MDO改善飛行器機(jī)翼的形狀設(shè)計(jì)U.K.DefenceEvaluationandResearchAgency利用MDO進(jìn)行飛行器機(jī)翼和集體的綜合設(shè)計(jì)德國UniversitatSiegenMDO的研究應(yīng)用于亞毫米級(jí)望遠(yuǎn)鏡及鐵路運(yùn)輸工具UniversitatBraunschweigMDO應(yīng)用于裂縫及裂紋識(shí)別、質(zhì)量控制、結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)控等方面UniversitatStuttgart開發(fā)用于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的MDO軟件日本OsakaPrefectureUniversity卡車架脈沖分配器手柄MDO方法的應(yīng)用中國大連理工聲結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計(jì)優(yōu)化南京航空航天大學(xué)飛機(jī)總體多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的現(xiàn)狀與發(fā)展方向MDO的主要研究機(jī)構(gòu)及成果第二十一頁，共51頁。國家研究機(jī)構(gòu)研究對(duì)象與成果美國波音公司多目標(biāo)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?fù)鋬?yōu)化NortheasternUniversity開發(fā)可執(zhí)行程序和可視化方法以支持設(shè)計(jì)決策TheUniversityofArizona探討利用MDO進(jìn)行敏捷型復(fù)合機(jī)翼的設(shè)計(jì)方法，用于改善顫動(dòng)特性、氣流響應(yīng)和其他性能UniversityofFlorida應(yīng)用MDO開發(fā)支柱TheUniversityofIowa開發(fā)出MDO設(shè)計(jì)過程程序并融入機(jī)械多體動(dòng)力學(xué)ADAMS軟件TheuniversityatBuffalo研究產(chǎn)品及設(shè)計(jì)空間可視MDO方法，以支持設(shè)計(jì)決策TheUniversityofPennsylvania開發(fā)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的MDO方法，并用于微電子機(jī)械系統(tǒng)OhioUniversity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(shí)驗(yàn)室對(duì)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行并行優(yōu)化NASA-Langley實(shí)驗(yàn)室將MDO的基本知識(shí)應(yīng)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(dǎo)彈武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二十二頁，共51頁。FEM電子計(jì)算機(jī)MDO數(shù)學(xué)規(guī)劃法

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化發(fā)展現(xiàn)狀第二十三頁，共51頁。工程領(lǐng)域Diagram2Diagram2航空領(lǐng)域汽車領(lǐng)域海洋工程其它領(lǐng)域具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用現(xiàn)狀第二十四頁，共51頁。其它領(lǐng)域建筑工程新材料、新能源方面地下工程第二十五頁，共51頁。建筑工程：

斯坦福大學(xué)集成設(shè)施工程中心（CIFE）將多學(xué)科優(yōu)化的發(fā)展初次應(yīng)用在建筑工程（ArchitectureEngineeringConstruction(AEC)），并提出了未來的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究對(duì)設(shè)計(jì)者提出了更高的要求，即需要考慮包括結(jié)構(gòu)形態(tài)和撲拓學(xué)在內(nèi)的更廣泛的設(shè)計(jì)變量。并且提出了高性能計(jì)算（HPC）將MDO應(yīng)用到大型復(fù)雜的建筑工程領(lǐng)域中的重要作用。新材料、新能源方面：

由于近些年對(duì)新型材料的研究以及對(duì)新能源的大力開發(fā)，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)、風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力槳葉上的應(yīng)用也取得了一定的成果。地下工程：

地下工程（地下鐵道、地下停車場(chǎng)、道路隧道等）設(shè)計(jì)的多學(xué)科問題（巖體力學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等）第二十六頁，共51頁。起步階段概念性探索飛行器衛(wèi)星導(dǎo)彈魚雷纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)船舶水下潛艇國內(nèi)外

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用現(xiàn)狀中國隊(duì)國際隊(duì)建筑新能源地下工程海洋汽車第二十七頁，共51頁。國內(nèi)

國際

國內(nèi)外

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究現(xiàn)狀單一零散注重系統(tǒng)分解及其關(guān)系分析建模協(xié)調(diào)多目標(biāo)方法特殊優(yōu)化方法原理方法應(yīng)用及算法并形成有機(jī)整體開發(fā)商用軟件

第二十八頁，共51頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化挑戰(zhàn)展望40第二十九頁，共51頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化攔路虎第三十頁，共51頁。MDO發(fā)展計(jì)算復(fù)雜性問題規(guī)模非線性耦合多學(xué)科接口交換耦合信息信息交換復(fù)雜性第三十一頁，共51頁。MDO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(xué)科模型的建立學(xué)科的規(guī)劃與分解學(xué)科之間的耦合性質(zhì)分析合適的建模理論及可靠的建模工具減少學(xué)科之間相互迭代分析次數(shù)盡可能降低計(jì)算復(fù)雜性學(xué)科的劃分及學(xué)科之間關(guān)系的確定明確耦合因素的性質(zhì)第三十二頁，共51頁。01提高模型精度02高性能計(jì)算03MDO集成平臺(tái)04合理的優(yōu)化方法MDO發(fā)展展望第三十三頁，共51頁。以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析50第三十四頁，共51頁?；谟邢拊治龅那S多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

