大型机械结构件的多学科设计优化(MDO)研究
Isight-11-多学科设计优化-MDO-介绍
多学科设计优化—— 基本概念
• 多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization） – 美国国家航空宇航局（NASA）Langley 研究中心的多学科分支机构 （MDOB）对多学科设计优化的定义如下： • Multidisciplinary Design Optimization (MDO) is a methodology for the design of complex engineering systems and subsystems that oherently exploits the synergism of mutually interacting phenomena. – 多学科设计优化是一种针对于涵盖多个学科领域的复杂系统进行设 计优化的方法，强调各学科子系统在独自设计优化的基础上的相互 之间的并行协作 – 多学科设计优化的主要思想是在复杂系统设计的整个过程中集成各 个学科的知识、分析不建模理论和计算方法，应用有效的设计优化 策略组织和管理计算过程，充分发挥学科与家的技术优势，通过实 现并行设计优化，获得系统的整体最优解
多学科设计优化—— 特点
• 按系统中各学科属性将复杂系统分解为子系统，其分解形 式不工业界通用的设计组织形式相一致
• 各子系统具有相对独立性，便于发挥学科与家在某一领域 的技术优势，应用适合于该学科的分析和优化工具进行建 模和优化，提高子系统分析求解的准确度和效率，同时便 于对学科优化设计模型进行调控
• 方法：通过学科级优化，采用松弛因子等方法实现系统级协调的方式 ，将多学科问题分解为系统级和学科级两层优化。
• 原理：协同优化算法的原理是将一复杂的目标函数分解成简单的子目 标函数，然后再将这些子目标函数进行协同优化。 – 基本思想是每个子空间在设计优化时可暂时丌考虑其它子空间的 影响，只需满足本子系统的约束，它的优化目标是使该子空间设计优 化方案不系统级优化提供的目标方案的差异最小 – 各个子系统设计优化结果的丌一致性，通过系统级优化来协调， 通过系统级优化和子系统优化之间的多次迭代，最终找到一个一致性 的最优设计
多学科设计优化方法的研究及其优化系统的构建
2.1.1 层级系统
子系统之间信息流程具有顺序性， 信息的传递是从上层到下 层单向传递的。 子系统之间没有耦合关系， 它是一种 “树” 状结构。 不同层之间形成串联关系， 而同一层之间的子系统相互独立的。
＊来稿日期： 2008-10-18 ＊基金项目： 教育部科学技术研究重点项目资助 （106018 ）
2.2.4 多学科混合协同优化方法 MMCDO
针对混合层级系统的多学科设计优化方法，其求解方法融合 了以上层级系统的顺序关系的优化方法和两种非层级系统的多学 科优化方法的特点， 适应于含有顺序的和并行的混合优化问题的复 杂系统的多学科设计优化。
层级系统 1 优化 … 层级系统 n 优化 … 非层级系 统 1优化 … 非层级系 统 m 优化
254
文章编号： 1001-3997 （2009 ） 08-0254-03 ＊＊＊＊＊ ＊＊ ＊＊＊＊＊
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
第8期 2009 年 8 月
综 述
多学科设计优化方法的研究及其优化系统的构建 *
蔡占军 1 翁海珊 2 俞必强 2 （1 天津工业大学 纺织学院， 天津 300160 ） （2 北京科技大学 机械工程学院， 北京 100083 ） CAI Zhan-jun1， WENG Hai-shan2， YU Bi-qiang2 （1 School of Textiles， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300160， China ）
子系统之间没有明确的顺序等级关系， 子系统之间相互传递 信息， 具有相互 “耦合” 的关系， 它是一种 “网” 结构， 各子系统之间 为同一等级的并行关系。
多学科设计优化简要介绍
多学科设计优化简要介绍多学科设计优化 (Multidisciplinary Design Optimization,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，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。
第2章 MDO基本概念
第二章MDO基本概念2.1多学科设计原理实际工程系统的设计往往覆盖了多个学科的内容，以机械产品为例，其设计包含几何结构、加工工艺、产品静动态性能、材料等多方面的知识，而对于各类飞行器的设计，涉及了空气动力学、结构、推进、控制、弹道、隐身等多个学科，是一个典型的多学科设计系统。
