第一节广义优化课件

第一章第一章 广义优化广义优化/工程优化工程优化 1-3 智能优化方法智能优化方法 1-1 广义优化概念广义优化概念 1-2 工程优化设计工程优化设计.第一章广义优化/工程优化1-3智能优化方法1-111-1 广义优化概念广义优化概念n优化优化分析设计方法分析设计方法 n广义优化广义优化(包括优化对象、优化范围和优化包括优化对象、优化范围和优化准则准则)是现代设计的宗旨是现代设计的宗旨 n优化设计优化设计是把最优化数学原理应用于工程设是把最优化数学原理应用于工程设计问题，在众多的设计方案中寻到尽可能完计问题，在众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案的一种现代设计方善的或最适宜的设计方案的一种现代设计方法。优化设计为工程设计提供了一种重要的法。优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，采用优化设计方法能大大提科学设计方法，采用优化设计方法能大大提高设计效率和设计质量。高设计效率和设计质量。.1-1广义优化概念优化分析设计方法.2n优化是合理化、科学化、满意化，是一个系优化是合理化、科学化、满意化，是一个系统分析、系统综合、系统检验的反复交叉过统分析、系统综合、系统检验的反复交叉过程，是一个永无止境的过程。在优化设计过程，是一个永无止境的过程。在优化设计过程中，常常需要根据产品设计的要求，合理程中，常常需要根据产品设计的要求，合理确定各种参数，以期达到最佳的设计目标。确定各种参数，以期达到最佳的设计目标。n优化分析设计方法优化分析设计方法有：优化设计法、广义优有：优化设计法、广义优化设计法、方案优化法、图论及网络优化、化设计法、方案优化法、图论及网络优化、离散优化、交叉优化、模糊优化等。离散优化、交叉优化、模糊优化等。.优化是合理化、科学化、满意化，是一个系统分析、系统综合、系统3广义优化广义优化n目前，优化设计领域已从数学规划阶段进入目前，优化设计领域已从数学规划阶段进入 了工程优化和人工智能优化阶段。了工程优化和人工智能优化阶段。n机械产品广义优化是面向产品机械产品广义优化是面向产品全系统全系统、全过全过程程和和全性能全性能的优化设计，是以数值与非数值的优化设计，是以数值与非数值集成优化、人机合成优化和多计算机协同优集成优化、人机合成优化和多计算机协同优化为主要特征的优化设计，是从优化全过程化为主要特征的优化设计，是从优化全过程上研究如何提高优化效率与效果的优化设计。上研究如何提高优化效率与效果的优化设计。.广义优化目前，优化设计领域已从数学规划阶段进入了工程优化和5全系统优化全系统优化 现代机械现代机械产品产品的系统性、综合的系统性、综合性和规模化导致性和规模化导致设计模型的设计模型的横向横向扩展扩展。把研究对。把研究对象由传统优化的象由传统优化的简单零部件扩展简单零部件扩展到复杂零部件、到复杂零部件、整机、系列产品整机、系列产品和组合产品的整和组合产品的整体优化，由单学体优化，由单学科领域的优化发科领域的优化发展到机、液、光、展到机、液、光、电、信息的集成电、信息的集成优化。统称为优化。统称为。.全系统优化现代机械产品的系统性、综合性和规6全性能优化全性能优化 客户要求的多样客户要求的多样化导致基于全性能化导致基于全性能的的多目标优化多目标优化。把。把优化准则由传统优优化准则由传统优化的单方面性能优化的单方面性能优化扩展到技术性、化扩展到技术性、经济性和社会性的经济性和社会性的综合评估和优化。综合评估和优化。技术上追求实现目技术上追求实现目的性能、约束性能、的性能、约束性能、使用性能和结构性使用性能和结构性能的综合优化；结能的综合优化；结构上追求静态性能构上追求静态性能和动态性能的组合和动态性能的组合优化。称为优化。称为。.全性能优化客户要求的多样化导致基于全性能的多目标7全设计过程优化全设计过程优化 对产品寿命周对产品寿命周期优化的市场需求期优化的市场需求导致设计模型的纵导致设计模型的纵向扩展。把优化范向扩展。把优化范围由传统优化的产围由传统优化的产品技术设计阶段的品技术设计阶段的优化扩展到包含功优化扩展到包含功能、原理方案和参能、原理方案和参数、结构方案、参数、结构方案、参数和形状，以及工数和形状，以及工艺和公差优化的全艺和公差优化的全设计过程，进而面设计过程，进而面向制造、经销、使向制造、经销、使用和用后处置的寿用和用后处置的寿命周期设计过程。命周期设计过程。.全设计过程优化对产品寿命周期优化的市场8全全寿寿命命周周期期优优化化.全寿命周期优化.9优化适应性优化适应性/模式模式/手段的拓展手段的拓展(融入新技术融入新技术)：优化适应性：优化适应性：数值优化数值优化数值优化数值优化数值与非数值综合数值与非数值综合数值与非数值综合数值与非数值综合人工智能人工智能人工智能人工智能/计算机技术计算机技术计算机技术计算机技术搜索策略：以数学规划为主搜索策略：以数学规划为主搜索策略：以数学规划为主搜索策略：以数学规划为主模型：数值型模型：数值型模型：数值型模型：数值型搜索策略：数学工具、人工智能等搜索策略：数学工具、人工智能等搜索策略：数学工具、人工智能等搜索策略：数学工具、人工智能等模型：数值与非数值方法集成建模模型：数值与非数值方法集成建模模型：数值与非数值方法集成建模模型：数值与非数值方法集成建模优化模式：优化模式：计算机自动优化计算机自动优化计算机自动优化计算机自动优化人机一体优化人机一体优化人机一体优化人机一体优化可视化可视化可视化可视化/多媒体多媒体多媒体多媒体/虚拟现实技虚拟现实技虚拟现实技虚拟现实技术术术术优化手段：优化手段：单模型单机串行优化单模型单机串行优化单模型单机串行优化单模型单机串行优化分解模型分配任务多机分布式并行协同优化分解模型分配任务多机分布式并行协同优化分解模型分配任务多机分布式并行协同优化分解模型分配任务多机分布式并行协同优化多机协同优化多机协同优化多机协同优化多机协同优化计算机技术计算机技术计算机技术计算机技术/网络通信技术网络通信技术网络通信技术网络通信技术单机优化单机优化单机优化单机优化.