第三十五頁，共51頁。

曲軸作為內(nèi)燃機(jī)中最重要、載荷最大的零件之一，其設(shè)計(jì)的好壞不僅直接決定了內(nèi)燃機(jī)的整體尺寸和重量，而且在很大程度上也決定了內(nèi)燃機(jī)的可靠性和壽命。曲軸的設(shè)計(jì)往往涉及到熱力學(xué)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，多學(xué)科之間互相交叉耦合，具有明顯的多學(xué)科特點(diǎn)。

曲軸與連桿、活塞組成曲柄連桿機(jī)構(gòu)，從而將活塞連桿組傳來的氣體作用力轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)力矩并向外輸出動(dòng)力。對(duì)曲軸的分析不僅需要考慮缸內(nèi)氣體作用力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力的作用，同時(shí)對(duì)曲軸所受的連桿推力、主軸承支撐力、所受扭矩的影響也應(yīng)考慮在內(nèi)。以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析第三十六頁，共51頁。曲軸的有限元分析01曲軸的試驗(yàn)仿真02多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在曲軸上的實(shí)現(xiàn)03以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析第三十七頁，共51頁。曲軸的有限元分析01以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)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(jié)果第三十八頁，共51頁。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的一般流程可以描述為：首先需要確定優(yōu)化目標(biāo)，即根據(jù)實(shí)際情況我們要明確優(yōu)化什么，再根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)確定與目標(biāo)值相關(guān)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(xué)科，比如機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等；然后選取合適的試驗(yàn)方法，進(jìn)行敏度分析，求解所有參數(shù)響應(yīng)因子的顯著性，提高下一步多學(xué)科優(yōu)化的準(zhǔn)確度和計(jì)算效率，節(jié)約時(shí)間成本。同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析建立數(shù)學(xué)模型，選取合適的優(yōu)化方法和優(yōu)化算法，進(jìn)行求解，最終為產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)提供方向。

以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析第三十九頁，共51頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化流程圖

以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析第四十頁，共51頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在曲軸上的實(shí)現(xiàn)03以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析曲軸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立協(xié)同優(yōu)化算法Isight平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)優(yōu)化算法的選取和CO的改進(jìn)第四十一頁，共51頁。以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析曲軸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立1.目標(biāo)函數(shù)的確定

研究對(duì)象是曲軸在第二缸發(fā)火狀況下曲軸結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)曲軸最大應(yīng)力的影響，而曲軸的正常工作需要建立在滿足靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等條件下，因此在此工況下以最大應(yīng)力最小為目標(biāo)函數(shù)，第四十二頁，共51頁。以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析2.目標(biāo)變量的確定

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的方差分析，我們可以得出在試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)比較顯著的因子，最終取這些因子為目標(biāo)變量，由此得出，將影響本試驗(yàn)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(biāo)變量。第四十三頁，共51頁。以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析3.約束條件的確定

考慮到曲軸在實(shí)際工作狀態(tài)下變形的影響和曲軸的輕量化設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)曲軸質(zhì)量也進(jìn)行約束，最終可獲得曲軸優(yōu)化數(shù)學(xué)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）。第四十四頁，共51頁。以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析1.CO的設(shè)計(jì)思想和數(shù)學(xué)框架

由于協(xié)同優(yōu)化算法將設(shè)計(jì)優(yōu)化問題分為兩大塊，即一個(gè)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化問題和多個(gè)子學(xué)科之間的優(yōu)化問題。各個(gè)學(xué)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(xué)科級(jí)的目標(biāo)變量，然后將學(xué)科內(nèi)的目標(biāo)變量傳送給系統(tǒng)級(jí)，構(gòu)成系統(tǒng)級(jí)的一致性約束，從而解決學(xué)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)化算法第四十五頁，共51頁。以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析

在Isight中對(duì)協(xié)同優(yōu)化算法的應(yīng)用主要分為以下幾個(gè)步驟：1）確定系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化函數(shù)和各個(gè)子學(xué)科級(jí)優(yōu)化函數(shù)；2）選取合適的優(yōu)化算法，并對(duì)優(yōu)化過程中算法的控制進(jìn)行合理定義；3）對(duì)系統(tǒng)級(jí)和學(xué)科級(jí)之間的數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)行定義；4）優(yōu)化求解，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

首先是系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化函數(shù)，本文的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化函數(shù)由兩部分組成：一是優(yōu)化目標(biāo)，即以曲軸在第二缸發(fā)火狀況下曲軸的最大應(yīng)力最小為目標(biāo)，二是對(duì)子學(xué)科級(jí)傳遞給系統(tǒng)級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性約束，可表示為：Isight平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)第四十六頁，共51頁。以論文為基礎(chǔ)的應(yīng)用分析第四十七頁，共51頁。

結(jié)合曲軸優(yōu)化模型的系統(tǒng)級(jí)和子學(xué)科級(jí)的分配情況，考慮子學(xué)科與系統(tǒng)級(jí)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框架圖第四十八頁，共51頁。參考文獻(xiàn)[1]秦東晨,王麗霞,張珂等.大型機(jī)械結(jié)構(gòu)件的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)研究[J].機(jī)床與液壓,2004,(4):64-65,48.DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2004.04.024.[2]孔凡國,李鈺.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的比較研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),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(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究應(yīng)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(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用展望[J].起重運(yùn)輸機(jī)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(guān)于多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算框架的探討[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2004,23(3):286-289.DOI:10.3321/j.issn:1003-8728.2004.03.012.[7]WenYao,Xia