多学科设计优化( MDO) 机电毕业设计（论文）(3)

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最小化: f = f ( x， y)

约束: hi( x， y) = 0( i= 1， 2， ?， m) gj ( x， y)≤0( j= 1， 2， ?， n)

其中: f 为目标函数； x 为设计变量； y 是状态变量； hi( x， y)是等式约束； gj ( x， y)是不等式约束。状态变量y，约束hi 和gj 以及目标函数的计算涉及多门学科。对于非分层系统， 状态变量y，目标函数f， 约束hi 和gj 的计算， 需多次迭代才能完成；对于分层系统，可按一定的顺序进行计算。这一计算步骤称为系统分析。只有当一设计变量x通过系统分析有解时， 才能获得约束和目标函数，这一设计方案被称为一致性设计。

多学科设计优化的一个难题是系统分析非常复杂。由于耦合效应，系统分析需在各学科的分析模型之间进行多次迭代才能完成。这一问题称为MDO 的计算复杂性。

MDO的另一个难点是如何组织和管理各个学科(子系统)之间的信息交换。子系统之间的耦合效应使得MDO中的各子系统之间的信息交换成为一个十分复杂的问题。这一问题称为MDO的信息交换复杂性。

MDO 算法的任务就是解决这 2个难题。理想的MDO 算法应具有如下特性能以较大的概率找出全局最优解； 算法应按学科(或部件)将复杂系统分解为若干子系统，并且这种分解方式能尽量地与现有工程设计的组织形式相一致；所需系统分析的计算次数应尽可能地少； 具有模块化结构，工业界现有的各学科分析和设计工具(计算机程序)不需改动(或只需很少改动)就能在算法中获得利用；子系统之间应有定量的信息交换；各个学科组(子系统)尽可能地进行并行分析和优化；能体现设计人员在设计优化过程中的能动性。

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2.2 iSIGHT软件的介绍

2.2.1 iSIGHT软件简介

商业软件iSIGHT是由Engineous Software公司的产品，是目前国际上优秀的综合性计算机辅助工程软件之一。iSIGHT软件将大量需要人工完成的工作由软件实现自动化处理，从而替代工程设计者进行重复性、易出错的数字和设计处理工作，因此iSIGHT被雅称为“软件机器人”。

iSIGHT工作过程：

首先，iSIGHT帮助使用者将他们在设计中所需要的工具集成起来（INTEGRATE），通过简单的图形界面将各种工具组装成一个设计流程。

第二，使用者可以通过iSIGHT将方案设计与评价过程自动化（AUTOMATE）。iSIGHT可以自动控制各个设计工具的执行和交互，以无缝的方式运行，并将数据从一个工具传到另一个工具。

最后，iSIGHT充分利用过程自动化，运用各种探索算法确定最佳参数（OPTIMIZE）。使用者可采用ISIGHT推荐的算法，也可以针对问题性质自选优化策略，寻找最优的、最可靠的和最稳健的设计方案。 2.2.2 iSIGHT图形用户界面

纵观iSIGHT软件，其图形化用户界面主要可以分为三个功能部分：过程集成、问题定义和方案监控。每一个功能部分都强调了设计研究中需要的集成、自动化和监控步骤。软件中的每一个接口模块都是独立的部分，它们分别通过iSIGHT解析器，与客户/服务器模式下的其他部分通信。 1）过程集成

工程师经常需要多种工具或方法来解决他们的设计问题。一个典型的设计过程可能包括这样一些工具：商业CAD软件——定义几何模型并使之参

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数化；CAE求解器——执行有限元分析；Excel电子表格执行额外的计算。使用ISIGHT的过程集成界面，可以方便地将这些工具集成在一起。iSIGHT除了可以集成商业软件外，也同样可以连接自行开发的程序，例如：Fortran、C++、Visual Basic或Unix 程序等。ISIGHT的集成能力非常强大，能够集成结构、控制、几何、网格、电子、半导体、流体动力学、化工流程、声、光、磁、金属成型、注塑模具、冲击、碰撞、汽车系统、叶轮机械、形状优化、数学、绘图、热循环、制造、分布计算等领域的辅助软件。在应用iSIGHT软件进行工程设计时，首先需要做的就是把设计中的多个环节集成到一起。在过程的集成中，使用者可以很容易地实现各种多学科设计优化方法的表达。

2）任务管理

在iSIGHT中，任务管理是唯一可以访问软件所有模块的入口。任务管理负责控制设计学习的执行。使用者通过任务管理可以引导、管理任务的执行过程。在任务管理模块，可以使用的控制手段包括：开始、停止、暂停、继续任务执行；选择运行模式———包括简单执行、任务计划和单一设计；多机器分布式任务；实行并行处理；检测点基础上的重新运行；单步调试。? 通过以上手段，可以增强对任务控制的灵活性和任务操作的可重复性，对丁特定任务，针对具体情况实时修改设计参数，通过必要的处理措施和优化策略来实现学科交义分析和耦合，达到任务基础上的设计控制和管理。 3）参数

参数界面提供了类似电子表格形式的操作风格，方便使用者快速定义设计变量、设计目标、设计约束和设计初始值。在ISIGHT中，设计变量是指为了满足设计目标和设计约束，可以变更的输入参数。设计目标是根据输入、输出和使用者设计意图而指定的最大或最小期望。约束表达参数的有效值域或者区间范围。参数的定义决定了设计问题的表达，是整个问题求解的前提。 4）任务计划

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iSIGHT提供了一套设计学习工具，这些工具在产品设计中充当了设计智能引擎的角色。设计计划允许使用者定义一系列步骤来把设计学习工具任意组合，实现特定设计任务。任务计划包括了实验设计、优化方法和质量控制等不同类型的设计支持方法，通过它们之间的组合或单独使用，可以定制出适合具体工程问题的求解策略。 5）数据库

在设计探索计划执行过程中，设计问题的分析过程会产生大量数据。这些数据可以保存在iSIGHT数据库文件中，而数据库文件可以自动产生也可以由使用者指定路径，这样就大人增强了操作和管理灵活性。数据库文件主要提供有价值的工程数据参考，有些还可以为以后的工程问题探索学习所使用，极大地降低了获得较优的可行设计方案所需的时间。对于每个需要评估的设计点，数据库保存的信息主要包括：运行计数；所有的输入/输出以及目标；参数值；可行性；执行过的设计方法。?

另外，iSIGHT还提供了数据库搜索服务，可以检索历史计算点。在任务执行过程中，如果发现设计点是已经评估过的，则相应信息会从数据库文件中装人，这就有效地降低了实际仿真代码的执行数量。另外，数据库文件还可以装载到iSIGHT方案监控中，进行设计结果的后处理工作，或用来初始化近似模型。 6）方案监控

大多数软件的主要缺陷体现在：算法开始执行以后需要等待算法程序结束才可以执行相应结果分析，使用者面对的好像是一个“黑箱”，缺乏可视化的方法来实时监控设计过程的运行状态。而iSIGHT有效克服了这一缺陷，在探索过程中，做到了实时监控运行过程，设计问题的输入、输出参数可以在执行过程中通过定制的表格或者图形进行显示，提供了方便的控制手段和管理模式，根据实际工程经验，在方案监控中可以发现问题，实时进行必要的处理措施，保证工程问题的正确求解和工程时间的有效利用。

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根据 MDO领域中常用软件对智能算法的总结和归纳，MDO中涉及的常用智能算法主要包括：遗传算法和模拟退火算法。

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