關(guān)于優(yōu)秀教學(xué)工作評價試點總結(jié).ppt

1、飛機多學(xué)科設(shè)計最優(yōu)化multi disciplinary design offlight vehicles，飛機總體設(shè)計講座12，內(nèi)容，基本概念(最優(yōu)化案例)MDO方法建議MDO的系統(tǒng)學(xué)在國內(nèi)外MDO研究進展(美國、俄羅斯、 x1 x2 x3=1，最優(yōu)化示例，約束為n1=0.06 x1 0.03 x2 0.04(1-x1-x2)0.04 N2=0.02 x1 0.04 x2 0.01(1-x1-x2) 2x1-x20 x1 3x21，最優(yōu)化示例，3x1 x22 X10、x20、1-x1-x20，根據(jù)目標函數(shù)(f (x)=10)限制，可執(zhí)行的域為凸集R，具有三個頂點單擊，然后繪制目標函數(shù)等高線，

2、例如f(x)=10。目標函數(shù)值增加時，牙齒平行向右移動。我們要求的是滿足約束條件的目標函數(shù)最小值。實例最優(yōu)化，直線平移，首先與凸集R的B點相切的B點(凸集頂點之一)牙齒這是我們要決定的最佳優(yōu)勢。如圖所示，最佳點b是x1 3x2=1和3x1 x2=2的兩個善意交點，因此求解下面的聯(lián)立方程組：最優(yōu)化示例，x1 3x2=1 3x1 x2=2最佳優(yōu)點是x1=5/8x2=1/，最優(yōu)化實例，即1、2、3茄子原料應(yīng)按照5/8、1/8、2/8的比例混合，并且也就是12.88元/公斤。如上例所示，目標函數(shù)和約束都是線性函數(shù)(線性規(guī)劃)。根據(jù)MDO方法的建議，飛機設(shè)計過程通常分為概念設(shè)計、初步設(shè)計和詳細設(shè)計三個階

3、段。概念設(shè)計的結(jié)果是提出了初步的總體設(shè)計方案。經(jīng)濟經(jīng)濟性問題受到重視，LCC是衡量設(shè)計方案好壞的標準。下圖顯示了波音公司彈道飛彈系統(tǒng)的LCC統(tǒng)計結(jié)果。MDO方法的建議，如圖所示，概念設(shè)計成本僅為LCC的1%，決策決策成本僅為70%。人們開始注意提高概念設(shè)計的質(zhì)量，采用的手段是優(yōu)化技術(shù)。概念設(shè)計的目標：最小起飛重量或最大有效載荷；核心學(xué)科：空氣動力學(xué)和推進技術(shù)。下圖顯示了現(xiàn)有飛機設(shè)計方法，并注意了設(shè)計自由度的變化。MDO方法的建議基本上可能無法在整個系統(tǒng)中獲得最佳設(shè)計方案，不考慮串行設(shè)計模式、其他設(shè)計階段、設(shè)計者選擇關(guān)注飛機設(shè)計和優(yōu)化的其他學(xué)科、其他學(xué)科聯(lián)接器生成的協(xié)同效應(yīng)。(約翰f肯尼迪，美國

4、電視電視劇(Northern Exposure)，藝術(shù))問題是概念設(shè)計階段由于已知信息不足，重點學(xué)科強調(diào)，不能充分利用該階段的自由度來提高設(shè)計質(zhì)量。對MDO方法的建議，現(xiàn)有設(shè)計方法的不足，出現(xiàn)了MDO。主要思想是在飛機的各個設(shè)計階段尋求學(xué)科平衡，考慮各個學(xué)科的相互影響和結(jié)合作用，使用有效的最優(yōu)化戰(zhàn)略和分布式計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用各個學(xué)科的系統(tǒng)效果，獲得整個系統(tǒng)的最佳解決方案。使用MDO方法后的設(shè)計過程以及對自由度和知識的期望如下圖所示。建議MDO方法，使用MDO方法后，概念設(shè)計階段時間增加了一倍，詳細設(shè)計階段時間縮短了三分之一，以獲得更多信息和使用更大的設(shè)計自由度。概念設(shè)計階段的學(xué)科分配更加合理