优化适应性/模式/手段的拓展(融入新技术)：优化适应性：数值10广义优化与传统优化特征体系间的比较广义优化与传统优化特征体系间的比较.广义优化与传统优化特征体系间的比较.11优化设计进程优化设计进程传统设计传统设计传统设计传统设计广义设计广义设计广义设计广义设计结构方案结构方案结构方案结构方案已经确定已经确定已经确定已经确定.优化设计进程传统设计广义设计结构方案已经确定.121-2 工程优化设计工程优化设计一、总论一、总论1、现代工程优化设计研究方向、现代工程优化设计研究方向 现代工程优化设计理论和方法现代工程优化设计理论和方法 支持工程优化设计的集成平台支持工程优化设计的集成平台 优化设计的工程应用优化设计的工程应用.1-2工程优化设计一、总论.132、现代工程优化设计目标、现代工程优化设计目标 着重解决：着重解决：着重解决：着重解决：大型、复杂产品大型、复杂产品(工程工程)全系统、全性能、全过全系统、全性能、全过程、全生命周期的优化问题程、全生命周期的优化问题大规模的组合优化设计问题大规模的组合优化设计问题大构件的结构优化、拓朴优化问题大构件的结构优化、拓朴优化问题大型复杂机械系统方案优化问题大型复杂机械系统方案优化问题复杂机械系统动态设计的优化问题复杂机械系统动态设计的优化问题复杂工程系统的优化布局问题复杂工程系统的优化布局问题复杂工程系统的优化调度问题复杂工程系统的优化调度问题大型、复杂机械产品的稳健设计问题大型、复杂机械产品的稳健设计问题追求更好而不追求更好而不是追求最好是追求最好.2、现代工程优化设计目标追求更好而不是追求最好.143、工程优化设计的范畴、工程优化设计的范畴.3、工程优化设计的范畴工程优化设计技术过程的优化设计技术154、发展概况和存在的问题、发展概况和存在的问题 现状：现状：n n优化方法取得了较多的成果优化方法取得了较多的成果n n仍以数学规划方法为主仍以数学规划方法为主n n零部件的优化设计已在实际设计中得到应用零部件的优化设计已在实际设计中得到应用n n处理复杂系统的广义优化设计、多学科协同处理复杂系统的广义优化设计、多学科协同优化设计、智能优化设计等的研究，取得了较优化设计、智能优化设计等的研究，取得了较多的研究成果多的研究成果.4、发展概况和存在的问题.16n理论研究还有待深入理论研究还有待深入n建模技术的研究还很不充分建模技术的研究还很不充分n结果分析及评价的研究还相对落后结果分析及评价的研究还相对落后n复杂系统复杂系统“全系统、全性能、全过程全系统、全性能、全过程”优优化设计的研究才刚刚开始化设计的研究才刚刚开始n对于大型、复杂和难解问题仍有许多问题对于大型、复杂和难解问题仍有许多问题有待进一步研究有待进一步研究 n优化设计和优化设计和CAD技术的结合还有待进一步技术的结合还有待进一步研究研究 .理论研究还有待深入存在的主要问题：.17n经验型的优化设计经验型的优化设计(人工判断寻优人工判断寻优)n基于数学规划的优化方法基于数学规划的优化方法(线性规划、非线性规划、非线性规划、动态规划线性规划、动态规划)n人工智能优化人工智能优化 n广义优化设计和多学科协同优化设计广义优化设计和多学科协同优化设计n基于进化机制的优化设计基于进化机制的优化设计.发展概况经验型的优化设计(人工判断寻优).18协同寻协同寻协同寻协同寻优理论与方法优理论与方法优理论与方法优理论与方法组合优化设计的理论与方法组合优化设计的理论与方法组合优化设计的理论与方法组合优化设计的理论与方法结构优化、拓朴优化的理论与方法结构优化、拓朴优化的理论与方法结构优化、拓朴优化的理论与方法结构优化、拓朴优化的理论与方法系统方案优化的理论与方法系统方案优化的理论与方法系统方案优化的理论与方法系统方案优化的理论与方法系统动态设计优化的理论与方法系统动态设计优化的理论与方法系统动态设计优化的理论与方法系统动态设计优化的理论与方法复杂工程系统的优化布局的理论与方法复杂工程系统的优化布局的理论与方法复杂工程系统的优化布局的理论与方法复杂工程系统的优化布局的理论与方法复杂工程系统的优化调度问题的理论与方法复杂工程系统的优化调度问题的理论与方法复杂工程系统的优化调度问题的理论与方法复杂工程系统的优化调度问题的理论与方法机械产品稳健设计问题的理论与方法机械产品稳健设计问题的理论与方法机械产品稳健设计问题的理论与方法机械产品稳健设计问题的理论与方法建模理论与方法建模理论与方法建模理论与方法建模理论与方法寻优求解算法寻优求解算法寻优求解算法寻优求解算法优化过程和优化结果的可视化和分析评价优化过程和优化结果的可视化和分析评价优化过程和优化结果的可视化和分析评价优化过程和优化结果的可视化和分析评价二、现代工程优化设计理论和方法二、现代工程优化设计理论和方法.协同寻优理论与方法二、现代工程优化设计理论和方法.19现代优化理论和方法的研究重点现代优化理论和方法的研究重点仿生演化设计理论与方法仿生演化设计理论与方法多学科协同优化设计理论与方法多学科协同优化设计理论与方法结构优化、拓朴优化设计理论与方法结构优化、拓朴优化设计理论与方法工程优化设计建模理论与方法工程优化设计建模理论与方法寻优求解算法与求解过程控制寻优求解算法与求解过程控制优化结果智能处理与评价优化结果智能处理与评价.现代优化理论和方法的研究重点仿生演化设计理论与方法.20仿生演化设计理论仿生演化设计理论与方法与方法.仿生演化设计理论与方法.21仿生演化设计理论和方法仿生演化设计理论和方法 面向设计全过程的仿生演化设计支面向设计全过程的仿生演化设计支持的是创新性的优化设计持的是创新性的优化设计 面向全过程的仿生演化设计是研究生面向全过程的仿生演化设计是研究生物在进化过程中的寻优机制，是探讨特征物在进化过程中的寻优机制，是探讨特征空间中的寻优方法，是真正意义上的全过空间中的寻优方法，是真正意义上的全过程设计，即带有迭代反馈的过程优化设计程设计，即带有迭代反馈的过程优化设计 仿生演化设计强调问题本身的动态仿生演化设计强调问题本身的动态变化，是针对两种空间共同进化而提出的变化，是针对两种空间共同进化而提出的设计方法学设计方法学 .