资源描述：
《多学科设计优化方法的比较》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、49卷第3期(总第182期)中国造船Vol.49No.3(SerialNo.182)2008年9月SHIPBUILDINGOFCHINASep.2008文章编号:100024882(2008)03200682011多学科设计优化方法的比较112赵敏,操安喜,崔维成(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200030;2.中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082)摘要为了推广多学科设计优化方法在船舶和海洋工程结构设计中的应用,讨论了三种典型的多学科设计优化方法:多学科可行方向法(MDF),协
2、同优化方法(CO),两级系统综合方法(BLISS),并将其应用到齿轮减速箱的设计中;根据计算结果,对上述三种多学科设计优化方法进行了定量的比较和研究,得出BLISS方法最适合齿轮减速箱优化设计的结论。此外,还给出了多学科设计优化方法的选择标准,为多学科设计优化的工程应用提供了一定的指导和帮助。关键词:船舶、舰船工程;多学科设计优化;多学科可行方向法;协同优化方法;两级系统综合方法中图分类号:U662.9文献标识码:A1引言船舶与海洋结构物的设计是一个多学科耦合问题,涉及到水动力学、结构力学、操纵与
3、控制、材料以及制造工艺等。但在实际工程中,海洋结构物设计的优化问题是以顺序方式处理的。前面的优化结果将构成后续优化问题的一种约束,这将导致最后一个优化问题实现的可能性就很小。这种优化设计并没有充分考虑学科之间存在着的相互作用和相互制约的耦合关系,所以传统海洋结构物优化设计方法得到的结果往往并非全局最优解,而是局部最优解。要想获得船舶与海洋结构物整体性能的最优设计,必须考虑这种耦合关系。然而,如何有效地考虑这种学科之间的耦合关系是现代船舶与海洋结构物设计者所面临的一个问题。为了应对这样的难题,必须寻
4、找新的设计理论和方法,从系统的角度来综合考虑各学科的影响,利用各学科之间的耦合效应,获得船舶与海洋结构物的整体最优设计;而且这种设计方法还能够充分利用现有的先进设计手段,提高设计质量,缩短设计周期。多学科设计优化(MultidisciplinaryDesignOptimization,简称MDO)是一种通过充分探索和利用[1]系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统工程和子系统的方法论。该方法要求设计者在进行复杂系统的设计时,必须充分考虑各个学科之间的相互耦合关系,并利用适当的方法将系统分解为以学科
5、为基础的模型,然后根据学科之间的相互关系,通过特定的框架协调和控制这些子系统(学科),从而最终获得系统的全局最优解。因此,将多学科设计优化方法引入到海洋结构物设计领域也必将具有十分广阔的发展空间和现实意义。目前,国外已对多学科设计优化方法在船舶与海洋结构物设计领域应用展开了[2～4][5]广泛的研究,如水面船舶的多学科设计优化,以及水下潜器的多学科设计优化。然而,国内在这一领域的研究尚处于起步阶段。多学科优化设计方法发展至今,已诞生了一系列多学科算法,诸如多学科可行方向法(Multi2Discip
6、linaryFeasiblemethod,MDF,也称为All2in2One,AIO),同时分析和设计方法(SimultaneousAnalysisandDesign,也有文献称AllAtOnce,AAO),单学科可行方向法(IndividualDiscipline收稿日期:2007204210;修改稿收稿日期:200820120849卷第3期(总第182期)赵敏,等:多学科设计优化方法的比较69Feasible,IDF),并行子空间优化方法(ConcurrentSubspaceOptimizat
7、ion,CSSO)、协同优化方法(CollaborativeOptimization,CO),两级系统综合方法(Bi2LevelIntegratedSystemSynthesis,BLISS)。本文选用了三种有代表性的多学科设计优化方法:MDF,CO以及BLISS方法,通过对齿轮减速箱的优化,对这三种多学科设计优化方法进行了定量比较。最后,本文给出了多学科设计优化方法的选择标准。2三种方法的计算结构2.1多学科可行方向法(MDF)[6]多学科可行方向法属于单级优化算法。给定设计变量后,通过多学科系
8、统分析,得到输出变量,然后利用输入变量和输出变量,计算目标函数和约束函数,当满足收敛条件时,优化终止;否则,输出变量作为输入变量,开始新的迭代,直到满足收敛为止。下面给出两学科的MDF运行过程,如图1所示。图1中xD是设计变量,u是学科分析的输出,u1、u2分别是学科A1和A2的输出。MDF方法属于第一代多学科设计优化方法。第一代的多学科优化方法以学科分析与优化的集成为特征,整个优化过程中须要进行大量[7,8]的学科分析和系统分析。一些小型的多学科优化问题,如只涉及空气动力学和结构