5、，在整個設(shè)計階段引入了更多的知識，提出了更合理的設(shè)計方案。設(shè)計自由度的本質(zhì)是允許修改設(shè)計方案。，MDO的系統(tǒng)說明，首先介紹幾個茄子專用術(shù)語。Discipline(學(xué)科):系統(tǒng)中相對獨立的、可徐璐數(shù)據(jù)交換的主模塊，在MDO中也稱為子系統(tǒng)、子空間，有時被翻譯為“區(qū)域”或“專業(yè)”。設(shè)計變量：描述工程系統(tǒng)特性的設(shè)計過程中，設(shè)計者可以控制的獨立變量集。MDO的系統(tǒng)說明，可分為系統(tǒng)設(shè)計變量x和局部設(shè)計變量Xi。狀態(tài)變量：描述工程系統(tǒng)性能或特性的一組參數(shù)。子系統(tǒng)狀態(tài)變量Y、學(xué)科狀態(tài)變量yi和綁定狀態(tài)變量yij。約束條件：設(shè)計過程中系統(tǒng)必須滿足的條件。MDO的系統(tǒng)學(xué)說明，約束有等式和不等式的區(qū)別，分別用H和G

6、表示，分為系統(tǒng)約束和學(xué)科約束。系統(tǒng)參數(shù)：描述工程系統(tǒng)特性的一組參數(shù)P。學(xué)科分析：使用學(xué)科設(shè)計變量、其他學(xué)科到學(xué)科耦合狀態(tài)變量和系統(tǒng)參數(shù)作為輸入，根據(jù)學(xué)科之一滿足的物理定律確定物理特性的過程。MDO的系統(tǒng)學(xué)說明，學(xué)科分析也稱為子系統(tǒng)分析或子空間分析。設(shè)定學(xué)科I的狀態(tài)方程式，如下所示：學(xué)科分析是求解學(xué)科狀態(tài)方程。MDO中的系統(tǒng)學(xué)說明，系統(tǒng)分析(System Analysis，SA):對于整個系統(tǒng)，將提供一組設(shè)計變量，用于通過求解系統(tǒng)狀態(tài)表達式來獲取系統(tǒng)狀態(tài)變量。由于耦合效應(yīng)，分析過程通常需要多次重復(fù)才能完成。MDO的系統(tǒng)學(xué)描述，一致性設(shè)計：設(shè)計規(guī)劃由系統(tǒng)分析期間的設(shè)計變數(shù)和符合系統(tǒng)狀態(tài)方程式的相應(yīng)

7、系統(tǒng)狀態(tài)變數(shù)組成。可能的設(shè)計：滿足所有設(shè)計要求或設(shè)計約束的一致設(shè)計。最佳設(shè)計：建立目標函數(shù)最小或最大可能設(shè)計。MDO的系統(tǒng)學(xué)描述可以根據(jù)上述定義，以數(shù)學(xué)形式表示MDO問題，如下所示：S.T .國內(nèi)外MDO研究的進展，MDO在20世紀80年代發(fā)展。創(chuàng)始人是J. Sobieszczanski-Sobieski，專門從事結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1982年，他在研究解決大型結(jié)構(gòu)最優(yōu)化問題的論文中首次提出了MDO的構(gòu)想，之后提出了基于靈敏度分析的MDO方法，引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。隨著飛機系統(tǒng)越來越復(fù)雜，在航空航天領(lǐng)域率先開展了MDO研究和應(yīng)用。國內(nèi)外MDO研究進展，1986年AIAA/NASA/USAF/OAI等4

8、個機構(gòu)共同舉辦了第一次“多學(xué)科分析和最優(yōu)化”專題研討會，此后每兩年舉行一次。1991年，AIAA成立了專門的MDO技術(shù)委員會，正式將MDO誕生為新的研究領(lǐng)域。1994年，NASA在蘭利研究中心正式設(shè)立了多學(xué)科設(shè)計最優(yōu)化部門(MDOB)。國內(nèi)外MDO研究的進展，1996年Sobieski和Haftka寫了航空航天領(lǐng)域的多學(xué)科設(shè)計最優(yōu)化研究摘要，回顧了MDO的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了MDO研究的方向。同年，AIAA組織以論文集形式出版了多學(xué)科設(shè)計研究最新進展一書，該書介紹了MDO的概念、基本方法、學(xué)科發(fā)展、大致概念、應(yīng)用環(huán)境等。國內(nèi)外MDO研究進展，MDO在美國?？拼髮W(xué)也受到重視。美國在20世紀90年代初

