[发明专利]工程设计优化中确定最大影响设计变量的方法和系统

说明书

技术领域

本发明主要涉及工程设计最优化，更具体地说，涉及一种在工程设计最优化中用于确定影响最大的设计变量的图形演示系统和方法。

背景技术

计算机辅助工程(Computer aided engineering，CAE)已经被用于帮助工程师执行诸如分析、仿真、设计、制造等任务。在传统的工程设计过程中，CAE分析(如有限元分析(finite element analysis，FEA)、有限差分分析、无网格分析、计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)分析、用于减轻声振粗糙度(noise-vibration-harshness，NVH)的模态分析等)已被用于对响应(例如应力、位移等)进行评估。以汽车设计为例，利用有限元分析特定的版本或设计的汽车，以得到由特定荷载条件造成的响应。工程师们将尝试通过基于特定的目标和约束条件来修改某些参数或设计变量(例如钢铁壳厚度、框架的位置等)以完善汽车设计。引入另一种有限元分析来反映这些变化，直到实现“最佳”的设计。然而，这种方法通常依赖于工程师个人的知识，或者建立在反复试验的基础上。

此外，如经常在任何工程问题或项目中遇到的，这些目标和约束条件通常彼此冲突且相互影响，而且设计变量是非线性的。因而，不是很清楚如何改变它们以实现“最佳”设计或选择。这种情况在需要多种不同CAE分析(例如FEA、CFD和NVH)来满足一组相冲突目标的多领域优化中变得更加复杂。一种确定“最佳”设计的系统方法，即设计最优化，被用来解决这一问题。

对具有许多相关联部件的复杂产品(例如汽车、飞机等)所进行的优化，将导致产生大量参数或设计变量，从而增加了设计空间的大小。因此，由于在完整的设计空间中，需要开展大量的设计，因此需要对产业或实际问题(例如车辆防撞性模拟)的响应函数进行评估的优化总成本(在工程和计算方面)十分高昂。

然而，通常只有几个关键参数对响应函数影响最大。将大量参数减少到影响最大的几个参数将产生较小的设计空间，从而减少进行优化的开销。因此，有必要在工程设计优化中以高效率、有效、简便和直观的方式确定影响最大的设计变量。

发明内容

本发明公开了一种在产品的多目标工程设计优化中确认影响最大的设计变量的方法。根据本发明的一个方面，通过以一组设计变量和一组响应函数作为目标和约束条件来对产品进行优化。从设计空间(由设计变量所定义)选取具有代表性的产品设计方案(样品)，并对响应进行评价。然后，利用元模型来拟合样品的响应，以便帮助对响应函数进行所有设计变量的全局灵敏度分析。图形演示工具被配置用于允许用户通过交互式将各个权重因子应用到响应函数中来进行假设分析，以便于识别出影响最大的设计变量。

一旦识别出影响最大的设计变量，随后便可以在缩减的设计空间中进行工程设计优化。缩减的设计空间是通过利用影响最大的设计变量的所有值域同时将余下的不重要的设计变量固定在特定值来定义的。该特定值可以是从最佳方案所得到的值或者为设计变量的基线值。

在一个实施例中，本发明涉及一种用于在产品的多目标工程设计优化中确定最大影响设计变量的计算机系统所执行的方法中，该方法包括：接收对待优化产品的描述，所述描述包括作为工程设计优化的目标和约束条件的第一组设计变量和一组响应函数；获取一组候选产品的该组响应函数的结果，所述一组候选产品选自第一组设计变量所定义的第一设计空间；以及，选择第二组设计变量，该选择通过基于所获得的结果从针对所述一组响应函数对每个第一组设计变量进行的全局灵敏度分析中确定第一组设计变量中哪些的影响最大来实现，所述全局灵敏度分析包括用于显示总的全局灵敏度指数的图形演示工具，所述全局灵敏度指数代表每个第一组设计变量对所述一组响应函数的通过相应权重因子处理后的影响，其中所述第二组设计变量用于定义第二设计空间，在所述第二设计空间中进行产品的工程设计优化。

通过结合附图详阅接下来对实施例的详细描述，本发明的其它目标、特征和优点将是显而易见的。

附图说明

下面将结合以下描述、附属权利要求和附图，对本发明的特征、方面和优点进行更好地说明，其中：

图1是将利用厚度作为设计变量来进行优化的管形件(示例性工程产品)的示意图；

图2-3为根据本发明实施例的进行工程设计优化的示例性处理过程流程图，该优化利用全局灵敏度分析以及交互式图形演示工具来筛选出一组影响最大的设计变量；

图4-5共同示出了根据本发明实施例的示例性图形演示的示意图，该图形演示示出了每个设计变量针对响应函数的全局灵敏度指数；