多学科设计优化

摘要： 针对电动汽车车身与电池包在结构设计过程中设计变量多、非线性强等问题,文章使用一种基于松弛因子的电动汽车车身与电池包结构的协同优化方法,将多学科设计优化问题拆解为一个系统级和数个子学科级的优化问题;根据动量分析和灵敏度分析等方法合理选择各子学科的设计变量。根据不同工况选择各子学科约束,采用最优拉丁方抽样方法分别对各子学科目标模型进行均匀采样,并选择不同算法构建高精度代理模型,为系统级及各子学科选择合适的优化算法。基于Isight软件搭建了电动汽车车身与电池包多学科设计优化框架,计算得出电动汽车车身与电池包结构的优化设计方案。将方案运用到详细模型中,并对车身与电池包优化前后的性能进行对比,得出在各性能与初始状态相比基本维持不变的情况下,实现白车身结构减重19.95 kg,电池包结构减重7.15 kg,总减重27.1 kg,验证了该方案在实际工程问题中应用的有效性,为实际车身与电池包多学科优化设计提供了可借鉴的方法和途径。

摘要： 为提高汽车产品平台及产品族性能优化效果并提高开发效率,提出了一种融合共享变量决策和多学科设计优化的产品族优化设计方法.首先,厘清了产品族设计优化的基本概念;然后,建立了产品族优化问题的数学描述和MDO模型;接下来,提出了改进的产品族设计流程;最后,针对某高性能纯电动乘用车产品平台的底盘产品族优化问题,示例了所提出优化方法和设计流程的有效性.结果表明,经过协同优化的产品族能有效处理多产品多目标间的协调问题,相较于非平台化开发,在保证关键性能的前提下能够最大程度提高车型零部件通用化率,充分发挥产品平台化开发的优势.

摘要： 21世纪以来,国际上针对高超声速技术的研究如雨后春笋般涌现,多种型号的高超声速飞行器不断被披露,使其逐渐成为彰显国防实力的大国重器。项目组在国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖南省杰出青年基金等项目的持续支持下,紧扣我国对吸气式高速飞行器总体设计的重大发展需求,围绕高超声速飞行器内外流耦合设计与多学科设计优化开展了深入研究,在气动外形设计、构型防热减阻、超燃冲压发动机流道设计、组合推进系统建模、内外流一体化和多学科设计优化等方面提出了一系列新理论、新方法和新技术,在Progress in Aerospace Sciences、Fuel、Energy、Energy Conversion and Management、Physics of Fluids、International Journal of Heat and Mass Transfer、Chinese Journal of Aeronautics等期刊发表学术论文150多篇,他引4000多次,其中8篇进入ESI前1%,出版学术专/译著7部,获省部级自然科学奖3项,形成了吸气式高速飞行器总体设计优化理论与方法体系,为国内吸气式高速飞行器的设计和工程研制提供了有力支撑。

摘要： 为避免求解复杂工程系统多学科设计优化问题时需要反复调用复杂耗时的多学科分析和进行繁琐的灵敏度计算,提出了一种基于协同近似(CMSO)的多学科设计优化方法.首先通过一种协同模型来筛选出更能反映多学科问题本身属性的样本点,通过协同模型来保证系统的多学科一致性;然后通过这些样本点分别构建自适应代理模型,并进行代理模型的验证和确认;最后选择最佳的代理模型来构建多学科优化模型并使用序列二次规划法进行优化求解.通过一个数学算例和圆柱螺旋压缩弹簧设计案例验证了CMSO法的可行性和有效性,且与单学科可行法的比较结果表明了CMSO法的高效性.

摘要： 考虑不同学科间的相互影响及耦合作用对受电弓设计优化的影响,分析了高速受电弓不同性能的设计要求,采用多学科设计优化思想建立了受电弓多学科设计的系统级优化模型及运动学、静力学、动力学和控制学的子系统优化模型;根据不同学科设计参数的耦合关系,采用协同优化方法,获取高速受电弓整体设计优化结果;建立受电弓的三维模型,采用有限元软件ANSYS验证了受电弓优化结果的有效性.结果表明:受电弓多学科协同设计优化不仅满足系统级和各个学科的设计要求,还获得高速受电弓系统的整体最优解或满意解,提高了受电弓的工作性能,降低了弓网接触力的波动,改善了弓网受流质量.

