电子设备多学科优化设计平台的实现
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第５０卷第７期 ２０１０年７月 电讯技术 Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．５０ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０ｌＯ
文章编号：１００１—８９３Ｘ（２０１０）０７—００３１—０４
电子设备多学科优化设计平台的实现
芦 嘛
（中国西南电子技术研究所，成都６１００３６）
摘要：根据航空电子设备的特点，提出并建立了电子设备多学科优化设计平台的体系结构。该平 台由集成平台层、工具层、集成设计框架层和应用层构成。重点论述了平台的关键技术，包括ＣＡＤ／ ＣＡＥ集成建模技术、多学科优化流程定制技术、总体方案评价技术和数据库系统设计技术。最后，实 现了平台的原型系统，并已应用于航空电子设备的设计中，验证了平台的有效性。
关键词：航空电子设备；优化设计平台；多学科优化；集成建模；流程定制 中图分类号：ＴＰ３１１；ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—８９３ｘ．２０１０．０７．００７
Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｄｉｓｅｉｐｌｉｎａｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｐｌａｔｆｏｒｍ
ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
ＬＵ Ｌｉａｎｇ
（Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｖｉｏｎｉｃｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ＭＤＯ（Ｍｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅ．ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｆｏｕｒ ｌａｙｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｌａｙｅｒ，ｔｏｏｌ ｌａｙｅｒ，ｆｒａｍｅ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＣＡＤ／ＣＡＥ，ｔｈｅ ｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＭＤＯ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ｓｃｈｅｍｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｄａｔａｂａｓｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｖｉｏｎｉｃｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｖｉｏｎｉｃｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｍｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ（ＭＤＯ）；ｉｎ— ｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ
１ 引 言
从航空电子设备设计领域来看，经过多年的努力
已形成了热、振动、电磁等单学科优化设计的能力，但
没有开展多学科优化的研究，各系统、各学科独立进
行设计，很少考虑相互间的耦合关系。电子设备的多
学科优化设计技术就是针对这一情况发展起来的一
项技术，它着力解决电子设备小型化设计过程中面临 的振动、热及电磁等学科的多学科优化设计问题，充 分利用各学科相互作用产生的协调效应获得系统整 体最优解，缩短设计周期，节约成本¨ｊ。
优化设计平台的搭建是多学科优化技术中的核 心，多学科优化技术在各个行业的应用中都建立了
相应的优化设计平台，例如北京航空航天大学建立 的基于航空发动机的优化设计平台［２３、国防科技大
学建立的飞行控制器的多学科综合环境 Ｊ、清华大 学建立的虚拟样机多学科协同设计与仿真平台Ｅ４］
收稿日期：２０１０—０３—３０；修回日期：２０１０—０６—２１ 基金项目：国防基础科研项目（ＢＩ１２（Ｘ）６０９５８） Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｉｔｅｍ：Ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｂａｓｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ（Ｎｏ．Ｂ１１２００６０９５８）
・３１ ・
ｗｗｗ．ｔｅｌｅｏｎｌｉｎｅ．ｃｎ 电讯技术 ２０１０正
等。上述所涉及的学科同电子行业有较大的差距，
对开展电子设备多学科优化设计平台可资借鉴的经 验较少；基于电子设备的多学科优化设计平台在国
内外还缺乏针对性研究。本文针对电子设备多学科 优化设计的特点，给出了设计平台的体系结构、平台 的关键技术及实现方法，对电子设备的多学科优化 设计平台原型系统进行了开发和应用。
２平台体系结构
根据电子设备的多学科设计特点…１，电子设备
多学科优化设计平台通过集成ＵＧ、ＦＥＫＯ、ＡＮＳＹＳ、Ｉ— ＣＥＰＡＫ、ｉＳＩＧＨＴ等工具软件，实现建模、分析、多学科
优化等功能，同时建立相应数据库，最终实现电子设 备多学科综合优化设计。根据协同设计模式与流程
