（化工过程机械专业论文）基于cae的袋式除尘器多学科设计优化.pdf

摘要 摘要 多学科设计优化技术( m d o ) 是针对复杂工程问题的优化提出的一种方法，主 要应用在航空航天业的复杂产品的设计优化问题上，并得到飞速的发展。目前， 多学科计优化己成为复杂产品设计的一个崭新的发展方向，是许多国际学术会 议讨论的主题。 。 本文对多学科设计优化技术体系和方法应用进行了研究，并在此基础上将多 学科设计优化技术和方法引入工业除尘设备设计领域，实现了袋式除尘器的多 学科设计优化，有效的提高了袋式除尘器的综合性能。具体完成了如下工作： 一、在对国内外关于多学科设计优化技术方法的理论及工程应用的现状、多 学科设计优化技术体系进行调研的基础上，论述了多学科设计优化技术体系的 定义、组成及实质，对目前存在的多学科优化算法及其流程、特点进行了分析 对比。 二、分析了协同优化的数学本质，建立协调优化数学模型；对基于c e a 技术 的协同优化框架的实现过程，引进响应面近似方法，建立了基于响应面协同优 化算法数学模型，通过算例作了深入研究。 三、针对袋式除尘器这一产品复杂结构，结合工程实际设计要求，确定计算 区域，给出计算工况及相关假设，建立了袋式除尘器基于响应面协同优化数学 模型。对袋式除尘器多目标进行线性加权处理，构建了袋式除尘器综合性能评 价函数。 四、在c a e 集成环境下实现了袋式除尘器的多学科设计优化方法的计算框 架，并成功将g a m b i t 、f l u e n t 及a n s y s 等c e a 软件进行集成，建立了针对协同优 化特殊计算框架所需要并行计算的运行环境；利用该设计优化框架对袋式除尘 器进行了设计优化，取得了良好的效果，为复杂工业产品设计提供了一种新的 设计方法。 关键字：袋式除尘器；多学科设计优化；协同优化；多目标 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n ( m d o ) i sam e t h o df o ro p t i m i z a t i o no f c o m p l e xe n g i n e e r i n gp r o b l e m s n o w , i ti sm 2 l i l l l yu s e di nc o m p l e xp r o d u c td e s i g n o p t i m i z a t i o no fa e r o s p a c ei n d u s t r y , a n dr a p i dd e v e l o p i n g c u r r e n t l y , m u l t i d i s c i p l i n a r y d e s i g no p t i m i z a t i o n ( m d o ) h a sb e c o m e an e wd i r e c t i o nf o rc o m p l e xp r o d u c td e s i g n i nt h i sp a p e r , ir e s e a r c hm d o ss y s t e ma n dm e t h o d s ，o nt h i sb a s i s ，i n t r o d u c ti tt o i n d u s t r i a ld u s t - r e m o v a le q u i p m e n td e s i g n ，a c h i e v em d oo fb a gf i l t e r , e f f e c t i v e l y i m p r o v et h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fb a g f i l t e r s p e c i f i c a l l yc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： f i r s t ，o nt h eb a s i so ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r sr e s e a r c h i n go n m d o st h e o r yo ft e c h n i c a lm e t h o d s ，e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ns t a t u sa n ds y s t e m ，i d i s c u s st h em d o sd e f i n i t i o n , c o m p o s i t i o na n ds u b s t a n c e ，m e a n w h i l e ，a n a l y z ea n d c o n t r a s tm d o sa l g o r i t h m ，p r o c e s s ，c h a r a c t e r i s t i c s e c o n d ，ia n a l y z et h em a t h e m a t i c a ln a t u r eo fc o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o na n d c r e