賴宇陽(yáng) 董素貞 范文慧 方立橋 葉芳
(1.清華大學(xué) 自動(dòng)化系,北京 100084;2.北京樹優(yōu)信息技術(shù)有限公司,北京 100176)
多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(multidisciplinary design optimization,MDO)是面向復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化方法,最初由20 世紀(jì)80 年代美國(guó)以Sobieszczanski-Sobieski 為代表的航空領(lǐng)域科學(xué)家提出,并在航空、航天、汽車、船舶、風(fēng)電等行業(yè)和領(lǐng)域成為研究重點(diǎn)。美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)MDO 技術(shù)委員會(huì)對(duì)MDO 的定義描述為:MDO 是一種通過(guò)充分探索和利用系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)和子系統(tǒng)的方法論[1]。
Sobieszczanski-Sobieski 最早將 MDO 的研究?jī)?nèi)容分為信息科學(xué)技術(shù)、面向設(shè)計(jì)的多學(xué)科分析和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程3 大類[2]。1998 年,MDO 技術(shù)委員會(huì)根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)流程、經(jīng)驗(yàn)和需求對(duì)其進(jìn)行了修正,將 MDO 研究?jī)?nèi)容擴(kuò)展為4大類共16 個(gè)方面[3]。綜合而言,MDO 的主要研究?jī)?nèi)容包括面向MDO 的復(fù)雜系統(tǒng)建模與分解、靈敏度分析方法、優(yōu)化算法、代理模型技術(shù)、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化策略、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架與平臺(tái)以及多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化工程應(yīng)用7 個(gè)方面。
其中,多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架與平臺(tái)作為MDO 研究的關(guān)鍵技術(shù)之一[4],是支撐多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化工程應(yīng)用的技術(shù)底座。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架與平臺(tái)的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要集成各領(lǐng)域?qū)I(yè)分析軟件和建模工具,打通各學(xué)科之間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系、高效率調(diào)用各類優(yōu)化算法。因此,設(shè)計(jì)和開發(fā)高系統(tǒng)集成度、高計(jì)算性能和通用化的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架與平臺(tái)對(duì)MDO研究和應(yīng)用具有重要意義。
國(guó)外諸多科研機(jī)構(gòu)開發(fā)了成熟的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化商業(yè)軟件平臺(tái),其中具有代表性的有Isight、ModelCenter、Optimus、Visual DOC[5]、DAKOTA[6]等。每個(gè)平臺(tái)都有自身特色的底層架構(gòu),或是通用的多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算框架,或是針對(duì)某一特定優(yōu)化方法或特殊工程問(wèn)題的專用設(shè)計(jì)[7-8],大都具有柔性仿真流程集成、自動(dòng)化及可視化流程執(zhí)行、參數(shù)研究及設(shè)計(jì)優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析及后處理、便于拓展的外界接口、開放性和可擴(kuò)充性框架等功能特點(diǎn)。工程人員也在嘗試將更多的專業(yè)學(xué)科分析軟件加入平臺(tái)之中,拓展優(yōu)化平臺(tái)在各個(gè)領(lǐng)域的泛用性[9]。