仿生演化设计理论和方法面向设计全过程的仿生演化设22 研究仿生演化设计的机理及其对产品设计创新性的研究仿生演化设计的机理及其对产品设计创新性的研究仿生演化设计的机理及其对产品设计创新性的研究仿生演化设计的机理及其对产品设计创新性的支持支持支持支持 按生物进化的机理和寻优机制，探讨特征空间中的按生物进化的机理和寻优机制，探讨特征空间中的寻优方法寻优方法 根据问题本身的动态性，探讨问题空间和解空间的根据问题本身的动态性，探讨问题空间和解空间的根据问题本身的动态性，探讨问题空间和解空间的根据问题本身的动态性，探讨问题空间和解空间的共同进化及相应的设计方法学共同进化及相应的设计方法学共同进化及相应的设计方法学共同进化及相应的设计方法学 仿生演化设计理论和方法研究重点仿生演化设计理论和方法研究重点 对产品设计的问题空间和解空间的耦合关系进行描对产品设计的问题空间和解空间的耦合关系进行描对产品设计的问题空间和解空间的耦合关系进行描对产品设计的问题空间和解空间的耦合关系进行描述和衡量，形成这种描述的表示方式，并建立与此相述和衡量，形成这种描述的表示方式，并建立与此相述和衡量，形成这种描述的表示方式，并建立与此相述和衡量，形成这种描述的表示方式，并建立与此相匹配的演化模型，这是仿生演化设计的基础匹配的演化模型，这是仿生演化设计的基础匹配的演化模型，这是仿生演化设计的基础匹配的演化模型，这是仿生演化设计的基础.研究仿生演化设计的机理及其对产品设计创新性的支持按生23 借鉴生物进化特征，探讨特征空间中演化设计的基本原理。借鉴生物进化特征，探讨特征空间中演化设计的基本原理。问题的描述空间和解空间的产生是交互式的进化过程，问题的描述空间和解空间的产生是交互式的进化过程，在此过程中，有可能产生在此过程中，有可能产生“突现突现”，这与生物的某些特征，这与生物的某些特征非常类似。因此，探讨描述这种现象的本质，揭示了这些非常类似。因此，探讨描述这种现象的本质，揭示了这些“突现突现”行为的机理，以把握创新设计的实质，是研究的行为的机理，以把握创新设计的实质，是研究的重点之一重点之一 模仿生物进化的趋优机制，研究设计对象在问题空间模仿生物进化的趋优机制，研究设计对象在问题空间模仿生物进化的趋优机制，研究设计对象在问题空间模仿生物进化的趋优机制，研究设计对象在问题空间和解空间都变化的情况下的寻优策略，建立相应的形式化和解空间都变化的情况下的寻优策略，建立相应的形式化和解空间都变化的情况下的寻优策略，建立相应的形式化和解空间都变化的情况下的寻优策略，建立相应的形式化描述模型和求解算法，并运用于产品包括概念设计的全过描述模型和求解算法，并运用于产品包括概念设计的全过描述模型和求解算法，并运用于产品包括概念设计的全过描述模型和求解算法，并运用于产品包括概念设计的全过程演化设计问题。程演化设计问题。程演化设计问题。程演化设计问题。研究粗集理论在概念设计阶段的应用，来处理不完整数研究粗集理论在概念设计阶段的应用，来处理不完整数研究粗集理论在概念设计阶段的应用，来处理不完整数研究粗集理论在概念设计阶段的应用，来处理不完整数据和不精确、不确定性问题。据和不精确、不确定性问题。据和不精确、不确定性问题。据和不精确、不确定性问题。.借鉴生物进化特征，探讨特征空间中演化设计的基本原理。24n由于现代产品和制造系统的复杂性，各种传统的优由于现代产品和制造系统的复杂性，各种传统的优化方法往往无能为力。化方法往往无能为力。n迄今所采用迄今所采用 的各种优化方法都是在数量空间中进的各种优化方法都是在数量空间中进行的，而产品及其制造系统的优化却往往需要在特行的，而产品及其制造系统的优化却往往需要在特征空间（或语义空间）中进行。征空间（或语义空间）中进行。n须摹仿生物进化过程中的自组织机制，研究特征空须摹仿生物进化过程中的自组织机制，研究特征空间中的寻优策略，及其在设计优化和工艺优化中的间中的寻优策略，及其在设计优化和工艺优化中的应用。应用。n需要解决的关键问题如下：需要解决的关键问题如下：生物在进化过程中的寻优机制，抵御生物在进化过程中的寻优机制，抵御“组合爆炸组合爆炸”和防止陷入和防止陷入“局部最优局部最优”的策略，及其在产品优的策略，及其在产品优化与工艺优化中的应用。化与工艺优化中的应用。特征空间中的寻优方法与基因（特征空间中的寻优方法与基因（GA）算法。算法。基于进化机制的优化设计基于进化机制的优化设计.由于现代产品和制造系统的复杂性，各种传统的优化方法往往无能为25多学科协同优化设多学科协同优化设计理论与方法计理论与方法.多学科协同优化设计理论与方法.26 将复杂系统按其所涉及的不同性能、设计阶段的不将复杂系统按其所涉及的不同性能、设计阶段的不同过程、设计对象的不同子结构进行划分，称每一部同过程、设计对象的不同子结构进行划分，称每一部分为一个领域，交由熟悉该领域的专家进行处理，即分为一个领域，交由熟悉该领域的专家进行处理，即进行任务分配；进行任务分配；各领域可以在不需要知道其它领域属性的情况下，各领域可以在不需要知道其它领域属性的情况下，选择该领域的处理方法和求解工具，可在不同的处理选择该领域的处理方法和求解工具，可在不同的处理机上或异地进行求解；机上或异地进行求解；由于各领域之间往往存在相互耦合的关系（通常耦由于各领域之间往往存在相互耦合的关系（通常耦合关系主要有变量耦合和函数耦合），这些关系的存合关系主要有变量耦合和函数耦合），这些关系的存在常导致各领域求解过程出现混乱现象，因此，需要在常导致各领域求解过程出现混乱现象，因此，需要构造一个协同模块，对耦合进行协同处理。构造一个协同模块，对耦合进行协同处理。