多学科设计优化方法和步骤
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系统之间进行传递,同级子系统 之间不发生信息交换,因此可以 并行完成同一级的分析与优化
子系统只有一个上级子系统, 有 多个下级子系统;每个上级子系 统提供系统控制信息, 下级子系 统提供反馈信息。
2020/5/2
15
非层次分解:最大优点就 是各个子系统之间的 信息交换，充分体现 系统中的耦合现象
欧洲区域运输机结构优化以及以A3XXX为研究对 象的工作。
2020/5/2
10
多学科设计优化的定义和难点
NASA的Langley研发中心的多学科分支机构对 多学科设计优化的定义为:多学科设计优化是一 种通过充分探索和利用系统中相互作用的协同
机制来设计复杂系统工程和子系统的方法论
在多学科设计优化的过程中，须要考虑系统中 各个学科之间的耦合效应，会产生比传统单学 科优化设计复杂得多的问题,其中最主要的两大 难点就是:计算代价和组织复杂性
非层次分解
2020/5/2
16
子系统间的耦合关系及解耦 I
局域变量
公用变量（共享变量） 局域变量
状态函数
2020/5/2
17
子系统间的耦合关系及解耦 II
局域变量
公用变量（共享变量） 局域变量 的替代变量
状态函数
状态变量（辅助变量2）020/5/2
18
与传统优化设计比较
设计目标
设计约束
设计变量 对涉及多个学科 领域的问题的处 理方法
多学科设计优化方法和步骤
1 MDO方法提出的背景
随着时代的进步，如今每个学科 领域都形成了自己的一套研究方 法与发展思路，但显然各学科间 明显缺乏沟通与联系，形成了一 个个的"学科孤岛"（与80年代由 于CAD技术迅猛发展而带来的"信 息孤岛"问题相似）。
2020/5/2
2
MDO于1980年代发展起来。奠基人是J. Sobieszczanski-Sobieski，1982年 他在研究大型结构优化问题求解的一篇论文中，首次提出了MDO的设想， 引起了学术界极大关注。
20
2020/5/2
21
代理模型技术
MDO 强调各学科应采用高精度数值分析模型。如果直接将这些学科分析 模型应用于优化过程中, 会导致计算量过大而难于实施。
所谓代理模型(Surrogate models)是指计算量小、但其计算结果与高精度 模型的计算结果相近的分析模型。
2020/5/2
22
构造代理模型一般需要三个步骤：
2020/5/2
24
按代理模型在设计空间中的拟合范围, 可分为全局代理模型和局部代理模 型。
局部代理模型拟合范围只在某一局部区域有效
全局代理模型拟合范围是在整个设计空间
2020/5/2
25
4 MDO 策略
MDO 策略也称MDO 方法或MDO 算法, 它要研究的问题是:
(1) 如何将复杂的多学科设计优化问题分解为若干较为简单的各学科(或 各子系统) 设计优化问题;
寻优策略
传统优化设计
单目标或多目标
在某一学科的设计空间 范围内
一组设计变量
集成多学科内容建立统 一的优化模型
采取某一种寻优策略， 如组合形法、随机搜索 法或遗传算法等
多学科优化设计
单目标或多目标（多目标常分布 于不同的子系统之中）
各学科的约束分布于不同的设计 子空间之中
包含局域设计变量和耦合变量
各学科分别建立优化模型，通过 系统级的控制协调学科间的关系
2020/5/2
6
1991年，美国的MDO白皮书明确提出：MDO 应当由政府部门、大学和工业界共同推动。
1994年NASA认为：航空航天对MDO的研究和 应用有广泛的兴趣和支持，新的飞行器设计要 在满足性能要求前提下尽可能满足可承受性， 成本带入设计过程会改变设计问题的数学本质。
2020/5/2
(2) 如何协调各学科的设计进程以及如何综合各学科的设计结果。
2020/5/2
26
传统方法
CA — 学科分析
框架模型
子系统（学科）的分析计算通过集成为一个整 体形成系统，进行分析优化。
根据学科之间的相互关系，通过特定的框架协 调和控制这些子系统(学科)，从而最终获得系 统的全局最优解。
2020/5/2
13
a. 复杂系统 b. 系统分解
c. 耦合关系拆解，子系统建模 d. 系统级优化协调2模02型0/5的/2 建立 14
分解方法大致分为两类:层次分解和非层次分解
层次分解:信息只在上下级子
①用某种方法产生设计变量的样本点；
②用高精度分析模型对这些样本点进行分析，获得一组输入/ 输出的数据；
③用某种拟合方法来拟合这些输入/输出的样本数据，构造出 近似模型，并对该近似模型的可信度进行评估。
2020/5/2
23
x2
实验设计
近似模型
y
(x1, x2)
y
数值
模拟
x2 x1
