基于粒子群优化的协同优化方法-研究

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1、华中科技大学硕士学位论文确处理各个学科或分系统之间的复杂关系，建立起统一的分析和优化数学模型，致使设计人员很难有效的对其进行优化设计。此外，虽然优化算法从理论上能够解决有限维问题，但不同类型问题的综合（如不同函数形态，不同变量类型等等组合）使得许多算法无能为力或者效率低下。虽然可以靠简化学科模型，采用近似估算公式来解决问题，但却不能很好地反映多个学科间的相互影响，而且还影响学科分析精度。而仅仅将各学科精确分析模型和计算软件进行统一叠加或集成，这种装配式的设计必将导致低效耗时和高昂的设计费用，而且最后也有可能达不到整体性的最优。况且各个学科模型相互交叉影

2、响，各个设计目标对设计变量的要求相互矛盾，随着学科数量增加和学科复杂程度的加深，将会导致系统计算量呈级数增长。因此，除了发展可靠的优化算法之外，还需要清楚复杂工程产品所包括的不同因素及这些因素之间的相互关系，进而寻求解决问题的途径。因此，得到产品整体优化结果的困难不在于优化算法本身，而是需要有新的优化理论和方法，即需要发展一种高效的适合于飞行器或汽车系统等涉及到多学科复杂工程系统优化设计的方法。其次，从设计方法学角度来考察。传统的设计一般都是串行的开发模式，很容易造成耗费高、效率低、鲁棒性差等多方面的计算困难。随着市场对产品的要求不断的上升，对产品的设

3、计技术要求越来越精确。人们通过不断进行探索和改进，推动设计方法和制造技术的不断发展，发展了可具有并行特点的集成开发策略，如CIMS（计算机辅助集成制造系统）、并行工程（Concurrent，CE）和虚拟设计等。特别是在当今优化技术在面临新的设计策略和途径时，以及计算机网络技术日益发展时，信息之间的共享技术更为设计者相互的协同设计提供了可能，可以更加的充分发挥专业设计者的创意思想。因此对于设计方法也要做出相应的变革才能满足复杂的工程设计需求，才能提高设计的柔性、灵活性和自动化水平，适应知识经济条件下的复杂产品创新设计的要求。即在信息技术不断发展的今天，设

4、计方法也应该借助于新技术的发展不断的向前推进，为新型更加高端更加精密的复杂工程设计提供更加科学的设计方法。多学科设计优化方法（MultidisciplinaryDesignOptimization，简称MDO）正是在这种驱动力的驱动下产生的。多学科设计优化诞生于20世纪80年代，是从航空航天设计领域率先发展起来的一门新兴学科，现今已经形成了一个独立的研究领域。多学科设计优化就是借鉴并行协同设计学和集成制造技术的思想而提出的，主要思想就是在复杂产品设计的整个过程中，各个子学科（子系统）充分利用现有的计算优化技术求得自身学科的最优设计，然后通过分布式计算机

5、网络技术来集成各个学科的知识及分析和求解工具，并应用有效的设计优化策略，组织和管理整个优化设计的过程。通过协调各个子学科之间的相互耦合参数，使得整体达到系统的最优。也就是说，多学科设计优化是一2华中科技大学硕士学位论文门方法学，它用来设计具有耦合相互作用的复杂工程系统和子系统，探索它们之间的协同工作机理，是一种充分探索和利用系统中相互作用的协同机制来设计复杂工程系统和子系统的方法论。引用美国航天航空学会（AIAA）多学科设计优化技术委员会（MDO-TC）给出的两个新定义：1.复杂工程系统多学科设计优化的最优设计，需要解决学科（子系统）之间耦合作用的分析

6、，并充分利用耦合作用所产生的协同机制进行设计。2.多学科设计优化就是决定改变什么，在何种程度上改变，和学科（子系统）之间如何相互影响的设计方法。从MDO的基本思想与宗旨不难看出，进行多学科综合优化设计的必要性主要表现在如下两个方面：（1）复杂性。工程设计所包含的内容日趋复杂。例如，机械产品从结构空间上讲，包含有系列、整机、部件和零件等不同层次，而每一层次均有其本身指标要求及与其它成分之间的相互需求，并且还涉及到机、电、液等等不同信息。另外，需要在设计过程中将影响产品最终整体性能的多种因素纳入考虑范围，比如市场分析、制造工艺、成本、可靠性、人力及计算机资

7、源以及环保等等；而且还要考虑这些因素之间所产生的相互影响相互作用的耦合关系。这些因素决定了无论是设计变量还是优化目标都是广义的，设计过程中所要处理的知识（建模阶段）也是广义的，设计和优化搜索策略也必然是广义的。相对于MDO来说，传统优化设计则是一种狭义的优化设计，往往只追求产品零部件的局部优化，其原因是难以处理局部之间的相互关系而将其弱化或割裂。由于局部之间是相互影响和相互制约的，这就使得局部最优的总和并不一定是产品整体的最优。与传统优化技术相比，MDO是一种具有广义特点的设计方法学，涉及到产品的全过程、全性能和全系统的优化，利用局部之间的相互作用，以

8、尽可能高的效率，求得技术系统或过程的尽可能优的设计方案，或尽可能优的整体解。（2）协同性。优化