多学科设计优化研究进展

多学科设计优化是一种基于学科分析和优化的集成的系统设计方法论,是解决航天器设计等复杂工程系统问题的有效手段。综述了多学科设计优化的研究进展及其在航天器设计中的应用。重点介绍了系统数学建模、分解与组织技术及多学科设计优化算法等关键技术,讨论了多学科设计优化目前存在的问题和发展趋势。     

多学科设计优化方法的研究及其优化系统的构建

为提高对复杂系统的优化设计效率,构建了针对复杂系统的多学科工程设计优化系统MEDOS.MEDOS系统主要由用户界面、驱动系统、前处理、算法库、数据库及后处理模块组成.MEDOS系统能够对复杂系统进行分解、建模,调用相应的通用算法和专用算法完成优化设计,不仅能够求解一般的工程优化问题,而且对于涉及离散、随机的优化问题也有很强的求解能力,具有友好的用户界面,为应用多学科设计优化方法提供了便利.     

拓扑优化在发动机吊挂结构设计中的应用

研究了拓扑优化技术及其在航空发动机吊挂结构设计中的应用。建立了拓扑优化问题的数学模型,进行了灵敏度分析,采用CONLIN算法进行优化迭代求解,并介绍了消除数值不稳定现象棋盘格的方法。建立了基于通用有限元分析软件ANSYS和CONLIN优化算法的优化设计平台,采用FORTRAN语言编写了相应的有限元二进制数据读取、灵敏度求解、灵敏度过滤和流程控制等算法。将本方法用于发动机吊挂的结构设计中并得到合理的结果,证实了其有效性。     

基于粒子群优化算法的车间布局设计

为降低车间内设备间的物料搬运成本,将粒子群优化算法与经典的系统化布置设计法相结合,以设备间的搬运成本为目标,求解面向车间布局的连续空间优化问题。在问题建模时采用二维向量表述设备的连续空间位置;引入系统化布置设计法对初始粒子群进行优化,在保证初始粒子群有效性的基础上提高了算法的寻优速度和精度;通过对加速系数和惯性系数的设定,提高了粒子群优化算法的寻优质量。通过实例验证了所提方法可以有效提高粒子群算法在连续空间布局问题上的优化性能。     

基于蚁群算法的机翼结构布局优化方法

提出了一种工程实用性强的飞机翼面结构布局优化方法。将机翼布局优化问题分解为拓扑优化与尺寸优化两个优化子问题来处理：尺寸优化采用成熟的准则法来处理;根据基结构法思想将拓扑优化转化为N根翼梁的0/1规划问题,并采用改进的蚁群算法来处理。为了加快蚁群算法的进化速度,避免重复计算,引入了蚂蚁路径数据库。算例结果表明：改进的蚁群算法有较高的效率;所提结构布局优化方法减重效果明显,是可行和有效的。     

复杂产品多学科设计优化技术

针对复杂产品设计过程中存在学科组成多、学科高度耦合、复杂产品不能进行全面优化设计的问题,指出在复杂产品设计中应用多学科设计优化(Multidisciplinary design optimization, MDO)方法的必要性.阐述MDO的国内外发展现状及其基本概念.分析MDO的知识体系,总结出MDO研究应包括理论和应用两大方面,前者主要包括数学建模、系统分解、优化框架、近似模型、灵敏度分析和优化算法等理论方法,后者主要涉及软件集成、数据转换、设计数据管理、可视化、项目管理和并行计算等技术,并指出这些理论方法与应用技术间的关系.结合实际情况,建议我国应在理论创新、集成平台开发和技术推广等方向开展MDO研究工作.     

基于协同优化算法的平面连杆机构多学科设计优化

在传统的机构优化理论的基础上,结合机构设计的非线性、学科之间存在耦合性的特点,引入多学科设计优化的思想,进行平面连杆机构的设计优化.以平面四杆机构为例,首先按照学科分析模块分解平面连杆机构优化问题,然后采用改进的多学科设计优化的协同优化算法,实现平面连杆机构的机构学和控制两个学科的设计优化.研究结果表明,优化的机构不仅满足各个学科的约束,取得了各个目标函数的最优值,而且也获得了整体近似最优解.     