对某一学科领域，建立起数学模型和计算软件，进行计算分析和优化设计，可以收到非常好的效果。
而对于复杂的工程系统，由于其涉及的因素较多，设计空间极其复杂，导致设计人员难以有效地对其进行优化设计，这一方面除了发展可靠的优化算法之外，还需要探索多学科设计原理，研究复杂系统所包含的不同因素及这些因素之间的相互关系。
2.1.1 设计问题描述“设计”实际上就是不断重复“What-If”的过程：由设计者提出产品方案，经过分析、计算、评估，给出方案的性能并反馈给设计者，设计者根据产品任务需求进行决策，然后修改设计，经过几轮修改达到设计者比较满意的结果，如图2.1（a）所示。
X Y时间（a）设计过程（b）设计模型图2.1产品设计过程与设计模型理想情况下，任何产品都可以采用精确的分析模型描述其性能与设计方案之间的关系Y=F X（2.1）()其中，F——分析模型，可描述成一组线性或非线性方程；X——设计方案，是分析模型的输入，可采用不同形式的参数表示；Y——产品性能，是分析模型的输出，可采用不同形式的参数表示。
设计过程可从理论上描述为图2.1（b）所示的模型，其中设计决策可采用多种方式，包括：人工决策、优化理论、人工智能等。
当采用优化理论时，即为优化设计模型。
2.1.2 设计问题分解对于复杂的工程系统，目前往往很难建立起统一的分析模型F ，或者即使建立了，也无法采用现有的技术进行求解。
这种情况下，只能将其分解成多个容易描述和求解的子模块（12n ,,,L F F F ）。
同时将设计方案和产品性能按照分析子模块进行分解，可得：111222n n n =()=()=()⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩M Y F X Y F X Y F X （2.2） 其中，,,,i i l i s i c =⊕⊕X X X X （2.3）12n =U UL U Y Y Y Y （2.4）以上分解过程将原本统一的模型（式2.1）割裂开来，每个子模块i i i Y =F (X )称为一个学科。
多学科优化介绍
多学科优化（MDO）是一个工程领域，它使用优化方法来解决包含多个学科的设计问题。
它也被称为多学科系统设计优化（MSDO）和多学科设计分析和优化（MDAO）。
MDO的主要思想为：采用各学科已发展成熟的精度高的分析模型，提高优化设计可信度；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；通过各学科组并行设计，缩短设计周期；用精细数值分析模型取代了工程估算的经验公式，面向创新布局的工程设计。
MDO的主要特点包括：
1.集成性：MDO将多个学科的知识和技能集成在一起，以解决复杂的
设计问题。
2.优化性：MDO使用先进的优化算法和技术，以找到最佳的设计方案。
3.交互性：MDO强调各学科之间的交互和合作，以促进创新和改进。
4.适应性：MDO可以根据不同的设计问题和需求进行调整和改进。
MDO的应用领域非常广泛，包括航空航天、汽车、电子、建筑、计算机和配电等。
在航空航天领域，MDO已经被广泛应用于飞机和航天器的设计中。
例如，波音混合翼身（BWB）飞机概念在概念和初步设计阶段广泛使用了MDO。
BWB设计中考虑的学科是空气动力学、结构分析、推进、控制理论和经济学。
此外，MDO还可以应用于其他领域，如医疗、农业、环保等。
例如，在医疗领域，MDO可以用于药物设计和疾病治疗方案的优化。
在农
业领域，MDO可以用于农作物种植方案的优化。
在环保领域，MDO 可以用于污染控制和资源利用的优化。
总之，多学科优化是一种强大的工具，可以帮助工程师和设计师解决复杂的设计问题。
它不仅可以提高设计的效率和准确性，还可以促进创新和改进。
多学科设计优化方法比较
弹箭与制导学报
2005 年
X
多学科设计优化方法比较*
谷良贤, 龚春林
( 西北工业大学航天学院, 陕西 西安 710072) [ 摘要] 多学科设计优 化( MDO) 是当前复杂系统 设计研究中一个 最新、最 活跃的领 域, 而多 学科设计 优方法 是多学科优化技术体系的研究核心。文中对具有代表性的三种多学科优化方法—多学科 可行法( MDF ) 、单学 科可行法( I DF ) 和协同 优化方法( CO) 进行比较, 阐述了各种方法的 结构体系及其特点, 并且通过 一个耦合的 多学科问题来说明三种方法的集成过程。 [关键词] 多学科优化; 多学科可行法; 单 学科可行法; 协同优化方法 [ 中图分类号] TJ 760. 2 [ 文献标识码] A
图 3 CO 计算原理图
3 实例分析
考虑 一 个包 含 三
个学科 W, Y, Z 的学科 优化问题[ 4] , 学科之间
的关 系和输 入输出 如
图 4 所示。
图 4 问题中, 目标 图 4 耦合的多学
函数和约束为:
科优化问题
Mi n F =
0.
