isight参数优化理论与实例详解.doc

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前言

lIsight5.5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，Isight5.5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-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！

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（DesignFor6Sigma）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（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。

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前言 1

入门篇 1

第1章 初识Isight 2

本章要点 2

1.1Isight起源和发展 3

1.2主要功能 5

1.3模块构成 7

1.4安装要求 8

1.5在Windows上安装Isight 9

1.6在Unix/Linux上安装Isight 16

1.7运行主界面 19

第2章 应用程序集成 22

本章要点 22

2.1组件库（ComponentLibrary） 23

2.2Calculator公式组件 24

2.3Excel组件 26

2.4DataExchanger文本读写组件 29

2.5OSCommand命令行组件 41

2.6Simcode程序集成组件 46

2.7Script脚本组件 54

2.8Matlab组件 58

2.9Abaqus有限元分析过程集成 64

2.10Patran有限元前处理集成 66

2.11Sculptor/Fluent形状变形和流体仿真集成 70

2.12AdamsCar车辆动力学仿真集成 76

2.13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 87

3.1Sim-flow工作流 87

3.2Loop循环控制 89

3.3Condition条件控制 90

3.4组件发布和重用 91

3.5Parameter参数控制 92

3.6Mapping参数映射 94

3.7Dataflow数据流 96

3.8FileParameter文件参数 97

3.9设置模型本地运行目录{rundir} 102

3.10模型检查功能 104

3.11练习 104

第4章 试验设计 115

本章要点 115

4.1基本概念 115

4.2算法介绍 117

4.3结果分析 128

4.4DOE组件操作 135

4.5练习与指导 138

第5章 数值优化算法 154

本章要点 154

5.1基本概念 154

5.2MMFD算法 159

5.3LSGRG算法 161

5.4NLPQL算法 163

5.5MOST算法 166

5.6MISQP算法 167

5.7练习 168

第6章 直接搜索方法 175

本章要点 175

6.1基本概念 175

6.2Hooke-Jeeves算法 176

6.3DownhillSimplex算法 180

6.4　练习 182

第7章 全局探索法 187

本章要点 187

7.1基本概念 187

7.2MIGA算法 188

7.3ASA算法 193

7.4PSO算法 196

7.5Pointer算法 200

7.6练习 201

提高篇 205

第8章 近似建模 206

本章要点 206

8.1基本概念 206

8.2响应面（RSM）模型 208

8.3神经网络（RBF/EBF） 模型 211

8.4Chebyshev/正交多项式模型 212

8.5克里格（Kriging）模型 213

8.6　练习与指导 215

第9章 组合优化策略 229

本章要点 229

9.1TaskPlan组件和Exploration组件 229

9.2DOE抽样与数值优化混合策略（TaskPlan组件） 232

9.3全局优化和数值优化组合（TaskPlan组件） 238

9.4基于近似模型更新的全局优化（Exploration组件） 242

9.5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 252

10.1基本概念 252

10.2归一化（scalar）方法 261

10.3练习 265

第11章 蒙特卡罗模拟（MCS） 270

本章要点 270

11.1基本概念 270

11.2算法介绍 273

11.3算法配置 275

11.4练习 277

第12章 田口稳健性设计（TaguchiRobustDesign） 283

本章要点 283

12.1基本概念 283

12.2算法介绍 287

12.3练习与指导 291

第13章 6Sigma品质设计（DFSS） 298

本章要点 298

13.1基本概念 298

13.2算法介绍 305

13.3练习 310

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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：

l计算机辅助优化（CAO）和多学科设计优化（MDO）

lIsight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。

1.1Isight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。

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,IDEAS

ANSYSWorkbench,Patran,Gambit,ICEMCFD,Hypermesh,Acumen

Nastran,Marc,Abaqus,ANSYS,Optistruct,LaminateModeler

Fluent,CFX,StarCD,StarCCM+,FIDAP,STREAM，AVL.FIRE，Shipflow,XFLow

AnsoftMaxwell/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-X

Pam-Crash,Ls-Dyna,Radioss,Madymo,Cashcad,AbaqusExplicit

CODE-V,AutoSEA,Opera3D,SEAM,LightTools,Inspire

OSLO

DEFORM,ProCast,Adstefan,MagmaSoft,Pam-Stamp,MoldFlow,TIMON,PlanetsSimVis,Deneb/I-Grip

GT-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,GTPro,NASANPSS，Flotherm,ICEPACK

NRECConcepts,PUMPEL,COMPAL,CCAD,STRESSPREP

HYSYS,ASPEN,Gproms，CHEMKIN

DEP-Morpher,Sculptor,Optistruct,SOFY

Matlab,SPSS,S-Plus,MathCAD

HPC高性能计算

自编程序

LSF,PbsPro

C,C++,FORTRAN,JAVA,Python,UnixShell,Corba

2.参数研究和设计优化

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。

1.3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不同的设计探索策略。

2.运行门户（RuntimeGateway）

监控和后处理界面，可以绘制多种曲线、曲面、散点图、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-OnComponent）

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,DesignOfExperiments）

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（QualityDesgin）

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，DesignForSixSigma），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1-1Isight操作系统支持情况

Processor/Platform

OS

SunSPARC

Solaris9

Solaris10

HPPA-RISC

HP-UX11.11（11iv1）

HP-UX11.23（11iv2）

HP-UX11.31（11iv3）

Power

AIX5Lv5.2

AIX5Lv5.3

AIXv6.1

x86

Windows2000Pro

WindowsXPPro（32-bit）

WindowsVistaBusiness

WindowsServer2003（32-bit）

RedHatEnterpriseLinux4.0

Windows7（32-bit）

RedHatEnterpriseLinux5.0

SuSE10.x

x64

WindowsXPPro（64-bit）

WindowsVistaBusiness（64-bit）

WindowsServer2003（64-bit）

Windows7（64-bit）

WindowsServer2008（64-bit）

SLES10.x（64-bit）

RedHatLinuxEnterprise4/5（64-bit）

计算机硬件最小配置要求为：

l1GB的硬盘空间

l32-bit安装：

最少1GBRAM（推荐2GBRAM）

l64-bit安装：

最小2GBRAM（推荐3GBRAM）

1.5在Windows上安装Isight

1.5.1Windows安装步骤

1.插入IsightDVD，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：

nIhavealicensefile.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。

nReferencealicenseserver.假如你想浮动某个机器的license的话，那么就直接选这个选项。

nSkipthelicensefornow-itwillbesuppliedlater.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licenseserver。

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“Ihavealicensefile”，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“Referencealicenseserver”，那么以下关于license服务器的信息需要输入。

üLicenseServerName.这里需要输入运行license服务的计算机的主机名。

üLicenseServerPort.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licenseserver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licenseserver的一些信息出现。

图1-7licenseserver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