多学科协同优化设计多学科协同优化设计(广义优化设计广义优化设计广义优化设计广义优化设计)全系统、全性全系统、全性能、全过程、能、全过程、全生命周期的全生命周期的优化设计优化设计.将复杂系统按其所涉及的不同性能、设计阶段的不同过程、设计27国家国家研究机构研究机构研究对象与成果研究对象与成果英国英国SheffieldSheffield大学大学进化计算；使进化计算；使MDOMDO应用同现存工业结构相协调应用同现存工业结构相协调DurhamDurham大学大学发展模仿骨骼生成来进行结构优化的发展模仿骨骼生成来进行结构优化的MDOMDO方法方法SouthamptonSouthampton大学大学在在涡涡轮轮叶叶片片和和低低振振动动人人造造卫卫星星结结构构设设计计等等方方面面进进行行MDOMDO方法研究方法研究Synaps,DASASynaps,DASA和和AirbusAirbus利用利用MDOMDO技术改善飞行器机翼的形状设计技术改善飞行器机翼的形状设计U.K.Defence U.K.Defence Evaluation and Evaluation and research Agencyresearch Agency利用利用MDOMDO技术进行飞行器机翼和机体的综合设计技术进行飞行器机翼和机体的综合设计法国法国Ecole Tech Ecole Tech 大学大学开开发发不不确确定定性性、可可制制造造性性及及成成本本等等方方面面综综合合MDOMDO方法方法Pierre et Marie Pierre et Marie Curie Curie 大学大学汽车防撞性汽车防撞性MDOMDO应用应用Nice Nice 大学大学利用图象处理技术在拓扑优化方面取得显著成果利用图象处理技术在拓扑优化方面取得显著成果多学科协同优化设计国内外研究概况多学科协同优化设计国内外研究概况.国家研究机构研究对象与成果Sheffield大学进化计算；28国家国家研究机构研究机构研究对象与成果研究对象与成果德国德国Siegen Siegen 大学大学MDOMDO的的研研究究用用于于亚亚毫毫米米级级望望远远镜镜及及铁路运输工具铁路运输工具BraunschweigBraunschweig大大学学MDOMDO应应用用于于裂裂缝缝及及裂裂纹纹识识别别、质质量量控制、结构可靠性监控等方面控制、结构可靠性监控等方面StuttgartStuttgart大学大学开开发发用用于于自自适适应应结结构构设设计计的的MDOMDO方方法法澳大澳大利亚利亚SydneySydney大学大学开发薄壁及冷色结构的开发薄壁及冷色结构的MDOMDO软件软件葡萄葡萄牙牙PortoPorto大学大学预制梁方面的预制梁方面的MDOMDO方法方法瑞典瑞典Saab Ericsson Saab Ericsson 空间中心空间中心设设计计初初期期和和设设计计后后期期MDOMDO软软件件的的成成功应用功应用.国家研究机构研究对象与成果Siegen大学MDO的研究用29国家国家研究机构研究机构研究对象与成果研究对象与成果波兰波兰科学研究院科学研究院MDOMDO用用于于发发展展仿仿生生机机制制，探探讨讨骨骨头头内内部部结构及外部特征，并应用于骨植入技术结构及外部特征，并应用于骨植入技术印度印度科学研究院科学研究院进化优化方法，并应用于进化优化方法，并应用于VLSIVLSI芯片设计芯片设计日本日本Osaka PrefectureOsaka Prefecture大学大学卡车架脉冲分配器手柄卡车架脉冲分配器手柄MDOMDO方法的应用方法的应用Toronto Toronto 大学大学开发用于焊接单元优化的专家系统开发用于焊接单元优化的专家系统Laval Laval 大学大学利用利用MDOMDO设计飞机样机静平衡运动系统设计飞机样机静平衡运动系统印度尼印度尼西亚西亚Teknologi BandungTeknologi Bandung研研究院究院利利用用MDOMDO技技术术设设计计高高级级水水泥泥材材料料，其其成成果果应应用用于于Dassault Dassault AviationAviation、RenaultRenault等公司等公司中国中国大连理工大学大连理工大学声声结构耦合设计优化结构耦合设计优化.国家研究机构研究对象与成果波兰科学研究院MDO用于发展仿生机30国国家家研究机构研究机构研究对象与成果研究对象与成果美美国国BoeingBoeing公司公司描描述述诸诸如如行行为为、性性能能、人人机机因因素素、可可靠靠性性和和系系统统成成本本等等多多样样性性、多多目目标标MDOMDO公公理理化化方方法法；其其防防撞撞性性工工业业软软件件的的成成功功实实施施带带来来可可观观经经济济效效益益；开开发发出出带带有有起起博博器器的的双双向向通通讯讯天天线线AltairAltair工程公司工程公司OptiStructOptiStruct软件成功用于带有制造工艺约束的拓扑优化软件成功用于带有制造工艺约束的拓扑优化NortheasternNortheastern大学大学开发可执行程序和可视化方法以支持设计决策开发可执行程序和可视化方法以支持设计决策ArizonaArizona大学大学探探讨讨利利用用MDOMDO进进行行敏敏捷捷型型复复合合机机翼翼的的设设计计方方法法，用用于于改改善善颤动特性、气流响应和其它性能颤动特性、气流响应和其它性能Virginia TechVirginia Tech和和FloridaFlorida大学大学应应用用MDOMDO开开发发支支柱柱撑撑杆杆结结构构机机翼翼的的超超音音速速飞飞机机，与与传传统悬臂梁结构机翼飞机相比，能节省近统悬臂梁结构机翼飞机相比，能节省近20%20%燃料燃料IowaIowa大学大学开发出开发出MDOMDO设计过程程序并融入机械多体动力学设计过程程序并融入机械多体动力学ADAMSADAMS软件软件Georgia TechGeorgia Tech空空间间飞飞行行器器及及火火箭箭概概念念设设计计阶阶段段的的MDOMDO方方法法；并并联联合合Lockheed Lockheed Martin Martin Tactical Tactical 飞飞行行器器系系统统及及空空军军武武器器实实验验室进行室进行MDOMDO不同设计阶段的不确定性建模不同设计阶段的不确定性建模芝加哥芝加哥IllinoisIllinois大学大学将将MDOMDO研研究究与与3 3D D沉沉浸浸式式虚虚拟拟现现实实技技术术结结合合，改改观观设设计计输输入入、输输出出信信息息的的界界面面；其其MDOMDO方方法法对对诸诸如如快快速速成成型型、铸铸造造、焊焊接、聚合体挤压与注入模具等制造工艺影响很大接、聚合体挤压与注入模具等制造工艺影响很大.