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第第 四四 章章搜寻设计域搜寻设计域M4-2搜寻设计域搜寻设计域总论总论搜寻设计域的意思很简单，就是对各种设计进行尝试。搜寻设计域的意思很简单，就是对各种设计进行尝试。一旦建立了一个参数化模型和一个分析文件，搜寻设计域就变得简一旦建立了一个参数化模型和一个分析文件，搜寻设计域就变得简单易行。单易行。分析文件分析文件搜寻设计域搜寻设计域进行优化设计进行优化设计初始设计初始设计参数化建模和加载参数化建模和加载求解求解参数化结果参数化结果M4-3ANSYS 优化程序提供了多种优化程序提供了多种 工具工具 以探测设计领域。以探测设计领域。搜寻设计域搜寻设计域 总论总论单步循环法随机法扫描法梯度法乘子法M4-4搜寻设计域搜寻设计域 总论总论单步循环单步循环对整个分析文件执行一次循环。对整个分析文件执行一次循环。对对 what-if 脚本非常有用，如：脚本非常有用，如：“假如（假如（What if）消除此构架桥对消除此构架桥对角线元件角线元件(设定其横截面积为一个很小值设定其横截面积为一个很小值)将会怎样将会怎样?”H1H2在一次优化运行后，若要恢复在一次优化运行后，若要恢复（从新产生）一个要求的设计（从新产生）一个要求的设计也可用此单步循环法。也可用此单步循环法。A1A1A2A3M4-5搜寻设计域搜寻设计域 总论总论随机工具随机工具通过给定设计变量的随机值产生随机设计。通过给定设计变量的随机值产生随机设计。对于只有几个对于只有几个“良好良好”设计的情况，要启动一个子序列设计优化过设计的情况，要启动一个子序列设计优化过程，随机工具是很有用的。程，随机工具是很有用的。M4-6搜寻设计域搜寻设计域 总论总论扫描工具扫描工具对每个对每个DV，在整个设计变量域中扫描。在整个设计变量域中扫描。对全局敏感性研究很有用对全局敏感性研究很有用-在某一在某一DV值的整个范围内对给定设计有值的整个范围内对给定设计有什么影响。什么影响。DV2DV1M4-7搜寻设计域搜寻设计域 总论总论梯度工具梯度工具对每个对每个DV改变一小量，在相邻领域内，产生参考设计的一些设计方改变一小量，在相邻领域内，产生参考设计的一些设计方案案。对局部敏感性研究中很有用对局部敏感性研究中很有用-了解了解DV的小小扰动，如何影响给定的的小小扰动，如何影响给定的设计。设计。你可查对你可查对OBJ 和和 SV 的斜率，察看每个的斜率，察看每个DV对参考设计的影响。对参考设计的影响。OBJDVM4-8搜寻设计域搜寻设计域 总论总论乘子工具乘子工具一个表明设计域所有极点或一个表明设计域所有极点或“角落角落”示例的统计工具，即每个示例的统计工具，即每个 DV最最小或最大值时的结果。小或最大值时的结果。不仅对理解每个不仅对理解每个DV对设计的影响很有帮助，而且对理解两变量和三对设计的影响很有帮助，而且对理解两变量和三变量交互的影响也很有用。变量交互的影响也很有用。用于试验设计用于试验设计(因为乘子法广泛用于试验结果的解释因为乘子法广泛用于试验结果的解释)。M4-9搜寻设计域搜寻设计域过程过程一旦建立了分析文件一旦建立了分析文件,所有优化工具都用如下同样的步骤所有优化工具都用如下同样的步骤：1.建立初始设计建立初始设计2.进入优化程序并确认分析文件进入优化程序并确认分析文件3.确认优化变量确认优化变量4.执行优化工具执行优化工具5.查看结果查看结果M4-10搜寻设计域搜寻设计域 过程过程为了说明执行步骤为了说明执行步骤,用一个半对称构架桥模型的例子。用一个半对称构架桥模型的例子。目标是评价总体积，满足：目标是评价总体积，满足：最大纵向变形最大纵向变形 1.0 in最大元件应力最大元件应力 File Read Input from或或/INPUT 命令命令:/input,trussbr,inpM4-12搜寻设计域搜寻设计域 过程过程步骤步骤 2.进入优化程序并确认分析文件进入优化程序并确认分析文件本步很简单：告知优化程序分析文件的名称。本步很简单：告知优化程序分析文件的名称。用：用：Main Menu Design Opt -Analysis File-Assign或或 OPANL 命令：命令：/optopanl,trussbr,inpM4-13搜寻设计域搜寻设计域 过程过程步骤步骤 3.确认优化变量确认优化变量本步定义合适的参数为本步定义合适的参数为DV,SV,和和 OBJ。用：用：设计优化菜单（如右）设计优化菜单（如右）.或或 OPVAR 命令：命令：opvar,a1,dv,1,10opvar,uymax,sv,-1.0opvar,totvol,objetc.M4-14搜寻设计域搜寻设计域 过程过程步骤步骤 4.