早期國(guó)內(nèi)的MDO 研究工作主要基于成熟的國(guó)外多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化商業(yè)軟件平臺(tái)進(jìn)行。孫國(guó)慶[10]根據(jù)某型RLV 的初始再入條件,利用Optimus平臺(tái)進(jìn)行了飛行器軌跡優(yōu)化。高紹輝等[11]使用Isight 對(duì)飛機(jī)總體多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了嘗試,檢驗(yàn)了Isight 的廣泛適用性。牛文鐵等[12]利用 Isight 搭建了機(jī)床的整機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及集成優(yōu)化系統(tǒng)框架,取得了較好的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。王俊峰等[13]基于ModelCenter 對(duì)運(yùn)載火箭進(jìn)行了多學(xué)科優(yōu)化,在保證精度的前提下大幅縮短了設(shè)計(jì)周期。
最近十年國(guó)內(nèi)對(duì)MDO 框架與平臺(tái)的研究也有了顯著進(jìn)步。朱崎峰[14]等提出了一種基于WEB 和三層C/S 模型的體系結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了魚雷多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)的系統(tǒng)框架,建立了魚雷多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)TMDOP,為多學(xué)科優(yōu)化算法在魚雷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究提供了支撐的計(jì)算環(huán)境。江敏等[15]基于工作流技術(shù)開發(fā)出一款MDO 框架軟件,該MDO 框架能夠整合氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱等學(xué)科分析程序,集成各類多目標(biāo)優(yōu)化算法、代理模型以及模型參數(shù)化技術(shù),支持本地計(jì)算和后臺(tái)大規(guī)模集群計(jì)算。姜楠[16]建立了高速飛行器概念設(shè)計(jì)分析平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了方便快捷的高速飛行器整體性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。軟件平臺(tái)包含應(yīng)用層、模塊層、工具層和數(shù)據(jù)層4個(gè)層次,利用Python 及GUI 工具包Py QT 開發(fā)了軟件平臺(tái)的界面,用于圖形顯示及各功能模塊的調(diào)度。
但是,國(guó)內(nèi)MDO 框架與平臺(tái)的研究仍然存在如下問(wèn)題:一是多學(xué)科模型集成能力不足,各學(xué)科分析計(jì)算大多停留在對(duì)低保真度模型、工程經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷恼{(diào)用階段,未能建立與高保真度有限元軟件、CFD 軟件、系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)集成的接口;二是多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算能力不足,大多調(diào)用的是單機(jī)軟件,系統(tǒng)架構(gòu)上不能有效支撐分布式、大規(guī)模的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算任務(wù);三是多學(xué)科協(xié)同能力不足,需要從一個(gè)在本地計(jì)算機(jī)架構(gòu)的、由單人操作的設(shè)計(jì)系統(tǒng)演變成為基于云架構(gòu)、面向多機(jī)構(gòu)租戶、多種使用角色和算法開發(fā)者生態(tài)伙伴協(xié)同工作的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)系統(tǒng)。
為此,本文提出國(guó)產(chǎn)自主的復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化框架與平臺(tái)UniXDE(unified exploration and design environment)。平臺(tái)基于新一代微服務(wù)云架構(gòu)平臺(tái)技術(shù),提供用戶友好的低代碼多學(xué)科仿真優(yōu)化流程編排、CAD/CAE模型參數(shù)化集成接口庫(kù)、多學(xué)科優(yōu)化算法庫(kù)、分布式高并發(fā)高性能優(yōu)化作業(yè)計(jì)算、可視化數(shù)據(jù)分析和報(bào)告自動(dòng)生成、多租戶和多用戶協(xié)作、數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)管理等功能,有力提高了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架與平臺(tái)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用的支撐能力。
