多学科设计优化技术发展及在航空航天领域的应用

2021-11-27朱泊霖曹成

中国科技纵横 2021年22期

朱泊霖曹成

（1.空军工程大学，陕西西安 710000；2.航空工程学院，陕西西安 710000）

0.引言

跨学科优化设计是全球工业设计领域的一个新研究领域，本文总结和分析了重要的基础理论、应用研究和最佳跨学科设计的发展。优化算法是跨学科优化设计的重要组成部分，文章中分析了与跨学科优化设计相关的研究成果、软件发展趋势、集成设计框架和软件架构管理，总结和比较航空跨学科增强设计的一些典型应用和特性，回顾最佳跨学科设计与计算机集成生产系统的研发之间的关系。

1.多学科设计优化主要研究内容

跨学科设计优化包括丰富的研究内容。MDO的研究最初分为3类：信息学与技术、面向设计的跨学科分析和跨学科设计改进过程。MDO技术协会根据领域要求完成了修订，将MDO的科研范围扩大到4大类16个层次。也就是说，为了更好地处理这4个复杂问题，MDO的重点研究方向包括MDO的复杂系统模型与溶解方向、敏感性分析方法、蚁群算法、Agent实体模型技术、跨学科设计方案改进、包括模型对策、跨学科设计方案加强框架和新项目、完善跨学科设计方案的应用软件等。其中，敏感性分析方法、蚁群算法、实体模型技术、跨学科设计方案优化策略、跨学科设计方案改进框架是MDO科学研究的核心技术。

跨学科优化设计方法是跨学科优化设计中最重要的研究内容，它解决了跨学科信息交换的问题。目前主要的MDO算法有：（1）单级优化。单级优化方法是一种单一专业的优化方法，主要包括：标准的系统级优化算法；基于自定义搜索引擎的单级优化算法；约束一致性改进算法。在优化设计中，将各个学科的分析和计算组合在一起，形成系统的分析。（2）最佳顺序。序列优化是对单个因素依次优化，计算系统性能，然后迭代直到收敛的过程。在分析过程中，根据有利于系统目标函数的原则，确定各学科的目标函数。（3）协同改进。协同优化算法对每个子空间进行分析和优化。在设计和优化每个子空间时，可以忽略其他子空间的影响，但只满足子空间约束。通过系统级优化，协调各个子系统设计优化结果之间的不对称性。通过系统级和子系统级之间的多次迭代计算，实现了一致的完美设计。（4）多级层次优化。多级层次优化算法利用大规模系统控制理论中的一些概念和方法进行系统优化。该方法具有强大的综合处理多个高级复杂系统的能力。层次系统分析将子系统分为3类：高级子系统、中级子系统和低级子系统。系统的运行必须传达设计要求，从上到下依次设计各个子系统，然后一层一层地改进它直到收敛。

1）面向MDO的复杂系统建模与分解。创建数学模型是改进跨学科设计的基础，复杂系统建模需要仔细评估连接条件和跨学科协作机制，澄清跨学科数据流，平衡模型准确性和计算成本，并评估设计问题的稳健性。跨学科设计优化强调对不同学科的平衡评估，通过检查学科之间的联动关系来提高系统的整体性能。然而，由于当前计算条件的限制，一味追求完整性会使优化问题复杂化，延长设计周期，甚至导致设计缺陷。根据设计要求合理分配区域，识别改进问题，可以通过方差分析检查设计变量以避免灾难。此外，参数化建模对于自动优化复杂系统的设计非常有用。