运行优化工具运行优化工具步骤步骤 5.查看结果查看结果将分别描述应用每一工具时的这些步骤将分别描述应用每一工具时的这些步骤，因为对，因为对每种工具这些步骤都是相同的。每种工具这些步骤都是相同的。M4-15搜寻设计域搜寻设计域-过程过程单步循环工具单步循环工具3第第1步步.建立初始设计建立初始设计3第第2步步.进入优化程序并确认分析文件进入优化程序并确认分析文件3第第3步步.确认优化变量确认优化变量第第4步步.选用优化工具选用优化工具本步包括：本步包括：选择单步循环工具选择单步循环工具指定要求的指定要求的 DV 值值初始化运行初始化运行M4-16搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 单步循环工具单步循环工具选择单步循环工具选择单步循环工具Design Opt Method/Tool选择单步运行选择单步运行或用或用 OPTYPE 命令：命令：optype,runM4-17搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 单步循环工具单步循环工具确认要求的确认要求的 DV 值值用用Name=Value（参数名（参数名=值值）的格式的格式,在输入窗或标量参数对话框在输入窗或标量参数对话框中输入中输入(Utility Menu Parameters Scalar Parameters.).这些值可假定表示为一种你想要解释的这些值可假定表示为一种你想要解释的what-if（假如（假如）脚本脚本。a1=10a2=8a3=0.01(very small value)h1=300h2=400例如，例如，假如取消构架桥的对角线元假如取消构架桥的对角线元件，将会怎样件，将会怎样?M4-18搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 单步循环工具单步循环工具初始化初始化Design Opt Run或用或用 OPEXE 命令：命令：opexe这就创建了一个新的设计集这就创建了一个新的设计集,和新的状态变量和目标函数值和新的状态变量和目标函数值。M4-19搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 单步循环工具单步循环工具M4-20搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 单步循环工具单步循环工具步骤步骤 5.查看结果查看结果一种简单的办法就是列出设计集并检查状态变量和目标函数值：一种简单的办法就是列出设计集并检查状态变量和目标函数值：Design Opt -Design Sets-List或用或用 OPLIST 命令：命令：oplistM4-21搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 单步循环工具单步循环工具对构架桥的例子，对构架桥的例子，OPLIST 给出的该设计给出的该设计(第二设计集第二设计集)因中间元件因中间元件(SCMID)的高压应力和左边元件的高压应力和左边元件(STLEFT)的高拉应力而落入不可行域。的高拉应力而落入不可行域。M4-22搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 单步循环工具单步循环工具查看结果的另一种方法是用查看结果的另一种方法是用 POST1 (通用后处理通用后处理)：变形形状变形形状应力云图应力云图等等。等等。M4-23搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 单步循环工具单步循环工具ANSYS 允许执行任意步的单步循环。允许执行任意步的单步循环。每一设计就是给出了一个新的集号，而所有的设计集存于优化数据每一设计就是给出了一个新的集号，而所有的设计集存于优化数据库中库中(缺省为缺省为jobname.opt)。可用可用 OPSEL 或或 Design Opt -Design Sets-Select/Delete命令来只命令来只保留可行设计保留可行设计。单步循环的一种可能的应用是执行若干个单步循环并用这些设计集单步循环的一种可能的应用是执行若干个单步循环并用这些设计集作为设计优化的初始点。作为设计优化的初始点。或可用随机工具（或可用随机工具（Random tool）来产生多个随机设计来产生多个随机设计.M4-24搜寻设计域搜寻设计域-过程过程随机工具随机工具用给用给DV赋随机值的方法产生多个设计赋随机值的方法产生多个设计过程如下：过程如下：3步骤步骤 1.