[发明专利]一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法，特别涉及一种可穿戴电子设备在概念方案设计和技术设计阶段进行多学科设计优化的方法。

背景技术

可穿戴电子设备已由医疗救生设备演变为时尚及日常消费产品，这些产品的市场需求量十分巨大，设计开发要求日趋苛刻，未来市场竞争激烈。新柔性电子材料的发现，为小型轻量化可穿戴电子设备的研发提供了新的尝试和设计思路。这种从材料到设备应用环境都与传统机电产品开发相比，发生深刻变化的现实导致了可穿戴电子设备系统开发是一种复杂多学科交互的综合设计，多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)是解决此类问题的有效方法。目前，可穿戴电子设备多学科设计优化方面存在对新型柔性电子材料力学和电性能数据掌握不足，设计、分析与组织开发各种可穿戴电子产品的方法落后等问题。随着人们对小型化轻量化和人-机-环境和谐共处的要求进一步提高，可穿戴电子设备概念方案设计和技术设计阶段，应掌握柔性电子材料力学本构和电性能关系数据，全面评估轻量化、能耗、舒适性、安全性等性能要求，对可穿戴电子设备进行多学科设计优化，从而满足可穿戴电子设备高精度性能、低成本的应用需求。

发明内容：

本发明的目的是针对可穿戴电子设备目前缺乏高效率设计开发方法，提出了一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法。

为了实现上述目的，本方面的技术方案是：一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法，包括如下步骤：

步骤1：基于系统分解思想对可穿戴电子设备进行学科系统分解，确定出可穿戴电子设备设计中各个学科子系统的关注目标，分为：小型轻量化子学科、电磁兼容子学科、能量消耗子学科和耐久性等子学科；其中，小型轻量化子学科关注尺度小型化和结构轻量化两个目标；电磁兼容子学科关注可穿戴电子设备本身电磁兼容、人-设备-系统耦合电磁兼容两部分目标；耐久性子学科关注柔性基底寿命和传感结构寿命；

步骤2：可穿戴柔性材料力学本构与电性能试验。以高性能试验机和电荷探测器，采用试验设计方法(Design of Experiments,DOE)，探索高分子或有机新型柔性电子材料在拉伸、压缩、弯曲、扭转及综合作用下的力学性能、电性能及交互变化，分析力学性能和电性能的交互影响，获得高精度力学性能和电学性能基础数据。

步骤3：可穿戴电子设备系统多学科建模。以步骤2获得的材料数据，根据可穿戴电子设备的设计需求和小型化、轻量化、电磁兼容和耐久性等指标要求，确定可穿戴电子设备结构设计变量和水平数，确定的具体过程为：

步骤31：在可穿戴电子设备的设计空间可行域内，确定生成设计方案组(设计变量组)，对确定好的设计变量因子数和水平，按多因素变量分析制定可穿戴电子设备虚拟试验方案；

步骤32：根据步骤31制定的试验方案，对步骤1分解出来的各个子系统进行分析和优化，以获得建立系统层面向概念设计的多学科设计优化的设计空间。

步骤33：由于新设备和产品对系统结构特性缺乏深入了解，采用多种线性和非线性回归方法，基于基本及改进的径向基函数、支持向量机和Kriging等方法，构建各个子系统的多种响应面模型；

步骤34：响应面代理模型验证与可信性评估。以模型显著性检验F统计量和拟合优度检验决定系数R²为基础构建模型质量参数Model_V，对步骤33的各方法建立的响应面模型进行检验，从步骤33结果中选取精度满足要求且指标最好的响应面模型；

步骤4：可穿戴电子设备系统多学科优化。以步骤3获得的多学科建模结果，构建可穿戴电子设备系统多学科优化模型，确定的具体过程为：

步骤41：根据可穿戴电子设备的设计需求和指标要求，选择多学科子系统中的指标作为系统层级的优化目标；

步骤42：根据步骤32所得可穿戴电子设备的设计空间结果，结合系统级指标要求，确定系统级多学科优化的边界条件；

步骤43：基于学科分解后非关联量并行求解，关联量耦合协同寻优的思想和序列二次规划、遗传算法和博弈论等优化算法，对构建好的优化模型计算寻优，获得可穿戴电子设备系统级多目标Pareto优化解集；

步骤44：考虑可穿戴电子设备使用中的“人-机-环境”特性，权衡多目标权重，结合步骤43的结果，选择满意解。如果不满足设计要求，则重新修改和调整优化模型，重复步骤43和步骤44；如果满足设计要求，则确定了可穿戴电子设备的最优设计方案(最优设计参数组)；

步骤5：结束。