Isight-11-多学科设计优化-MDO-介绍

多学科设计优化简要介绍多学科设计优化 (Multidisciplinary Design Optimization,简称 MDO)是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。

其主要思想是在复杂系统设计的整个过程中利用分布式计算机网络技术来集成各个学科 (子系统 )的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程。

其目的是通过充分利用各个学科(子系统 )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，通过实现并行设计，来缩短设计周期，从而使研制出的产品更具有竞争力。

因此，MDO宗旨与现代制造技术中的并行工程思想不谋而合，它实际上是用优化原理为产品的全寿命周期设计提供一个理论基础和实施方法。

MDO研究内容包括三大方面：1，面向设计的各门学科分析方法和软件的集成；2，探索有效的 MDO算法，实现多学科 (子系统 )并行设计，获得系统整体最优解；3，MDO分布式计算机网络环境。

多学科设计优化问题 ,在数学形式上可简单地表达为：寻找：x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通过系统分随着科学技术日新月异的发展，我们的武器装备，尤其是战斗机的水平日益提高，装备复杂程度已远超乎平常人的想象，装备设计不单要用到大量的人力，甚至已牵涉到了数十门学科。

例如，战斗机设计中就包括了液压、传动、流体力学、计算流体力学、空气动力学、发动机、结构力学、传热学、热力学、自动控制、电子、软件、计算机、可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性等若干学科。

多学科优化（MDO）是一个工程领域，它使用优化方法来解决包含多个学科的设计问题。

它也被称为多学科系统设计优化（MSDO）和多学科设计分析和优化（MDAO）。

MDO的主要思想为：采用各学科已发展成熟的精度高的分析模型，提高优化设计可信度；通过充分利用各个学科（子系统）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；通过各学科组并行设计，缩短设计周期；用精细数值分析模型取代了工程估算的经验公式，面向创新布局的工程设计。

MDO的主要特点包括：
1.集成性：MDO将多个学科的知识和技能集成在一起，以解决复杂的
设计问题。

2.优化性：MDO使用先进的优化算法和技术，以找到最佳的设计方案。

3.交互性：MDO强调各学科之间的交互和合作，以促进创新和改进。

4.适应性：MDO可以根据不同的设计问题和需求进行调整和改进。

MDO的应用领域非常广泛，包括航空航天、汽车、电子、建筑、计算机和配电等。

在航空航天领域，MDO已经被广泛应用于飞机和航天器的设计中。

例如，波音混合翼身（BWB）飞机概念在概念和初步设计阶段广泛使用了MDO。

BWB设计中考虑的学科是空气动力学、结构分析、推进、控制理论和经济学。

此外，MDO还可以应用于其他领域，如医疗、农业、环保等。

例如，在医疗领域，MDO可以用于药物设计和疾病治疗方案的优化。

在农
业领域，MDO可以用于农作物种植方案的优化。

在环保领域，MDO 可以用于污染控制和资源利用的优化。

总之，多学科优化是一种强大的工具，可以帮助工程师和设计师解决复杂的设计问题。

它不仅可以提高设计的效率和准确性，还可以促进创新和改进。

iSIGHT是世界顶级的工程设计开发基础的系统软件，具有“软件机器人”之称。

它能够实现CAD\CAE\CAM以及PDM等各种操作系统的自动化和集成化，并为产品设计及开发提供最优化设计及稳健设计功能。

iSIGHT在加快产品进入市场、降低产品成本、提高产品质量等方面，每天都在取得令人瞩目的突破。

据美国市场调查公司Daratech权威统计，iSIGHT在过程集成和设计优化领域的全球市场占有率超过一半，已经成为航空、航天、汽车、兵器、船舶、电子、动力、机械、教育等领域首选的过程集成、设计优化和可靠性稳健性设计软件。

Engineous公司自1996年将iSIGHT软件商业化以来，不断投入巨额资金研发世界最先进的集成化、自动化、优化的“软件机器人”技术，使其功能不断完善满足使用者需求。

iSIGHT架构图集成自动化特性Fast Parser使内部代码和商业程序的模型参数化、集成自动化更加容易；控制条件(If,while, for)可以在流程中任意设置，便于对复杂的设计过程流进行有效管理；Task Plan中可任意指定分阶段的设计策略，使复杂设计空间的搜索更加自动化；多任务嵌套的机制使多学科设计优化方案更易实现；在图形界面中可指定模块的分布计算和并行计算的方式；Matlab接口能在iSIGHT界面中快速集成数学程序；Excel接口使复杂数据表格处理和VBA定制更加容易；FIPER接口直接驱动FIPER工作流设计优化。

