多学科设计优化综述.pptx

2015/10/20,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,单击此处编辑母版标题样式,基于有限元分析的曲轴多学科设计优化,多学科设计优化综述,机械工程学院,机械设,计及理论,季懿,栋,152331401,机械工程学院,机械设,计及理论,张苗苗,1105050315,多学科设计优化形成动因,多学科设计优化研究内容,多学科设计优化发展现状,多学科设计优化挑战展望,合,转,承,起,CONTENT,目,录,录,续,以论文为基础的应用分析,多学科设计优化形成动因,1,0,液压,流体力学,结构力学,传热学,计算流体力学,热力学,空气动力学,飞机的设计,学科,孤岛,传热学,电磁学,摩擦学,热力学,流体力学结构力学,动力学,美国航空航天局,美国航空航天学会,NASA,与,AIAA,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,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,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,多学科设计优化的目的,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,通过实现并行计算和设计，缩短设计周期,通过充分利用各个学科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,多学科设计优化的意义,2,3,1,采用高精度的分析模型，提高设计结果的可信度,多学科设计优化研究内容,20,MDO,研究对象,近似方法,面向设计的分析,系统分解技术,数学建模,计算框架,求解策略,优化算法,灵敏度,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,。,子系统,2,子系统,1,主系统,数学模型的复杂性,A,计算量大,B,系统本身的复杂性造成对系统难以认知和求解,C,复杂系统分解,01,通用框架,02,针对某一特定,MDO,方法的计算框架,03,基于一种,MDO,方法针对某类特定优化问题的计算框架,MDO,计算框架是指能实现,MDO,方法、包含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行各学科的计算，实现各学科之间的通讯。,计算框架,层次分解,求解策略,非层次分解,LOREM IPSUM DOLOR,主系统,子系统,1,子系统,1.1,子系统,1.2,子系统,2,子系统,2.1,子系统,1,子系统,3,子系统,5,子系统,4,子系统,2,多学科设计优化与传统优化比较,项目,传统优化,多学科综合优化,设计要求,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,优化对象,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,研究重点,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,优化范围,参数优化设计,全过程，包括功能概念优化与参数优化设计,优化算法,数值优化,数值方法与非数值优化、人类与人工智能相结合,寻优策略,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,软件系统,以寻优搜索为主,支持优化设计全过程,MDO,流程,多学科设计优化发展现状,3,0,1991,AIAA,1994 NASA,1993,ISSMO,当今 各类研究机构,MDO,研究机构诞生,19,世纪,90,年代首次提出多学科设计优化,国家,研究机构,研究对象与成果,英国,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,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 Agency,利用,MDO,进行飞行器机翼和集体的综合设计,德国,Universitat Siegen,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,日本,Osaka Prefecture,University,卡车架脉冲分配器手柄,MDO,方法的应用,中国,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,MDO,的主要研究机构及成果,国家,研究机构,研究对象与成果,美国,波音公司,多目标,MDO,公理化方法,Altair,工程公司,Optistruct,软件成功用于带有制造工艺约束的拓扑优化,Northeastern University,开发可执行程序和可视化方法以支持设计决策,The University,of