2）多学科设计优化策略。专业层面的建模方法类似于传统的个体优化，相关技术也比较成熟，可以根据任务的要求，在不同领域创建具有不同精度的不同分析模型。当我们以飞机为例时，在规划呈现的早期阶段经常使用工程估算和准实验公式，随着设计的发展，逐渐采用格子涡旋法、欧拉方程CFD模型、NS方程CFD模型等高分辨率分析模型。MDO研究使用具有最高分辨率的分析模型，根据指定的计算条件提高设计可靠性，因为学科层面的建模方法不同（自编代码、商业软件等），在对复杂系统进行建模时，还应该考虑如何在专题级分析模型中实现数据交互。为了彻底解决这个问题，人们通常将一个复杂的系统分解为一系列相对简单的子系统，每个子系统都可以根据其特点选择正确的优化方法，基于结构设计矩阵的降级是最常见的分解方法之一。为了根据各个子系统的优化得到原系统的最佳解决方案，通常需要对子系统进行调整，完整性限制是最常见的格式化方法之一。一些复杂的系统Modeling和分解内容与基于代理的建模技术和跨学科设计优化策略有重叠。跨学科设计改进策略，也称为MDO流程或MDO方法，主要研究MDO问题的分析、协调和组织，以降低问题的复杂性，这是MDO研究的核心。在MDO的研究中，跨学科设计优化策略考虑了跨学科的链接和协调机制，以尽可能减少计算成本和时间，最大限度地发挥设计师的创造力。MDO策略可以分为一级优化策略和多级优化策略，学科设计改进框架是一个可以支持和改进跨学科设计的软件和硬件环境，通过将跨学科分析模型与MDO方法相结合，环境可以自动实现跨学科的事物。MDO框架集成并利用现有的MDO方法和领域分析模型来改进复杂系统的跨学科设计，增加MDO的适用性，并扩展MDO应用程序的范围[1]。

2.多学科设计优化在航空航天领域的应用

MDO的重要性和紧迫性已经得到航空业和学术界的认可，近10年来，随着理论研究的飞速发展，应用研究在空气动力学和结构性能等领域展开。目前，许多理论和实际应用问题亟待解决，例如，MDO算法的收敛性在理论上并没有得到严格的证明，不能满足复杂的产品设计和工业应用的需求。正在对MDO理论及其应用进行深入研究，本文将回顾MDO的应用和研究趋势。1989年，NASA的兰利研究中心推出了高速飞机集成设计（His Air），以开发和演示先进的多学科分析和优化软件的应用，以实现快速飞机设计的集成设计环境。本研究的目的是发展学科间的互动，促进信息交流，实现学科间信息的及时交互，增强对学科对其他学科影响的认识。中国一直强调His Air的分析方法是基于将这些先进的理论方法融入到多学科设计过程中，强调跨学科反馈和信息优化，开发这种设计环境的关键是确定必要的数据交互和理论方法，以实现及时的信息存储和交换，这些要求需要全面的数据管理技术和图形可扩展性。His Air是LARC首次尝试通过应用先进的数据管理方法，将图形工作站的可视化技术与更先进的分布式计算相结合，大规模改善多学科信息交换环境。

随后，在多个领域开展了集成设计的研究，研究基于优化的柔性空间结构控制结构一体化设计方法。控制结构交互（CSI）模型在LARC实验室进行了验证，并基于集成设计进行了重新设计。相关文献讨论了开发设计工具CSIDesign的可能性，该工具可以通过LARC为底盘控制提供统一的设计环境，研究了一种综合空气动力学/动力学/直升机结构优化设计方法，多级层次优化方法用于将性能、动力学和结构分析与整体优化过程相结合。我国在多学科优化设计的算法和应用方面做了一些研究工作，也对多学科优化设计在飞机和导弹设计中的应用进行了研究，但还缺乏结合实际工程设计的经验。

MDO自提出以来就受到航空业的高度重视，随着重要技术的发展和理论体系的获得，MDO在实践中的应用越来越多。根据文献研究，跨学科设计改进在航空领域的应用主要体现在2个方面。一是运用跨学科设计改进的思想和技巧，完成对某些事物的分析和优化。二是打造综合性的系统工程跨学科面试设计平台。MDO在国外航空领域的应用总结如下：波音评估空气动力学、底盘、重量、推力、操纵和控制之间的不稳定关系，并使用中等精度的分析模型，以基于Genie优化框架提高BWB起飞质量。优化的设计过程限制为134个设计变量 705。在气动耦合方面，波音采用了跨学科设计优化的思路，对直升机多用途旋翼进行优化设计，以减少轴上的载荷[2]。首先，它考虑了气动结构的耦合，生成转子分析模型并使用不同的优化算法来避免局部收敛。其次，利用自动微分、试验设计、响应面等技术，优化设计过程包括56个设计变量。在2006年的西方跨学科设计改进研讨会上，波音公司还展示了使用MDO技术开发波音787飞机的成果。