9、確定了“在多學(xué)科領(lǐng)域團隊中發(fā)揮作用的能力”，確定了面向21世紀的工科大學(xué)畢業(yè)生亟待培養(yǎng)和加強的能力。從1991年開始開設(shè)佐治亞理工大學(xué)學(xué)院等大學(xué)等牙齒方面的課程。1998年，“工程系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計最優(yōu)化”是美國研究生的必備課程，目前有50多所大學(xué)在牙齒課程，國內(nèi)外MDO研究進展，MDO在工業(yè)界也應(yīng)用了，1998年AIAA的MDO技術(shù)委員會對MDO在工業(yè)中的應(yīng)用進行了調(diào)查。波音公司的機翼集成飛機、旋翼飛機旋翼設(shè)計和最優(yōu)化、F/A-18E/F飛機設(shè)計最優(yōu)化、Loma的F-22飛機結(jié)構(gòu)/氣動集成設(shè)計和F-16敏捷“隼”的多學(xué)科設(shè)計和最優(yōu)化、歐洲地區(qū)運輸機結(jié)構(gòu)最優(yōu)化和A3XXX的研究對象包括北港在內(nèi)的我

10、國多個學(xué)術(shù)機構(gòu)和設(shè)計單位的MDO方面的研究也很積極，取得了很多進展。美國MDO研究現(xiàn)狀，1991年美國MDO白皮書明確表示，MDO應(yīng)由政府、大學(xué)和工業(yè)界共同推進。政府部門：NASA的MDOB，1994年NASA認為對航空航天MDO研究和應(yīng)用有廣泛的興趣和支持。新飛機設(shè)計必須盡可能忍耐，以滿足性能要求，引入成本設(shè)計過程可能改變設(shè)計問題的數(shù)學(xué)本質(zhì)。MDOB美國MDO研究現(xiàn)狀，X-33蓮蓬頭研究(19951998)，高性能計算和通信節(jié)目(HPCCP，19952002)等10多個大型項目(例如X-33蓮蓬頭研究(19951998)、美國MDO研究現(xiàn)狀、大學(xué)研究中心包括佐治亞理工大學(xué)學(xué)院航天系統(tǒng)設(shè)計實驗

11、室(SSDL)和航空系統(tǒng)設(shè)計實驗室(ASDL)、斯坦福大學(xué)航空航天計算實驗室(ACL)和飛機氣動和設(shè)計小組(ADG)、弗吉尼亞理工大學(xué)和州立大學(xué)先進飛機綜合分析和設(shè)計中心(mmm)，俄羅斯的MDO研究現(xiàn)狀，俄羅斯最近幾年發(fā)表了很多關(guān)于MDO的論文，如俄羅斯空間科學(xué)研究人員開發(fā)的IOSO(自主優(yōu)化)，可以用于解決各種MDO問題。牙齒算法可以巧妙地結(jié)合基于梯度的非線性規(guī)劃方法和進化反應(yīng)面方法，解決非光滑、隨機、多目標、混合變量等各種最優(yōu)化問題。俄羅斯的MDO研究現(xiàn)狀，IOSO首先在俄羅斯航空航天領(lǐng)域應(yīng)用，然后逐步擴大到汽車產(chǎn)業(yè)、加工業(yè)、生物工程等多種領(lǐng)域。進入商業(yè)化，普及到國際。了解俄羅斯的MDO

12、:MDO是一種將多級、多標準和并行最優(yōu)化技術(shù)緊密結(jié)合在一起進行設(shè)計的方法，下圖對這種MDO設(shè)計方法進行了理解。歐洲MDO研究進展，從1996年歐盟“MDO工程”開始，由航空乘客領(lǐng)導(dǎo)，共有10多個研究機構(gòu)參與。主要目標是飛機生命周期早期設(shè)計階段的集成問題、并行MDO方法、信息技術(shù)和設(shè)計技術(shù)的進一步融合。MOB項目是歐盟進行中的大型分布式MDO項目，主要是機翼本體融合部署的多學(xué)科設(shè)計最優(yōu)化。其他國家MDO研究進展，日本大阪大學(xué)系統(tǒng)設(shè)計工程實驗室(SDEL)，研究方向是利用電腦支持開發(fā)產(chǎn)品MDO設(shè)計方法。韓國漢陽大學(xué)靈敏度分析和設(shè)計創(chuàng)新實驗室(SANDI)主要進行靈敏度分析方法、全球最優(yōu)化等研究。韓