a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o n o nt h ep r o c e s so fa c h i e v i n g c e a b a s e dc o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o nf r a m e w o r k , ii n t r o d u c er e s p o n s es u r f a c e a p p r o x i m a t i o n , e s t a b l i s hc o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mb a s e d o nr e s p o n s e s u r f a c ea n dd e p t hs t u d yb ya l le x a m p l e 1 1 1 1 i r d ，f o rb a gf i l t e rs u c hac o m p l e xs t r u c t u r e ，i nc o m b i n a t i o n 谢n le n g i n e e r i n g d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，id e t e r m i n et h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i n ，p r o p o s ec a l c u l a t i o n c o n d i t i o na n du n d e r l y i n ga s s u m p t i o n s ，e s t a b l i s hc o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m b a s e do nr e s p o n s es u r f a c ef o rb a gf i l t e nie x e c u t el i n e a rw e i g h t i n gf o rb a gf i l t e r m u l t i - o b j e c t i v ea n de s t a b l i s hc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nf u n c t i o n f o u r t h ，ia e h i e v e t h em u l t i d i s t i l ：i l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o nc o m p u t a t i o n a l f r a m e w o r ku n d e rt h ec a ee n v i r o n m e n t , s u c c e s s f u l l yi n t e g r a t eg a m b i t ，f l u e n ta n d a n s y ss u c ha sc e as o f t w a r ea n de s t a b l i s hp a r a l l e lo p e r a t i n ge n v i r o n m e n tf o r c o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o ns p e c i a lc o m p u t i n gf r a m e w o r k m a k i n gu s eo fd e s i g n 6 p t i m i z a t i o nf r a m e w o r k , id e s i g na n do p t i m i z et h eb a gf i l t e r , a c h i e v eg o o dr e s u l t s ， p r o v i d ea n e w d e s i g nf o rd e s i g no fc o m p l e xi n d u s t r i a lp r o d u c t s k e y w o r d s ：b a gf i l t e r , m u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n , c o l l a b o r a t i v e o p t i m i z a t i o n , m u l t i o b j e c t i v e i i 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究背景及意义 国民经济和工业建设的发展所伴随的严重问题之一就是空气污染，其中空 气悬浮颗粒物( t s p ) 排放总量的有效控制成为了环境保护领域研究的重要课题。 工业生产与环保装备袋式除尘器的粉尘排放浓度可达到1 0 m g m 3 以下，甚 至达到2m g m ，基本实现零排放。因此，随着国家对粉尘排放的要求日趋严 格，具有很高的除尘效率的袋式除尘器，已经被迅速而广泛地应用于采矿、冶 金、工业加工、贵重物料回收以及环保等领域【l 】。 