建立初始设计建立初始设计3步骤步骤2.进入优化程序并进入优化程序并3步骤步骤3.确认优化变量确认优化变量步骤步骤 4.运行优化工具运行优化工具步骤步骤 5.查看结果查看结果M4-25搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 随机工具随机工具步骤步骤 4.运行优化工具运行优化工具本步包括：本步包括：指定运行控制指定运行控制选择随机工具选择随机工具保存优化数据库保存优化数据库初始化运行初始化运行M4-26搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 随机工具随机工具运行控制运行控制给定优化数据库文件名给定优化数据库文件名(OPDATA 命令命令)，缺省为：，缺省为：jobname.opt。如何读取分析文件如何读取分析文件(OPLOOP)。缺省为从头读起，并忽略缺省为从头读起，并忽略 DV 参数的参数的定义。定义。打印控制打印控制(OPPRNT)。缺省为删除细节。缺省为删除细节。保存最优设计选项保存最优设计选项(OPKEEP)。允许一旦产生，就保留最优设计允许一旦产生，就保留最优设计。缺省为缺省为 OFF（不保留）不保留）。用上述命令或用上述命令或 Design Opt ControlsM4-27搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 随机工具随机工具选择随机工具选择随机工具要求两项信息：要求两项信息：要产生的随机设计数要产生的随机设计数(NITR)。可停机的可行设计数可停机的可行设计数(NFEAS)。这对完成设计优化之前产生一定量的这对完成设计优化之前产生一定量的可行设计是很有用的。可行设计是很有用的。缺省为执行全部缺省为执行全部 NITR 次迭代。次迭代。用用 OPTYPE 和和 OPRAND 命令：命令：optype,randomoprand,nitr,nfeasM4-28搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 随机工具随机工具或或Design Opt Method/Tool.M4-29搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 随机工具随机工具保存优化数据库保存优化数据库允许在必要时恢复优化数据库的当前状态。允许在必要时恢复优化数据库的当前状态。指定一个不同于指定一个不同于 jobname.opt 的文件名，因为缺省文件名每次迭代都的文件名，因为缺省文件名每次迭代都会被更新会被更新。Design Opt -Opt Database-Save或或 OPSAVE 命令：命令：opsave,trussbr,opt0M4-30搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 随机工具随机工具初始化运行初始化运行Design Opt Run或用或用 OPEXE 命令：命令：opexe产生了最多产生了最多 NITR 个设计个设计。NITR 是是OPRAND命令要求的设计随机数。命令要求的设计随机数。M4-31搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 随机工具随机工具步骤步骤 5.查看结果查看结果典型的方法是列出随机设计集典型的方法是列出随机设计集：Design Opt -Design Sets-List或用或用 OPLIST 命令：命令：oplistM4-32搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 随机工具随机工具随机工具作为一个设计优化过程的先行步骤是很有用的：可以产生随机工具作为一个设计优化过程的先行步骤是很有用的：可以产生随机设计，只选择其中的可行解，随机设计，只选择其中的可行解，将其作为优化过程的起点将其作为优化过程的起点。下一步，我们来看看如何应用扫描工具。下一步，我们来看看如何应用扫描工具。M4-33搜寻设计域搜寻设计域-过程过程扫描工具扫描工具扫描工具用于指定设计，和保持其他常数不变，对每个扫描工具用于指定设计，和保持其他常数不变，对每个DV在整个范在整个范围内的增量的一个参考点。围内的增量的一个参考点。给出一个设计变量全局敏感性定量影响的概念。给出一个设计变量全局敏感性定量影响的概念。其过程如下其过程如下：3步骤步骤 1.建立初始设计建立初始设计3步骤步骤 2.进入优化程序并确认分析文件进入优化程序并确认分析文件3步骤步骤 3.确认优化变量确认优化变量步骤步骤 4.