一种多学科设计优化学科解耦方法技术

本发明专利技术公开了一种多学科设计优化学科解耦方法，该方法在多学科耦合模型中针对学科组件之间存在相互变量依赖的耦合关系进行系统平衡分析，将同时存在正向连接和反馈连接的系统耦合环作为一个整体处理，使得原模型转变为有向有环的图数据结构，对反馈变量设置初值，求解图数据结构所对应的非线性方程，根据反馈变量计算结果与初值的差值设置反馈变量的新值，进而迭代运算直至收敛。通过本发明专利技术，提升了多学科设计优化流程的运行效率，提高了多学科设计优化方法的工程实用性，更容易得到产品设计的最优参数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于产品设计优化领域，更具体地，设及一种多学科设计优化学科解禪方 法。
技术介绍
现代大型机械多为高度复杂的大系统，产品设计设及到包括结构、气动、光学、热 学、电磁、控制、成本W及一些针对产品对象所特有的学科，所W现代复杂大型机械的设计 通常是一个综合了多个学科或多种科学技术的系统工程。例如飞行器设计就需要同时考虑 结构、气动、隐身、飞行、电磁等学科。 传统的串行设计方法忽视了学科间的相互作用，只W某一学科最优为目的，无法 达到全局最优化的目的，且其设计周期长、成本高。多学科设计优化技术是处理复杂系统优 化问题的有效工具。通过多学科设计优化模型，借助计算机技术搭建流程集成和设计优化 环境，协同驱动各类分析软件及相关计算工具，达到产品的多学科设计优化，已成为多学科 设计优化实现的具体形式。 然而，在具体建立优化模型时，由于复杂系统的设计优化问题中设计变量多，学科 之间关系复杂且学科之间呈现强禪合状态，给复杂系统的建模及优化求解带来了困难。现 有多学科设计优化方法，在流程建模环境中无法进行学科禪合的定义，对禪合的学科组件 无法实现高效解禪计算。因此，实现学科禪合定义成为现有多学科设计优化软件中急需解 决的问题。 多学科设计优化模型中用一个组件代表一个学科或一款分析软件，组件之间变量 的传递则W连接来表示。由于所要处理的对象多为复杂系统，组件之间的变量传递常包含 有与正向连接传递方向相反的反馈连接。反馈连接普遍存在于多学科设计优化模型中，让 系统整体结构变得更为复杂，使系统建模和分析求解过程变得更为困难，严重阻碍了多学 科设计优化的具体实施。 当学科组件A和B之间存在禪合的相关变量时，从学科组件A到B都有变量的传 递，求解组件的顺序就难W判断。传统的方法是先计算其中一个组件A，把处理结果带入另 一个组件B，再把组件B的处理结果带入组件A中计算，然后根据该样的步骤重复运行。但 是该一求解过程必然会出现"拉银"现象，导致计算不收敛。而且如果学科数量多时，处理 效率极为低下。 因此，现有商业多学科设计优化方法，在搭建系统分析流程时只处理正向传递的 变量，针对反馈变量则一般均不予处理；在少数情况下需做必要处理时，则需要针对特定产 品设计处理方法，该样需要针对特定的产品做深入的理解，处理过程容易出错且效率低下。 而且，当优化流程复杂、反馈连接多时，使用该种方式处理环结构会严重影响流程的求解速 度和精度。因此，如何针对禪合环进行解禪成为多学科设计优化中的难题。
技术实现思路
[000引针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多学科设计优化学科解 禪方法，其目的在于把多学科禪合模型转化为图数据结构，把图数据结构中极大强联通子 图对应的强联通分量作为一个整体处理，由此解决多学科设计优化中禪合问题处理困难的 技术问题。 为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种多学科设计优化学科解禪 方法，包括W下步骤： 第一步；建立多学科禪合模型 根据产品设计的要求，建立多学科禪合模型，然后根据模型中变量的传递关系，建 立模型中组件之间的连接；即如果组件A的输出变量为组件B的输入变量，则建立组件A至 组件B的连接； 第二步：创建图数据结构 将多学科禪合模型中的所有组件转换为顶点，同时根据组件之间连接的方向，把 组件之间的所有连接转换为有向边；所有顶点和有向边共同构成图数据结构； 第S步：创建链表 在所建立的图数据结构中识别所有极大强联通子图；对所有极大强联通子图所 对应的强联通分量，W及不属于极大强联通子图的单个顶点所对应的组件都创建对应的链 表；对应强联通分量的链表，则存储该强联通分量的所有组件，对应不属于强联通分量的单 个顶点的链表，则存储该顶点对应的组件；所有链表之间只存在依赖关系、不存在禪合关 系，即只存在正向连接、不存在反馈连接； 第四步：链表的排序 依照链表的依赖关系对第=步中创建的所有链表进行排序，即按照正向连接的方 向排序，并建立双链表依照该顺序保存所有链表； 第五步；处理多学科禪合模型 给出设计变量的赋值，按照第四步中建立的链表顺序，从第一个链表开始依次对 链表进行处理，直至最后一个链表处理完毕； 处理过程中，当前链表存储的组件数量为1时，则直接运算当前组件，得到处理结 