多学科设计优化综述
multidisciplinary design analysis and optimization
multidisciplinary design analysis and optimization 1. 引言1.1 概述多学科设计分析与优化是一种综合了不同学科领域知识的研究方法和技术。
在现代工程设计中，为了解决复杂的问题，需要融汇多个学科领域的知识和经验。
多学科设计分析与优化旨在通过将不同学科领域的技术和方法结合起来，提供全面的解决方案，并找到最佳设计。
1.2 文章结构本文将首先介绍多学科设计分析与优化的概念及其重要性。
然后，讨论多学科设计分析所涉及的不同方法和工具，并通过实例应用和案例研究进行说明。
接下来，我们将探讨在应用多学科设计分析与优化时面临的挑战，并提出解决方案。
最后，我们总结主要观点和发现，并展望未来研究方向。
1.3 目的本文旨在对多学科设计分析与优化进行全面而系统的介绍，以帮助读者深入理解其概念、方法和应用。
该篇文章还将重点讨论在实践中遇到的挑战，并提出相应解决方案。
通过阅读本文，读者将能够对多学科设计分析与优化的重要性有更深入的了解，并在实际工程设计中应用相关方法和工具。
以上是“1. 引言”部分的详细内容。
2. 多学科设计分析与优化概述2.1 多学科设计多学科设计是一种集成了不同学科知识的设计方法。
传统的工程设计通常只关注特定领域，例如机械设计、电气设计或结构设计等，而忽视了其他相关学科的因素。
然而，在现代复杂系统的开发中，多个学科之间的相互作用和影响变得越来越重要。
因此，多学科设计强调整体性和综合性思考，将各个学科的要求、限制条件和目标统一考虑进来。
2.2 设计分析和优化概念设计分析是指通过建立数学模型和仿真技术来评估并理解产品或系统在不同条件下的行为和性能。
它可以帮助工程师预测产品在实际运行中可能出现的问题，并提供优化方案以改善其性能。
而优化则是指在给定约束条件下，寻找最佳解决方案以达到特定目标。
在多学科设计中，优化需要考虑各个学科之间的相互关系，并综合考虑各个学科对整体性能的影响。
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。
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。
航空航天系统的多学科优化设计
航空航天系统的多学科优化设计在当今科技飞速发展的时代，航空航天领域取得了令人瞩目的成就。
从翱翔蓝天的飞机到探索宇宙的航天器，这些伟大的工程奇迹背后，都离不开先进的设计理念和技术。
其中，多学科优化设计（Multidisciplinary Design Optimization，简称 MDO）扮演着至关重要的角色。
航空航天系统是一个极其复杂的综合体，涉及到众多学科领域，如空气动力学、结构力学、推进系统、控制工程、材料科学等等。
传统的设计方法往往是将这些学科分别进行考虑和优化，然后再进行整合。
然而，这种串行的设计流程存在着诸多局限性，容易导致设计方案的局部最优而非全局最优，同时也增加了设计周期和成本。
多学科优化设计则是一种将多个学科有机整合，同时进行优化的设计方法。
它的核心思想是在设计的早期阶段就充分考虑各个学科之间的相互影响和耦合关系，从而实现系统整体性能的最优。
在航空航天系统中，空气动力学是一个关键学科。
飞机或航天器的外形设计直接影响着其飞行性能，如升力、阻力、稳定性等。
通过多学科优化设计，可以将空气动力学与结构力学相结合。
在优化外形以减少阻力的同时，确保结构能够承受飞行过程中的各种载荷，避免出现强度不足或过度重量的问题。
结构力学对于航空航天系统的安全性和可靠性至关重要。
在多学科优化中，不仅要考虑结构的强度和刚度，还要考虑其振动特性、疲劳寿命等因素。
同时，要与其他学科协同，以在满足性能要求的前提下，尽量减轻结构重量，提高燃油效率或增加有效载荷。
推进系统也是航空航天系统中的重要组成部分。
对于飞机来说，发动机的性能直接影响着飞行速度、航程和燃油消耗；对于航天器，推进系统的效率则决定了其轨道转移能力和任务执行的可行性。
在多学科优化中，需要将推进系统与其他学科进行综合考虑，例如优化飞行器的外形以减少进气阻力，提高发动机的进气效率，或者根据飞行任务和轨道需求来选择合适的推进技术和燃料。
控制工程在航空航天系统中起着至关重要的作用。
多目标多学科优化设计
常见的多目标优化算法包括非支配排序遗传算法、Pareto最 优解法、权重法等。这些算法在解决实际多目标优化问题中 具有广泛的应用价值。
03 多学科优化设计理论
学科交叉的重要性
01
创新性
学科交叉有助于打破传统学科界 限，激发新的思维方式和研究方 法，促进创新。
综合性
02
03
高效性
多学科优化设计能够综合考虑多 个学科的知识和原理，提高设计 的综合性能和整体效果。
船舶结构多目标多学科优化设计