运行优化工具运行优化工具步骤步骤 5.查看结果查看结果M4-34搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 扫描工具扫描工具步骤步骤 4.运行优化工具运行优化工具本步包括：本步包括：指定运行控制指定运行控制选择扫描工具选择扫描工具保存优化数据库保存优化数据库初始化运行初始化运行M4-35搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 扫描工具扫描工具运行控制运行控制给定优化数据库文件名给定优化数据库文件名(OPDATA 命令命令)，缺省为，缺省为 jobname.opt。如何读取数据库文件如何读取数据库文件(OPLOOP)，缺省为从头读起，并且忽略缺省为从头读起，并且忽略 DV 参数参数的定义。的定义。打印输出控制打印输出控制(OPPRNT)，缺省为删除细节。缺省为删除细节。保存最优设计选项保存最优设计选项(OPKEEP)。允许一旦产生，就保留最优设计允许一旦产生，就保留最优设计。缺缺省为省为 OFF（不保留）不保留）。用上述命令或用上述命令或 Design Opt ControlsM4-36搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 扫描工具扫描工具选择扫描工具选择扫描工具要求两项信息：要求两项信息：参考设计集数参考设计集数 DSET。当对每个当对每个 DV 扫描时，扫描时，其他的其他的 DV 保持由保持由DSET指定的值。如果只有一个设计指定的值。如果只有一个设计(如初始设计如初始设计)，则该设计被用作则该设计被用作参考点。参考点。每个每个DV 的扫描点数的扫描点数(NSPS)。如如 NSPS=2 则每个则每个DV产生两个设计产生两个设计，在最小和最大值处。在最小和最大值处。M4-37搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 扫描工具扫描工具用用Design Opt Method/Tool.或或 OPTYPE 和和 OPSWEEP 命命令：令：optype,sweepopsweep,dset,nspsM4-38搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 扫描工具扫描工具保存优化数据库保存优化数据库用用 OPSAVE命令命令 或或 Design Opt -Opt Database-Save初始化运行初始化运行用用 OPEXE 或或 Design Opt Run建立建立 NSPS*N 个设计个设计，这里这里 NSPS 是每个设计变量的扫描点数是每个设计变量的扫描点数，N 是设计变量数。是设计变量数。M4-39搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 扫描工具扫描工具步骤步骤 5.查看结果查看结果由扫描工具所得的结果可知，每个由扫描工具所得的结果可知，每个 DV 如何影响设计如何影响设计-全局敏感性全局敏感性例如，如果例如，如果A3（对角线元件的面积）由对角线元件的面积）由 MIN 增加到增加到 MAX，UYMAX（纵向变形）将如何变化？纵向变形）将如何变化？要查看结果，可用图形和列表方式。要查看结果，可用图形和列表方式。M4-40搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 扫描工具扫描工具图形方式：图形方式：Design Opt Tool Results -Graph-Sweeps.或或 OPLSW 命令：命令：oplsw,uymax,a1,a2,a3M4-41搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 扫描工具扫描工具列表方式：列表方式：Design Opt Tool Results Print.或或 OPRSW 命令：命令：oprsw,all打印一个规格化的响应变量值对规格打印一个规格化的响应变量值对规格化的化的DV值的关系。值的关系。M4-42搜寻设计域搜寻设计域-过程过程梯度工具梯度工具梯度工具用一个指定设计为参考点，并且稍稍改变每个梯度工具用一个指定设计为参考点，并且稍稍改变每个DV，以决定以决定局部敏感性。局部敏感性。测试优化设计对测试优化设计对DV微小变化的敏感性，对下续的设计优化是很有用微小变化的敏感性，对下续的设计优化是很有用的。的。过程如下：过程如下：3步骤步骤 1.建立初始设计建立初始设计3步骤步骤 2.进入优化程序，并确认分析文件进入优化程序，并确认分析文件3步骤步骤 3.