多学科设计优化简要介绍.doc

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1、多学科设计优化简要介绍多学科设计优化(MultidisciplinaryDesignOptimization,简称MDO)是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。其主要思想是在复杂系统设计的整个过程中利用分布式计算机网络技术来集成各个学科(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。其目的是通过充分利用各个学科(子系统)之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，通过实现并行设计，来缩短设计周期，从而使研制出的产品更具有竞争力。因此，MDO宗旨与现代制造技术中的并行工程思想不谋而合，它实际上是用优化

2、原理为产品的全寿命周期设计提供一个理论基础和实施方法。MDO研究内容包括三大方面：1，面向设计的各门学科分析方法和软件的集成；2，探索有效的MDO算法，实现多学科(子系统)并行设计，获得系统整体最优解；3，MDO分布式计算机网络环境。多学科设计优化问题,在数学形式上可简单地表达为：寻找：x最小化：f=f(x,y)约束：hi(x,y)=0(i=1,2,…,m)gj(x,y)≤0(j=1,2,…,n)其中：f为目标函数；x为设计变量；y是状态变量；hi(x,y)是等式约束；gj(x,y)是不等式约束。状态变量y，约束hi和gj以及目标函数的计算涉及多门学科。对于非分层系统

3、，状态变量y，目标函数f，约束hi和gj的计算，需多次迭代才能完成；对于分层系统，可按一定的顺序进行计算。这一计算步骤称为系统分析。只有当一设计变量x通过系统分随着科学技术日新月异的发展，我们的武器装备，尤其是战斗机的水平日益提高，装备复杂程度已远超乎平常人的想象，装备设计不单要用到大量的人力，甚至已牵涉到了数十门学科。例如，战斗机设计中就包括了液压、传动、流体力学、计算流体力学、空气动力学、发动机、结构力学、传热学、热力学、自动控制、电子、软件、计算机、可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性等若干学科。随着时代的进步，如今每个学科领域都形成了自己的一套研究方法与发展

4、思路，但显然各学科间明显缺乏沟通与联系，形成了一个个的"学科孤岛"（与80年代由于CAD技术迅猛发展而带来的"信息孤岛"问题相似）。近年来，国外已经开始注意到这种"学科孤岛"现象，从而开始了多学科优化设计方面的研究。就国外的研究现状而言，目前已经实现了部分学科的综合优化设计，并开发出了如Isight等的商业多学科优化软件。而国内也紧跟国际步伐，开始了这方面的研究，并在个别领域解决了优化算法的问题。下面，就多学科优化设计的目的、意义、算法、框架、所遇问题和解决方法、成果以及对多学科综合设计软件Isight的介绍五个方面的内容对战斗机的多学科优化设计方法进行综述。1.多学

5、科优化设计的目的和意义进行多学科优化设计的主要目的有二：一是将设计过程系统化，即让参与整个系统设计的全部学科的人员都了解到其他学科的约束要求和优化目标，使设计从一开始起就有全局观，避免设计过程中由于互相之间不了解而造成设计撞车，从而导致设计更改，浪费时间与经费的现象发生；二是使性能特性设计的过程中贯穿专门特性的设计，即让传统的机、电、控制等设计专业在实现设计的过程中把可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性这些专业结合起来，把可靠性、维修性、保障性、安全性与测试性贯穿到整个系统设计过程中，从而改变以往未把这些专门特性放在设计过程中进行考虑的现象。多学科优化设计的意义主要

6、表现在：（1）通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应,获得系统的整体最优解；（2）通过实现并行计算和设计，缩短设计周期；（3）采用高精度的分析模型，提高设计结果的可信度。2.多学科优化设计算法多学科优化设计有两大难点：各分学科计算模型的多次迭代引起的计算复杂性和对各个学科之间的信息交换的组织和管理产生的信息交换复杂性。现在关于算法研究报告也不少，总结起来，主要的MDO算法有以下几种[2]：(1)单级优化单级优化法是采用单学科优化的方法，主要包括：标准的系统级优化算法;基于CSE的单级优化算法；一致性约束优化算法。在优化设计中各学科的分析计算只是被集合到一起

7、形成系统性的分析，通常所说的一体化设计都指这种算法。(2)序列优化序列优化就是依次进行单学科优化，计算系统性能，然后循环，直至收敛。在分析过程中各学科进行优化的目标函数按照对系统目标函数有利的原则选取。(3)并行子空间优化并行子空间优化算法中系统的设计变量和状态变量被分配到各子空间，大的优化问题被分为许多较小的优化问题，而这些子空间优化问题均使用系统的约束条件和目标函数。目前主要包括：基于敏感性分析的并行子空间优化算法；改进的基于敏感性分析的CSSO算法；基于响应面的CSSO算法。(4)协作优化协作优化算法对每个子空间进行分析及优化设计，且每个子空间