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高效魯棒優(yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化及其在公差設(shè)計中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2017-09-16 17:21

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【摘要】:現(xiàn)今工程系統(tǒng)越來越復(fù)雜。復(fù)雜工程系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化中面臨的第一個挑戰(zhàn)是存在于參數(shù)和設(shè)計變量中的不確定性。參數(shù)不確定性在設(shè)計優(yōu)化中扮演著重要角色,它很可能導(dǎo)致原本可行的最優(yōu)解成為不可行解,從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能,因此非常有必要開發(fā)高效的魯棒優(yōu)化(Robust Optimization)算法,從而求解對不確定性的變化不敏感的最優(yōu)解。工程系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化面對的另一個挑戰(zhàn)是,一個復(fù)雜工程系統(tǒng)往往涉及多個交叉學(xué)科,而這些學(xué)科之間有一些共同的全局設(shè)計變量,各系統(tǒng)之間也往往存在相互耦合關(guān)系。此類優(yōu)化問題需要保證共享變量在各個相關(guān)子系統(tǒng)中的一致性,因此涉及眾多優(yōu)化子問題,從而導(dǎo)致問題復(fù)雜度和求解負(fù)擔(dān)急劇增加。因此有必要開發(fā)高效的多學(xué)科優(yōu)化(Multi-disciplinary Optimization)算法求解這些全局變量和耦合變量,以便應(yīng)用于實際工程問題上。以上兩種涉及優(yōu)化問題都存在多層優(yōu)化(或嵌套優(yōu)化)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的計算效率低的問題,如魯棒優(yōu)化中解決魯棒約束條件的內(nèi)層問題及多學(xué)科優(yōu)化中各學(xué)科之間一致性的多層優(yōu)化問題,因此本文重點解決高效的魯棒優(yōu)化算法和多學(xué)科優(yōu)化算法的開發(fā)問題。作為汽車的核心部件,發(fā)動機(jī)是一個典型的復(fù)雜非線性多學(xué)科系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件尺寸的不確定性(以公差形式體現(xiàn))對系統(tǒng)成本和性能都有重要影響,因此其公差設(shè)計成為一大關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的公差設(shè)計是基于設(shè)計者的經(jīng)驗,極少考慮到優(yōu)化或者在整個系統(tǒng)層面進(jìn)行公差設(shè)計。而且,很少研究從不同部件的自主設(shè)計和系統(tǒng)層面的綜合設(shè)計對零部件進(jìn)行公差設(shè)計。本文提出對多發(fā)動機(jī)公差進(jìn)行魯棒優(yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。本文首先提出解決單學(xué)科魯棒優(yōu)化問題的算法,這些問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件的參數(shù)和設(shè)計變量中都可能存在不確定性,這些不確定性以區(qū)間形式體現(xiàn);其次本文提出高效的多學(xué)科優(yōu)化算法。本文共有四方面研究內(nèi)容。研究內(nèi)容一提出了一種基于二次序列規(guī)劃算法(Sequential Quadratic Programming)的魯棒優(yōu)化算法(SQP-RO),該算法可以有效解決存在區(qū)間不確定性的連續(xù)可導(dǎo)的高度非線性優(yōu)化問題,但仍然是具有內(nèi)外兩層優(yōu)化的結(jié)構(gòu);赟QP-RO,研究內(nèi)容二提出了一種單層優(yōu)化結(jié)構(gòu)的魯棒優(yōu)化算法(A-SQP-RO),基于提出的烏托邦點的概念,算法效率更高。研究內(nèi)容三提出了順序多目標(biāo)優(yōu)化算法和多學(xué)科優(yōu)化算法,此算法賦予每個子系統(tǒng)充分的優(yōu)化自主權(quán)對局部變量、全局變量和耦合變量進(jìn)行優(yōu)化,基于得到的全局和耦合變量的信息,系統(tǒng)層處理后分配給每個子系統(tǒng)進(jìn)行順序的優(yōu)化;谝陨咸岢龅乃惴,在研究內(nèi)容四中,本文提出了發(fā)動機(jī)多學(xué)科公差優(yōu)化問題并求解。以上提出的方法利用相當(dāng)數(shù)量的數(shù)值算例和工程算例進(jìn)行了驗證,以展示所提出方法的可行性和有效性。驗證結(jié)果表明,與確定型最優(yōu)問題算法SQP相比,提出的魯棒優(yōu)化算法可以相對較少的計算量有效解決魯棒優(yōu)化問題。所提出的順序多目標(biāo)和多學(xué)科算法可以得到可觀的帕雷托前沿而只需更少的計算量。發(fā)動機(jī)多學(xué)科公差設(shè)計將關(guān)鍵尺寸適當(dāng)壓縮,非關(guān)鍵尺寸適當(dāng)放松,從而在提高系統(tǒng)性能的同時降低制造成本。
【關(guān)鍵詞】:
【學(xué)位授予單位】:上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號】:TK432
【目錄】:
  • 摘要7-8
  • Abstract8-10
  • Acknowledgement10-15
  • Nomenclature15-20
  • Chapter 1 Introduction20-30
  • 1.1 Motivation and Objective21-24
  • 1.2 Research Thrusts24-27
  • 1.2.1 Research Thrust 1: Robust Optimization Based on Sequential QuadraticProgramming25
  • 1.2.2 Research Thrust 2: Advanced single-loop RO Algorithm25-26
  • 1.2.3 Research Thrust 3: Sequential MOO and MDO Methods26
  • 1.2.4 Research Thrust 4: Tolerance Design Optimization for Internal CombustionEngines26-27
  • 1.3 Assumptions27
  • 1.4 Organization of Dissertation27-30
  • Chapter 2 Definitions and Terminologies30-44
  • 2.1 Introduction30
  • 2.2 Problem Definitions30-35
  • 2.2.1 Robust Optimization (RO)31-34
  • 2.2.2 Multi-disciplinary Design Optimization (MDO)34-35
  • 2.2.3 Multi-objective Optimization (MOO)35
  • 2.3 Sequential Quadratic Programming35-37
  • 2.4 Matrix decomposition method for QPs subject to box constraints37-38
  • 2.5 Design of Experiment (Do E)38-39
  • 2.6 Gaussian Process (GP) Modeling39-44
  • Chapter 3 Robust Optimization Based on Sequential Quadratic Programming44-76
