多学科设计优化技术

２０１０年６月?ｗｗｗ．ｍｉｅｃｈｉｎａ．ｃｏｍ?

53

数字工厂／研发

actory

F

igital

D 现代产品设计是一个复杂的系统工程，需要考虑多个学科、多个系统的综合性能指标，涉及到一定设计约束条件下的多个设计、目标参数的综合权衡。以飞机总体设计为例，需要考虑气动—结构—隐身—飞控等学科的众多设计因素，如何综合应用各学科（系统）的专业工具，获得整体最佳设计。

在产品设计过程必须考虑性能、可靠性、成本、时间周期，需要在四者之间找到最佳的平衡方案。在传统的设计优化中通过单一学科设计及优化，再将所有单学科设计结果简单整合的成果作为最终设计。人为的将影响产品安全性、结构、经济性、制造等因素割裂开来，并没有充分利用到各个学科（系统）之间相互影响所产生的协同效应，极有可能失去系统的整体最优设计。此外，传统的设计模式属于串行设计模式，不能充分利用日益提高的计算机硬件和网络资源。传统设计方式面临的挑战主要有几点意见：

方案设计、总体设计阶段主要依靠经验公式和估算模型，设计精度较低；

人为割裂相关系统之间的耦合关系，很难获得综合优化方案；

串行设计流程，增长设计周期，增加设计成本。

基于传统设计方式的种种问题，需要采用多学科设计优化（ＭＤＯ）技术，集成各专业学科独立的高精度设计仿真工具，建立软件间的数据传递规则，实现跨学科跨系统的协同，建立自动化、

多学科设计优化技术

■　安世亚太　平台业务部区域经理　吴贻君

的设计需求提出，ＡＩＡＡ＼ＮＡＳＡ等多家机构每两年组织并联合召开一次ＭＤＯ技术研讨会，在多学科设计优化（ＭＤＯ）发展上有不可磨灭的作用。ＮＡＳＡ　Ｌａｎｇｌｅｙ中心通过多年研究，逐渐形成了多学科设计优化的标准定义：

“Ｍｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｏｐｔｉｍｉｚａ－ｔｉｏｎ　（ＭＤＯ）　ｉｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅ－ｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｃｏｈｅｒｅｎｔｌｙ　ｅｘｐｌｏｉｔｓ　ｔｈｅｓｙｎｅｒｇｉｓｍ　ｏｆ　ｍｕｔｕａｌｌｙ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎａ．”

多学科设计优化是一种方法学，充分探索和利用系统中相互作用的协同机制，设计复杂的工程系统和子系统。

如何将多学科设计优化（ＭＤＯ）概念转化为具体应用技术，国内外有众多的企业及研究单位投入了大量人力、物力进行ＭＤＯ相关的研究。当前该领域的主要研究热点主要集中在三个方面：

（１）各行业设计工具和软件的集成，建立多学科设计模型，实现综合设计；

（２）多学科设计优化算法研究，高效的优化算法降低方案迭代次数，多样化的优化策略实现多学科（系统）的参数耦合以及并行设计；

（３）分布式网络计算环境技术，调用松散的计算机资源，实现设计优化任

务的并行计算，提高设计效率。

经过２０年的发展，许多ＭＤＯ技术已经在工业界得到成功应用。在国外航空航天业飞行器多学科设计优化项目包括：

ＮＡＳＡ主持的新一代超音速民机

图１　传统设计方式

（ａ）ＣＳＳＯ算法 （ｂ）ＣＯ算法 图２　多学科优化策略示例

规范化的设计流程，并在此基础上进行系统优化，全面提高研发效率，为新产品研制提供保障。

多学科设计优化（ＭＤＯ）技术

多学科设计优化（ＭＤＯ）作为面向所有行业的一个通用技术研究领域，于上世纪８０年代形成。最初由美国航空航天学会（ＡＩＡＡ）根据航空航天复杂产品

图３　ＭｏｄｅｌＣｅｎｔｅｒ架构

54　?中国制造业信息化?２０１０年６月