設(shè)計(jì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架與平臺(tái)時(shí)需嚴(yán)格遵循軟件工程領(lǐng)域的高內(nèi)聚、低耦合設(shè)計(jì)思路,并借鑒一些大型企業(yè)級(jí)軟件的分層特點(diǎn)。本文所提多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化平臺(tái)采用微服務(wù)云架構(gòu),其業(yè)務(wù)服務(wù)管理整體架構(gòu)如圖1 所示,包括功能應(yīng)用層、系統(tǒng)平臺(tái)層、工具資源層。采用該設(shè)計(jì)方案有如下兩個(gè)方面的好處:一是結(jié)構(gòu)清晰,方便自頂向下的整體設(shè)計(jì);二是各層之間的關(guān)聯(lián)性較弱,可以按模塊分解協(xié)同開發(fā)任務(wù),從而為精細(xì)化的產(chǎn)品研發(fā)管理和智能設(shè)計(jì)協(xié)同提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)框架。
圖1 多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化系統(tǒng)整體架構(gòu)
功能應(yīng)用層:面向垂直行業(yè)構(gòu)造解決方案,支持從概念設(shè)計(jì)階段的需求驗(yàn)證到詳細(xì)設(shè)計(jì)和工藝階段的方案優(yōu)化,最后形成用戶可以深度體驗(yàn)的數(shù)字孿生應(yīng)用環(huán)境。
系統(tǒng)平臺(tái)層:包括設(shè)計(jì)仿真任務(wù)一體化的協(xié)同環(huán)境、設(shè)計(jì)流程定義和執(zhí)行管理、智能優(yōu)化算法庫(kù)、模型可信度驗(yàn)證、數(shù)據(jù)分析和知識(shí)封裝、自動(dòng)報(bào)告生成等,為設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化的專業(yè)應(yīng)用提供強(qiáng)大的功能技術(shù)支撐。
工具資源層:對(duì)各類數(shù)據(jù)、方法的存儲(chǔ)管理,對(duì)商業(yè)設(shè)計(jì)仿真軟件進(jìn)行快速的低代碼和無(wú)代碼集成,對(duì)客戶高性能計(jì)算資源進(jìn)行無(wú)縫整合和調(diào)用,從而有效提升資源的利用率,降低研發(fā)成本。
本文所提MDO 平臺(tái)UniXDE 架構(gòu)采用業(yè)界主流語(yǔ)言和開發(fā)框架開發(fā),并可以靈活地對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、操作系統(tǒng)、CPU、開發(fā)框架進(jìn)行兼容和適配。
開發(fā)語(yǔ)言支持Java、C++、Python 等多語(yǔ)言編程,語(yǔ)法規(guī)范,易于維護(hù)。使用Vue 等框架進(jìn)行前端應(yīng)用開發(fā),使用Javascript 搭建界面與業(yè)務(wù)邏輯,在保障優(yōu)秀性能及用戶體驗(yàn)的前提下,具備較高的開發(fā)效率。應(yīng)用快速開發(fā)框架采用SpringCloud 等,具備安全、監(jiān)控、數(shù)據(jù)維護(hù),日志監(jiān)控、數(shù)據(jù)流管理、限流短路等應(yīng)用所需要的底層基礎(chǔ)組件庫(kù)。數(shù)據(jù)檢索維護(hù)采用SQL作為規(guī)范化數(shù)據(jù)查詢、維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。
數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)支持MySQL、MongoDB、Derby、華為云GaussDB、騰訊云TDSQL、達(dá)夢(mèng)、神舟通用、人大金倉(cāng)等,性能好,功能強(qiáng),易維護(hù),且查詢功能強(qiáng),方便日志類型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
操作系統(tǒng)支持Windows、Linux、銀河麒麟、統(tǒng)信、中科方德等,可以在不同系統(tǒng)上建立分布式連接,實(shí)現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境下的資源調(diào)度。CPU處理器支持Intel、ARM、飛騰、海光、申威等。
平臺(tái)支持公有云、私有云部署,滿足客戶對(duì)B/S、C/S 富客戶端(rich client)運(yùn)行模式等場(chǎng)景的需求。其中,基于B/S 架構(gòu)的輕量化客戶端模式,用戶通過(guò)瀏覽器可隨時(shí)隨地訪問(wèn)平臺(tái),具有面向?qū)ο蠡?、高度的易用性、完全的可視化、靈活的可定制性、與企業(yè)服務(wù)器的互聯(lián)性的特點(diǎn)。C/S 富客戶端模式則滿足需要在客戶本地計(jì)算工作站進(jìn)行仿真優(yōu)化計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景。