13、國Konkuk大學(xué)氣動設(shè)計和多學(xué)科設(shè)計最優(yōu)化實驗室(ADMOL)。國內(nèi)MDO研究進展，國內(nèi)跟蹤MDO和研究MDO的應(yīng)用已經(jīng)取得了10多年的一些進展，但也有一些茄子問題可以用于工程項目。北港、南港、西工大學(xué)、國防科技大學(xué)、西安市電子科技大學(xué)、大連市鐵路學(xué)院、北京市工業(yè)大學(xué)、中科院的多個研究所等正在進行MDO研究。產(chǎn)業(yè)部門也逐漸接受MDO。ISight。最優(yōu)化方法，經(jīng)典最優(yōu)化方法(間接方法，直接方法)全局最優(yōu)化方法現(xiàn)代最優(yōu)化方法(模擬退火，進化算法，禁忌搜尋演算法)混合最優(yōu)化策略多方法協(xié)作優(yōu)化方法(基本概念，多個特性，實例，與混合優(yōu)化策略相比較)，現(xiàn)代優(yōu)化算法，現(xiàn)代優(yōu)化算法(現(xiàn)代優(yōu)化算法)，與現(xiàn)代

14、最優(yōu)化算法、度數(shù)無關(guān)；直觀的思維靈活性：目標函數(shù)要求低。涵蓋范圍：設(shè)計空間，對變量沒有苛刻的要求，不需要連續(xù)性隨機性：確保下一個搜索方向是隨機的。啟發(fā)式算法(也稱為全球最優(yōu)化算法)很難解釋：主要基于實證研究。飛機總體設(shè)計多學(xué)科最優(yōu)化、飛機總體設(shè)計是涵蓋氣動、結(jié)構(gòu)、推進、控制等多個學(xué)科內(nèi)容的復(fù)雜系統(tǒng)工程。您可以對其中一個學(xué)科執(zhí)行計算分析和最優(yōu)化設(shè)計，并設(shè)置相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和計算軟件。整個飛機很難統(tǒng)一分析和構(gòu)建最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，但只是簡單的學(xué)科組合。飛機總體設(shè)計多學(xué)科最優(yōu)化、飛機總體設(shè)計包含各種設(shè)計變量、性能狀態(tài)變量和約束方程，子系統(tǒng)模型之間相互作用，設(shè)計目標對設(shè)計變量要求的設(shè)計目標可能徐璐矛盾。MD

15、O使設(shè)計人員能夠克服需求分析、方案設(shè)計、參數(shù)設(shè)計、模擬分析之間的差距，在概念設(shè)計階段完成飛機性能最優(yōu)化和性能評估，從而縮短設(shè)計周期。飛機總體設(shè)計多學(xué)科最優(yōu)化，我國飛機設(shè)計師也試圖利用最優(yōu)化技術(shù)改進設(shè)計，但實際效果沒有理想。主要有三個茄子原因。缺乏能夠有效執(zhí)行飛機總體優(yōu)化的建模理論和最優(yōu)化策略。傳統(tǒng)的串行設(shè)計導(dǎo)致了各個學(xué)科的人為分割。各個學(xué)科不斷細化的模型和成果在整個設(shè)計過程中沒有得到充分利用。有助于打破飛機總體設(shè)計多學(xué)科最優(yōu)化、飛機總體多學(xué)科設(shè)計最優(yōu)化、現(xiàn)有設(shè)計框架和設(shè)計思想的束縛，在現(xiàn)代信息技術(shù)和設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上引入數(shù)字設(shè)計過程，創(chuàng)新現(xiàn)有設(shè)計模式和設(shè)計概念。形成了集成了設(shè)計、模擬、性能評估的設(shè)計系統(tǒng)，從而提高了研發(fā)速度，提高了設(shè)計質(zhì)量，降低了生命周期成本。飛機總體設(shè)計模型、飛機總體設(shè)計工作包括情景設(shè)計、總體參數(shù)設(shè)計、決策和優(yōu)化。通常先確定三個飛機主要