国家研究机构研究对象与成果Boeing公司描述诸如行为、性31国家国家研究机构研究机构研究对象与成果研究对象与成果美国美国BuffaloBuffalo大学大学研研究究产产品品及及设设计计空空间间可可视视MDOMDO方方法法，以以支支持持设计决策设计决策RiceRice大学大学,BoeingBoeing和和Mobil OilMobil Oil公司公司它它们们在在近近似似模模型型方方面面进进行行合合作作研研究究，以以加加强强不同学科的计算机仿真技术不同学科的计算机仿真技术PennsylvaniaPennsylvania大学大学开开发发自自适适应应机机构构拓拓扑扑优优化化的的MDOMDO方方法法，并并用用于微电子机械系统于微电子机械系统OhioOhio州立大学州立大学获获得得能能够够解解决决非非连连续续性性约约束束和和大大系系统统优优化化问问题的鲁棒性算法专利题的鲁棒性算法专利SandiaSandia国家实验室国家实验室对存储设计问题进行并行优化对存储设计问题进行并行优化NASA-LangleyNASA-Langley实验室实验室将将MDOMDO的的基基本本知知识识应应用用于于工工程程问问题题；从从系系统统和心理行为角度检验机组的动力特征和心理行为角度检验机组的动力特征空军工业研究院及空军工业研究院及其智能中心其智能中心开开发发GAGA算算法法用用以以从从不不完完整整信信息息反反求求导导弹弹武武器器系统结构系统结构.国家研究机构研究对象与成果Buffalo大学研究产品及设计32结构构优化、拓朴化、拓朴优化化设计理理论和方法和方法.结构优化、拓朴优化设计理论和方法.33结构优化、拓朴优化设计理论和方法结构优化、拓朴优化设计理论和方法 结构优化问题已经涉及到结构设计的各个结构优化问题已经涉及到结构设计的各个方面方面,除了结构的最小重量、最大性能以及除了结构的最小重量、最大性能以及形状与拓扑优化、结构元件的优化布置与定形状与拓扑优化、结构元件的优化布置与定位等传统结构优化问题以外位等传统结构优化问题以外,还涉及到结构还涉及到结构美学、微观力学中的分子结构优化等问题美学、微观力学中的分子结构优化等问题 结构优化问题在数学上归结为带约束的结构优化问题在数学上归结为带约束的函数优化问题函数优化问题,大型结构的整体优化问题一大型结构的整体优化问题一般具有多目标、多约束和多混合变量的特点般具有多目标、多约束和多混合变量的特点.结构优化、拓朴优化设计理论和方法结构优化问题已经涉及到结34最小重量与最大性能设计最小重量与最大性能设计 最小重量与最大性能设计是结构优化设计的经最小重量与最大性能设计是结构优化设计的经典问题典问题,前者要求在结构安全和完整性的条件下前者要求在结构安全和完整性的条件下使结构的重量使结构的重量(或体积或体积,或费用或费用)最小最小,后者要求后者要求在结构重量或其它条件的限制下使结构的性能在结构重量或其它条件的限制下使结构的性能(如刚度等如刚度等)最大最大.这类问题一般可归结于几何不这类问题一般可归结于几何不变的单一目标的多变量约束优化问题变的单一目标的多变量约束优化问题,利用传统利用传统的优化准则和数学规划法可有效地进行求解的优化准则和数学规划法可有效地进行求解 例如珩架的最小重量设计例如珩架的最小重量设计;较多的研究集中较多的研究集中于复合材料梁和板结构的刚度或阻尼性能的于复合材料梁和板结构的刚度或阻尼性能的优化设计优化设计.最小重量与最大性能设计最小重量与最大性能设计是结构优35 结构的尺寸、形状和拓扑优化是几何设计的三结构的尺寸、形状和拓扑优化是几何设计的三个层次个层次,通称为布局通称为布局(Layout)优化问题优化问题.其中尺寸与其中尺寸与形状优化问题可以用数学规划法求解形状优化问题可以用数学规划法求解.优化拓扑的选优化拓扑的选择是一个困难的结构优化问题择是一个困难的结构优化问题:设计变量很多设计变量很多,几何几何构型的变化导致病态的有限元方程等构型的变化导致病态的有限元方程等.在结构拓扑优在结构拓扑优化问题中化问题中,可以根据所取目标函数和约束条件的不同可以根据所取目标函数和约束条件的不同组合组合,演义出不同的拓扑优化问题演义出不同的拓扑优化问题:目标函数为结构目标函数为结构柔度柔度,约束条件为材料重量约束条件为材料重量;目标函数为结构频率目标函数为结构频率,约束条件为材料重量约束条件为材料重量;目标函数为材料重量目标函数为材料重量,约束条约束条件为结构柔度件为结构柔度;目标函数为指定点位移目标函数为指定点位移,约束条件为约束条件为材料重量等材料重量等结构形状与拓扑优化结构形状与拓扑优化.结构的尺寸、形状和拓扑优化是几何设计的三个层36 在大型空间结构的控制问题中在大型空间结构的控制问题中,需要安装大量的需要安装大量的传感器和驱动器传感器和驱动器,以实现对结构的现场性能监测和主以实现对结构的现场性能监测和主动控制动控制.为了不增加结构的重量为了不增加结构的重量,提高主动控制系统的提高主动控制系统的结构性能结构性能,必须使系统具有良好的鲁棒稳定性必须使系统具有良好的鲁棒稳定性.如果驱如果驱动器动器/传感器的位置是空间离散的传感器的位置是空间离散的,则优化布置问题就则优化布置问题就转化为组合优化问题转化为组合优化问题.