设计优化增强已有的优化、近似建模、试验设计和质量工程方法工具包，组合使用这些算法可使探索能力全面提高。

更加人性化的Parameter问题定义界面。

优化方法的加强：1. Pointer 全能优化器：全自动型——优化过程中自动选择和调节遗传算法、Nelder& Mead 单纯形法、序列二次规划和线性规划方法，使优化过程智能化。

实时用户指导型——在优化过程中允许用户实时改变设计变量、约束、目标、权重和算法参数，加强优化过程可控性。

基于iS IGHT 的多学科设计优化技术研究与应用泰山石膏股份有限公司　任　利 山东农业大学机械与电子工程学院　邵园园临沂师范学院工程学院　韩　虎 摘　要:阐述了多学科设计优化技术,在iSI GHT 、Pr o /E 和Ansys 软件集成环境下,对轴承座进行多学科设计优化。

并对在单学科设计优化和多学科设计优化的环境下得到的优化结果进行了比较,得出了多学科设计优化结果更加有效地达到了优化目标的结论。

关键词:多学科设计优化;iSI GHT;软件集成Abstract:The technol ogy of multidisci p linary design op ti m izati on is elaborated 1Bearing bl ock multidisci p linary de 2sign op ti m izati on is conducted under the integrated envir on ment of iSI GHT,Pr o /E and Ansys,and the op ti m izati on result is better than that fr om single -disci p linary design op ti m izati on 1Keywords:multidisci p linary design op ti m izati on;iSI GHT;s oft w are integrati on1　多学科设计优化技术多学科设计优化(Multidisci p linary Design Op 2ti m izati on -MDO )是当前国际上飞行器设计研究中一个最新、最活跃的领域。

按照Jar osla w Sobieszczanski -Sobieski 的看法[1],MDO 是用于进行系统设计的方法,这种系统包括多个相互耦合的学科,设计师可以在这些学科上显著地影响系统的性能。

基于iSIGHT的多学科设计优化平台的研究与实现一、本文概述随着现代工程技术的快速发展，产品设计的复杂性日益增加，涉及多个学科领域的知识和技术。

这种复杂性要求设计师在设计过程中必须考虑多种因素，如性能、成本、可靠性、可制造性等，从而实现整体最优设计。

然而，传统的设计优化方法往往只能针对单一学科进行优化，难以处理多学科之间的耦合和冲突。

因此，开发一种基于多学科设计优化（MDO）的平台，对于提高产品设计的质量和效率具有重要意义。

本文旨在研究并实现一种基于iSIGHT的多学科设计优化平台。

iSIGHT作为一种先进的优化算法平台，具有强大的优化求解能力和丰富的优化算法库，为多学科设计优化提供了有力支持。

本文将首先介绍多学科设计优化的基本原理和方法，然后详细阐述基于iSIGHT 的多学科设计优化平台的架构、功能和技术实现，并通过具体案例验证平台的可行性和有效性。

通过本文的研究和实现，旨在为设计师提供一个高效、可靠的多学科设计优化工具，帮助他们在设计过程中综合考虑多个学科因素，实现整体最优设计。

本文也希望为相关领域的研究者和技术人员提供一些有益的参考和启示，推动多学科设计优化技术的发展和应用。

二、多学科设计优化概述随着现代工程技术的不断发展和复杂性的增加，传统的单学科设计优化方法已经无法满足许多复杂系统的设计要求。

因此，多学科设计优化（MDO，Multidisciplinary Design Optimization）应运而生，它通过将不同学科的知识、方法和工具集成在一起，实现复杂系统整体性能的最优化。

MDO旨在解决在产品设计过程中出现的跨学科耦合问题，以提高产品的设计质量和效率。

MDO的核心思想是在产品设计阶段就考虑不同学科之间的相互影响和约束，通过协同优化各个学科的设计参数，实现整个系统的全局最优。

这种方法能够有效地减少设计迭代次数，缩短产品开发周期，并降低成本。

同时，MDO还能够提高产品的综合性能，使其在满足各项性能指标要求的同时，达到最优的整体效果。

iSIGHT_ModelCenter_DAKOTA_和VisualDOC 4种MDO计算框架的分析和对比1.前言由于 MDO(MDO=Multidisciplinary Design Optimization 多学科设计优化) 有助于提高工业界的设计能力因此工业界对MDO 计算框架的需求是迫切的近几年来国外有关政府研究机构大学工业部门和开发商都在积极开发MDO 框架其发展速度十分迅速以下对国外四种典型的MDO 框架进行简要的分析四种MDO 框架分别是DAKOTA、VisualDOC 、ModelCenter 和iSIGHT 其中对VisualDOC 的评估是根据我们直接使用的体会对DAKOTA 的分析是基于该系统的研究人员所发表的论文和技术文档提供的信息对ModelCenter和iSIGHT 的分析是根据其他用户提供的评估报告和开发商提供的技术资料。

