基于罚函数的解析目标分流法计算特性分析

为了在复杂产品早期开发阶段更好的使用解析目标分流法(ATC),分析了基于不同罚函数的ATC方法的计算特性。给出了ATC方法的一般公式,比较了3种ATC方法的优缺点,以常用的几何规划算例为例,研究了初值、初始罚参数、收敛准则等因素对计算精度和计算花费的影响。计算结果表明,ATC是一种稳定性好、计算效率高的多学科设计优化(MDO)方法,并且基于增广拉格拉日函数的ATC方法的总体性能比其它两种方法要好一些。

解析目标分流法在汽车多学科设计优化中的应用

在阐述分解协调策略和研究ATC方法计算流程基础上,利用基于二次罚函数的ATC方法对某发动机燃烧室进行多学科设计优化(MDO)研究。考虑几何和热力学两个学科,很好地解决了学科间复杂耦合带来的计算困难,计算结果与不分解优化的结果非常接近,验证了该方法在汽车设计中的有效性。同时研究了步长对优化结果的影响,发现随着步长加大,误差变大,计算成本变低。

改进的解析目标分流法

针对最初的解析目标分流(ATC)法存在只适用于层次型多学科设计优化(MDO)问题和设计目标只能在第一级设置的问题,在非层次型MDO问题的每个子系统都引入设计目标,利用分解协调策略,提出了一种改进的解析目标分流(IATC)法。IATC是一种两级MDO方法,通过交替求解系统级和子系统级问题达到子系统间的一致性。通过两个典型解析算例的计算结果,验证了该方法的有效性,并且发现随着步长加大,误差变大、计算花费变小。

使用解析目标分流策略的海洋卫星多学科优化

在海洋卫星总体设计阶段,为了提高卫星整体设计性能和效率,采用多学科设计优化(MDO)技术对其总体参数进行设计优化。考虑轨道、有效载荷、结构和电源四个学科的设计变量和约束条件,以卫星总质量最小为优化目标建立海洋卫星MDO模型;针对各学科优化问题属性设计高效的优化方案并采用解析目标分流(ATC)这一多级MDO策略来协调整个优化过程。优化后海洋卫星总质量相对海洋一号(HY-1)卫星下降17.6%,整个优化过程花费的时间也比采用单级All-at-once(AAO)策略减少85.7%。一方面表明所建立的海洋卫星MDO模型的合理有效性,另一方面表明ATC策略结合学科定制优化方案的求解技术的有效性。

基于目标分流方法的船舶概念方案多学科设计优化

[目的]船舶概念设计是通过多个学科分析、协调从而得到综合优化概念方案的过程,也是一项技术难度大、涵盖范围广泛的复杂系统设计问题。同时,与船舶单个子学科技术的迅速发展相比,船舶总体设计优化方法发展相对缓慢。[方法]在阐述船舶分解与协调策略的基础上,采用解析目标分流方法(ATC),以某油船设计为例,建立由浮态与稳性、阻力与推进(快速性)、操纵性、舱容、经济性共5个学科组成的船舶概念设计优化数学模型,探讨船舶概念设计阶段的总体设计优化问题。[结果]数值算例表明,解析目标分流方法可以较好地解决船舶总体设计学科间复杂耦合所带来的计算困难,具有良好的稳定性与收敛性,[结论]可有效支撑船舶的总体设计优化。

基于目标层解分析方法的重水潜器多学科设计优化

采用一种新型的多学科设计方法——目标解析分流法进行重水潜器的概念设计。首先利用半经验法建立重水潜器的集成系统模型,并进行目标层解分析(ATC)优化模型;再应用增广拉格朗日惩罚函数松弛化方法,通过改进内外层嵌套式求解策略,减少内层循环病态子问题的求解计算时间,在内层循环得到收敛的同时,外层循环更新惩罚权重来获得可行解;随后改变惩罚函数权重,对比分析各种惩罚函数对求解效率的影响。由实验可得,应用增广拉格朗日惩罚函数松弛化求解的方法,保持计算精度的同时也提高了计算效率。最终获得的系统最优解与多维的一次设计优化问题所得到的最优解非常接近,证明了多学科设计优化能充分利用不同学科之间的相互作用所产生的协同效应,从而获得系统整体的最优解。

随机环境下基于ATC协调的公交调度优化

研究了一个分属于不同公交公司的公交线路的分布式调度优化问题。在利用泊松过程分析了乘客到站的客流特性后,结合解析目标分流法(ATC),制定了一个多公交线路的协同优化调度模型。该模型中各公交公司根据自身的目标自主地制订线路调度计划,而协调中心通过协调计划的制订来达到全局目标,最终实现公交公司运营成本最低和乘客候车时间最短的平衡,即实现整个系统总成本的最小。实例验证了该模型的有效性。