ห้องสมุดไป่ตู้x1
代理模型的构造过程
由于飞行器系统日益复杂，航空航天领域最先开展MDO研究和应用。
2020/5/2
3
飞机设计中就包括 了空气动力学、发 动机、流体力学、 结构力学、传热学、 液压、传动、自动 控制、电子、计算 机、可靠性、维修 性、安全性、测试 性等若干学科。
2020/5/2
4
传统方法
2020/5/2
5
改进后方法
7
MDO在工业界也 得到应用，1998 年AIAA的MDO 技术委员会就 MDO在工业中的 应用进行了调查， 涉及到波音公司 的翼身融合飞机
2020/5/2
8
洛·马公司的F-22飞机结构 /气动一体化设计
2020/5/2
9
旋翼飞行器的旋翼设计与优化
F/A-18E/F飞机的设计优化
F-16高敏捷“战隼”的多学科设计与优化
各学科子系统可以分别采用不同
的优化方法，再根据多学科优化
系统的结构选用适宜的多学科优
化系统级寻优策20略20/5/2
19
3 MDO 内容
多学科设计优化问题, 由于涉及多门学科, 且各学科之间存在耦合效应.
整个系统分析模型的计算量要比单学科优化大得多, 各学科之间的数据传 递与管理也复杂得多。
2020/5/2
2020/5/2
11
多学科设计优化的意义
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；
通过实现并行计算和设计，缩短设计周期；
采用高精度的分析模型，提高设计结果的可信 度。
2020/5/2
12
2 基本思路
设计者在进行复杂系统的设计时,必须充分考虑 各个学科之间的相互耦合关系,并利用适当的方 法将系统分解为以学科为基础的模型
子系统只有一个上级子系统, 有 多个下级子系统;每个上级子系 统提供系统控制信息, 下级子系 统提供反馈信息。
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非层次分解:最大优点就 是各个子系统之间的 信息交换，充分体现 系统中的耦合现象
欧洲区域运输机结构优化以及以A3XXX为研究对 象的工作。
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多学科设计优化的定义和难点
NASA的Langley研发中心的多学科分支机构对 多学科设计优化的定义为:多学科设计优化是一 种通过充分探索和利用系统中相互作用的协同
机制来设计复杂系统工程和子系统的方法论
在多学科设计优化的过程中，须要考虑系统中 各个学科之间的耦合效应，会产生比传统单学 科优化设计复杂得多的问题,其中最主要的两大 难点就是:计算代价和组织复杂性
非层次分解
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子系统间的耦合关系及解耦 I
局域变量
公用变量（共享变量） 局域变量
状态函数
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子系统间的耦合关系及解耦 II
局域变量
公用变量（共享变量） 局域变量 的替代变量
状态函数
状态变量（辅助变量2）020/5/2
18
与传统优化设计比较
设计目标
设计约束
设计变量 对涉及多个学科 领域的问题的处 理方法
多学科设计优化方法和步骤
1 MDO方法提出的背景
随着时代的进步，如今每个学科 领域都形成了自己的一套研究方 法与发展思路，但显然各学科间 明显缺乏沟通与联系，形成了一 个个的"学科孤岛"（与80年代由 于CAD技术迅猛发展而带来的"信 息孤岛"问题相似）。
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MDO于1980年代发展起来。奠基人是J. Sobieszczanski-Sobieski，1982年 他在研究大型结构优化问题求解的一篇论文中，首次提出了MDO的设想， 引起了学术界极大关注。
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21
代理模型技术
MDO 强调各学科应采用高精度数值分析模型。如果直接将这些学科分析 模型应用于优化过程中, 会导致计算量过大而难于实施。
所谓代理模型(Surrogate models)是指计算量小、但其计算结果与高精度 模型的计算结果相近的分析模型。
2020/5/2
22
构造代理模型一般需要三个步骤：
2020/5/2
24
按代理模型在设计空间中的拟合范围, 可分为全局代理模型和局部代理模 型。
局部代理模型拟合范围只在某一局部区域有效
全局代理模型拟合范围是在整个设计空间