2.D AKOTADAKOTA是Design Analysis Kit forOptimization and Terascale Application 的缩写是美国Sandia 国家实验室开发的基于UNIX 平台的面向工作站和高性能计算机的通用设计优化框架。

其主要特点是提供丰富的优化算法库，其优化算法库包含了基于梯度计算的非线性规划无需梯度计算的模式搜索法和遗传算法，含整型和连续型混合设计变量的优化算法，具有很强的代理模型生成功能。

DAKOTA几乎包括了目前主要的代理模型技术可用于基于不确定性的优化设计，支持高性能计算机的并行计算功能，提供对遗留程序的集成功能对优化设计过程具有一定的可视化功能。

由于DAKOTA 并不是一个商用软件其用户界面不太理想而且DAKOTA 目前还不能实现多机分布式计算，也没有对其它CAD/CAE 商用软件提供接口3.V isualDOCVisualDOC是由Vanderplaats 等开发的，可用于Windows NT 和Unix 平台的工程设计优化系统。

摘要：工程系统近年来变得相当大和复杂。

所要求的设计相当复杂并且仅仅考虑一个学科的话不容易满足设计要求。

因此，需要考虑到不同学科的设计方法。

多学科设计优化是考虑到多学科设计环境所形成的优化方法。

MDO包含七中方法。

他们是多学科可行方法MDF,单学科可行方法IDF,同时运行方法AAO,并行子空间优化方法CSSO,合作优化CO,错落综合系统合成方法BLISS,基于子空间的多学科优化MDOIS.通过几个数学例子，方法的性能可以得到评估和比较。

用于比较所定义的具体要求和新的数学问题类型是根据要求所定义的。

所有的方法被编码并且可以在数量和质量上比较方法的性能。

1．简介目前，工程系统都是相当大而且复杂的。

对于这类系统，设计要求是严苛的。

因此，设计工程师正在寻求新的方法，其中之一是多学科设计优化(MDO；Balling 和Sobieszcznski-Sobieski在1996提出)。

MDO是一种设计优化方法。

一般来说，优化在实施时，仅仅只考虑到了一门学科。

然而，用单一的学科去解决现代工程问题是相当困难的。

因此，我们需要一种可以覆盖多学科的设计方法。

在Sobieszczanski-Sobieski于1998年提出并行子空间优化之后，其他的几种方法也被相继提出来。

多学科设计优化方法分为单级方法和多级方法。

单级方法一般有一个单一的优化程序并且直接使用非层次结构。

以下这些方法就是属于单级方法，其中包括多学科可行法（MDF；Cramer等在1993年提出）、独立学科可行法（IDF；Cramer等在1993年提出；Lee在2004年提出）、All-at-once （AAO；Cramer等在1993年提出；Haftka在1985年提出）和基于独立子空间的多学科优化（MDOIS;Park在2007年提出；Park和Shin在2005年提出）。

在单级方法下，除了MDOIS以外，所有的学科都不能决定设计，并且分析只在学科之间进行。

多学科设计优化（MDO）北京航空航天大学 720研究所，国家888/CIMS设计自动化工程实验室合作设计与优化研究小组韩明红编写激烈的竞争和全球性的制造已成为当今制造业的显著特征。

目前，大部分的设计过程经常面临着多学科的严峻挑战。

大家都知道，由最优组件或子系统组成的产品，并不一定是全局的最优产品。

产品创造的关键是平衡来自于消费者、市场、工程设计、制造、后勤、服务以及经济方面的无数的约束。

通过扩展企业人员、数据和软件的有效的协同是满足多学科挑战的必不可少的条件。

产品设计过程已经成为一个多目标优化决策过程，是一个多学科交叉综合设计的优化过程。

工程产品和工程系统甚至过程系统的设计，在概念设计阶段、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。

这是工程产品和系统设计的最终性能指标的要求。

多学科设计优化问题，例如：民用客运飞机的方案设计，可以看作是拉力、气动、重量和性能的多学科设计问题。

其中如环境（空气运动黏度、密度等）、任务需求（飞行范围、负载、起飞重量）、技术（安装推力、燃料油耗、速度）等都具有不确定性的随机变量。

多学科设计优化问题，既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（鲁棒性设计问题）和设计结果的（可靠性设计）的影响，还要考虑在能够提供一个比较通用的多学科设计优化方法情况下，许多学科专用的设计方法的应用集成问题，即灵活性、开放性问题。

多学科设计优化的理论和技术是发展复杂工程系统，如飞机、卫星、导弹、舰船、汽车等大型工程产品的技术理论与方法上的新的制高点和难点之一，是标志一个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。

从学术上说，多学科设计优化是在传统设计方法、设计优化理论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、现代信息技术交叉集成的大系统方法，可适应更大规模的工程产品、系统设计、发展的需要。