本文所提國(guó)產(chǎn)多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化平臺(tái)UniXDE,具有友好的人機(jī)交互界面、低代碼仿真優(yōu)化流程編排、組件化CAD/CAE 參數(shù)化集成接口、試驗(yàn)設(shè)計(jì)/智能優(yōu)化/代理模型/可靠性優(yōu)化算法庫(kù)、分布式高性能優(yōu)化計(jì)算引擎、可視化過(guò)程監(jiān)控和優(yōu)化報(bào)告自動(dòng)生成、數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)與管理等關(guān)鍵技術(shù)特征和功能。
UniXDE 具有友好的工作界面,用戶可完成多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化相關(guān)的一系列操作,如優(yōu)化流程集成、多學(xué)科綜合優(yōu)化、多學(xué)科工具軟件集成、數(shù)據(jù)可視化分析、穩(wěn)健性與可靠性分析、外部?jī)?yōu)化算法嵌入、計(jì)算資源配置等。
基于多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化任務(wù)的流程,UniXDE工作界面分為設(shè)計(jì)、監(jiān)控和后處理3 個(gè)子頁(yè)簽。其中,設(shè)計(jì)界面如圖2 所示,包含流程搭建區(qū)、組件庫(kù)、變量管理、數(shù)據(jù)流管理、圖表模板、流程結(jié)構(gòu)樹、作業(yè)提交區(qū)等主要功能區(qū)域;監(jiān)控界面包含流程動(dòng)態(tài)視圖區(qū)、作業(yè)列表區(qū)、進(jìn)度信息區(qū)、數(shù)據(jù)流區(qū)、流程日志區(qū)、進(jìn)度監(jiān)控欄等主要功能區(qū)域;后處理界面包含圖表、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)告生成3 個(gè)子頁(yè)簽,以圖表子頁(yè)簽為例,包含圖表展示區(qū)、圖表庫(kù)、作業(yè)列表區(qū)、進(jìn)度監(jiān)控欄等主要功能區(qū)域。
圖2 低代碼、可視化仿真優(yōu)化流程設(shè)計(jì)界面
UniXDE 提供無(wú)代碼、低代碼的可視化流程搭建環(huán)境,具有常用設(shè)計(jì)仿真工具的標(biāo)準(zhǔn)化模型適配接口組件,通過(guò)拖拽方式將接口組件添加到設(shè)計(jì)流程中,以快速搭建計(jì)算流程。基于分支和聚合節(jié)點(diǎn)組件,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多層級(jí)并行流程的搭建,因此可搭建包括串行流程、并行流程、條件判斷流程、循環(huán)流程和多層嵌套流程等在內(nèi)的計(jì)算流程,從而構(gòu)建設(shè)計(jì)優(yōu)化自動(dòng)化工作流和數(shù)據(jù)流,支持多學(xué)科可行方法(MDF)、協(xié)同優(yōu)化策略(CO)、并行子空間優(yōu)化策略(CSSO)和兩級(jí)一體化綜合優(yōu)化策略(BLISS)等多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化策略。最終可形成可重用的、標(biāo)準(zhǔn)化的流程模板,幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)知識(shí)積累,提高產(chǎn)品研制效率。
UniXDE 提供針對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真的商業(yè)軟件或自編程序的參數(shù)化集成接口,方便用戶實(shí)現(xiàn)自編程序及商業(yè)CAD/CAE 程序的參數(shù)化集成和自動(dòng)調(diào)用。接口組件分為通用接口組件和專用接口組件兩類,如圖3 所示。其中,通用接口組件包括:文本解析器(DataExchanger)、系統(tǒng)命令執(zhí)行器(OS Command)、計(jì)算器(Calculator)、Excel、Matlab、Script、FMU、COM、Database、WORD 等。其中,通過(guò) DataExchanger 文本解析器可實(shí)現(xiàn)仿真模型文件中參數(shù)的修改和仿真結(jié)果文件中參數(shù)的提取;OS Command 系統(tǒng)命令執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真軟件或HPC 調(diào)度系統(tǒng)的作業(yè)執(zhí)行。專用接口組件包含ANSYS、Abaqus、Nastran 和CATIA 等。為了幫助客戶遷移來(lái)自遺留的多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)的模型,UniXDE 還支持對(duì)Isight、ModelCenter、Tosca、Optistruct 構(gòu)建的流程模型的集成。
圖3 豐富的模型集成接口組件庫(kù)(不完全列表)