果，组件数量大于1时则进行强联通分量的运算； 第六步：验证处理结果是否满足设计要求 验证处理结果是否满足产品的设计目标和约束条件，满足则多学科设计优化结 束，否则回到第五步； 第五步中所述强联通分量的运算过程如下： (1)去掉反馈连接 在当前链表对应的极大强联通子图内识别所有的系统禪合环，并对禪合环进行撕 裂，去掉所有系统禪合环中所有对应于反馈连接的有向边，将极大强联通子图转变为有向 无环图，此时的强联通分量只有正向连接，没有反馈连接； 似对组件排序 按照当前强联通分量中组件之间正向连接的方向，对组件排序，并根据该组件顺 序对应的顶点顺序在有向无环图中对原来的系统禪合环进行编号；[002引 （3)构造非线性方程 根据新的组件顺序W及组件本身的函数，构造与上述强联通分量相对应的非线性 方程； (4)非线性方程迭代求解 根据步骤（2)所得到的系统禪合环的编号，对原来的系统禪合环中有向边对应的 反馈连接所指向的组件赋予初始输入值，并基于步骤（3)所建立的非线性方程进行迭代求 解，直至非线性方程收敛，得到处理结果。 优选地，第二步的具体方法如下；建立组件列表，存储多学科禪合模型的所有组 件，同时建立连接列表，存储组件之间的连接W及所连接的组件信息；遍历组件列表，获取 所有组件并生成各组件所对应的顶点，同时遍历连接列表，获取所有连接W及所连接的组 件的信息，根据连接的方向，生成一条有向边，W连接各组件所对应的顶点；所有顶点和有 向边共同构成图数据结构。 优选地，强联通分量的运行的步骤（4)具体为：S1;根据步骤（2)所得到的系统禪合环的编号，对系统禪合环中有向边对应的反 馈连接所指向的所有组件赋予初始输入值，代入步骤（3)得到的非线性方程进行求解，得 到系统禪合环中有向边对应的正向连接所指向的所有组件的输出值；[00对 S2;将上述输入值与输出值利用迭代计算工具（如Mi吨ack迭代计算工具包）进 行计算处理，并判断当前迭代计算是否收敛，即输入值是否约等于输出值；如果当前迭代计 算收敛，则计算结束，得到处理结果；如果不收敛，则利用迭代计算工具重新设置的输入值 返回S1进行下一轮计算。 通过本专利技术所构思的W上技术方案与现有技术相比，由于将多学科禪合模型转化 为图数据结构，把图数据结构中的有向有环图转化为有向无环图，对多学科禪合模型中的 强联通分量进行处理，从而解决了多学科设计优化中学科禪合问题处理效率低下的问题。【附图说明】 图1是本专利技术多学科设计优化学科解禪方法流程图；[003引图2是本专利技术多学科设计优化学科解禪方法中多学科禪合模型处理的示意图； 图3是实施例1中的正向连接和反馈连接示意图； 图4是实施例1中图数据结构示意图； 图5是实施例1中强联通分量识别示意图； 图6是实施例1中双链表示意图； 图7是实施例1中系统禪合环示意图； 图8是实施例1中有向无环图示意图。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多学科设计优化学科解耦方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：根据产品设计的要求，建立多学科耦合模型，然后根据模型中变量的传递关系，建立模型中组件之间的连接；第二步：将多学科耦合模型中的所有组件转换为顶点，同时根据组件之间连接的方向，把组件之间的所有连接转换为有向边；所有顶点和有向边共同构成图数据结构；第三步：在所建立的图数据结构中识别极大强联通子图；对极大强联通子图所对应的强联通分量，以及不属于极大强联通子图的单个顶点所对应的组件都创建对应的链表，分别对强联通分量的所有组件以及不属于强连通分量的单个组件进行存储；第四步：依照链表的依赖关系对链表进行排序；第五步：给出设计变量的赋值，按照第四步中建立的链表顺序，从第一个链表开始依次对链表进行处理，直至最后一个链表处理完毕；处理过程中，当前链表存储的组件数量为1时，则直接运算当前组件，得到处理结果，组件数量大于1时则进行强联通分量的运算；第六步：验证处理结果是否满足产品的设计目标和约束条件，满足则多学科设计优化结束，否则回到第五步；第五步中所述强联通分量的运算过程如下：(1)在当前链表对应的极大强联通子图内识别所有的系统耦合环，并进行撕裂，将极大强联通子图转变为有向无环图；(2)根据当前链表存储的组件之间的连接方向，对组件排序，并在有向无环图中对原来的系统耦合环进行编号；(3)根据组件顺序，构造与上述强联通分量相对应的非线性方程；(4)根据步骤(2)所得到的系统耦合环的编号，对原来的系统耦合环中有向边对应的反馈连接所指向的所有组件赋予初始输入值，并基于步骤(3)所建立的非线性方程进行迭代求解，直至非线性方程收敛，得到处理结果。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴义忠，尹骞，蒋兴沛，刘鑫，丁建完，陈立平，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42