isight参数优化理论与实例详解

前言Isight简介笔者自2000年开始接触并采用Isight软件开展多学科设计优化工作，经过12年的发展，我们欣喜地看到优化技术已经深深扎根到众多行业，帮助越来越多的中国企业提高产品性能和品质、降低成本和能耗，取得了可观的经济效益和社会效益。作为工程优化技术的优秀代表，Isight软件由法国Dassault/Simulia公司出品，能够帮助设计人员、仿真人员完成从简单的零部件参数分析到复杂系统多学科设计优化（MDO,Multi-DisciplinaryDesignOptimization）工作。Isight将四大数学算法（试验设计、近似建模、探索优化和质量设计）融为有机整体，能够让计算机自动化、智能化地驱动数字样机的设计过程，更快、更好、更省地实现产品设计。毫无疑问，以Isight为代表的优化技术必将为中国经济从“中国制造”到“中国创造”的转型做出应有的贡献！本书指南Isight功能强大，内容丰富。本书力求通过循序渐进，图文并茂的方式使读者能以最快的速度理解和掌握基本概念和操作方法，同时提高工程应用的实践水平。全书共分十五章，第1章至第7章为入门篇，介绍Isight的界面、集成、试验设计、数值和全局优化算法；第8章至第13章为提高篇，全面介绍近似建模、组合优化策略、多目标优化、蒙特卡洛模拟、田口稳健设计和6Sigma品质设计方法DFSS（DesignFor6Sigma）的相关知识。本书约定在本书中，【AA】表示菜单、按钮、文本框、对话框。如果没有特殊说明，则“单击”都表示用鼠标左键单击，“双击”表示用鼠标左键双击。在本书中，有许多“提示”和“试一试”，用于强调重点和给予读者练习的机会，用户最好详细阅读并亲身实践。本书内容循序渐进，图文并茂，实用性强。适合于企业和院校从事产品设计、仿真分析和优化的读者使用。在本书出版过程中，得到了Isight发明人唐兆成（SiuTong）博士、Dassault/Simulia（中国）公司负责人白锐、陈明伟先生的大力支持，工程师张伟、李保国、崔杏圆、杨浩强、周培筠、侯英华、庞宝强、胡月圆、邹波等参与撰写，李鸽、杨新龙也为本书提供了宝贵的建议和意见，在此向所有关心和支持本书出版的人士表示感谢。由于作者才疏学浅，错误疏漏之处在所难免，希望读者朋友们指正。入门篇第1章初识Isight本章要点起源于GE的Isight是功能强大的计算机辅助优化（CAO,ComputerAidedOptimization）平台，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、电子领域的零部件、子系统参数优化乃至复杂产品多学科设计优化（MDO,Multi-DisciplinaryDesignOptimization）领域之中。用户可以通过Isight集成和管理复杂的仿真流程，运用多种优化算法自动探索得到优化方案，缩短产品研制周期，降低研发成本。本章具体包括以下内容：计算机辅助优化（CAO）和多学科设计优化（MDO）Isight起源和发展主要功能模块构成安装要求安装及许可（license）配置认识Isight两大门户DesignGateway和RuntimeGateway计算机辅助优化（CAO）和多学科设计优化（MDO）自从上世纪80年代以来，从系统工程角度将“计算机辅助设计优化技术”（ComputerAidedOptimization，简称CAO）应用于复杂产品研发成为新的趋势。“计算机辅助设计优化”初期被称为“过程集成和设计优化”（PIDO，ProcessIntegration&DesignOptimization），是继计算机辅助设计（CAD），计算机辅助工程（CAE）之后的又一大技术进步，是一种通过综合使用数值仿真技术、优化技术、统计技术、计算机技术和网络技术，实现产品性能和品质改进的方法。CAO技术也是推动多学科设计优化（MDO,Multi-DisciplinaryDesginOptimization）理论和应用发展的支撑技术。国外先进武器制造商和国防机构（如：洛克-马丁、NASA、波音、空客等）最早将CAO技术应用于飞行器多学科设计优化领域，利用分布式计算机网络集成多个学科（子系统）的模型，应用有效的优化策略实现并行设计，获得系统整体最优解，使研制出的产品更具有竞争力。实践证明，CAO技术适用于广泛的工程领域，能够用户的设计优化需求，融合多种优化探索策略（试验设计、全局和数值优化算法、多目标优化方法等）提升产品性能和品质，同时将设计仿真流程集成自动化，大大缩短产品研制周期。Isight起源和发展在各种计算机辅助优化（CAO）软件实现中，Isight最具有代表性。Isight发明人为美籍华人唐兆成（SiuTong）博士，他于上世纪80年代在美国通用电气公司（GE）参与波音777的GE90涡扇发动机设计项目。在项目初期，十多名来自不同部门的工程师试图依靠经验、通过手工“试算-评估-校正”（Trial-and-Error）方法进行发动机优化设计。但是由于航空发动机性能评价涉及上百个复杂的专业仿真程序，优化约束和目标极为苛刻，因此花费了数月时间进行优化，仍然得不到理想的方案。唐兆成博士创造性地开发了一个开放的软件框架，集成发动机多学科仿真模型和流程，借助优化算法自动地探索设计空间，获得了燃油消耗率（SFC）下降1%，减轻重量200～250磅的优化方案，实现了每台引擎节省成本25万美金。由于GE90发动机的预计总销量为2000台，因此为GE节省成本达5亿美金。由于Isight将工程师从繁琐而耗时的重复劳动中解放出来，大大提高了设计效率，“软件机器人（SoftwareRobot）”的名称由此得来。1996年，EngineousSoftware公司正式成立，致力于iSIGHT推广，经过近30年不断发展，Isight在全世界CAO优化软件市场占有率达55%（Dartech数据），亚太市场占有率达90%。