2020/5/2
25
4 MDO 策略
MDO 策略也称MDO 方法或MDO 算法, 它要研究的问题是:
(1) 如何将复杂的多学科设计优化问题分解为若干较为简单的各学科(或 各子系统) 设计优化问题;
寻优策略
传统优化设计
单目标或多目标
在某一学科的设计空间 范围内
一组设计变量
集成多学科内容建立统 一的优化模型
采取某一种寻优策略， 如组合形法、随机搜索 法或遗传算法等
多学科优化设计
单目标或多目标（多目标常分布 于不同的子系统之中）
各学科的约束分布于不同的设计 子空间之中
包含局域设计变量和耦合变量
各学科分别建立优化模型，通过 系统级的控制协调学科间的关系
2020/5/2
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1991年，美国的MDO白皮书明确提出：MDO 应当由政府部门、大学和工业界共同推动。
1994年NASA认为：航空航天对MDO的研究和 应用有广泛的兴趣和支持，新的飞行器设计要 在满足性能要求前提下尽可能满足可承受性， 成本带入设计过程会改变设计问题的数学本质。
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(2) 如何协调各学科的设计进程以及如何综合各学科的设计结果。
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传统方法
CA — 学科分析
框架模型
子系统（学科）的分析计算通过集成为一个整 体形成系统，进行分析优化。
根据学科之间的相互关系，通过特定的框架协 调和控制这些子系统(学科)，从而最终获得系 统的全局最优解。
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a. 复杂系统 b. 系统分解
c. 耦合关系拆解，子系统建模 d. 系统级优化协调2模02型0/5的/2 建立 14
分解方法大致分为两类:层次分解和非层次分解
层次分解:信息只在上下级子
①用某种方法产生设计变量的样本点；
②用高精度分析模型对这些样本点进行分析，获得一组输入/ 输出的数据；
③用某种拟合方法来拟合这些输入/输出的样本数据，构造出 近似模型，并对该近似模型的可信度进行评估。
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x2
实验设计
近似模型
y
(x1, x2)
y
数值
模拟
x2 x1
ห้องสมุดไป่ตู้x1
代理模型的构造过程
由于飞行器系统日益复杂，航空航天领域最先开展MDO研究和应用。
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飞机设计中就包括 了空气动力学、发 动机、流体力学、 结构力学、传热学、 液压、传动、自动 控制、电子、计算 机、可靠性、维修 性、安全性、测试 性等若干学科。
2020/5/2
4
传统方法
2020/5/2
5
改进后方法
7
MDO在工业界也 得到应用，1998 年AIAA的MDO 技术委员会就 MDO在工业中的 应用进行了调查， 涉及到波音公司 的翼身融合飞机
2020/5/2
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洛·马公司的F-22飞机结构 /气动一体化设计
2020/5/2
9
旋翼飞行器的旋翼设计与优化
F/A-18E/F飞机的设计优化
F-16高敏捷“战隼”的多学科设计与优化
各学科子系统可以分别采用不同
的优化方法，再根据多学科优化
系统的结构选用适宜的多学科优
化系统级寻优策20略20/5/2
19
3 MDO 内容
多学科设计优化问题, 由于涉及多门学科, 且各学科之间存在耦合效应.
整个系统分析模型的计算量要比单学科优化大得多, 各学科之间的数据传 递与管理也复杂得多。
2020/5/2
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11
多学科设计优化的意义
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；
通过实现并行计算和设计，缩短设计周期；
采用高精度的分析模型，提高设计结果的可信 度。
2020/5/2
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2 基本思路
设计者在进行复杂系统的设计时,必须充分考虑 各个学科之间的相互耦合关系,并利用适当的方 法将系统分解为以学科为基础的模型