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1、摘 要复杂工程系统的设计过程是一个多学科交叉综合设计的优化过程。产品设计的水平和能力是一个国家和地区工业创新能力和竞争能力的决定性因素。多学科设计优化满足复杂工程系统设计优化和发展的需求，是设计方法、设计知识、现代信息技术交叉集成的大系统设计方法，具有极其重要的基础意义。本文对多学科设计优化方法及技术进行了分析和探讨，对多学科设计优化算法、优化算法的选取准则、不确定性的建模等关键问题展开研究，为多学科设计优化方法及技术的发展做了有益的探索。主要内容包括：1.分析和总结了多学科设计优化的定义及特点；2.对常用多学科设计优化方法和工程常用优化算法进行了分析和概述；3.在对多学科设计优化中不确定性的
2、来源进行分析、总结的基础上，将不确定性归类为需求误差、输入数据误差和模型误差；经过数学推导，建立了MDO系统分析输出结果的不确定性与设计变量输入数据误差和模型误差之间关系的数学模型； 4.通过算例及实验对数学模型的有效性和可靠性进行了验证； 5.利用iSIGHT对两个算例进行优化。关键词 工程系统；多学科设计优化；优化算法；不确定性；iSIGHTAbstractDesign process of complex engineering system has become multi-object decision-making process and multidisciplinary cou
3、pling optimization process. The level and capability of product design are critical factors in innovative and competitive power of a countrys or an areas industry. Multidisciplinary design optimization (MDO) meets the requirements of design, optimization and development of complex engineering system
4、. MDO is a kind of design methodology integrating design methods, design knowledge and modern information technologies used for large-scale complex engineering system. Therefore, it is important to investigate into theories and methods of MDO, and other relevant technologies.The purpose of this diss
5、ertation is to analyze and improve MDO methods and technologies, to investigate into key technologies of MDO method, criterion for optimization algorithm selecting, and uncertainty modeling in multidisciplinary analysis. It mainly includes:1.The definition and characteristics of MDO are analyzed and
6、 summarized.2.multidisciplinary design optimization methods and engineering-oriented optimization algorithms in common use are analyzed and summarized.3.By analyzing and summarizing the sources of uncertainty in multidisciplinary design optimization, uncertainty is classified into three categories:
7、requirement error, input data error and model error. A mathematical model is built up for estimation of propagated uncertainty in multidisciplinary system analysis, which reprents the relationship between input data error, model error and output result of multidisciplinary system analysis.4.The vali
8、dity and reliability have been proved by experiment. 5.Two experiment are optimized by using iSIGHT.Key words Engineering system Multidisciplinary design optimization Optimization algorithm Uncertainty iSIGHT目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1 课题来源11.2 课题研究的目的和意义11.3 国内外多学科设计优化发展概况11.3.1 国外多学科设计优化发展概况11.3.2