其目标函数一般有其目标函数一般有:f1:结构的结构的重量最小重量最小;f2:二次性能指标最小二次性能指标最小;f3:二次控制的费力二次控制的费力最小最小;f4:鲁棒稳定性最大鲁棒稳定性最大;f5:耗散能量最大耗散能量最大.设计变量设计变量一般取为驱动器的位置和结构元件的体积一般取为驱动器的位置和结构元件的体积。类似的问题还有智能结构中的压电驱动器或阻尼器类似的问题还有智能结构中的压电驱动器或阻尼器的定位和优化布置问题的定位和优化布置问题;灵巧材料中的噪声控制问题灵巧材料中的噪声控制问题;弹性结构中的损伤识别与定位问题等弹性结构中的损伤识别与定位问题等结构元件的优化布置与定位问题结构元件的优化布置与定位问题.在大型空间结构的控制问题中,需要安装大量的37 由于结构的外形设计成为越来越重要的设计条件由于结构的外形设计成为越来越重要的设计条件,结构的美学设计也成为结构优化问题的研究焦点。从结构的美学设计也成为结构优化问题的研究焦点。从美学的观点评价结构的造型、色彩等视觉效果和与周美学的观点评价结构的造型、色彩等视觉效果和与周围环境的协调性围环境的协调性,是结构美学设计的主要内容。但是是结构美学设计的主要内容。但是,这些美学指标往往受设计者自身的美学观点和偏好的这些美学指标往往受设计者自身的美学观点和偏好的影响影响,所以建立一套客观的结构美学评价体系并非易所以建立一套客观的结构美学评价体系并非易事。有文献在对大坝上下游两侧的颜色进行优化设计事。有文献在对大坝上下游两侧的颜色进行优化设计时时,引入了反映每个设计者偏好的评价矩阵引入了反映每个设计者偏好的评价矩阵,通过对视通过对视觉偏差的统计分布假设觉偏差的统计分布假设,得到一种可靠的美学效果估得到一种可靠的美学效果估计值。计值。结构的美学设计结构的美学设计.由于结构的外形设计成为越来越重要的设计条件,结构的美学设38 结构的共振调谐与动力学平衡问题经常导结构的共振调谐与动力学平衡问题经常导致病态的优化问题致病态的优化问题,共振极限状态的分析将导致共振极限状态的分析将导致求解非线性优化问题。其目标函数有可能是离求解非线性优化问题。其目标函数有可能是离散的、非凸的、多模态或平坦形状散的、非凸的、多模态或平坦形状(flat in flat in shape)shape),被认为是求解这类非线性问题的非被认为是求解这类非线性问题的非常有前途的工具。的可能应用领域是有应常有前途的工具。的可能应用领域是有应力和位移约束的多工况频率约束问题和振动控力和位移约束的多工况频率约束问题和振动控制智能结构的频率优化问题制智能结构的频率优化问题结构动力学性能设计结构动力学性能设计.结构的共振调谐与动力学平衡问题经常导致病态的优化问题39工程优化设计中的工程优化设计中的建模理论与方法建模理论与方法.工程优化设计中的建模理论与方法.40n直接建模直接建模n柔性建模柔性建模n自适应建模自适应建模建模类型建模类型根据优化算法的需要，并按其规定格根据优化算法的需要，并按其规定格根据优化算法的需要，并按其规定格根据优化算法的需要，并按其规定格式，将设计问题的参数和函数直接表式，将设计问题的参数和函数直接表式，将设计问题的参数和函数直接表式，将设计问题的参数和函数直接表达为优化数学模型。达为优化数学模型。达为优化数学模型。达为优化数学模型。特定优化对象在事先编好拓朴结构描特定优化对象在事先编好拓朴结构描特定优化对象在事先编好拓朴结构描特定优化对象在事先编好拓朴结构描述子程序的情况下，实现设计参数、述子程序的情况下，实现设计参数、述子程序的情况下，实现设计参数、述子程序的情况下，实现设计参数、设计函数在线交互式灵活修改。设计函数在线交互式灵活修改。设计函数在线交互式灵活修改。设计函数在线交互式灵活修改。在求解过程中，自动修改和完善在求解过程中，自动修改和完善优化数学模型，使问题空间和解优化数学模型，使问题空间和解空间同步变化。空间同步变化。根据以往优化设计的经验，建立根据以往优化设计的经验，建立根据以往优化设计的经验，建立根据以往优化设计的经验，建立不同系列、整机及零部件优化模不同系列、整机及零部件优化模不同系列、整机及零部件优化模不同系列、整机及零部件优化模型，需要时选择调用并组合。型，需要时选择调用并组合。型，需要时选择调用并组合。型，需要时选择调用并组合。建立一个能充分表达设计思想的过渡模型（非数学模型，如建立一个能充分表达设计思想的过渡模型（非数学模型，如描述设计问题的物理产品模型及符号模型等），然后，系统描述设计问题的物理产品模型及符号模型等），然后，系统自动将其转化为相应算法所需的最终优化设计模型。自动将其转化为相应算法所需的最终优化设计模型。n过渡建模过渡建模n利用模型库建模利用模型库建模.直接建模建模类型根据优化算法的需要，并按其规定格式，将设计问41柔柔 性性 建建 模模 的的 功功 能能 是是 让设让设计计 师师 交交 互互 地地 确确 定定 优化优化 模模型型 中中 的的 三三 大大 部部 分分-设设 计计 参参数数、约、约 束束 数数 和和 目目 标标 函函 数数的的 属属 性。性。编编辑辑设设计计参参数数属属性性编编辑辑不不等等距距离散离散设设计计参参数数取值取值域域编编辑辑价价值值函函数数曲曲线线编编辑辑约约束束函函数数权权重重结结构构编编辑辑目目标标函函数数权权重重结结构构编编 辑辑 设设 计计函函 数数 属属 性性柔性建模柔性建模.柔性建模的功能是让设计师交互地确定优化模型中的三大部分-设42建立图形模型建立图形模型图形建模模块的功能是让设图形建模模块的功能是让设计师实现同一产品的设计图计师实现同一产品的设计图形和优化数学模型的双向驱形和优化数学模型的双向驱动动。进行优化搜索进行优化搜索由设计方案由设计方案确定图形形状确定图形形状图形的图形的交互修改交互修改图形建模图形建模.建立图形模型图形建模模块的功能是让设计师实现同一产品的设计图43领域建模领域建模结构优化建模结构优化建模拓朴拓朴优化建模化建模动力学优化建模动力学优化建模其它领域设计建模其它领域设计建模.