总结词
船舶结构多目标多学科优化设计是提高船舶 结构强度、耐久性和降低建造成本的有效途 径。
详细描述
船舶结构多目标多学科优化设计涉及结构力 学、流体力学、船舶工程等多个学科领域， 旨在实现船舶结构、航行性能和建造工艺的 综合优化。通过多目标优化算法，可以找到 满足多个性能指标的优化设计方案，提高船 舶的结构强度、耐久性和经济性。
探讨多目标多学科优化设计在各个领 域的具体应用，深入挖掘其潜力和价 值，为相关领域的发展提供更多支持。
开展多目标多学科优化设计在实际工 程中的应用研究，提高其在实际问题 中的解决能力和实用性，为工程实践 提供更多帮助和支持。
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学科交叉的实践方法
1 2
建立跨学科团队
组织来自不同学科的专家和学者，共同开展研究 和设计工作。
制定统一的设计目标和评价标准
在多学科交叉设计中，需要制定明确、统一的设 计目标和评价标准，以便各学科协同工作。
3
加强沟通和协调
在多学科交叉设计中，各学科之间的沟通和协调 至关重要，应定期组织交流会议和讨论活动，促 进信息共享和知识交流。
多学科设计优化流程研究综述
（ １ ． 东北大 学 机械工程与 自动化学 院，沈 阳 １ １ ｏ ８ １ ９ ；２ ． 辽 宁装备 制造职业 技术 学院，沈 阳 １ １ ０ １ ６ １ １ ； ３ ． 东北大学 计算中心，沈阳 １ １ ０ ８ １ ９
摘
要 ：在复杂产品的多学科设计优化中 ，流程是 实现设 计过 程自动化和专业软件集成的重要技术。目 前 对于多学 科设计优 化流程研 究多从设 计过程 自动化的角度 ，从工作流 模型 扩展 。通过对多 学科设计优 化过程 的分析 ，提出从设 计过程 自动化、程序 可视化和 软件集成 角度进行研 究 ， 并 讨论 上述 三个 方 面的研 究 内容和 取得 成果 。针 对多 学科 设计 优化 流程作 为优 化算 法的 实 现 ，具有科 学计算可 视化和程 序可视化 的特点 ，提出将其视 为一个多 学科融合 的新对象进行 研 究。
０ 引言
在 航 天 、 航 空 、舰 船 等 复 杂 产 品 设 计 中 ， 多学科设计优化设计 （ Ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｄ ｉ ｓ ｃ ｉ ｐ ｌ ｉ ｎ ａ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
平 台 ， 东北 大 学 基 于 Ｃ ＯＭ技 术 构 建 的 发 动机 涡 轮集成 设 计 系 均 属于 此类 系统 。 程 序 脚 本 方 式 是 针 对 多 学 科设 计 优 化 系 统 建 设 的 需要 ，设 计 一 种 专 门 的脚 本 程 序 。 此种 方 式
Ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ＭＤＯ）正 在 被 广 泛 地 应 用 在 产 品
的概 念设 计 和详 细设 计 当 中 。多学 科 设 计 优 化 设 计 实现 复 杂 系统 的 整体 最 优 ， 同 时兼 顾 各个 子 系 统 之 间的约 束和 耦合关 系ｕ 。 在 不 同 的 学 科 和
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层次分解
主系统
子系统1
子系统2
子系统 1.1
子系统 1.2
子系统 2.1
子系统1
求解 策略
子系统2 子系统4
子系统3 子系统5
非层次分解
多学科设计优化与传统优化比较
项目 设计要求 优化对象 研究重点 优化范围 优化算法
寻优策略 软件系统
传统优化
多学科综合优化
单一性能或多性能
整体综合性能，包括技术性、经济性、 社会性等
The university at Buffalo The University of Pennsylvania
Ohio University Sandia 国家实验室 NASA-Langley 实验室 空军工业研究院及其智能中心
研究对象与成果
多目标MDO公理化方法
Optistruct软件成功用于带有制造工艺 约束的拓扑优化
MDO的研究应用于亚毫米级望远镜 及铁路运输工具
Universitat Braunschweig
MDO应用于裂缝及裂纹识别、质量 控制、结构可靠性监控等方面
Universitat Stuttgart
开发用于自适应结构设计的MDO软 件
Osaka Prefecture University
卡车架脉冲分配器手柄MDO方法的 应用
零部件的单方面
产品全系统，包括零部件、整机、系列 及组合产品
算法及搜索策略
产品建模、规划、搜索策略和评价及决 策的全过程
参数优化设计
全过程，包括功能概念优化与参数优化 设计
数值优化