平臺(tái)提供完整的、可擴(kuò)展的多學(xué)科優(yōu)化算法庫(kù)機(jī)制,算法包括:試驗(yàn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、代理模型、基于代理模型的優(yōu)化、可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化等。其中,試驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠探索設(shè)計(jì)空間,確定關(guān)鍵參數(shù),評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)參數(shù)與產(chǎn)品性能之間的關(guān)系;優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠利用全局、多目標(biāo)優(yōu)化等策略組合,尋找產(chǎn)品最佳設(shè)計(jì);代理模型技術(shù)能夠建立經(jīng)驗(yàn)公式或代理模型,支持序列加點(diǎn)以提升代理模型精度;基于代理模型的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模問(wèn)題的快速優(yōu)化。另外,還具有質(zhì)量工程設(shè)計(jì)功能,如蒙特卡洛模擬、田口穩(wěn)健性設(shè)計(jì)、6 sigma 設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)算法庫(kù):平臺(tái)提供多種試驗(yàn)設(shè)計(jì)算法,另外具備試驗(yàn)設(shè)計(jì)算法接口,基于接口規(guī)范可將外部試驗(yàn)設(shè)計(jì)算法嵌入本平臺(tái)。通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)組件對(duì)試驗(yàn)因子、響應(yīng)以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)算法進(jìn)行設(shè)置和管理,驅(qū)動(dòng)分析流程實(shí)現(xiàn)多方案自動(dòng)計(jì)算。
優(yōu)化算法庫(kù):復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品的多學(xué)科優(yōu)化問(wèn)題往往比較復(fù)雜,其目標(biāo)函數(shù)可能存在多峰性、非線性、非連續(xù)、不可微函數(shù),并且設(shè)計(jì)變量和約束函數(shù)可能是線性、非線性、連續(xù)或離散變量集。這些復(fù)雜的情況無(wú)法通過(guò)少量的試湊方法來(lái)尋找設(shè)計(jì)空間中的最優(yōu)解,只有高效的優(yōu)化算法有能力在大量的方案評(píng)價(jià)中找到有效的優(yōu)化方向,最終獲得全局最優(yōu)方案。平臺(tái)提供先進(jìn)的單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化算法,能夠適應(yīng)各類優(yōu)化問(wèn)題。另外具備優(yōu)化算法接口,基于接口規(guī)范可將外部?jī)?yōu)化算法嵌入本平臺(tái)。
代理模型算法庫(kù):平臺(tái)提供多種代理模型算法,另外具備代理模型算法接口,基于接口規(guī)范可將外部代理模型算法嵌入本平臺(tái)。同時(shí),還設(shè)計(jì)了基于代理模型的優(yōu)化策略,可自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)抽樣和更新代理模型,并自動(dòng)調(diào)用優(yōu)化算法進(jìn)行基于代理模型的優(yōu)化。適用于非線性設(shè)計(jì)空間以及單次計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題,如三維仿真等。有利于避免因仿真模型的數(shù)值噪聲而陷入局部極值的問(wèn)題,提高算法的全局搜索能力和效率。
蒙特卡洛模擬:包含多種抽樣方法和隨機(jī)變量分布函數(shù),將變量的統(tǒng)計(jì)分布作為輸入,研究系統(tǒng)響應(yīng)受噪聲的影響程度。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量控制,提高產(chǎn)品可靠性,降低制造和維修成本。
田口穩(wěn)健性設(shè)計(jì):將噪聲因子引入設(shè)計(jì)過(guò)程,通過(guò)信號(hào)因子、控制因子、噪聲因子對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),最小化噪聲因子的影響,求得“穩(wěn)健的控制因子水平”,盡量保持系統(tǒng)性能(響應(yīng))接近理想響應(yīng),以達(dá)到改善質(zhì)量的目的。
可靠性分析與優(yōu)化:包括可靠性分析方法和蒙特卡洛分析方法,通過(guò)分析獲得產(chǎn)品的可靠度、失效率、Sigma 水平、百萬(wàn)次品數(shù)等指標(biāo),有效衡量產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)健性,同時(shí)結(jié)合優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠性和穩(wěn)健性的優(yōu)化。
