基于流程分析的多学科设计优化建模与求解方法研究

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1、分类号学号D201377167学校代码10487密级基于流程分析的多学科设计优化建模与求解方法研究学位申请人：尹骞学科专业：机械设计及理论指导教师：吴义忠教授答辩日期：2018年10月19日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchonMultidisciplinaryDesignOptimizationModelingandSolvingMethodsbasedonProcessAnalysisCandi

2、date:YinQianMajor:MechanicalDesignandTheorySupervisor:Prof.WuYizhongHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaOctober,2018ｖ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研宄成果。尽我所知，除文中己经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研宄成果。对本文的研宄做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学

3、位论文作者签名：ｒｉ日期：年以月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家宥关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□’在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密Ｋ“”（请在以上方框内打Ｖ）学位论文作者签名：基ｆ指导教师签劣＾曰期年／月＜日日期华中科技大学博士学位论文摘要现代工程设计问题日趋复杂，设计变量众多

4、，约束条件复杂，学科之间相互依赖，传统的方法越来越难以满足大型耦合系统的设计需求。多学科设计优化（MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO）通过“分解-协调”的思路，把复杂问题分解为一个或多个子问题分别求解，采用特定的策略协调耦合关系使之趋于一致。围绕这类耦合系统的设计优化，产生了一系列MDO方法，并出现了众多集成平台来支持其工程应用。在MDO的研究与应用中仍存在一些不足：MDO方法求解效率普遍较低；关于MDO问题的全局优化研究较少，如果学科分析涉及黑箱仿真，直接求解非常耗时；现有多学科集成平台很难支撑不同MDO方法的灵活实施。针对这些问题，本文从

5、多学科耦合流程分析着手，研究提高MDO求解效率的方法，并引入响应面技术来探讨MDO问题的全局优化，同时对MDO流程进行功能抽象，在多学科平台中实现不同MDO框架的流程建模与求解。主要内容包括以下几个方面：（1）提出一种基于最小求解策略的多学科系统分析方法。针对学科和耦合变量较多时多学科系统分析耗时的情况，本文把大型耦合系统分解为多个单向依赖的最小求解单元依次求解；在每个求解单元中，基于学科依赖结构矩阵选择断开反馈耦合关系，构建其残差的最小二乘问题进行求解。通过减少求解单元所包含的学科与待求未知量的数量来降低系统分析问题规模，从而提高求解效率。（2）提出一种基于学科依赖结构矩阵的最优学科

6、排序方法。随着学科和耦合变量的增多，多学科可行法（MultidisciplinaryFeasible，MDF）和单学科可行法（IndividualDisciplineFeasible，IDF）的求解规模与难度随之增加。本文提出一种基于学科依赖结构矩阵的最优学科排序模型，最小化反馈耦合变量数量，来选择更少的耦合变量构造规模更小的MDF和IDF求解问题。然后通过Cantor变换把学科全排列映射为一组整数，使最优学科排序模型转化为一个整数规划问题，并改进DIRECT方法进行全局优化求解。（3）提出一种基于响应面的MDF全局优化方法。本文采用基于拟采样密度函数的序列采样方法进行MDF问题的全局

7、优化：在满足近似约束的条件下，以近似目标I华中科技大学博士学位论文值与拟采样密度函数的乘积最小化为目标进行序列采样，在提高响应面精度的同时不断改进问题的解。其中，拟采样密度函数主要用来平衡全局探索和局部搜索。此外，针对部分设计空间不存在多学科可行解的情况，增加一个近似多学科可行性约束，迫使采样点避开这些区域。（4）提出一种基于响应面的IDF全局优化方法。IDF方法增加了相容一致性等式约束，直接采用传统的全局优化方法或常规的响应面方法进行求解效果