智能优化算法在无功优化中的应用综述

对无功优化的研究现状进行了总结,对现有的无功优化算法进行了分类。重点介绍了智能优化算法在电力系统无功优化中的应用及其优缺点,在此基础上,概括了几种常用混合优化算法。最后指出了无功优化的发展趋势。     

基于改进FOA匹配追踪的超声信号处理研究

针对信号稀疏分解中常用的匹配追踪算法运算耗时较长、分解不够准确等问题,将结合混沌映射与局部搜索思想的改进果蝇优化算法应用于匹配追踪中,以提高信号稀疏分解的速度与准确度.将该算法应用于超声回波仿真信号和换热管污垢超声检测实验信号的处理,并与其他几种常用匹配追踪算法进行比较.结果表明该改进果蝇优化匹配追踪算法,在提高信号稀疏分解速度的同时,获得了较好的降噪与信息提取效果,对超声检测信号的处理具有较重要意义.     

检具设计中工件定位方案的自动确定方法

为了准确、稳定地定位具有复杂自由曲面的被检测零件,提出一种基于3-2-1约束的移动点法,使得定位点能够在被测零部件表面上连续移动,避免了传统算法因离散化工件模型所导致的精度损失。将定位准确性和稳定性作为评价指标,提出一种定位方案设计多目标优化和择优算法,能够无需人工干预地选取最终优化的权衡解。基于计算机辅助设计平台实现了相关算法,并通过实例验证了算法的可行性和实用性。     

用遗传算法提高协同优化方法的可靠性

分析了协同优化方法可靠性不好的根源。提出了用遗传算法来替代系统级优化问题中的基于梯度的优化算法的策略。实例表明所提出的策略是可行有效的。     

多工况条件下土石方机械铲斗斗齿的优化设计

根据斗齿的受载情况和结构特点，提出了斗齿结构优化的求解策略，齿座以降低重量为主，齿尖以降低应力为主，因此，对斗齿齿座部分进行尺寸优化，对齿尖部分进行形状优化。最后进行了斗齿结构优化的实例计算，算例表明，通过结构优化设计，可以使斗齿重量减轻，在施工中阻力减小，从而使其耐磨性和使用寿命提高，成本降低。     

基于多目标非耦合优化策略的可靠性稳健优化设计

以实现多目标问题的可靠性稳健优化设计为目标,通过对目标函数和约束条件进行灵敏度分析,生成目标函数和约束函数的灵敏度附加项,建立了基于灵敏度附加目标函数的可靠性稳健优化设计模型;基于独立公理,使用正交试验和方差分析技术确定设计变量对各个设计目标的影响程度,将设计参数按无耦合或准耦合设计形式分组,把多目标优化问题单目标化,避免多个设计目标之间的反复权衡;结合增广乘子法,应用MATLAB的优化和符号工具箱来实现钳形盘式制动器的可靠性稳健优化设计。算例表明,提出的稳健设计方法具有较高的精度和可靠度。     

基于均匀布点的全局优化方法

把实验设计中的均匀设计思想引入优化设计,提出了一种将确定性和随机性相结合的优化方法。该方法根据均匀设计原理在优化模型的设计变量空间内均匀分布一系列点,然后,将可行域内的上述系列布点作为优化模型的一系列局部最优点。最后,比较所有局部最优点的最优值,即认为在一定程度上获得了该优化问题的全局最优解。该算法可求取非线性多峰函数的全局最优解。编制了计算程序,给出了计算实例,计算结果表明该设计方法是可行的。     

机械系统可靠性优化设计的实现策略

提出机械系统可靠性优化设计的３种实现策略：一是直接求解系统可行性优化设计整体数学规划模型的耦合优化策略;二是将单元可靠性优化设计模型和系统可靠性优化分配模型联立迭代求解的分解协调经策略;三是将单元可靠性优化分配模型分别独立求解的分散优化策略。前者适用于规模不大的机械系统的可靠性优化设计,后二者适用于规模较大的机械系统的可靠性优化设计。     