9、国内多学科设计优化发展概况21.4 多学科设计优化的含义31.5 多学科设计优化的特点41.6 常用多学科设计优化方法41.6.1 多学科可行方法(MDF,All-in-One)51.6.2 All-At-Once方法(AAO)51.6.3 单学科可行方法(IDF)61.6.4 协同优化算法(CO)71.7 优化技术的分类81.7.1 广义简约梯度法(LSGRG2)91.7.2 混合整型优化(MOST)91.7.3 连续二次规划法NLPQL91.7.4 逐次逼近法( Successive Approximation Method )101.7.5 外点罚函数法(Exterior Penalty
10、)101.7.6 连续线性规划(Sequential Linear Programming)101.7.7 多岛遗传算法(MIGA )101.8 主要研究工作及论文结构111.9 本章小结11第2章 iSIGHT综述122.1 iSIGHT图形用户总论122.2 设计问题的软件实施142.3 iSIGHT的算法分析152.4 本章小结16第3章 多学科设计优化中的不确定性建模173.1 概述173.2 MDO中不确定性的来源173.2.1 单学科不确定性的来源173.2.2 多学科系统不确定性的来源183.3 各学科具有确定数学表达式时的波动模型建立183.4 各学科不具有确定数学表达式但能建
11、立仿真数学模型时的波动模型213.5 实例验证223.5.1 算例分析233.5.2 实验验证243.6 本章小结26第4章 算例优化与对比274.1 算例一：减速器多学科设计优化274.1.1 算例分析与学科划分274.1.2 结果对比324.1.3 优化迭代历史曲线334.1.4 减速器各学科波动比较与分析354.1.4.1 理论分析354.1.4.2 实验验证364.1.4.3 学科波动调整394.2 算例二：多学科均值和标准偏差的求解与对比414.2.1 算例描述与理论分析414.2.2 实验验证454.2.3 结果对比494.2.4 各参数之间的FD图504.3 本章小结55第5章
12、结论与展望56主要研究工作与结论565.2 研究展望56致谢56参考文献57附录1 中文译文61附录2 英文原文64第1章绪论1.1 课题来源来源于北京航空航天大学720研究所，国家设计自动化工程实验室，工程系统设计优化研究中心利用iSIGHT进行多学科优化设计研究项目，本课题是其中的一个子项目。1.2 课题研究的目的和意义多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization- MDO)的理论、技术，标志着国家产品创新技术与理论的制高点之一，具有重大的战略前沿意义，也是当今我国发展复杂工程系统中的重大难点。工程产品、工程系统或过程系统的设计，在概念设计阶段
13、、详细设计阶段甚至是需求设计阶段，都面临着选择各种设计参数的选择与匹配。以取得多学科设计的工程产品和系统的整体系统性能优化，获得工程产品和系统设计的最终性能指标的目标要求，例如飞机、船舰、汽车乃至小到心脏起博器等各种产品的设计。多学科设计优化问题，一方面要寻求总体系统优化与子系统级优化最佳协同效果，又要考虑不确定性对设计过程(健壮性设计问题)和设计结果的(可靠性设计)的影响。即使能提供一个比较通用的多学科设计优化方法，还要考虑许多学科专用的设计方法能否加入进来应用集成的问题，即灵活性、开放性问题。从以上分析，可知:(1) 多学科设计优化方法对我国发展复杂工程系统如飞机、船舰、汽车、大型工程产品
14、是技术理论与方法上的制高点之一。其重要意义在于它代表的是一个国家掌握产品创新的核心能力。(2) 从学术意义上讲，多学科优化设计也是在传统设计方法，设计优化基础上的重要的质的发展。它是设计方法，传统的机械设计知识、过程设计知识、现代信息技术的交叉集成的大系统方法，多学科设计优化技术提高产品性能、缩短设计周期和降低研制成本为目的，研究产品全生命周期的并行设计，可适应更大规模的工程产品、系统设计、发展的需要 国家自然科学基金计划，复杂工程产品、系统多学科设计优化方法研究 。 国内外多学科设计优化发展概况 国外多学科设计优化发展概况多学科设计优化是当前国际上飞行器设计研究中一个最新、最活跃的领域 Gi
15、esing.J. ,and Brathelemy,J.F.M., Summary of Industry MDO Applications and Needs , AIAA- 98- 4737, ibid. ，其中最具代表性的主要包括：(1)美国政府已将多学科设计优化及相关技术纳入了“美国国家关键技术发展规划”，NASA和AIAA分别成立了多学科设计优化技术委员会，领导美国在这方面的研究。 (2)美国各高校MDO研究，如斯坦福(Stanford)大学的Kroo教授等人长期进行协同优化方法研究，佛罗里达(Florida)大学、鹿特丹(Notre Dame)大学(Batill教授等人进行并行子空间研究)、乔治亚理工学院(Georgia Tech. Institute)、维吉尼亚(Virginia)州立大学都有专门的机构从事多学科设计优化的研究。高校主要负责多学科设计优化技术和学科分析研究。 (3)商业软件公司研究，如Phoenix, Engineous, Synaps等公司开发支持