摘要： 目的研究多学科不确定性设计优化中多学科设计优化方法、不确定性建模与传递、不确定性设计优化的相关理论。方法通过研究并分析国内外相关文献,总结归纳考虑不确定性的多学科设计优化中的耦合系统解耦方法、参数和代理模型不确定性的建模方法,以及高效的不确定性传递和设计优化方法。结论系统探讨了在面对复杂多变的外界环境时,多学科设计优化对不确定性量化与传递的需求,提出多学科设计优化不仅要考虑确定性的系统,而且需要考虑由于外界环境变化导致的系统响应的不确定性。针对现有的多学科不确定性设计优化方法的理论研究,提出提高计算效率的关键在于将传统的三层嵌套循环计算框架解耦成单层循环。研究结果表明,考虑不确定性的多学科设计优化将成为复杂多学科系统设计的有力支撑,能显著提高系统的可靠性和稳健性,提高使用寿命,同时能够加快产品的更新换代设计。

摘要： 变体飞机能够改变自身外形适应不同的飞行状态,提高飞行性能,其设计涉及气动、材料、结构等多个学科.本文采用零泊松比蜂窝结构的材料作为柔性蒙皮,设计了一种具备机翼参考面积不因弯度改变而缩减的特点的机翼后缘无缝偏转机构,研究了变体机翼后缘机构多学科设计与优化方法.优化结果表明,优化后的机翼巡航和起降状态都具备良好的气动性能,不但柔性蒙皮可产生大尺度拉伸变形,而且后缘结构均能满足刚度、强度等性能指标,同时机翼结构质量相比初始设计减轻了18％.文中研究的变体机翼多学科优化设计方法,能够快速有效地完成变体机翼无缝偏转后缘优化设计.

摘要： 针对小型战术导弹总体设计过程中学科耦合性强、计算复杂度高和难以得到全局最优解等问题,对多学科设计优化技术在总体方案论证中的应用展开了研究.首先,从工程实际的角度建立了小型战术导弹推进、几何外形、气动、质量、弹道等学科设计模型.其次,运用多学科可行法,在多学科设计框架OPTIMUS中进行了学科集成与工作流的搭建,实现了仿真分析流程自动化;然后,以小型战术导弹起飞质量最小为目标,采用差分进化算法得到了一组小型战术导弹最优总体参数,使导弹质量降低了 11.6％,有效提高了导弹性能;最后,为探究导弹射程与起飞质量的耦合关系,以小型战术导弹质量最小和射程最大为目标,采用法向边界求交法进行了多目标优化设计,得到了系统的Pareto模型,为确定方案阶段小型战术导弹总体参数提供了参考.结果表明,多学科设计优化方法在小型战术导弹总体参数方案的论证中具备较强的工程应用价值.

摘要： 广泛应用的高精度分析模型使得飞行器设计优化的计算成本不断增加,为了缩短优化耗时,基于代理模型的进化算法(SAEAs)近年来得到了广泛关注.针对现有SAEAs处理约束优化问题优化效率低下的缺陷,提出了一种基于Kriging代理模型的约束差分进化算法(KRG-CDE),结合约束改善概率与最优适应度定制了一种改进的可行准则,从而提高新增样本点的潜在可行性与最优性,并根据种群改善情况,平衡算法全局探索与局部搜索性能.标准测试算例对比研究结果表明,相比于基于全局与局部代理模型的差分进化算法、(μ+λ)-约束差分进化算法,KRG-CDE算法在优化效率、全局收敛性及鲁棒性等方面具有显著优势.最后,运用KRG-CDE算法求解全电推卫星多学科设计优化问题,验证了该算法的工程实用性.

摘要： [目的]水下结构对强度、质量和振动噪声等的要求严格,为提高结构整体性能,从多学科角度优化水下结构设计具有重要意义.[方法]首先,采用改进的目标传递方法和代理模型优化水下结构振动声辐射设计,即采用改进的目标传递方法(将拉格朗日对偶原理运用到传统分级目标传递法中)实现对设计问题的分级和不同学科性能下的并行优化,并构建Kriging代理模型来解决水下结构振动声辐射计算耗时的问题;然后,以水下环肋圆柱壳(水下航行器)为例,针对轻量化、强度、振动与声辐射方面的要求,选取6个设计变量,以环肋圆柱壳的质量、应力、共振频率及其所处位置的声功率级作为目标函数,建立并行模型进行多学科设计优化.[结果]结果表明,Kriging代理模型可准确和实时预报空间任一点的响应;改进的目标传递法不仅获得了多学科优化结果,且与传统传递方法相比收敛性提高了30％.[结论]研究表明,基于所提方法得到的多学科设计优化结果更理想且收敛性更好.

