基于dakota的多学科优化计算平台的构建与应用

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1、基于DAKOTA的多学科优化计算平台的构建与应用第一章绪论1.1多学科优化设计的研究领域现代产品（例如汽车、飞机、发动机等）的设计参数众多、运行环境日趋复杂、性能指标之间也可能存在着互相约束，这就需要设计人员站在系统工程的角度，快速高效地探索设计空间、分析参数是否敏感、寻找可能的优化解。所以，当今世界的设计人员使用了越来越多的不同功能、不同学科的辅助软件来设计和模拟优化他们的产品。在整个设计优化流程中，各个软件之间有相当复杂的通信，往往一个软件的输出会被不只一个的其他软件作为输入使用，这就需要所有软件工具的协同配合。由于不同软件之间没有一个直接易用的接口，工程师们需

2、要经过繁琐的手工处理，这会大大的降低效率，延缓产品开发以及增加出错的概率。多学科设计优化（MDO）最早出现于20世纪80年代美国航空航天工业界，目前己经发展成为美国等发达国家工业设计界的一个崭新的研究领域，并且引起了企业、研究学者以及学术界的极大关注，其研究的领域包括以下几个方面[1~5]：1)多学科设计优化方法多学科设计优化方法是指能够分解优化问题、协调设计进程、综合设计结果的方法。2)面向设计的分析模型这一模型主要包括响应面方法、敏感度分析方法、人工神经网络方法等。它的主要目标就是充分利用高精度分析模型，并且使其在整个优化的过程中计算量达到最小化。3)多学科优化

3、平台这个计算环境能够实现不同学科之间的计算、设计的集成和运行并完成各学科优化结果的综合评价。.1.2多学科优化设计计算平台简介MDO计算平台按处理问题的通用性可以分为三个层次[6]：首先是只能集成具体算法的计算平台，这种计算平台的适应范围很窄，如果该算法对解空间的分布依赖性较大，则往往会失效；第二种是针对具体领域的计算平台，它比针对具体算法的平台通用性稍广，适合某具体领域下的问题求解，如果扩展至新的领域，则可能会因为使用的软件不同而失效。最后一种是通用MDO计算平台，理想状态下它适合求解所有的工程多学科问题。但是，通用的多学科计算平台也不是完美的，往往在运行效率、求

4、解精度、稳健性方面还存在着缺陷，以至于前两种非通用计算平台仍然有它的生存空间。由于多学科优化计算平台的重要性，越来越多的国内外研究人员对它进行了研究与开发，取得了显著的成绩。目前国外有许多政府和企业的研究中心致力于多学科优化软件平台的开发，取得了不少成绩。1998年，Yu[7]突破传统多学科优化方法，提出了一种新的多学科优化平台，解决了并行子空间设计问题，大大提高了设计效率。2000年，Sues[8]提出了一种名叫ProFES/MDO的多学科优化平台，该平台具有很多实用的算法，并且支持代理模型。2003年，Isaacs[9]提出了一种分布式的通用多学科优化平台，并分

5、析了通用多学科优化平台必须具有的一些功能特点和模块。2006年，在第11届多学科分析优化国际会议上，Padula[10]对多学科优化平台技术的发展历史做了一个详细的回顾和分析，提出了一个优秀的多学科优化平台需要的四个特性：Modularity（模块性）、DataHandling（数据处理）、ParallelProcessing（并行处理）、UserInterface（用户接口）。2007年，Tedford[4]提出了一种新的多学科优化平台，它利用Python集成了Fortran、C、C++语言，实现了多种软件库的集成，非常具有借鉴意义。Poles[11]在2008年

6、做了关于多目标优化软件平台的一些工作，他指出，多目标优化软件需要提供的主要功能包括：友好的用户界面、丰富的算法库、方便美观的可视化模块及后处理和辅助设计模块等。第二章多学科优化平台总体设计2.1多学科优化平台需求分析MDO表达方式主要有两种方法，基于并行分析的单级优化方法和基于并行设计的多级优化方法。用户通过人机界面应该比较容易地实现这些多学科优化方法的表达方式和数据流程，方便地分别定义系统级和子系统的目标函数、设计变量和约束函数，以及系统级和子系统之间所需交换的数据。由于多学科优化平台涉及的问题非常的复杂，需要用到多种求解软件或工具，对于经验不够丰富的人员来说，界

7、面是否易用是能否让他们顺利完成相关设计的重要条件。具体针对多学科优化平台，需要给用户提供一个清晰的设计流程界面，能够实现通过一些直观的操作（例如按钮拖拽、控件连接）就能完成优化流程设计、优化迭代等过程。此外，界面设计需要考虑到一些特殊或极端情况，需要对异常进行提示和相关备份储存操作，以防止软件的意外退出或停止。多学科优化的问题复杂，往往耗时很大，这也是制约多学科优化技术发展与推广应用的一个问题。计算时间的优化可以通过并行处理、分布式云计算能力、算法优化、软硬件优化等方面来提升。2.2多学科优化平台总体架构及组成根据上章对多学科优化平台的需求、性能、界面设计方面的