洛克希德马丁公司针对F-22的刚度、强度、颤振速度和疲劳寿命优化了结构减重，并在新的F-16设计和梯形设计上采用了跨学科设计优化，降低质量和对子系统的其他影响，提高敏捷性。在开发综合跨学科设计平台的过程中，美国宇航局兰利研究所为下一代可重复使用航天器（RLV）开发了一个以模型为中心的先进工程环境，该环境提供了不同学科的分析模型的分散集成和调用，分析过程中的自动化和手动干预，协同设计，研发，过程研发以及产品数据的管理和控制。航空公司需要提高产品的设计质量和效率，以应对激烈的竞争。因此，飞机的概念设计阶段应使用跨学科分析和跨学科设计优化（MDO）技术，针对MDA和MDO计算耗时的问题，我们提出了快速概念设计方法，首先开发了快速概念设计环境，分散式协作设计环境具有集成性、可扩展性和出色的图形用户界面，我们提供实验设计、替代模型方法和混合优化方法等设计方法[3]。

3.多学科设计优化的发展方向

（1）MDO的理论研究方向。1）详细研究MDO裂解策略以解决当前MDO裂解的局限性，从数学的角度看你的策略，比如收敛困难、数值稳定性差、系统优化协同目标策略收敛慢。2）将智能体模型技术与实验设计技术和优化技术相结合，深入研究动态智能体模型技术，在跨学科设计改进过程中不断更新智能体模型，设计中的近似智能体模型，专注于提高准确性。3）由于生产等因素，存在设备技术、材料性能、模型分析误差等诸多不确定因素。为了确保设计结果的稳健性和可靠性，有必要考虑不确定性的跨学科设计优化方法。4）跨学科设计改进研究应逐步评估生产过程的影响，缩短了飞机的设计和开发周期，降低了飞机周期成本。深化MDO理论和方法在工业界的应用，需要深入研究高效的灵敏度分析方法、先进的代理模型技术、先进的计算方法和帕累托可视化技术[4]。

（2）MDO工业推广需解决的问题。近年来，跨学科设计改进已初步应用于航空航天工业，并取得了一些成功，但其应用尚未形成。总之，要全面提升航空工业跨学科设计水平，需要解决3个问题。一是技术问题。目前，MDO的主要技术尚不成熟，需要更多的理论研究，为跨学科设计和行业进步的改进提供有力的技术支持。在大多数MDO发言人和研究人员眼中，技术问题比其他问题更难解决。二是组织问题。如何根据跨学科设计优化需求重组现有产业组织体系，按学科创建和管理部门，通过数据共享和交互实现跨学科联合分析。当一个学科（部门）设计人员发生变化时，自动调用双学科模型进行分析，并将变化对其他部门的影响及时传递给相应的设计人员，上述组织问题可以由部门在IT和跨学科设计改进框架的帮助下逐步改变。三是意识问题。由于航空业几十年来一直采用单一的串行设计模式，高管和技术设计师已经习惯了众所周知的组织结构、设计工具和商业模式，因此需要一个缓存过程来接受新的设计方法和概念。

虽然跨学科设计优化和计算机集成制造系统是两个不同的研究领域，但它们并不是孤立的。创建集成设计环境的关键是确定必要的数据交换、及时的信息存储方法和信息交换方法。因此，将MDO方法集成到CIMS工程设计集成系统中，可以使CIMS的实施实现综合优化调度和生产控制，达到系统优化的目标，而且可以将MDO研究纳入企业的研究和生产中。在操作过程中，增强其实用性。