领域建模结构优化建模拓朴优化建模动力学优化建模其它领域设计建44辅助建模工具辅助建模工具 要解决机械优化设计存在的问题，其中之一要解决机械优化设计存在的问题，其中之一是需要用计算机辅助建立优化数学模型和计算机是需要用计算机辅助建立优化数学模型和计算机辅助优化方法程序选择，完成这些工作需要有建辅助优化方法程序选择，完成这些工作需要有建模专家系统、模型库管理系统、优化方法程序评模专家系统、模型库管理系统、优化方法程序评价系统和优化方法程序库。价系统和优化方法程序库。这几个系统独立运行还不能很好地满足要求这几个系统独立运行还不能很好地满足要求,最好的情况是将它们协调组合，集成为一个优化最好的情况是将它们协调组合，集成为一个优化设计智能建模系统设计智能建模系统，使之成为智能使之成为智能CAD/CAM的的重要资源重要资源 建立辅助建模工具的必要性建立辅助建模工具的必要性.辅助建模工具要解决机械优化设计存在的问题，其45国外几种智能建模系统及其特点国外几种智能建模系统及其特点.国外几种智能建模系统及其特点.46 OMBMS是模型库管理系统；是模型库管理系统；MB是模型库；是模型库；OBMES是建模专家系统；是建模专家系统；MAR是模型分析器；是模型分析器；OGRAP是求解是求解过程的图形显示模块；过程的图形显示模块；OPB是优化方法程序库；是优化方法程序库；OPEVS是优化方法程序的测试与评价系统是优化方法程序的测试与评价系统 一种智能建模系统的总体结构一种智能建模系统的总体结构.OMBMS是模型库管理系统；MB是模型库；OBMES是47寻优求解算法与求寻优求解算法与求解过程控制解过程控制.寻优求解算法与求解过程控制.48n线性规划线性规划线性规划和非线性规划的典型算法线性规划和非线性规划的典型算法n非线性规划非线性规划 n非光滑优化方法非光滑优化方法 基本算法基本算法:单纯形法单纯形法具有多项式时间复杂度算法具有多项式时间复杂度算法(内点法内点法)：投影算法、均衡仿射尺度法、对投影算法、均衡仿射尺度法、对偶均衡仿射尺度法、原对偶算法、偶均衡仿射尺度法、原对偶算法、探测矫正算法、原对偶势函数探测矫正算法、原对偶势函数算法等算法等无约束非线性规划算法无约束非线性规划算法:计算梯度计算梯度的的DFPDFP法、法、BFGSBFGS法；不计算梯度法；不计算梯度的的PowellPowell共轭梯度法等共轭梯度法等约束非线性规划算法约束非线性规划算法：序列线性逼：序列线性逼近方法、序列无约束极小化方法、近方法、序列无约束极小化方法、二次逼近方法等二次逼近方法等 .线性规划线性规划和非线性规划的典型算法非线性规划非光滑优化49n针对特殊问题设计的算法针对特殊问题设计的算法 针对复合非光滑优化问题的针对复合非光滑优化问题的信赖域方法信赖域方法 针对极大极小问题的针对极大极小问题的极大熵方法极大熵方法 n求解一般非光滑问题的算法求解一般非光滑问题的算法 次梯度法、捆集法次梯度法、捆集法 非光滑优化方法非光滑优化方法.针对特殊问题设计的算法非光滑优化方法.50n前处理法：主要有评价理论算法和目的规划前处理法：主要有评价理论算法和目的规划算法。直观、简单，但带有一定的盲目性算法。直观、简单，但带有一定的盲目性;n后处理法后处理法(后置衔接法后置衔接法)：通过求得其全部或：通过求得其全部或一部分有效解、然后由决策者选出合适的有一部分有效解、然后由决策者选出合适的有效解作为最优解效解作为最优解;n渐进衔接法渐进衔接法(交互式算法交互式算法)：构造出评价标准：构造出评价标准的单目标问题，求出这一单目标问题的最优的单目标问题，求出这一单目标问题的最优解，再提交决策者评判。实际上是一个将多解，再提交决策者评判。实际上是一个将多目标问题转化为一系列单目标问题求解的过目标问题转化为一系列单目标问题求解的过程。程。多目标问题的求解策略多目标问题的求解策略.前处理法：主要有评价理论算法和目的规划算法。直观、简单，但带51 人工智能两大分支：人工智能两大分支：知识工程知识工程 计算智能计算智能 基于人工智能的优化设计问题的求解策略基于人工智能的优化设计问题的求解策略基基于于符符号号知知识识的的推推理理技技术术(专专家家系系统统)、基基于于实实例例的的推推理技术等理技术等在在优优化化设设计计中中，有有关关方方案案优优化化设设计计问问题题，可可通通过过人人工工智智能、专家系统等求解能、专家系统等求解人工神经网络算法人工神经网络算法人工神经网络算法人工神经网络算法遗传基因算法遗传基因算法遗传基因算法遗传基因算法模拟退火算法模拟退火算法模拟退火算法模拟退火算法蚂蚁算法等蚂蚁算法等蚂蚁算法等蚂蚁算法等是一个带有智能的计算系统，具有高速、并行处理、高效的知识获取、自学习、自适应等能力 可处理各种优化设计的问题，通过启发式的随机搜索，可以获得全局最优解，基因算法采用并行计算，多解并存，求解效率很高。.人工智能两大分支：基于人工智能的优化设计问题的求解策略基52n可视化处理方法主要有：可视化处理方法主要有：n事事后后处处理理法法：把把计计算算和和计计算算结结果果可可视视法法分分成成两两个个阶段，两者不发生交互作用。阶段，两者不发生交互作用。n跟跟踪踪处处理理法法：要要求求实实时时显显示示中中间间结结果果，以以便便于于监监视视当当前前情情况况，确确定定是是否否继继续续当当前前计计算算或或开开始始一一个个新的计算。新的计算。n驾驾驭驭处处理理法法：不不仅仅能能使使研研究究者者实实时时地地观观察察到到当当前前的的计计算算状状态态，而而且且能能对对计计算算过过程程进进行行实实时时的的交交互互控制控制(增大或减少步长，修改参数等增大或减少步长，修改参数等)；n可视化过程步骤：计算数据采集、组织与变换；可视化过程步骤：计算数据采集、组织与变换；几何图元提取和可视模型构造；图形绘制与显示。几何图元提取和可视模型构造；图形绘制与显示。