确认优化变量确认优化变量步骤步骤 4.运行优化工具运行优化工具步骤步骤 5.查看结果查看结果M4-43搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 梯度工具梯度工具步骤步骤 4.运行优化工具运行优化工具本步包括：本步包括：指定运行控制指定运行控制选择梯度工具选择梯度工具保存优化数据库保存优化数据库初始化运行初始化运行M4-44搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 梯度工具梯度工具运行控制运行控制给定优化数据库文件名给定优化数据库文件名(OPDATA 命令命令)，缺省为：，缺省为：jobname.opt。如何读取分析文件如何读取分析文件(OPLOOP)。缺省为从头读起，并忽略缺省为从头读起，并忽略 DV 参数的参数的定义。打印输出控制定义。打印输出控制(OPPRNT)，缺省为删除细节。缺省为删除细节。保存最优设计选项保存最优设计选项(OPKEEP)。允许一旦产生，就保留最优设计允许一旦产生，就保留最优设计。缺缺省为省为 OFF（不保留）不保留）。用上述命令，或用上述命令，或 Design Opt ControlsM4-45搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 梯度工具梯度工具选择梯度工具选择梯度工具要求两项信息：要求两项信息：参考设计集数参考设计集数 DSET。本设计集中的本设计集中的DV 值对梯度的测量有一点点的值对梯度的测量有一点点的影响。如果只有一个设计影响。如果只有一个设计(如初始设计如初始设计)，则该设计被用作参考点。则该设计被用作参考点。变化量变化量 DELTA,指定为差额的百分数。指定为差额的百分数。每个每个 DV 的改变量为的改变量为 DELTA*(MAX-MIN)/100DELTA defaults to 0.5.M4-46搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 梯度工具梯度工具用用Design Opt Method/Tool.或或 OPTYPE 和和 OPGRAD 命令：命令：optype,sweepopgrad,dset,deltaM4-47搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 梯度工具梯度工具保存数据库保存数据库用用 OPSAVE 或或 Design Opt -Opt Database-Save初始化运行初始化运行用用 OPEXE 或或 Design Opt Run创建创建 N 个设计个设计,这里这里 N 设计变量数。设计变量数。M4-48搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 梯度工具梯度工具步骤步骤 5.查看结果查看结果由梯度工具的结果可知，由梯度工具的结果可知，DV的一个微小改变如何影响设计的一个微小改变如何影响设计-亦即局亦即局部敏感性。部敏感性。例如例如，如果中跨高度如果中跨高度H2 波动波动1%，UYMAX 如是中间跨将如何改变如是中间跨将如何改变？为此，可用图形或列表方式查看。为此，可用图形或列表方式查看。两个输出均基于两个输出均基于DV的的 1%改变。改变。M4-49搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 梯度工具梯度工具图形方式图形方式Design Opt Tool Results -Graph-Gradient.或或 OPLGR 命令：命令：oplsw,uymax,a1,a2,a3M4-50搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 梯度工具梯度工具列表方式：列表方式：Design Opt Tool Results Print.或或 OPRSW 命令：命令：oprgr,allM4-51搜寻设计域搜寻设计域-过程过程乘子工具乘子工具本工具给出设计域的极端值实例本工具给出设计域的极端值实例-所有所有DV的最小和最大值。的最小和最大值。有完全乘子和分数乘子法可用。有完全乘子和分数乘子法可用。完全乘子产生完全乘子产生 2n 个设计个设计，这里这里 n 是是DV数数。分数乘子产生分数乘子产生 乘子乘子*2n 个设计，这里乘子可以是个设计，这里乘子可以是 1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,或或 1/64.Amin BminAmin BmaxAmax BminAmax Bmax例如，现有两个设计变量例如，现有两个设计变量 A 和和 B，完全的乘子法会产生四组设计。