2007年6月Isight被DassaultSystèmes收购，现为DassaultSystèmes公司的旗舰产品。Isight广泛应用于汽车、动力、航空、航天、电子、船舶、兵器等多个行业，其典型应用包括：1.汽车行业：Isight获得了全球大部分汽车整车和部件研发机构的青睐，应用于几乎所有汽车性能开发领域（动力性和燃油经济性、操纵稳定性和平顺性、NVH性能、碰撞安全性、可靠性和耐久性、CFD性能开发、控制系统设计、CAE模型标定、材料加工和成型工艺优化等）。2.动力行业：Isight广泛应用于GE、Simenze、P&W、Honeywell、York、UTRC、AVL、Richardo等发动机整机性能匹配、进排气系统、涡轮增压器、叶片气动结构设计、轮盘结构设计、材料和工艺优化设计中。3.航空航天领域：波音军机事业部（BoeingMilitary）利用Isight构建飞机总体设计平台CAVSIM（ConceptualAirVehicleSIMulation），将飞行器概念设计周期从两个月减少到四天。空客A340-600,A400M,Beluga,A322,A380等多种机型的设计中，利用Isight减少研制阶段成本（finaldevelopmentphasecosts）达5%，缩短飞机研制周期30%。4.光机电领域：Isight实现了GE卤光灯6Sigma质量优化设计，大幅提升了照明亮度和纯度，同时降耗40%。Isight也用于美国电力电子中心CPES、Visteon，三星、日立等企业的集成电力电子模块（IPEM）、微机电系统（MEMS）、CPU散热片、阴极射线管（CRT）线圈、液晶显示器（LCD）电路、ABS系统控制、雷达设备、空间光学望远镜的设计优化。5.船舶领域：Isight用于自治式潜水器概、小水线面船的水下浮力部分、船舶推进器、舰艇布局和结构设计优化、船用蒸汽轮机设计等领域。6.兵器领域：Isight用于巡航导弹优化设计、超高速电磁炮控制系统优化、坦克装甲车液力变矩器优化等。7.核能领域：Isight可实现核反应堆换料装填优化、核反应堆热力学和水动力学优化、压力容器和管道抗震设计等。主要功能1.柔性灵活的仿真流程集成Isight具备广泛的CAD/CAE乃至自编程序集成接口，用户可以拖拽方式快速建立复杂的仿真分析流程，设定和修改设计变量以及目标，自动进行多次分析循环；通过对模型的封装生成参数化的模板，用户可以对不同模板进行组合。表1-1Isight集成的软件不完全列表CAD建模CAE前处理FEM结构分析CFD流体分析电路、电子分析UG,CATIA,ProE,Solidworks,SolidEdge,HICAD/CADAS,IDEASANSYSWorkbench,Patran,Gambit,ICEMCFD,Hypermesh,AcumenNastran,Marc,Abaqus,ANSYS,Optistruct,LaminateModelerFluent,CFX,StarCD,StarCCM+,FIDAP,STREAM，，Shipflow,XFLowAnsoftMaxwell/HFSS,Saber,SPICE,SPEED,Mentor,Cadence,JMAG,Flux2D/3D,IDEAS-ESC动力学和控制冲击碰撞声学光学材料、模具内燃机Adams,Dymola,AMESim,Recurdyn,MotionView,DADS,,Pro-Mechanica,Matalb/Simulink,Simpack,CarSim,EASY5,Matrix-XPam-Crash,Ls-Dyna,Radioss,Madymo,Cashcad,AbaqusExplicitCODE-V,AutoSEA,Opera3D,SEAM,LightTools,InspireOSLODEFORM,ProCast,Adstefan,MagmaSoft,Pam-Stamp,MoldFlow,TIMON,PlanetsSimVis,Deneb/I-GripGT-Power,,Ricardo/Wave,,,热力学叶轮机械专业化工流程网格变形优化数学工具FLomaster,GTPro,NASANPSS，Flotherm,ICEPACKNRECConcepts,PUMPEL,COMPAL,CCAD,STRESSPREPHYSYS,ASPEN,Gproms，CHEMKINDEP-Morpher,Sculptor,Optistruct,SOFYMatlab,SPSS,S-Plus,MathCADHPC高性能计算自编程序LSF,PbsProC,C++,FORTRAN,JAVA,Python,UnixShell,Corba2.参数研究和设计优化提供设计优化所需要的多种算法包，包括：试验设计、优化算法、近似模型、蒙特卡洛分析、田口稳健性设计、6Sigma品质设计方法等。根据优化问题的特点，用户可以组合多种数学算法，形成综合探索策略。3.流程执行自动化和可视化Isight自动驱动仿真流程进行多方案比较和优化；目标函数、约束函数和设计变量值的变化历程以可视化的方式直观显示出来。如果用户发现设计优化过程不正确，可修改优化模型或选用其它数学算法。4.数据分析和后处理Isight提供多种数据分析和后处理工具，当优化完成以后，用户可以进行设计空间浏览、多准则权衡、多方案对比、数据筛选、并自动生成优化分析报告。5.开放性和可扩充性Isight具有良好的开放性，易于根据用户需要进行功能扩充，包括界面定制、算法嵌入等。Isight还可以与PLM(ProdcutLifeCycle)或SDM(SimulationDataManager)等数据管理平台进行互联，包括MatrixOne,Winchill,TeamCenter,EnoviaVPM,SLM,SEE,SimManager等。模块构成1.设计门户（DesignGateway）流程集成界面，通过搭积木的方式实现流程集成，将数据流和控制流可视化，并提供对整个流程进行浏览的界面。设计流程按树状结构定义，每个层次的子任务可以使用