04X
2 w
+
0. 96XY3 +
0.
15X
1 z
-
0. 26W21 + 0. 44W12 + 0. 57W33 -
X 收稿日期: 2004-07-08 基金项目: 本项目获得国家 863 计划基金资助( 2003AA721052) 、西北工业大学博士生创新基金资助。 作者简介: 谷良贤( 1957—) , 女, 河南沁阳人, 教授, 主要研究方向: 飞行器总体 设计, 多学科设计优化。
第 25 卷第 1 期
多学科结构优化
典型的飞行器多组件结构系统布置
拓扑优化过程
设计中往往组件位置已提前指定，结构设计完 全依赖于组件的预设位置而进行布局。该项目首先 建立了拓扑优化设计域模型，并且留出了设备组件 安装所需要的空间，将设计域离散为有限个实体单 元，设定工况并优化求解，最终得到的满足质量和 自振频率的拓扑优化构型如图(b)所示。 安装上多个功能性设备组件的效果图如图(c) 所示。可以看到，该卫星连接结构不仅通过底部 与火箭相连接，同时还延伸连接到卫星顶部的挂 钩上，并且将多个功能性的组件紧密地连接在一 起，实现了预定的设计要求。
机翼初试方案 机翼气动/结构参数化定义 确定全局设计变量 用实验设计确定样本点
参数化外形CAD模型和结构布置CAD模型
气动文件，DV
加 入 新 的 样 本 点
结构文件，DV
分布 气动力
气动优化 目标：阻力最小 约束：气动约束 变量：DV1
结构优化 目标：重量最小 约束：结构约束 变量：DV2
结 构 节 点 形 变
在对结构进行拓扑优化后，有必要对 结构局部尺寸和外形进行详细设计，以满足 最终工程应用要求。
参考文献：
[1]胡添元，余雄庆，多学科设计优化在非常规布局飞机总体设计中的应用 [J]. 航空学报，2011,32(1),117-127； [2]余雄庆,飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向,南京航空航天大学报 [J],2008,40(4),417-426； [3]朱继宏,高欢欢,张卫红,周莹,航天器整体式多组件结构拓扑优化设计与应 用[J],航空制造技术,2014(14),25-29；
[4]胡婕,王如华,王稳江, 余雄庆,客机机翼气动/结构多学科优化方法,南京航 空航天大学报[J],2012,44(4),458-463.等
基于iSIGHT的多学科设计优化平台的研究与实现
基于iSIGHT的多学科设计优化平台的研究与实现一、本文概述随着现代工程技术的快速发展，产品设计的复杂性日益增加，涉及多个学科领域的知识和技术。
这种复杂性要求设计师在设计过程中必须考虑多种因素，如性能、成本、可靠性、可制造性等，从而实现整体最优设计。
然而，传统的设计优化方法往往只能针对单一学科进行优化，难以处理多学科之间的耦合和冲突。
因此，开发一种基于多学科设计优化（MDO）的平台，对于提高产品设计的质量和效率具有重要意义。
本文旨在研究并实现一种基于iSIGHT的多学科设计优化平台。
iSIGHT作为一种先进的优化算法平台，具有强大的优化求解能力和丰富的优化算法库，为多学科设计优化提供了有力支持。
本文将首先介绍多学科设计优化的基本原理和方法，然后详细阐述基于iSIGHT 的多学科设计优化平台的架构、功能和技术实现，并通过具体案例验证平台的可行性和有效性。
通过本文的研究和实现，旨在为设计师提供一个高效、可靠的多学科设计优化工具，帮助他们在设计过程中综合考虑多个学科因素，实现整体最优设计。
本文也希望为相关领域的研究者和技术人员提供一些有益的参考和启示，推动多学科设计优化技术的发展和应用。
二、多学科设计优化概述随着现代工程技术的不断发展和复杂性的增加，传统的单学科设计优化方法已经无法满足许多复杂系统的设计要求。
因此，多学科设计优化（MDO，Multidisciplinary Design Optimization）应运而生，它通过将不同学科的知识、方法和工具集成在一起，实现复杂系统整体性能的最优化。
