isight参数优化理论与实例详解.doc

1、.前 言l Isight 5.5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 5.5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-Disciplinary Design Optimization）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）

2、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！l 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（Desi

3、gn For 6Sigma）的相关知识。l 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（Siu Tong）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

4、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。.前 言1入门篇1第1章初识Isight2本章要点21.1 Isight起源和发展31.2 主要功能51.3 模块构成71.4 安装要求81.5 在Windows上安装Isight91.6 在Unix/Linux上安装Isight161.7 运行主界面19第2章应用程序集成22本章要点222.1 组件库（Component Library）232.2 Calculator公式组件242.3 Excel组件262.4 DataExchang

5、er文本读写组件292.5 OS Command命令行组件412.6 Simcode程序集成组件462.7 Script脚本组件542.8 Matlab组件582.9 Abaqus有限元分析过程集成642.10 Patran有限元前处理集成662.11 Sculptor/Fluent形状变形和流体仿真集成702.12 Adams Car车辆动力学仿真集成762.13 附录：常用商业CAD/CAE程序集成方法81第3章工作流和数据映射87本章要点873.1 Sim-flow工作流873.2 Loop循环控制893.3 Condition条件控制903.4 组件发布和重用913.5 Paramet

6、er参数控制923.6 Mapping参数映射943.7 Dataflow数据流963.8 File Parameter文件参数973.9 设置模型本地运行目录rundir1023.10 模型检查功能1043.11练习104第4章试验设计115本章要点1154.1 基本概念1154.2 算法介绍1174.3 结果分析1284.4 DOE组件操作1354.5 练习与指导138第5章数值优化算法154本章要点1545.1 基本概念1545.2 MMFD算法1595.3 LSGRG算法1615.4 NLPQL算法1635.5 MOST算法1665.6 MISQP算法1675.7练习168第6章直接搜

7、索方法175本章要点1756.1 基本概念1756.2 Hooke-Jeeves算法1766.3 Downhill Simplex算法1806.4练习182第7章全局探索法187本章要点1877.1 基本概念1877.2 MIGA算法1887.3 ASA算法1937.4 PSO算法1967.5 Pointer算法2007.6练习201提高篇205第8章近似建模206本章要点2068.1 基本概念2068.2响应面(RSM)模型2088.3 神经网络(RBF/EBF)模型2118.4 Chebyshev/正交多项式模型2128.5 克里格(Kriging)模型2138.6练习与指导215第9章组

8、合优化策略229本章要点2299.1 Task Plan组件和Exploration组件2299.2 DOE抽样与数值优化混合策略（Task Plan组件）2329.3 全局优化和数值优化组合（Task Plan组件）2389.4 基于近似模型更新的全局优化(Exploration组件)2429.5 基于Pointer-2 智能算法的策略（Exploration 组件）247第10章多目标优化252本章要点25210.1 基本概念25210.2 归一化（scalar）方法26110.3 练习265第11章蒙特卡罗模拟（MCS）270本章要点27011.1 基本概念27011.2 算法介绍273

9、11.3算法配置27511.4 练习277第12章田口稳健性设计（Taguchi Robust Design）283本章要点28312.1 基本概念28312.2 算法介绍28712.3 练习与指导291第13章6Sigma品质设计（DFSS）298本章要点29813.1 基本概念29813.2 算法介绍30513.3 练习310.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, Computer Aided Optimization）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,

10、Multi-Disciplinary Design Optimization）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：l 计算机辅助优化（CAO）和多学科设计优化（MDO）l Isight起源和发展l 主要功能l 模块构成l 安装要求l 安装及许可（license）配置l 认识Isight两大门户Design Gateway和Runtime Gateway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”（Comput

11、er Aided Optimization，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，Process Integration & Design Optimization），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-Disciplinary Desgin Optimization）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

12、：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。1.1 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（Siu Tong）博士，他于上世纪80年代

13、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200250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

14、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（Software Robot）”的名称由此得来。 1996年，Engineous Software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Dassault Systmes收购，现为Dassault Systmes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

15、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（Boeing Military）利用Isight构建飞机总体设计平台CAVSIM

16、（Conceptual Air Vehicle SIMulation），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（final development phase costs）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

17、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。1.2 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

18、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1-1 Isight 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, IDEASANSYS Workbench, Patran, Gambit, ICEM CFD, Hypermesh, AcumenNastran, Marc, Abaqus, ANSYS, Optistruct, Laminate ModelerFluent, CFX, Star

19、CD, StarCCM+, FIDAP, STREAM， AVL.FIRE， Shipflow, XFLowAnsoft Maxwell/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, AVL.Cruise, Pro-Mechanica, Matalb/Simulink, Simpack, CarSim, EASY5, Matrix-XPam-Crash, L

20、s-Dyna, Radioss, Madymo, Cashcad, Abaqus ExplicitCODE-V, AutoSEA, Opera 3D, SEAM, LightTools, InspireOSLODEFORM, ProCast, Adstefan, MagmaSoft, Pam-Stamp, MoldFlow, TIMON, Planets SimVis, Deneb/I-GripGT-Power, AVL.BOOST, Ricardo/Wave, AVL.TYCON,AVL.Excite,AVL.ESE热力学叶轮机械专业化工流程网格变形优化数学工具FLomaster, GT P