分布式并行計(jì)算模塊提供了集群計(jì)算資源管理功能,通過(guò)分布式計(jì)算資源管理,可以完成在不同操作系統(tǒng)(如Windows、Linux)異構(gòu)環(huán)境下的分布并行計(jì)算,有效地利用軟、硬件資源,快速獲得優(yōu)化方案,如圖4 所示。通過(guò)客戶端向應(yīng)用服務(wù)提交優(yōu)化計(jì)算任務(wù)后,應(yīng)用服務(wù)通過(guò)中央調(diào)度服務(wù)對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行調(diào)度,將各組件的計(jì)算任務(wù)分配到指定工作站或空閑的工作站上執(zhí)行,也可向高性能集群發(fā)送計(jì)算任務(wù),再由高性能集群的資源管理器進(jìn)行計(jì)算資源的調(diào)度。完成計(jì)算后傳回結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理和存儲(chǔ)管理。
在提交多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算后,可通過(guò)進(jìn)度條、進(jìn)度信息表和日志信息來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài),可通過(guò)組件的計(jì)算歷史、歷史圖、散點(diǎn)圖等可視化監(jiān)控優(yōu)化計(jì)算效果。
對(duì)多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)可進(jìn)行可視化分析,提供設(shè)計(jì)空間挖掘和設(shè)計(jì)指導(dǎo),包括圖表分析、歷史數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)生成報(bào)告,如圖5 所示。其中,圖表分析工具包括歷史圖、散點(diǎn)圖、相關(guān)性散點(diǎn)圖、平行坐標(biāo)圖、氣泡圖、雷達(dá)圖、自組織映射圖等。
圖5 可視化優(yōu)化計(jì)算監(jiān)控與后處理界面
對(duì)于代理模型結(jié)果還可實(shí)現(xiàn)可視化空間瀏覽、誤差分析與響應(yīng)預(yù)報(bào)功能。對(duì)于優(yōu)化計(jì)算、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、循環(huán)等多方案作業(yè)計(jì)算結(jié)果,可自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)告,并可導(dǎo)出Word 報(bào)告,用戶進(jìn)行適當(dāng)編輯即可形成正式計(jì)算報(bào)告。
UniXDE 平臺(tái)提供計(jì)算模型管理、計(jì)算作業(yè)管理等模塊,用戶所創(chuàng)建的流程模型和計(jì)算作業(yè)都有對(duì)應(yīng)的對(duì)象進(jìn)行管理和存儲(chǔ),方便用戶進(jìn)行增/刪/改/查、導(dǎo)入/導(dǎo)出和分享等管理操作。用戶可隨時(shí)點(diǎn)擊進(jìn)入流程設(shè)計(jì)空間查看流程模型及其計(jì)算作業(yè),或直接進(jìn)入計(jì)算作業(yè)空間查看計(jì)算過(guò)程和結(jié)果。
除此之外,平臺(tái)還提供必要的基礎(chǔ)管理功能。系統(tǒng)管理功能如多用戶權(quán)限角色管理、工作站及其軟件配置、報(bào)告模板配置等;數(shù)據(jù)管理功能如統(tǒng)一的數(shù)據(jù)版本、數(shù)據(jù)分享和文檔存儲(chǔ)管理功能,可有效管理多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的數(shù)據(jù)和文檔,具備數(shù)據(jù)回看功能。
本文提出的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化云平臺(tái)UniXDE已經(jīng)成功應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的多個(gè)行業(yè),如航空、航天、汽車、能源、電子等,取得顯著的效果。下文列舉幾個(gè)典型應(yīng)用案例。
為使某白車身結(jié)構(gòu)在滿足模態(tài)、剛度、NVH、碰撞安全性的設(shè)計(jì)要求下實(shí)現(xiàn)輕量化優(yōu)化,采用“試驗(yàn)設(shè)計(jì)-代理模型-優(yōu)化設(shè)計(jì)”的優(yōu)化策略,如圖6 所示,在UniXDE 平臺(tái)中構(gòu)建結(jié)合敏感度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的白車身多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)框架。該框架可應(yīng)用于各種白車身整車、上車身、下車身等考慮剛度、模態(tài)、NVH、碰撞性能的多學(xué)科優(yōu)化。