摘要： 多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)是一种通过充分探索和利用系统间的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.随着多学科设计优化方法在船舶与海洋工程中的广泛应用,多学科设计优化方法越来越受到重视,目前已经发展出了多种不同的具体算法.该文的主要目的就是对这些现有的算法开展比较研究,为后续的应用选择奠定基础.论文首先介绍了MDO算法的分类和发展,对各种MDO算法的优缺点进行了比较分析,最后再通过具体算例来显示这些方法的差别.

摘要： 舰船总体设计涉及学科众多,相互关系异常复杂,传统的串行设计模式难以获得全局优化的设计,而多学科设计优化(MD0)方法则能解决传统设计问题,且越来越多地应用于复杂工程系统的设计.介绍了多学科设计优化的起源、概念和多学科设计优化的集成软件以及美国海军提高舰船设计质量所采取的保障措施.

摘要： 基于系统工程概念的多学科设计优化方法已愈来愈成为解决大型工程系统设计问题的有效方法和手段,作为典型工程系统的船舶设计,采用MDO方法必然成为趋势.本文首先阐述了船舶总体性能设计采用MDO方法的必要性,并简要介绍了当前船舶设计领域MDO应用研究的现状,之后较详细的介绍了CO算法的基本原理,在此基础上构建了基于CO算法的船舶总体性能多学科设计优化模型,并以某散货船为对象实施了多学科优化,结果表明,总体性能获得了较大的提升.

摘要： 在复杂产品的多学科设计优化中,需要将复杂系统分解为多个相互耦合的子系统,由于复杂系统存在大量的信息耦合,导致了多学科设计优化的复杂性.为了提高设计效率,分析了多学科设计优化过程中的学科耦合信息,利用灵敏度方程计算学科耦合强度,并根据学科耦合强度划分耦合等级,构建了基于耦合强度的模糊设计结构矩阵(FDSM),用截断、规划和聚合三种方法对基于耦合强度的设计结构矩阵进行解耦规划,优化了各学科的执行顺序,减少了耦合迭代,最后采用该方法对数学算例解耦规划,结果表明了该方法的有效性。

摘要： 为了减少基于可靠性的多学科设计优化的计算成本，提出了一种面向耦合多学科设计优化的分解方法。rn 定义了函数计算成本矩阵来处理可靠性函数的随机性，给出了根据函数随机特征计算函数计算成本矩阵的方法，同时定义了耦合关系矩阵来处理函数之间的耦合性，给出了识别耦合变量集的算法;基于函数计算成本矩阵和耦合关系矩阵提供的信息，改进了整体计算成本等评价指标的度量方法;利用遗传算法进行分解，寻求整体计算成本最小的分解方案;通过电子封装的多学科设计优化算例对上述方法进行了验证，通过与两个已有分解方案的对比表明，该方法能够显著减少整体计算成本。该方法与传统方法相比具有两个优势：一方面可以识别和分解耦合变量，使其能够用于耦合系统的分解;另一方面可以将可靠性函数平均分解到各子任务中，以获得更少的整体计算成本。

摘要： 高分五号卫星是我国首颗高光谱综合观测卫星,是我国高分辨率对地观测系统重大专项的重要组成部分,配置了6台有效载荷,是有效载荷最多的高分专项遥感卫星.文章以高分五号卫星的轨道设计优化为背景,利用多学科设计优化(MDO)方法,对卫星轨道设计过程中涉及到的约束条件、设计要素及他们之间的约束关系进行梳理,提出参数化的轨道设计优化思路,引入Nash均衡优化策略求解轨道设计多目标优化问题,形成了一套较为通用的轨道设计思想,并设计开发了相关分析软件.文章基于MDO的低轨多载荷遥感卫星轨道优化设计方案,以高分五号卫星的有效载荷的参数作为设计输入进行了应用举例,可作为后续多载荷遥感卫星轨道设计优化的参考.