MDO旨在解决在产品设计过程中出现的跨学科耦合问题，以提高产品的设计质量和效率。
MDO的核心思想是在产品设计阶段就考虑不同学科之间的相互影响和约束，通过协同优化各个学科的设计参数，实现整个系统的全局最优。
这种方法能够有效地减少设计迭代次数，缩短产品开发周期，并降低成本。
同时，MDO还能够提高产品的综合性能，使其在满足各项性能指标要求的同时，达到最优的整体效果。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
大型机械结构件的多学科设计优化(MDO)研究
作者：秦东晨， 王丽霞， 张珂
作者单位：秦东晨(郑州大学机械工程学院,河南郑州,450002)， 王丽霞(中州大学工程系,河南郑州,450005)， 张珂(郑州市市政工程管理处,河南郑州,450002)
刊名：
机床与液压
英文刊名：MACHINE TOOL & HYDRAULICS
年，卷(期)：2004(4)
被引用次数：2次
1.Maxwell C Scientific Papers 1952
2.Aryasomayajula S;Wang H;Grandhi R;Eastep F Multidisciplinary design of vehicle structures with improved roll maneuverability - transonic regime[外文期刊] 2001(4)
3.钟毅芳;陈柏鸿;肖人彬;刘继红复杂机械产品协同寻优相关技术的研究[期刊论文]-中国机械工程 2002(06)
4.Michell A G M The limits of economy of material in frame structures 1904(08)
5.秦东晨;叶元烈;陈丽华轻型货车EQ1060车身的结构优化设计研究 2000(01)
6.Gern F G;Naghshineh-Pour A H;Sulaeman E;Kapania R K,Haftka R T Structural wing sizing for multidisciplinary design optimization of a strut - braced Wing[外文期刊] 2001(1)
1.欧彦江.殷国富.周长春.刘丽.OU Yanjiang.YIN Guofu.ZHOU Changchun.LIU Li三级建模微型机电系统多学科优化设计法[期刊论文]-制造技术与机床2009(1)
2.秦东晨.王丽霞.张珂.薛东岭汽车车身的多学科优化设计(MDO)研究[期刊论文]-现代机械2004(5)
3.张弫.郑时镜.于本水运用MDO进行远程防空导弹总体方案研究[期刊论文]-系统工程与电子技术2002,24(1)
4.孔凡国.李钰.KONG Fan-guo.LI Yu多学科设计优化方法与传统设计优化方法的比较研究[期刊论文]-计算机工程与科学2008,30(7)
5.袁丽娜.YUAN Li-na多学科优化的质量波动数学模型研究及应用[期刊论文]-信息与电子工程2009,7(6)
6.王晓青.王小军.Wang Xiaoqing.Wang Xiaojun多学科优化技术及其算法[期刊论文]-导弹与航天运载技术2007(1)
7.陈琪锋.戴金海.李晓斌分布式协同进化MDO算法及其在导弹设计中应用[期刊论文]-航空学报2002,23(3)
8.胡凌云多学科设计优化技术在卫星总体设计中的应用[期刊论文]-中国制造业信息化2004,33(1)
1.张氢.高倩.秦仙蓉.陈丹丹一种由整体到局部的机械结构分层优化模型[期刊论文]-机械科学与技术 2010(11)
2.王任全多学科目标兼容优化设计方法及其在MEMS中应用的研究[学位论文]硕士 2007
本文链接：/Periodical_jcyyy200404024.aspx。