完全的乘子法会产生四组设计。M4-52搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 乘子工具乘子工具其过程如下其过程如下：3步骤步骤 1.建立初始设计建立初始设计3步骤步骤 2.进入优化程序并确认分析文件进入优化程序并确认分析文件3步骤步骤 3.确认优化变量确认优化变量步骤步骤 4.运行优化工具运行优化工具步骤步骤 5.查看结果查看结果M4-53搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 乘子工具乘子工具步骤步骤 4.运行优化工具运行优化工具本步包括：本步包括：指定运行控制指定运行控制选择乘子工具选择乘子工具保存优化数据库保存优化数据库初始化运行初始化运行M4-54搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 乘子工具乘子工具运行控制运行控制给定优化数据库文件名给定优化数据库文件名(OPDATA 命令命令)，缺省为，缺省为 jobname.opt。如何读取数据库文件如何读取数据库文件(OPLOOP)，缺省为从头读起，并且忽略缺省为从头读起，并且忽略 DV 参数参数的定义。的定义。打印输出控制打印输出控制(OPPRNT)，缺省为删除细节。缺省为删除细节。保存最优设计选项保存最优设计选项(OPKEEP)。允许一旦产生，就保留最优设计允许一旦产生，就保留最优设计。缺省为缺省为 OFF（不保留）不保留）。用上述命令或用上述命令或 Design Opt ControlsM4-55搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 乘子工具乘子工具选择乘子工具选择乘子工具指定完全或分数乘子：指定完全或分数乘子：full,1/2,1/4 等等。等等。用用Design Opt Method/Tool.或或 OPTYPE 和和 OPFACT 命令：命令：optype,factopfact,typeM4-56搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 乘子工具乘子工具保存优化数据库保存优化数据库用用 OPSAVE 或或 Design Opt -Opt Database-Save初始化运行初始化运行用用 OPEXE 或或 Design Opt RunM4-57搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 乘子工具乘子工具步骤步骤 5.查看结果查看结果由乘子工具结果，可以看到：由乘子工具结果，可以看到：主影响，即每个主影响，即每个DV对设计的全面影响。对设计的全面影响。两变量交叉的影响，两变量交叉的影响，即一个即一个DV对设计的影响，与另一个对设计的影响，与另一个DV值的关系值的关系如何。如何。三变量交叉的影响。三变量交叉的影响。可用直方图或列表方式来查看。可用直方图或列表方式来查看。M4-58搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 乘子工具乘子工具直方图：直方图：Design Opt Tool Results -Graph-Factorial.或或 OPLFA 命令：命令：oplfa,name,effectM4-59搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 乘子工具乘子工具此直方图表明了此直方图表明了SCLEFT 的的主影响主影响(构架桥左区的最大构架桥左区的最大压应力压应力)。A1 和和 H1(1号和号和 4号号 DV)的的影响最大，影响最大，而而 H2(5号号DV)事事实上对实上对SCLEFT 没有影响。没有影响。M4-60搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 乘子工具乘子工具2-因素因素 DV交互作用对交互作用对SCLEFT的影响：的影响：M4-61搜寻设计域搜寻设计域-过程过程 乘子工具乘子工具列表方式：列表方式：Design Opt Tool Results Print.或或 OPRFA 命令：命令：oprfa,allM4-62搜寻设计域搜寻设计域练习练习本练习将对先前练习中的六角钢板进行扫描和梯度法优化的研究本练习将对先前练习中的六角钢板进行扫描和梯度法优化的研究。详见设计优化练习附录。详见设计优化练习附录。