圖6 白車身多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)路線
以某白車身下車身輕量化優(yōu)化為例,選取白車身下車身重量指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù),以剛度、模態(tài)、NVH、碰撞安全性能為約束條件,下車身的零件厚度、材料為設(shè)計(jì)變量,優(yōu)化問(wèn)題定義如下。
其中,X為下車身零件厚度、材料,兩者均為離散變量。
根據(jù)零部件對(duì)白車身剛度、模態(tài)、碰撞性能的影響,將白車身分成A、B、C 三個(gè)區(qū)域,如圖7 所示,鑒于A 區(qū)域?qū)φ觥⑵珗?zhí)碰影響重要,B 區(qū)域?qū)?cè)碰影響重要,而偏置碰性能已非常接近設(shè)計(jì)要求邊界,側(cè)碰尚有較大的可優(yōu)化空間,但優(yōu)化周期和計(jì)算資源嚴(yán)重不足,故在變量選擇時(shí)以B、C 區(qū)域的零件為重,適當(dāng)選擇A 區(qū)域的零件,最終考慮剛度、模態(tài)考慮零件料厚變量35 個(gè)(零件58 個(gè)),偏置碰考慮料厚變量13 個(gè)(零件20 個(gè))、材料7 個(gè)共20個(gè)變量,側(cè)碰考慮料厚13 個(gè)(零件25 個(gè))、材料7 個(gè)共20 個(gè)變量。
圖7 白車身分區(qū)示意圖
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、代理模型、基于代理模型優(yōu)化、基于靈敏度和工程經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化等多種組合優(yōu)化策略,累計(jì)完成白車身下車身58 個(gè)零件的敏感度分析和多學(xué)科優(yōu)化,減重11.19kg,為設(shè)計(jì)和CAE 人員提供豐富的分析數(shù)據(jù)和優(yōu)化方案。
為有效提高船型優(yōu)化的效率,在UniXDE平臺(tái)中構(gòu)建高集成的船型多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)框架,該框架可應(yīng)用于KVLCC、KCS 和DTMB5512 等船型阻力性能和耐波性能的多目標(biāo)優(yōu)化。在構(gòu)建的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)框架下得到了滿意的方案,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,數(shù)值模擬各項(xiàng)性能的誤差控制在3.5%以內(nèi)。UniXDE 平臺(tái)可以較好地處理船型這類復(fù)雜高維的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。
以DTMB5512 船型優(yōu)化為例,如圖8 所示,選取 3 個(gè)性能指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù),表達(dá)式如下:
圖8 船型多目標(biāo)優(yōu)化流程
分別是平均波浪阻力、垂蕩幅值、縱搖幅值。
表1 為設(shè)計(jì)變量及約束條件范圍。設(shè)計(jì)變量選取為船艏區(qū)域,定義長(zhǎng)度(x)組、高度(z)組、寬度(y)組為設(shè)計(jì)變量,共 3 組控制點(diǎn)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)自變量。考慮幾何約束:垂線間長(zhǎng)變化量≤±1.5%;靜水力約束:排水體積變化量≤±1.5%。
表1 設(shè)計(jì)變量及約束條件范圍
經(jīng)過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化,得到Pareto 前沿,如圖9 所示。其中,藍(lán)色設(shè)計(jì)點(diǎn)表示阻力性能優(yōu)化效果最好的方案,綠色、黃色設(shè)計(jì)點(diǎn)分別表示垂蕩性能、縱搖性能優(yōu)化效果最好的方案。優(yōu)化前后船體變形如圖10 所示。DTMB5512 是戰(zhàn)斗艦,艏部形狀較為瘦削,而參數(shù)化優(yōu)化變形的趨勢(shì)加劇了這一特點(diǎn),使艏部形狀更為瘦削。
圖9 DTMB5512 多目標(biāo)pareto 前沿
圖10 DTMB5512 船優(yōu)化前后球鼻艏形狀對(duì)比
起落架緩沖器軸向力、緩沖器效率、緩沖器行程等指標(biāo)是衡量起落架緩沖性能好壞的主要指標(biāo)。本例將最小化緩沖器軸向力和最小化緩沖器行程作為優(yōu)化目標(biāo),設(shè)計(jì)變量為初始容積、初始?jí)毫?、壓氣面積、壓油面積和阻尼油孔孔徑。