21、ro, NASA NPSS， Flotherm, ICEPACKNREC Concepts, 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, Unix Shell, 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

22、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

23、还可以与PLM(Prodcut Life Cycle)或SDM(Simulation Data Manager) 等数据管理平台进行互联，包括MatrixOne, Winchill, TeamCenter, Enovia VPM, SLM, SEE, SimManager等。1.3 模块构成1. 设计门户（Design Gateway）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不同的设计探索策略。2. 运行门户（Runtime Gateway）监控和后处理界面，可以绘制多种曲线、曲面、散点

24、图、柱状图、表格等，结果运行完成后生成Summary报告给出优化运行时间、最优结果及设计变量、约束等用户关心的问题。提供设计空间可视化（VDD）、工程数据挖掘（EDM）等后处理功能。3. 组件库（Library/Add-On Component）包含通用和专用的CAD/CAE及自编软件接口。4. 优化算法库（Optimization）数值优化、全局优化、多目标优化、专家智能优化算法，是工程师开展设计优化工作的利器。5. 试验设计算法库（DOE, Design Of Experiments）通过系统而有效的方法分析设计空间、筛选关键设计参数（减少问题规模）、评估设计变量影响以及辨别关键设计变量的

25、交互影响关系。6. 近似模型算法库（Approximation）对于计算代价高昂的CAE分析，Isight用多种近似原理构造替代模型，减少优化中调用大规模CAE分析计算的次数，提高优化效率。近似模型还用于剔除输入参数平缓变化而输出参数却剧烈振荡的仿真噪音。7. 品质设计优化（Quality Desgin）运用随机仿真和优化理论（包括：蒙特卡洛仿真、Taguchi田口稳健性设计和基于6Sigma可靠性分析和稳健性设计DFSS，Design For Six Sigma），构成一个完整的、公式化的对可靠性和稳健性进行评价和改进的品质设计哲学框架。1.4 安装要求Isight支持的平台列表如下：表 1

26、-1 Isight 操作系统支持情况Processor/PlatformOSSun SPARCSolaris 9Solaris 10HP PA-RISCHP-UX 11.11（11i v1）HP-UX 11.23（11i v2）HP-UX 11.31（11i v3）PowerAIX 5L v5.2AIX 5L v5.3AIX v6.1x86Windows 2000 ProWindows XP Pro （32-bit）Windows Vista BusinessWindows Server 2003（32-bit）Red Hat Enterprise Linux 4.0Windows 7 （32

27、-bit）Red Hat Enterprise Linux 5.0SuSE 10.xx64Windows XP Pro （64-bit）Windows Vista Business （64-bit）Windows Server 2003（64-bit）Windows 7（64-bit）Windows Server 2008 （64-bit）SLES 10.x （64-bit）Red Hat Linux Enterprise 4/5 （64-bit） 计算机硬件最小配置要求为：l 1 GB的硬盘空间l 32-bit 安装：最少1GB RAM （推荐2GB RAM）l 64-bit 安装：最小2G

28、B RAM （推荐 3GB RAM）1.5 在Windows上安装Isight1.5.1 Windows安装步骤1. 插入Isight DVD，如果安装界面不能自动弹出的话，双击setupwin.exe，就会弹出Isight软件语言选择界面，可供选择的有【日文】和【英文】，默认为【英文】安装，点击【Ok】。 图1-1 语言选择界面2. 点击【Ok】，弹出Isight软件安装欢迎界面。 图1-2 欢迎界面3. 点击【Next】，弹出一个阅读合法协议的界面 。 图1-3 阅读合法协议的界面4. 点击【Next】，在弹出的界面指定Isight的安装路径。可以执行下面的操作：n 可以采用默认的设置，点

29、击【Next】这个默认的路径可能会因为系统的设置或一些权限的不同而不同。n 可以通过【Browse】按钮，把Isight安装在指定的路径下。图1-4 选择安装路径5. 点击【Next】，指定license文件的界面出现，共有三项：n I have a license file. 选择这项的话，你会直接定位到你的license文件，而不必通过license 服务器。n Reference a license server. 假如你想浮动某个机器的license的话，那么就直接选这个选项。n Skip the license for now - it will be supplied later.

30、 假如你选择这个选项的话，那么一旦你得到你的license后，就必须手动的配置和启动你的license server。图1-5 指定license文件定位方式6. 点击【Next】，那么根据上步中不同的选择，分别执行下面的操作（在这个教程中，我们选择第一个选项）：n 假如选择的是 “I have a license file”，那么用户只需在路径文本框输入license文件的路径和名字或者通过【Browser】按钮直接定位到你的license文件也可。n 假如选择的是 “Reference a license server”，那么以下关于license 服务器的信息需要输入。 License Server Name.这里需要输入运行license服务的计算机的主机名。 License Server Port.这个端口号可以在license文件里面找到，这里默认为空。 提示: 选择此选项时，必须保证指向的license server的机器上的windows防火墙已经被关闭了。图1-6 选择license文件路径7. 点击【Next】，关于license server的一些信息出现。图1-7 license server信息8. 点击【Next】，关于安装本软件需要的的磁盘空间信息出现。图1-8 安装空间