基于遺傳算法與代理模型的協(xié)同優(yōu)化方法的-研究

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1、南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論短設(shè)計(jì)周期，從而使研制出的工程產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。MDO將整個(gè)生命周期的更多信息，包括性能和費(fèi)用等更早的帶到設(shè)計(jì)階段，使設(shè)計(jì)者在同等考慮各個(gè)學(xué)科直接或通過相互作用間接施加給系統(tǒng)的影響的基礎(chǔ)上，做出更為合理的設(shè)計(jì)決策。它強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)優(yōu)化，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本。MDO用分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)集成各個(gè)學(xué)科(子系統(tǒng))的知識(shí)，采用有效的設(shè)計(jì)優(yōu)化算法策略，組織和管理設(shè)計(jì)過程，充分利用各個(gè)學(xué)科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，搜索系統(tǒng)的整體最優(yōu)解。MDO采用精確的學(xué)科分析

2、模型，在具有較大自由度的設(shè)計(jì)初期就對(duì)系統(tǒng)作詳細(xì)精確的分析，獲取充分的設(shè)計(jì)信息。采用MDO方法組織和管理設(shè)計(jì)過程，可以將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中需在早期確定的設(shè)計(jì)變量保留到后期來(lái)確定，以充分利用設(shè)計(jì)過程中獲得的知識(shí)和創(chuàng)造性思想，做出更好的決策。這是因?yàn)榫C合集成多學(xué)科的知識(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)分析和優(yōu)化的方法在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中是一致的，只是隨設(shè)計(jì)過程的推進(jìn)分析不斷地深入。因此MDO正是能夠改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，更新組織設(shè)計(jì)過程，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的全新設(shè)計(jì)方法。MDO研究的重點(diǎn)是優(yōu)化算法的研究，而協(xié)同優(yōu)化是目前眾多優(yōu)化算法中比較有潛力的一種

3、。因此，深入研究協(xié)同優(yōu)化算法和方法，學(xué)習(xí)與分析這一先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法，對(duì)其進(jìn)行深入的研究與探索，從而促進(jìn)新方法在工程中的應(yīng)用是一個(gè)有待解決的新問題，且具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀MDO是20世紀(jì)80年代末90年代初在美國(guó)航空航天工業(yè)界興起的一門新的科學(xué)技術(shù)，目前已經(jīng)成為國(guó)際工業(yè)設(shè)計(jì)界的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。MDD研究的重要性及其緊迫性首先被航空航天工業(yè)界及學(xué)術(shù)界認(rèn)識(shí)到，十幾年來(lái)伴隨著理論研究的迅速發(fā)展，開展了氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)性能等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。1986年，在美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)(AIAA)、航空

4、航天局(NASA)和美國(guó)空軍（USAF）等機(jī)構(gòu)的倡導(dǎo)下，在NASA蘭利研究中心舉行了第一屆多學(xué)科分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的大會(huì)。之后每?jī)赡昱e行一次MDO的學(xué)術(shù)大會(huì)，到2006年8月已經(jīng)召開了11屆，有關(guān)MDO的論文和參加人數(shù)逐屆增加。1、MDO的主要研究團(tuán)體MDO是當(dāng)前國(guó)際上飛行器設(shè)計(jì)及相關(guān)專業(yè)中一個(gè)最新、最活躍的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外有許多研究機(jī)構(gòu)、研究團(tuán)體在進(jìn)行MDO的研究工作，主要有：[8]1）政府研究機(jī)構(gòu)美國(guó)AIAA在1991成立的MDO技術(shù)委員會(huì)，NASA在2南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論[9]1994年成立的多學(xué)

5、科設(shè)計(jì)優(yōu)化分部(MDOBranch，簡(jiǎn)稱MDOB)。2）高校MDO研究高校主要負(fù)責(zé)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)和學(xué)科分析研究，斯坦福(Stanford)大學(xué)、佛羅里達(dá)(Florida)大學(xué)、布法羅（Buffalo）大學(xué)等高校都有[10-12]專門的機(jī)構(gòu)從事多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究。目前，在國(guó)內(nèi)也有高校從事相關(guān)方面的研究工作，如西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等。3）商業(yè)軟件公司研究在國(guó)外有幾家公司在進(jìn)行MDO相關(guān)軟件的開發(fā)，其[13,14]中包括開發(fā)iSIGHT的美國(guó)Engineous軟件公司，開發(fā)LMSOpt

6、imus的美國(guó)LMS數(shù)值技術(shù)公司等。4）工業(yè)公司研究如波音—麥道、洛克希德等大型企業(yè)的研究人員也熱衷于MDO的研究，并進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用研究。2、國(guó)內(nèi)外MDO研究現(xiàn)狀MDO的基本目的之一是充分利用各學(xué)科(子系統(tǒng))的相互作用而產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得工程系統(tǒng)整體最優(yōu)解，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各學(xué)科的并行設(shè)計(jì)。MDO是一種并行工程思想在設(shè)計(jì)階段的具體體現(xiàn)和實(shí)施技術(shù)。其主要內(nèi)容主要包括：1)面向設(shè)計(jì)的多學(xué)科分析設(shè)計(jì)的軟件集成；2)有效的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科并行設(shè)計(jì)，獲得系統(tǒng)最優(yōu)解；3)MDO分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在MDO技術(shù)

7、研究領(lǐng)域中，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法（也稱優(yōu)化策略）是其中重要、最為活躍的研究方向，目前大多的相關(guān)研究也集中于此。目前，國(guó)際上已經(jīng)形成了MDO的研究熱潮，美國(guó)、歐洲、俄羅斯等國(guó)家都開始了MDO的研究工作。NASA高級(jí)研究員、美籍波蘭裔數(shù)學(xué)家J.Sobieski為這方向的發(fā)展做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。他首先提出了復(fù)雜耦合系統(tǒng)的全靈敏度方程分[15]析方法，利用每一個(gè)子系統(tǒng)輸出對(duì)其輸入的偏導(dǎo)數(shù)構(gòu)造出整個(gè)系統(tǒng)的全局敏感度方程，求解該方程得到系統(tǒng)性能變量對(duì)設(shè)計(jì)變量的全導(dǎo)數(shù)，即可采用常規(guī)優(yōu)化[16]方法求解整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

8、Sobieski還提出了一種子空間優(yōu)化方法，即先暫時(shí)切斷各子空間之間的聯(lián)系，人為地為各子空間分配約束和設(shè)計(jì)變量，使各子空間在自己的設(shè)計(jì)變量空間內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化，再通過系統(tǒng)協(xié)調(diào)問題對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以獲得整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)解。這兩個(gè)重要理論為多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，其他科學(xué)家發(fā)展出了更多的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并將其應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)之中，取得了豐碩的成果。眾多的協(xié)同優(yōu)化(Collab