Arizona,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,University,of Florida,应用,MDO,开发支柱,The University,of Iowa,开发出,MDO,设计过程程序并融入机械多体动力学,ADAMS,软件,The university at Buffalo,研究产品及设计空间可视,MDO,方法，以支持设计决策,The University of Pennsylvania,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,Ohio University,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,Sandia,国家实验室,对存储设计问题进行并行优化,NASA-Langley,实验室,将,MDO,的基本知识应用于工程问题,空军工业研究院及其智能中心,开发,GA,算法用以从不完整信息反求导弹武器系统结构,FEM,电子计算机,MDO,数学规划法,多学科设计优化发展现状,工程领域,Diagram,2,Diagram,2,航空领域,汽车领域,海洋工程,其它领域,具体表现在以下几个方面,：,多学科设计优化应用现状,其它领域,建筑工程,新材料、新能源方面,地下工程,建筑工程,：,斯坦福大学集成设施工程中心（CIFE）将多学科优化的发展初次应用在建筑工程（Architecture Engineering Construction(AEC)），并提出了未来的结构优化研究对设计者提出了更高的要求，即需要考虑包括结构形态和扑拓学在内的更广泛的设计变量。并且提出了高性能计算（HPC）将 MDO 应用到大型复杂的建筑工程领域中的重要作用。,新材料、新能源方面,：,由于近些年对新型材料的研究以及对新能源的大力开发，多学科设计优化在纤维复合结构、风电机组风力桨叶上的应用也取得了一定的成果。,地下工程,：,地下工程（地下铁道、地下停车场、道路隧道等）设计的多学科问题（岩体力学、流体力学、结构力学等）,起步阶段,概念性探索,飞行器,卫星,导弹,鱼雷,纤维复合结构,船舶,水下潜艇,国内外,多学科设计优化应用现状,中国队,国际队,建筑,新能源,地下工程,海洋,汽车,国内,国际,国内外,多学科设计优化研究现状,单一零散,注重系统分解及其关系分析,建模协调,多目标方法,特殊优化方法,原理方法,应用及算法并形成有机整体,开发商用软件,多学科设计优化挑战展望,4,0,多学科设计优化,拦路虎,MDO,发展,计算复杂性,问题规模,非线性,耦合,多学科,接口,交换耦合信息,信息交换复杂性,MDO,研究急需解决的问题,有效的寻优策略及整体收敛性分析,产品多学科,模型的建立,学科的规划,与分解,学科之间,的耦合性质,分析,合适的建模理论及可靠的建模工具,减少学科之间相互迭代分析次数尽可能降低计算复杂性,学科的划分及学科之间关系的确定,明确耦合因素的性质,01,提高模型精度,02,高性能计算,03,MDO 集成平台,04,合理的优化方法,MDO,发展展望,以论文为基础的应用分析,5,0,基于有限元分析的曲轴多学科设计优化,曲轴作为内燃机中最重要、载荷最大的零件之一，其设计的好坏不仅直接决定了内燃机的整体尺寸和重量，而且在很大程度上也决定了内燃机的可靠性和寿命。曲轴的设计往往涉及到热力学、系统动力学、流体力学等多个学科，多学科之间互相交叉耦合，具有明显的多学科特点。,曲轴与连杆、活塞组成曲柄连杆机构，从而将活塞连杆组传来的气体作用力转化为曲轴的旋转力矩并向外输出动力。对曲轴的分析不仅需要考虑缸内气体作用力、往复惯性力和旋转惯性力的作用，同时对曲轴所受的连杆推力、主轴承支撑力、所受扭矩的影响也应考虑在内。,以论文为基础的应用分析,曲轴的有限元分析,01,曲轴的试验仿真,02,多学科设计优化在曲轴上的实现,03,以论文为基础的应用分析,曲轴的有限元分析,01,以论文为基础的应用分析,曲轴整体模型的建立,曲轴有限元模型的建立,边界条件处理,曲轴有限元分析结果,多学科设计优化的一般流程可以描述为：首先需要确定优化目标，即根据实际情况我们要明确优化什么，再根据优化目标确定与目标值相关的约束条件，建立约束函数，在约束条件中，可能涉及到多种学科，比如机械系统、液压系统、电控系统等；然后选取合适的试验方法，进行敏度分析，求解所有参数响应因子的显著性，提高下一步多学科优化的准确度和计算效率，节约时间成本。同时对数据进行回归分析建立数学模型，选取合适的优化方法和优化算法，进行求解，最终为产品的可靠性设计提供方向。,以论文为基础的应用分析,多学科设计优化流程图,以论文为基础的应用分析,多学科设计优化在曲轴上的实现,03,以论文为基础的应用分析,曲轴优化数学模型的建立,协同优化算法,Isight 平台及实现,优化算法的选取和 CO 的改进,以论文为基础的应用分析,曲轴优化数学模型的建立,1.,目标函数的确定,研究对象是曲轴在第二缸发火状况下曲轴结构参数对曲轴最大应力的影响，而曲轴的正常工作需要建立在满足静强度、疲劳强度等条件下，因此在此工况下以最大应力最小为目标函数，,以论文为基础的应用分析,2.,目标变量的确定,对试验结果的方差分析，我们可以得出在试验设计过程中，对试,验结果表现比较显著的因子，最终取这些因子为目标变量，由此得出，将影响本试验的显著因子即连杆轴颈直径1D 和连杆轴颈过渡圆角半径1R 取为目标变量。