仿真優(yōu)化流程如圖11 所示,主要環(huán)節(jié)是多體動(dòng)力學(xué)和液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真建模、多學(xué)科仿真流程集成自動(dòng)化、多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算和優(yōu)化結(jié)果權(quán)衡分析。首先,利用LV Motion 軟件建立起落架落震試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)分析模型,工況為起落架垂直落震于地面,起落架模型中包含輪轂、輪胎、減震器和起落架的主體支架。然后,在AMESim軟件中依據(jù)緩沖器參數(shù)搭建緩沖器液壓模型。通過(guò)LV Motion 與AMESim 耦合接口,實(shí)現(xiàn)起落架緩沖性能聯(lián)合仿真分析,如圖12 所示。
圖11 起落架聯(lián)合仿真優(yōu)化流程
圖12 起落架多學(xué)科聯(lián)合仿真模型
在UniXDE 平臺(tái)上搭建聯(lián)合仿真優(yōu)化流程模板,對(duì)處于上、中、下游的3 個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)Input、Run、Output 分別添加參數(shù)和配置文件,并進(jìn)行參數(shù)映射,以便在運(yùn)行時(shí)參數(shù)能夠在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間自動(dòng)傳遞。
Deb 等[17]提出的基于參考點(diǎn)的非支配遺傳算法(NSGA-III)是基于參考點(diǎn)選擇個(gè)體以保持種群的良好分布,而本例采用NSGA-III 進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化獲得了8 個(gè)Pareto 解,如圖13 所示,表2 為Pareto 解對(duì)比表。選擇3個(gè)代表性方案進(jìn)行權(quán)衡,其中Pareto 解1 是緩沖器軸向力下降最大的方案,比初始方案降低72.24%;但是該方案犧牲了緩沖器行程指標(biāo),比初始方案增加了52.50%。Pareto 解3 的緩沖器行程指標(biāo)下降65%,但是軸向力比初始方案增加了46.44%。相比而言,Pareto 解2 的兩項(xiàng)指標(biāo)均有改善,緩沖器軸向力和緩沖器行程分別下降51.46%和2.5%。
表2 Pareto 解對(duì)比表
圖13 起落架聯(lián)合仿真優(yōu)化結(jié)果Pareto 解集
本平臺(tái)可實(shí)時(shí)顯示優(yōu)化計(jì)算過(guò)程數(shù)據(jù),可實(shí)時(shí)進(jìn)行后處理分析,計(jì)算結(jié)束后可生成優(yōu)化計(jì)算報(bào)告。通過(guò)報(bào)告的共享和在線預(yù)覽,提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。
本文提出了一種通用多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化平臺(tái)框架,開發(fā)了通用MDO 平臺(tái)UniXDE。與現(xiàn)有多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化平臺(tái)相比,該平臺(tái)基于云服務(wù)架構(gòu),能在同一時(shí)間并發(fā)提供不限量的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化服務(wù)。UniXDE 具有先進(jìn)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法庫(kù)、多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真流程構(gòu)建器、豐富的CAD/CAE/自編程序參數(shù)化集成接口、分布式計(jì)算框架、優(yōu)化過(guò)程可視化監(jiān)控、優(yōu)化報(bào)告自動(dòng)生成等功能。本平臺(tái)框架具有較高的自動(dòng)化程度和良好的通用性,能結(jié)合實(shí)際研發(fā)流程促進(jìn)研發(fā)效率的提升。
當(dāng)前,隨著航空、航天、汽車等復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品的復(fù)雜程度不斷提升,以模型為中心的系統(tǒng)工程MBSE 正成為復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的努力方向。展望未來(lái),本文提出的通用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)框架UniXDE 將進(jìn)一步與MBSE 結(jié)合,構(gòu)建面向MBSE 要求的復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化體系,通過(guò)集成MBSE 系統(tǒng)建模語(yǔ)言構(gòu)建起來(lái)的不同需求模型、學(xué)科模型、功能模型等,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的雙向確認(rèn)、驗(yàn)證和優(yōu)化迭代。