求解过程的可视化跟踪求解过程的可视化跟踪.可视化处理方法主要有：求解过程的可视化跟踪.53优化结果智能处优化结果智能处理与评价理与评价.优化结果智能处理与评价.54n目的：分析优化结果的合理性和可靠性，目的：分析优化结果的合理性和可靠性，从而判断模型的正确性，给出修改的信息，从而判断模型的正确性，给出修改的信息，以便进一步完善所建立的模型以便进一步完善所建立的模型 n定义：在某点处，设计变量或起作用约束定义：在某点处，设计变量或起作用约束的微小变化所引起的设计函数的微小变化所引起的设计函数(目标函数目标函数或约束函数或约束函数)的变化程度的变化程度 n用灵敏度判断结果的合理性用灵敏度判断结果的合理性 n用灵敏度判断结果的可靠性用灵敏度判断结果的可靠性 敏度分析敏度分析.目的：分析优化结果的合理性和可靠性，从而判断模型的正确性，给55n通通过过三三维维图图形形，显显示示最最优优点点处处目目标标函函数数的的性态；性态；n通通过过三三维维图图形形，显显示示目目标标函函数数与与设设计计变变量量间的空间关系；间的空间关系；n通通过过三三维维图图形形，显显示示各各约约束束函函数数与与设设计计变变量间的空间关系；量间的空间关系；n通通过过三三维维图图形形，显显示示设设计计方方案案的的实实体体结结构构、动动态态仿仿真真：根根据据优优化化设设计计所所得得参参数数，生生成成设计对象的实体结构并进行动态仿真。设计对象的实体结构并进行动态仿真。优化结果图形显示优化结果图形显示.通过三维图形，显示最优点处目标函数的性态；优化结果图形显示.56n评价指标评价指标 目标函数值的大小目标函数值的大小 不稳定度的大小不稳定度的大小 可靠度的大小可靠度的大小n评价方法评价方法 层次方法评价层次方法评价 模糊数学评价模糊数学评价 人工智能、专家系统评价人工智能、专家系统评价 评价决策评价决策.评价指标评价决策.57三、支持工程优化设计的集成平台三、支持工程优化设计的集成平台集成平台的集成平台的功能需求功能需求集成平台开发集成平台开发的关键技术的关键技术集成平台的体集成平台的体系结构系结构设计过程数据管理设计过程数据管理设计过程数据管理设计过程数据管理产品模型产品模型产品模型产品模型 优化设计优化设计优化设计优化设计拓朴优化拓朴优化拓朴优化拓朴优化参数优化参数优化参数优化参数优化结构优化结构优化结构优化结构优化分析分析分析分析常规分析常规分析常规分析常规分析有限元分析有限元分析有限元分析有限元分析应力分析应力分析应力分析应力分析动力学分析动力学分析动力学分析动力学分析数据库数据库数据库数据库实体造型实体造型实体造型实体造型二维二维二维二维三维三维三维三维 算法库算法库算法库算法库 图形库图形库图形库图形库集成平台示例集成平台示例.三、支持工程优化设计的集成平台集成平台的集成平台开发的关键技58v机械零部件的参数优化设计机械零部件的参数优化设计v大型、复杂产品（工程）大型、复杂产品（工程）全系统、全性能、全系统、全性能、全过程、全生命周期的优化设计全过程、全生命周期的优化设计v大构件的结构优化和拓朴优化设计大构件的结构优化和拓朴优化设计v大型复杂机械系统的方案优化设计大型复杂机械系统的方案优化设计v复杂机械系统动态设计的优化复杂机械系统动态设计的优化v复杂工程系统的优化布局复杂工程系统的优化布局v生产过程的优化调度生产过程的优化调度v大型、复杂机械产品的稳健优化设计大型、复杂机械产品的稳健优化设计7 7机械优化设计建模与优化方法评价（国家自然科学基金和中国科学院计算所机械优化设计建模与优化方法评价（国家自然科学基金和中国科学院计算所CADCAD开放实验室资助课题）耀青开放实验室资助课题）耀青 黄心渊黄心渊 王文清等王文清等19951995年年1010月第月第1 1版版四、优化设计的工程应用四、优化设计的工程应用.机械零部件的参数优化设计7机械优化设计建模与优化方法评价（国59五、工程优化设计研究方向五、工程优化设计研究方向优化设计方法学：优化设计方法学：优化设计哲理优化设计哲理优化设计哲理优化设计哲理/优化设计的体系优化设计的体系优化设计的体系优化设计的体系/优化设计进程优化设计进程优化设计进程优化设计进程/优化设计的本质及其内在规律优化设计的本质及其内在规律优化设计的本质及其内在规律优化设计的本质及其内在规律优化设计的设计对象：优化设计的设计对象：概念设计中的优化设计问概念设计中的优化设计问概念设计中的优化设计问概念设计中的优化设计问题题题题/组合优化中的组合优化中的组合优化中的组合优化中的NPNP问题问题问题问题/复杂大系统工程优化设计复杂大系统工程优化设计复杂大系统工程优化设计复杂大系统工程优化设计中的多学科协同优化设计问题中的多学科协同优化设计问题中的多学科协同优化设计问题中的多学科协同优化设计问题/结构结构结构结构(形状、拓朴形状、拓朴形状、拓朴形状、拓朴)优优优优化设计问题化设计问题化设计问题化设计问题/动态设计中的优化设计问题动态设计中的优化设计问题动态设计中的优化设计问题动态设计中的优化设计问题优化设计的策略、理论和方法：优化设计的策略、理论和方法：优化设计中建模优化设计中建模优化设计中建模优化设计中建模理论和方法理论和方法理论和方法理论和方法/优化设计中的灵敏度分析优化设计中的灵敏度分析优化设计中的灵敏度分析优化设计中的灵敏度分析/优化设计中的优化设计中的优化设计中的优化设计中的可控可视技术可控可视技术可控可视技术可控可视技术/优化算法优化算法优化算法优化算法优化设计支持工具：优化设计支持工具：单元工具单元工具单元工具单元工具(建模工具、算法库、建模工具、算法库、建模工具、算法库、建模工具、算法库、模型库、数据库及其管理系统模型库、数据库及其管理系统模型库、数据库及其管理系统模型库、数据库及其管理系统)/)/)/)/集成工具集成工具集成工具集成工具.五、工程优化设计研究方向优化设计方法学：优化设计哲理/优化设60智能算法导言遗传算法(GA)