第八章 多学科设计优化.doc

第八章 多学科设计优化 §8.1 多学科设计优化的概述 8.1.1 多学科设计优化的产生和发展 飞机设计是一个复杂的系统工程，覆盖了多个学科的内容，例如空气动力学、结构学，推进理论，控制论等。对某一个学科领域，进行计算分析和优化设计，可以建立起数学模型和计算软件，对于复杂的工程系统，目前很难建立起统一的分析和优化的数学模型，只能是各子系统模型和计算软件的“总装配”，这种装配式的设计必将是低效耗时和昂贵的，它包含了大量的设计变量，性能状态变量，约束方程，各个系统模型相互交叉影响，各个设计目标对设计变量的要求相互矛盾，子系统的构成可能是由不同领域的专家甚至在不同地点来操作运行的。因此需要发展一种高效适合于像飞机这样的复杂工程系统设计优化的方法。多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization）技术就是解决由相互耦合的物理现象控制的，由若干不同的交互子系统构成的复杂工程系统设计的有效方法。多学科设计优化技术在提供变量、约束、性能间交互作用和耦合信息的基础上实现同时满足各学科和系统约束的设计，具有对各种设计方案迅速进行折衷分析的能力。多学科设计优化已成为研究的热点，是许多国际学术会议讨论的主题。它不仅仅是学术研究，已经用于工程实践，如在飞机改型设计中，以最小重量和成本代价对现有飞机实现改变设计要求，迅速计算出设计参数对性能的影响，有效控制寿命周期内的费用。 8.1.2 多学科设计优化的基本概念 多学科设计优化是一种解决大型复杂工程系统设计过程中耦合与权衡问题，同时对整个工程进行综合优化设计的有效方法。它利用计算机网络技术集成各个学科（子系统）的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程，充分利用子系统之间相互作用产生的协同效应，获得系统的整体最优解。通过并行设计缩短设计周期，多学科设计优化与现代制造技术中的并行工程思想是一致的，多学科设计优化技术有下列特点： 通过对整个系统的优化设计解决不同学科间权衡问题，给出整个系统的最优设计方案，提高设计质量。 通过直接或间接的数值计算方法解决各学科之间的耦合问题，容易获得各学科之间协调一致的设计，消除了过去依靠经验试凑迭代计算解决耦合问题。 通过系统分解使计算并行化成为可能，通过计算机网络将分散在不同地区和设计部门的计算模块和专家组织起来，实现并行设计，使系统的综合优化设计变得简单。 通过近似技术和可变复杂性模型的分析方法，减少系统分析次数，提高设计优化效率。 通过系统和各子系统数学模型的模块化以及它们之间有效的通讯及其组织形式，使各学科各计算模块之间数据传输量和所需附加操作尽可能少。 多学科设计优化方法主要分为两类：单级优化算法和多级优化算法，现分别加以介绍： 1． 单级优化算法：这种方法要求有一个集中的分析模块，该模块将各个学科分析连接起来，学科间通讯在系统分析模块内部进行，优化器与系统分析模块只有一个输入输出接口，这样在每一次优化迭代过程中，系统分析模块从优化器得到一个设计变量集合{X}，经过系统分析后返回每个约束ci和目标函数的值，这些值为优化器提供必须的决策依据，单级优化算法的原理图如图8.1所示： 图8.1 单级优化算法原理图 这种方法是在单一计算机平台上运行的单机模式，为了把多学科的内容融合到单一代码里，对各学科的模型必须进行近似和简化，用近似的计算方法来代替各学科间的耦合关系，不能很好地反映多学科的相互影响。每次优化迭代都需要进行一次完整的系统分析，因此获得最优解所需系统分析次数很多，工作量很大，不适合复杂工程系统的优化设计。 2．多级优化算法，目前多学科设计优化的多级优化方法主要有协同优化方法(Collaborative Optimization，简称CO)，和并行子空间优化算法（Concurrent Subspace Optimization,简称CSSO）。 协同优化算法：将复杂系统的优化设计问题分为两级：一个系统级和并行的多个学科级。系统级向各学科级分配系统级变量的目标值，各学科级在满足自身约束的条件下，其目标函数应使在本学科优化得到的系统级变量值与系统级分配下来的目标值的差距最小，经学科级优化后，各目标函数再传回给系统级，构成系统级的一致性约束以解决各学科间系统级变量的不一致性。由于协同优化独特的计算结构，一般情况下，要经过多次系统级优化才可能达到学科间的协调。协同优化算法结构与现有工程设计分工的组织形式相一致，各学科级优化代表了实际设计过程中的某一领域，具有模块化设计的特点。计算具有并行性,各学科的分析设计可同时进行，极大地缩短设计周期，各学科分析和优化在本学科范围内进行，不考虑其他学科的影响，各学科已有的分析设计软件很容易移植到学科级优化的框架内，继承性好。学科间的