摘要： 在当前航天产品研制中,MDO的使用范围仍然有限.根据MDO工程实施过程将MDO工程实施分解为四个步骤.结合这些步骤讨论了MDO在航天产品设计中的实施难点,指出工程MDO设计的主要难点在于MDO建模困难及MDO集成困难.提出基于近似模型的MDO实施过程,以期解决工程设计中MDO建模难的问题,从而推动MDO技术在航天产品设计中的应用.

摘要： 为了提高多源不确定下RBMDO的效率,提出了一种基于两级系统一体化(BLISS)的多学科可靠性设计优化方法.这种方法采用一种单级概率可靠性设计优化(RBDO)与基于响应面的BLISS集成的策略.这种策略把传统嵌套循环的确定性多学科设计优化(DMDO)和多学科可靠性分析(MRA)进行解耦形成顺序执行的两个模块.减少了多学科可靠性分析次数和多学科分析调用频率,提高了RBMDO的效率.在MRA模块,采用一种序列化的方法进行概率和非概率多学科可靠性分析.最后通过一个实例验证方法的有效性.

摘要： 针对标准协同优化方法系统级存在自身内部缺陷而导致计算困难,提出了一种改进协同优化方法.利用凝聚约束处理方法,将系统级优化的多个等式约束凝聚成一个单约束,结合惩罚函数法将其转化为无约束优化问题,并针对系统级采用传统优化算法对初始点选取敏感等问题,将改进的粒子群优化算法应用于协同优化.利用数值计算和减速器设计两个典型算例对所提方法进行了验证,求解结果表明了改进协同优化方法的有效性和可行性.

摘要： 针对标准协同优化方法系统级存在自身内部缺陷而导致计算困难,提出了一种改进协同优化方法.利用凝聚约束处理方法,将系统级优化的多个等式约束凝聚成一个单约束,结合惩罚函数法将其转化为无约束优化问题,并针对系统级采用传统优化算法对初始点选取敏感等问题,将改进的粒子群优化算法应用于协同优化.利用数值计算和减速器设计两个典型算例对所提方法进行了验证,求解结果表明了改进协同优化方法的有效性和可行性.

摘要： 一种基于CSSO和多精度优化模型的多学科可靠性设计优化方法，它有如下步骤：一、对于优化问题构造低精度模型，利用响应面法等获得；二、为了保证低精度近似模型和高精度模型的收敛一致性，使用乘法标度函数来限制构造的低精度模型；三、对于初始化优化模型集成并行子空间优化策略进行多学科分析；四、采用全局灵敏度方程GSE进行系统灵敏度分析；五、子空间并行优化；六、系统级协调优化；七、检测可信域，并调整其大小；八、基于先进均值法进行MPP搜索；九、判断可靠性，根据求出最可能失效点MPP，计算g(u

摘要： 本发明公开了一种基于协同优化的高超声速飞行器气动/控制/结构多学科优化设计方法。该方法考虑气动、控制、结构学科之间的耦合效应，基于传统串行优化流程，实现包括系统级和学科级的三学科协同优化架构的构建；系统级将设计变量期望值传到各学科，各学科在满足其自身约束条件下，使其优化结果与系统级传递的期望值之间的差异最小，并返回给系统级；系统级利用学科间一致性约束进行优化，并将结果再次传给学科级；经过系统级优化和学科级优化之间的多次迭代，最终得到一个最优的整体设计方案。本发明在获取整体最优性能的同时能够提高计算效率，可为高超声速飞行器的先进设计提供高效合理可行的技术思路。

摘要： 本发明公开一种并行子空间优化的临近空间飞艇多学科优化设计方法，包括步骤一、规划临近空间飞艇总体设计流程，明确优化变量、约束和目标以及气动、结构和能源子系统耦合关系；步骤二、分别对所述气动、结构和能源子系统进行参数化建模及其分析；步骤三：训练样本点建立样本空间，搭建代理模型；步骤四：根据优化策略，在ISIGHT平台上构建基于气动、结构和能量的并行子空间的优化框架，执行优化进程。该方法可用于解决临近空间飞艇气动、结构和能源一体化初步设计问题，在临近空间飞艇设计及优化的新思路探索上具有相当的参考价值。

