参数和非参数变量的协同优化方法及应用

【作者】 李伟； 文毅； 李录贤；

【机构】 西安交通大学航天航空学院/机械结构强度与振动国家重点实验室；

【摘要】 航空、航天等领域需要设计的系统日益复杂和精细。同时,成本和环保性要求,使得产品在设计期间需要综合考虑各零部件以及机械和电子等学科的影响。因而,对整个复杂系统进行协同设计成为关注的问题。1982年Sobieszczanski-Sobieski首先提出了多学科优化思想,他本人根据该思想建立了MDF、BLISS等多学科优化框架,详细阐述了学科或子系统之间的分解和协同工作,并成功应用于机翼、火箭的设计。此后,随着基本优化算法和计算技术的不断成熟,1994、1997和2003年又分别提出了CO、CSSO和ATC框架,并随着应用的不断深入进行了改进。但是,上述框架针对的是参数化变量的多学科协同优化,对于不能参数化的变量或非参数变量,直接套用这些协同优化框架会出现学科分解和变量耦合等问题。本文提出了一种改进方案来解决上述问题:首先通过变量分类进行学科分解,然后对参数变量和非参数变量进行解耦,最后采用协同优化框架进行系统的优化分析。本文改进协同优化方法的效果通过2个实例得到了验证。第一个实例是压气机一级涡轮结构的系统效率优化,子系统层包含2个学科的效率优化,分别为叶片气动学科和轮盘结构学科,前者属于参数变量设计,后者属于非参数变量设计。第二个实例为高速列车抗测滚扭杆结构的重量优化,子系统层包括2个学科的重量优化,分别为扭杆扭转刚度计算学科和扭转臂强度计算学科,前者属于参数变量设计,后者属于非参数变量设计。虽然都是结构计算,但根据变量类型划分成了不同学科。2个实例的优化结果表明,本文的协同优化方法使得非参数与参数变量的不同学科之间得到了协同设计,与参数变量和非参数变量设计的顺序优化方法相比,优化效果更为显著。更多还原