管理方式，电子设备多学科优化设计平台体系结构 如图１所示，由集成平台层、工具层、集成设计框架
层和应用层４层构成。
咖ｉｊ】ｌ １ ｌ Ｉ Ｉ ｌ ●
热 电磁 振动 ＣＡＤ，ＵＧ ，ＩＣＥ队Ｋ ，ＦＥＫＯ ，ＡＮＳＹＳ ：Ｉ： ：Ｉ： ：Ｉ＝ 系统服务：计算服务／数据服务／通信服务，网络
± ± ±
三三三 三三三 ＆濯 越疆
计算服务器
图１ 电子设备多学科优化设计平台体系结构 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ＭＤＯ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
集成平台层属于平台的基础设施，包括网络环 境、操作系统、网络协议和标准、数据管理系统等软
硬件环境。数据管理系统包含产品数据管理、模型
数据管理两部分。产品数据管理实现组织和跟踪管 理产品的设计、分析、优化等相关的数据定义，使其
在整个流程中始终保持产品数据的一致性，做到实
时更新、共享。模型数据管理实现管理和动态关联
模型数据，跟踪维护统一的模型树。 工具层主要对电子设备设计分析选定的商用软
件和目前本学科已经建立好的学科模块程序进行封
・３２・ 装和集成，根据不同应用的特点，建立文件、参数、模
型封装软件，并通过封装软件，将学科模型的接口封
装起来，使每个工具软件／学科模块成为完成求解和 计算的功能单元。通过封装将各学科中涉及到的模
型的不同数据输入和输出接口集成起来，使得各设 计模型之间能够随时进行数据交换，实现数据共享，
从而实现原始参数的一致性的统一参数管理。集成 的主要工具软件包括实体建模ＮＸ３．０、振动分析
ＡＮＳＹＳ１１．０、热分析ＩＣＥＰＡＫ４．１、电磁分析ＦＥＫＯ５．２。 集成设计框架层在集成设计过程中实现集成、
操作和通信等功能的软件组织结构，提供设计流程 管理、多学科设计、分析与优化等功能。在设计流程
中，充分采用多学科优化设计（ＭＤＯ）技术，将多学科 设计（ＭＤＤ）、多学科分析（ＭＤＡ）、多学科优化技术整
合，充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协
同效应，获得电子设备的整体优化解。 应用层支持用户对电子设备的建模、分析、优化
和评价等操作以及优化流程的定义和实施，并实现 可视化操作。根据上述需求分析以及流程分解，系
统硬件构成由一台服务器与数台客户机构成Ｃ／Ｓ 架构的分布式局域网。软件实施方案直接采用数据
库，构建分布式环境。
３平台关键技术
３．１ ＣＡＤ／ＣＡＥ集成建模技术
各学科仿真分析的自动化是多学科优化设计平 台中的关键，它决定了整个优化流程的实现性。结
合电子设备建模特点，本文提出了基于分析特征的
ＣＡＤ／ＣＡＥ集成建模方法，该方法的实现如图２所 示。首先，为零件的ＣＡＤ模型添加分析特征，形成
带分析特征的参数化零件；其次，用带分析特征的零 件进行产品结构设计，得到产品的ＣＡＤ模型；第三， 系统提取产品ＣＡＤ模型中的分析特征信息，并在 ＣＡＥ环境下重构其几何模型；第四，应用组合结构处
理技术，对基于分析特征的几何模型进行处理，确保 网格划分时节点的连续性；最后，依次对各分析特征
进行网格自动划分，合并后得到产品的有限元网格 模型。和传统的分析自动化流程相比，这种技术方
法的主要优点有：设计规则由程序自动完成并可由
用户自定义的规则驱动；基于创新设计产生的新设 计规则通过扩充规则库的方式加入到已有设计体
系，使其成为常规的基于实例和规则的设计；零件设 第７期 卢凉：电子设备多学科优化设计平台的实现 总第２６０期
计信息包含结构信息、装配特征、分析特征；模型装
配采用的是基于特征的装配约束模型。每个库文件 带有装配特征，在脚本支持下自动装配。
设计人员结构建模 零件的参数化模型ｌ 一 二＝＿—— ＿— 添加分析特征信息
产品的ＣＡＤ模型 序进行分析特征 取，并在ＣＡＥ环 下重构其几何模
产品整机的有限元网格模型 序以分析特征 何模型进行网 分，合并后形 机网格模型
图２ ＣＡＤ／ＣＡＥ集成建模技术实现流程图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＣＡＤ／ＣＡＥ
３．２多学科优化流程定制技术
平台支持用户的多学科优化流程定制，从优化
模式上包括高精度优化设计和基于近似模型的渐进 优化设计两类，图３为两种优化流程的流程图。两
种流程的设计主要是考虑优化时间问题，对于简单 模型可以采用高精度优化，对于复杂模型可采用渐
进优化，其中需注意的问题是近似模型建立的依据
是试验设计方法抽样，在优化中使用的近似模型是 经过方差检验后具有高可信度的模型；如果可信度
不够，将通过更密集的ＣＡＥ抽样或更高阶的近似算 法逼近提高原近似模型的精度。
循环 盘
空 ｔ
匝亟
（ａ）高精度优化流程 （ｂ）渐进优化流程
图３两种优化流程流程图 Ｆｉｇ．３ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｓ ｏｆ ｔｗｏ ＭＤＯ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
３．３总体方案评价技术
在电子设备设计中总体方案的评价通常都是借
助于专家经验和专家评审，主观性较强，因此在平台 中引入了总体方案评价技术，通过选取适当的评价方
法，建立科学的评价指标体系，全面、合理、科学、客观
地实现电子设备设计方案的综合评价工作。综合目 前已经得到应用的多种评价方法的利弊，结合电子设
备设计方案综合评价的特点，确定选取层次分析法 （ＡＨＰ）、模糊综合评价法和模糊层次评价法［ ］３种方
法作为电子设备设计方案的综合评价方法。 各个评价方案各有优缺点，适用于不同的评价
问题。该平台提供上述３种评价方法供用户选择， 以适应不同的评价需求。
３．４数据库系统设计技术
数据库系统的主要功能是对平台在多学科建 模、分析、优化、方案评价４个阶段产生的各种设计