摘要： 一种基于CSSO和多精度优化模型的多学科可靠性设计优化方法，它有如下步骤：一、对于优化问题构造低精度模型，利用响应面法等获得；二、为了保证低精度近似模型和高精度模型的收敛一致性，使用乘法标度函数来限制构造的低精度模型；三、对于初始化优化模型集成并行子空间优化策略进行多学科分析；四、采用全局灵敏度方程GSE进行系统灵敏度分析；五、子空间并行优化；六、系统级协调优化；七、检测可信域，并调整其大小；八、基于先进均值法进行MPP搜索；九、判断可靠性，根据求出最可能失效点MPP，计算g(u

摘要： 本发明涉及一种海水淡化泵叶轮结构多学科优化设计方法，其解决如何对叶轮进行优化设计从而提高海水淡化泵水力效率和运行稳定性的技术问题，其将试验设计方法、单向稳态流固耦合仿真计算、BP神经网络以及多目标粒子群算法相结合，从流体力学和结构力学两方面对海水淡化泵叶轮结构进行设计。本发明广泛用于海水淡化泵的设计与制造。

摘要： 本发明公开了一种多学科设计优化学科解耦方法，该方法在多学科耦合模型中针对学科组件之间存在相互变量依赖的耦合关系进行系统平衡分析，将同时存在正向连接和反馈连接的系统耦合环作为一个整体处理，使得原模型转变为有向有环的图数据结构，对反馈变量设置初值，求解图数据结构所对应的非线性方程，根据反馈变量计算结果与初值的差值设置反馈变量的新值，进而迭代运算直至收敛。通过本发明，提升了多学科设计优化流程的运行效率，提高了多学科设计优化方法的工程实用性，更容易得到产品设计的最优参数。

摘要： 基于遗传粒子群多学科设计优化算法的导弹参数设计方法，涉及导弹参数设计方法。本发明为了解决现有的基于智能优化算法的导弹参数设计方法不适用于多学科下设计参数较多且存在变量耦合现象的情况。本发明选取发动机喉径、发动机燃烧面面积、发动机装药肉厚、导弹外径、发动机比冲、发动机质量、燃料质量、弹翼根弦长、尾翼根梢长、尾翼梢弦长作为设计参数：然后利用遗传算法对标准粒子群算法中的三个控制参数w、c

摘要： 本发明公开了一种多学科设计优化学科解耦方法，该方法在多学科耦合模型中针对学科组件之间存在相互变量依赖的耦合关系进行系统平衡分析，将同时存在正向连接和反馈连接的系统耦合环作为一个整体处理，使得原模型转变为有向有环的图数据结构，对反馈变量设置初值，求解图数据结构所对应的非线性方程，根据反馈变量计算结果与初值的差值设置反馈变量的新值，进而迭代运算直至收敛。通过本发明，提升了多学科设计优化流程的运行效率，提高了多学科设计优化方法的工程实用性，更容易得到产品设计的最优参数。

摘要： 本发明公开了一种基于序列协同优化的风电齿轮箱多学科可靠性设计优化方法；其包括构建多学科可靠性设计优化模型，引入协同优化，对风电齿轮箱进行不确定分析并引入序列优化进行可靠性分析，构建基于序列协同优化的多学科设计优化模型并将其工程应用于风电齿轮箱，构建基于序列协同优化的风电齿轮箱多学科可靠性设计优化模型，实现对风电齿轮箱进行多学科可靠性设计优化。本发明通过将多学科设计优化理论、协同优化理论以及序列优化理论相结合，解决了使用协同优化时，不确定因素的考量会使得兼容性约束变得复杂，系统级优化非线性特征增加从而导致设计结果不准确问题，从而满足风电齿轮箱产品高可靠性的要求。

摘要： 基于遗传粒子群多学科设计优化算法的导弹参数设计方法，涉及导弹参数设计方法。本发明为了解决现有的基于智能优化算法的导弹参数设计方法不适用于多学科下设计参数较多且存在变量耦合现象的情况。本发明选取发动机喉径、发动机燃烧面面积、发动机装药肉厚、导弹外径、发动机比冲、发动机质量、燃料质量、弹翼根弦长、尾翼根梢长、尾翼梢弦长作为设计参数：然后利用遗传算法对标准粒子群算法中的三个控制参数w、c