数值方法与非数值优化、人类与人Байду номын сангаас智 能相结合
单机优化，串行为主
整体优化，分层、分性能或分部件优化， 人机合作的交互优化，多机并行的协同 优化
飞机的设计
液压 流体力学 计算流体力学
结构力学 传热学
热力学 空气动力学
动力 学
结构 力学
传热 学
学科 孤岛
电磁 学
摩擦 学
流体 力学
热力 学
NASA与AIAA
美国航空航天局
美国航空航天学会
Sobieszczanki-Sobieski
美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration ,NASA）高级研究院、现 任美国航空航天学会（American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA） 多学科设计优化技术委员会主席
开发可执行程序和可视化方法以支持 设计决策
探讨利用MDO进行敏捷型复合机翼 的设计方法，用于改善颤动特性、气 流响应和其他性能
应用MDO开发支柱
开发出MDO设计过程程序并融入机 械多体动力学ADAMS软件 研究产品及设计空间可视MDO方法， 以支持设计决策
开发自适应机构拓扑优化的MDO方 法，并用于微电子机械系统
大连理工
声结构耦合设计优化
南京航空航天大学
飞机总体多学科设计优化的现状与发 展方向
国家 美国
研究机构 波音公司 Altair工程公司 Northeastern University
The University of Arizona University of Florida The University of Iowa
获得能够解决非连续性约束和大系统 优化问题的鲁棒性算法专利
对存储设计问题进行并行优化
University of Southampton
在涡轮叶片和低振动人造卫星结构设 计等方面进行MDO方法研究
Synaps
利用MDO改善飞行器机翼的形状设 计
U. K. Defence Evaluation and Research 利用MDO进行飞行器机翼和集体的
Agency
综合设计
Universitat Siegen
——美国航空航天局兰利(Langley)研究 中心的多学科分支机构对多学科设计优 化
n
design disciplinaryi MDO i 1
将设计过程 系统化
使性能特性设计 的过程中贯穿专 门特性的设计
多学科设计 优化的意义
通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生
1
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
02 多学科设计优化研究内容
灵敏度
近似方法
系统分解技术
计算框架
MDO 研究 对象
求解策略
面向设计的分析
优化算法
数学建模
面向设计的分析
在MDO中，往往需要将通过输 入/输出相互耦合模块的代码集 中，并连同各个代码输入/输出 最新计算结果一起归档，存入数 据库；当改变某输入而需要得到 相应输出时，尽可能地利用数据 相关信息通过逻辑推理确定哪些 模块收到影响，然后再执行相应 的分析模块，这样就可以尽量减 少计算量。
复杂系
统分解
A
子系统1 B
数学模型的复杂性 计算量大
主系统
C
系统本身的复杂性造成对系统
难以认知和求解
子系统2
计算框架
MDO计算框架是指能
实现MDO方法、包含
01
硬件和软件体系的计
算环境，在这个计算
环境中能够集成和运
02
行各学科的计算，实
现各学科之间的通讯。
03
LOREM IPSUM DOLOR
Multidisciplinary Design Optimization(MDO)is a methodology for the design of complex engineering systems and subsystems that coherently exploits the synergism of mutually interacting phenomena
以寻优搜索为主 支持优化设计全过程
MDO流程
03 多学科设计优化发展现状
国家 英国
德国 日本 中国
MDO的主要研究机构及成果
研究机构
研究对象与成果
The University of Sheffield
使MDO应用同现存工业结构相协调
Durham University
发展模仿骨骼生成来进行结构的 MDO方法
多学科设计优化 综述
机械工程学院 机械设计及理论
张苗苗 1105050315
机械工程学院 机械设计及理论
季懿栋 152331401
起 多学科设计优化 形成动因
承 多学科设计优化 研究内容
多学科设计优化 转 发展现状
多学科设计优化 合 挑战展望
目
CONTENT
录
续 以论文为基础的 应用分析
01 多学科设计优化形成动因