,以论文为基础的应用分析,3.,约束条件的确定,考虑到曲轴在实际工作状态下变形的影响和曲轴的轻量化设计要求，以曲轴在此工况下变形量不大于原工况下变形量为条件约束，同时对曲轴质量也进行约束，最终可获得曲轴优化数学模型：,式中：1D 为连杆轴颈直径，单位为毫米（mm）；,1R 为连杆轴颈过渡圆角半径，单位为毫米（mm）。,以论文为基础的应用分析,1.,CO 的设计思想和数学框架,由于协同优化算法将设计优化问题分为两大块，即一个系统级优化问题和多个子学科之间的优化问题。各个学科之间只需要满足自己的约束条件，在一定的优化算法下寻优本学科级的目标变量，然后将学科内的目标变量传送给系统级，构成系统级的一致性约束，从而解决学科间系统变量不一致性的问题。算法框架,如图,协同优化算法框架图,协同优化算法,以论文为基础的应用分析,在 Isight 中对协同优化算法的应用主要分为以下几个步骤：,1）确定系统级优化函数和各个子学科级优化函数；,2）选取合适的优化算法，并对优化过程中算法的控制进行合理定义；,3）对系统级和学科级之间的数据传递进行定义；,4）优化求解，进行数据分析。,首先是系统级优化函数，本文的系统级优化函数由两部分组成：一是优化目标，即以曲轴在第二缸发火状况下曲轴的最大应力最小为目标，二是对子学科级传递给系统级的数据进行一致性约束，可表示为：,Isight 平台及实现,以论文为基础的应用分析,结合曲轴优化模型的系统级和子学科级的分配情况，考虑子学科与系统级之间的数据传递，得到曲轴优化模型的 CO 框架如图,曲轴优化模型的 CO 框架图,参考文献,1,秦东晨,王丽霞,张珂等,.,大型机械结构件的多学科设计优化,(MDO),研究,J.,机床与液压,2004,(4):64-65,48.DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2004.04.024.,2,孔凡国,李钰,.,多学科设计优化方法与传统设计优化方法的比较研究,J.,计算机工程与科学,2008,30(7):136-138.DOI:10.3969/j.issn.1007-130X.2008.07.039.,3,陈余军,周志成,曲广吉等,.,多学科设计优化技术在卫星设计中的应用,J.,航天器工程,2013,22(3):16-24.DOI:10.3969/j.issn.1673-8748.2013.03.003.,4,赵敏,崔维成,.,多学科设计优化研究应用现状综述,J.,中国造船,2007,48(3):63-72.DOI:10.3969/j.issn.1000-4882.2007.03.009.,5,聂勇军,廖启征,.,多学科优化设计在工程机械产品开发中的应用展望,J.,起重运输机械,2011,(8):8-11.DOI:10.3969/j.issn.1001-0785.2011.08.003.,6,余雄庆,姚卫星,薛飞等,.,关于多学科设计优化计算框架的探讨,J.,机械科学与技术,2004,23(3):286-289.DOI:10.3321/j.issn:1003-8728.2004.03.012.,7Wen Yao,Xiaoqian Chen,Wencai Luo et al.Review of uncertainty-based multidisciplinary design optimization methods for aerospace vehiclesJ.Progress in aerospace sciences,2011,47(6):450-479.,8 Sobieski,I.P.;Kroo,I.1996:Collaborative optimization applied to an aircraft design problem.AIAA Aerospace Sciences Meeting(held in Reno,Nevada).AIAA Paper No.96-0715,9J.Sobieszczanski-Sobieski(1);R.T.Haftka(2).Multidisciplinary aerospace design optimization:survey of recent developmentsJ.Structural and Multidisciplinary Optimization.1997.,10,钟毅芳，陈柏鸿，王周宏编著,.,多学科综合优化设计原理与方法,.,武汉：华中科技大学出版社,2006.04.,11,吴义忠，陈立平编著,.,多领域物理系统的仿真优化方法,.,北京：科学出版社,2011.01.,THANKS,感谢各位,Q,A,&,提问,答疑,&,