基于计算试验设计与代理模型的飞行器近似优化策略探讨

现代飞行器设计优化中广泛应用高精度分析模型以提高设计可信度与综合性能,但是也带来了计算复杂性问题。为了有效缓解计算耗时的问题,基于计算试验设计与代理模型的飞行器近似优化策略成为研究热点。近似优化策略通过构造合理的近似模型引导优化过程快速收敛到最优解,从而达到降低计算成本,缩短设计周期的目的。根据广泛的文献调研,对飞行器近似优化策略的发展现状进行详细探讨。给出近似优化策略的定义、求解流程、特点以及关键技术。对计算试验设计方法、代理模型方法、精度校验与代理模型选择方法等技术进行综述。围绕静态与自适应两类近似优化策略,重点讨论典型的代理模型管理与更新策略与收敛准则。针对飞行器多学科设计优化问题,探讨近似优化策略与分解策略在求解效率与收敛性方面的技术特点。通过数值算例对各项关键技术的特点进行较详尽的对比分析与总结,并依托飞行器设计优化工程实例对近似优化策略的综合性能进行探讨,指出不同近似优化策略的适用范围。研究结果表明,飞行器近似优化策略在优化效率、全局收敛性以及鲁棒性等方面体现出较显著的优势,具有良好的工程应用前景。指出飞行器近似优化策略的未来研究方向。     

基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计

在汽车车身结构NVH和侧面碰撞安全性研究中,实施多学科多目标优化的可行性设计。通过试验设计制定试验方案并进行数据采样,构建考虑整车侧撞安全性、白车身模态、静态弯曲刚度、扭转刚度和轻量化等性能的响应面近似模型,然后对车身结构分别进行确定性和可靠性轻量化单目标设计。最后,运用多目标遗传算法结合多学科协同优化对车身结构进行多目标优化设计,获取Pareto最优化解集。研究结果表明:可靠性优化设计较确定性优化设计而言,能考虑产品设计和生产过程中的不确定性因素,保证产品稳健性;车身结构的多目标优化设计全面考虑了车身结构轻量化、NVH和碰撞安全性能等多学科之间的耦合和解耦;设计者可按需选择其满意的优化结果,这将大幅缩减产品开发周期、降低产品开发成本。     

拓扑及参数优化方法在专用汽车车架结构设计中的应用

提出了将拓扑优化理论和结构参数优化方法综合应用于集装箱半挂车车架结构设计中的设计思想。在结构设计的开始阶段引入拓扑优化理论．先对结构进行布局优化,以获得较合理的初始结构方案,再通过结构参数优化设计,得到满足其强度和刚度及设计工艺要求的最优结构。探讨了拓扑优化设计过程中,基本结构建立、优化过程控制及优化结果分析与应用等问题。在ANSYS软件平台上进行了CAE软件包的二次开发．设计了集装箱半挂车车架优化设计专用软件模块。     

汽车车身的多学科优化设计(MDO)研究

多学科优化设计 (MDO)为机械结构件结构优化提供了一条更为系统、精确的方法。本文主要讨论和研究了汽车车身MDO中的一些关键技术问题 ,并以轻型货车EQ10 6 0F驾驶室车身为例 ,对其进行了多学科结构优化设计 ,为汽车车身的设计提供了一条新的设计思路     

一种具有全局稳定性的多学科协同优化方法

针对协同优化对初始点选取敏感和易收敛到局部极值点的问题,提出了一种具有全局稳定性的协同优化方法.该方法采用全局优化和局部优化两阶段优化策略.在全局优化阶段,系统级优化采用较大的松弛因子,在保证学科间一致性的前提下,将初始点优化到伞局极值点附近;在局部优化阶段,逐步减少松弛因子,增强学科间的一致性,得到全局极值点.两个典型的优化算例表明,优化结果不受初始点的影响,有效增强了协同优化的全局稳定性,并具有较好的可行性和收敛速度.