  • 3.1 Introduction44-48
  • 3.2 Sequential Quadratic Programming Approach for Robust Optimization48-61
  • 3.2.1 Approach to solve the objective robustness index49-54
  • 3.2.2 Approach to solve the constraint robustness index54-55
  • 3.2.3 SQP for Robust Optimization (SQP-RO)55-59
  • 3.2.4 Computational efficiency of SQP-RO59-61
  • 3.3 Test Examples and Comparison Results61-74
  • 3.3.1 Nonlinear numerical example 162-64
  • 3.3.2 Additional numerical examples64-67
  • 3.3.3 Two-bar truss67-69
  • 3.3.4 Speed Reducer69-71
  • 3.3.5 Compression Spring71-74
  • 3.4 Conclusion74-76
  • Chapter 4 Advanced Robust Optimization Algorithm with a Single-looped Structure76-106
  • 4.1 Introduction76-79
  • 4.2 Utopian Solution to QPs Subject to Box Constraints79-86
  • 4.2.1 Convex maximization (or concave minimization) problem81-83
  • 4.2.2 Concave maximization (or convex minimization) problem83-84
  • 4.2.3 Indefinite problem84-86
  • 4.3 Advanced Sequential Quadratic Programming Approach for Robust Optimization(A-SQP-RO)86-96
  • 4.3.1 Approach to Solve the Objective Robustness Index86-89
  • 4.3.2 Approach to Solve the Constraint Robustness Index89-92
  • 4.3.3 Advanced SQP for Robust Optimization (A-SQP-RO)92-94
  • 4.3.4 Discussion of A-SQP-RO94-96
  • 4.4 Test Examples and Comparison of Results96-103
  • 4.4.1 Nonlinear Numerical Example 196-100
  • 4.4.2 Additional Numerical Examples100-101
  • 4.4.3 Two-bar Truss101-102
  • 4.4.4 Speed Reducer102-103
  • 4.5 Conclusion103-106
  • Chapter 5 A New Sequential Multi-Disciplinary Optimization Method Based on A NovelSequential Multi-Objective Optimization Approach106-140
  • 5.1 Introduction106-110
  • 5.2 Background110-111
  • 5.2.1 Definition for the monotonicity of a function along a certain direction110-111
  • 5.2.2 Definition for the data sets111
  • 5.3 S-MOO and S-MDO Methodologies111-127
  • 5.3.1 Illustrative observations112-118
  • 5.3.2 A novel Sequential MOO approach118-119
  • 5.3.3 Handling of coupling variables and generation of data set Y119-120
  • 5.3.4 A novel sequential MDO approach120-123
  • 5.3.5 Steps of S-MOO and S-MDO123-125
  • 5.3.6 Discussion of the proposed method125-127
  • 5.4 Examples and Comparison of Results127-139
  • 5.4.1 Test examples for S-MOO127-134
  • 5.4.2 Test examples for S-MDO134-139
  • 5.5 Conclusion139-140
  • Chapter 6 Multi-disciplinary Tolerance Design Optimization for Gas Engines140-168
  • 6.1 Introduction140-146
  • 6.2 Robust tolerance optimization of compression ratio for a typical gas engine146-149
  • 6.3 Gaussian process modeling for a typical gas engine149-162
  • 6.3.1 Gaussian process modeling for performances vs. compression ratio149-157
  • 6.3.2 Gaussian process modeling for friction loss vs. tolerance157-162
  • 6.4 Multi-disciplinary tolerance design optimization problem162-166
  • 6.5 Conclusion166-168
  • Chapter 7 Conclusions and Future Work168-176
  • 7.1 Concluding Remarks168-172
  • 7.1.1 Robust Optimization Based on Sequential Quadratic Programming169
  • 7.1.2 Advanced Robust Optimization Algorithm of a Single-looped Structure169-170
  • 7.1.3 A sequential MDO approach based on a novel sequential MOO approach .. 1517.1.4 Application of proposed approaches for engineering examples170-172
  • 7.2 Main contributions172-173
  • 7.3 Future research directions173-176
  • 7.3.1 Representing uncertainty with additional statistical information173
  • 7.3.2 Problems with discrete variables and discontinuous or non-differentiablefunctions as well as black box problems173-174
  • 7.3.3 Algorithms development for robust MDO problems174-176
  • Bibliography176-184
  • Publications184
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本文編號:864404

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