袋式除尘器是利用多孔纤维材料制成的滤袋( 简称布袋) 将含尘气流中的 粉尘捕集下来的一种干式高效除尘装置，一般可以分成本体结构、过滤系统、 喷吹清灰系统等主要结构系统，它具有除尘效率高、运行稳定、对气体流量及 含尘浓度适应性强、处理流量大及性能可靠等优点。这种装备起源于十九世纪 末。但是由于环保意识不强、制度法律不够健全以及技术发展不够完善等原因 而未得到很好的研究与应用，直到上世纪初，才得到了一定的重视，并有了迅 猛的发展。国际上有如丹麦的史密斯公司、美国的海德堡公司、德国的富乐公 司等，都是著名袋式除尘器设计生产公司，产品技术成熟先进、知名度较高。 近5 0 年来，我国的袋式除尘产业也获得了迅速发展，国内已有了许多科研 设计院所、高校等在袋式除尘器的工作机理、结构形式、清灰技术、控制以及 滤料性能等方面进行了探讨并取得良好的成果。西安建筑科技大学的卢键，对 脉冲布袋除尘器结构进行了优化设计，并提出将除尘器箱体由板肋结构改为压 型板结构的改进方案，与原除尘器相比，节约了近3 0 4 0 的钢材 2 1 。东华大 学的赵友军，利用1 ：1 的实物模型，对袋式除尘器内部流场分布进行了试验测 试及数值模拟研究，为袋式除尘器的设计提供优化的结构参数，提高系统运行 的效果和可靠性【3 】。东华大学的陈强，通过建立不同的模型来分析迸风方式、过 滤风速、布袋排列组合方式等各种结构因素对气流均匀性的影响规律 4 1 。河南电 力试验研究院的江得厚、郝党强，王勤等人，就燃煤电厂袋式除尘器发展趋势 及其运行寿命的影响因素做了深入的研究【5 】。三峡大学环保设备研究所的高广 德、张彦婷，研究了袋式除尘器两种不同进口结构对其内部流场的影响，为袋 第1 章引言 式除尘器的设计起到指导意义【6 】。同时，国内还出版一系列袋式除尘器的相关手 册，如王金波，孙熙等人编写的袋式除尘器滤料及配件手册【刀，由中国环保 产业协会袋式除尘委员会编写的袋式除尘器标准汇编( 第五版) 【8 】由胡鉴仲， 隋鹏程等人编写的袋式收尘器手册 9 1 。国外很多学者对除尘器的结构、流场、 性能等方面也做了大量的工作，如c r o o mml 提出了一些对进气口和导流板进 行优化的改进措施，并对不同的结构做了比较，为除尘器结构设计提供了依据 【1 0 】。k i n c h e e tgl 在1 9 8 0 年对过滤和清灰的机理做了深入研究。e s c h m i d t 对滤 袋的表面积灰进行的试验分析，分析了滤袋过滤时不同因素对滤袋过滤效果的 影响【l l 】。 从国内外的相关研究，可以看到一个普遍现象： 1 ) 、很多学者在进行结构优化时，并没有考虑结构优化给流场带来的影响。 袋式除尘器由原来的单各袋室的小型结构已经发展到十几甚至二十几个多袋室 大型结构，过滤面积也极具增加，耗钢量随着规模的增大越来越多【l 引。因此， 对除尘器结构进行优化，降低结构耗钢量已成为袋式除尘器技术进步的一个重 要研究领域。目前袋式除尘器结构优化采用的方式主要有：形状优化、尺寸优 化及钢板加劲改为压型板等【1 3 , 1 4 ，任何一种优化方式都将对流场带来或多或少的 影响，但相关文献在结构分析优化后都没有给出对除尘器流场影响的分析计算 及说明。 2 ) 、在做流场的分析优化时，同样没有考虑对结构的强度、刚度和稳定性 造成的威胁。在袋式除尘器运行过程中，滤袋的使用寿命直接影响除尘器的过 滤效率及维修费用【”】，如果除尘器局部发生滤袋破损，除尘器的过滤效率将急 剧下降，污染环境【1 6 】。然而，滤袋的使用寿命除了受滤袋材质、烟气特性、清 灰方式影响外，气流分布也是一个重要因素。而影响气流分布的主要因素有进 风方式、气流分布板的布置、滤袋形状、滤袋的排列组合方式、分室方式、过 滤方式、过滤材料、过滤风速、清灰方式、排气方式等等【l7 ，墙j 。因此，改善流场 的主要方式有：改变滤袋间距、改变滤袋的排布方式、增加导流板、改变进风 方式等，这些改善流场的方式都将改变结构的受力，对结构性产生影响。 因此本文将将以袋式除尘器为研究对象，采用多学科设计优化方法，综合考 虑除尘器的结构场与流场的相互作用，实现除尘器结构性能( 强度、刚度、稳 定性及钢耗量) 及流场分布综合性能最优化，为复杂工业产品设计提供新的设 计方法。 2 第1 章引言 1 2 多学科设计优化概述 1 2 1 多学科设计优化定义 多学科设计优化( m u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n ，m d o ) ，是针对复 杂工程问题的优化提出的一种优化方法【1 9 1 。它通过研究学科之间相互作用、对 复杂工程系统进行分解，采用特定的优化算法协调不同学科之间耦合，并且结 合先进的计算机运行环境，实现学科之间的通讯及并行计算，最终完成复杂工 程设计问题的优化方法。 目前，对多学科设计优化的研究还处于不断发展阶段，对多学科设计优化还 没有统一的定义，通过查阅国内外相关文献，其中主要的定义有一下几种： 1 、美国航空航天局对多学科设计优化的定义是【2 0 】： m u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n ( m d o ) i sam e t h o d o l o g yf o rt h ed e s i g no f c o m p l e xe n g i n e e r i n gs y s t e m sa n ds u b s y s t e m st h a tc o h e r e n t l ye x p l o i t st h es y n e r g i s m o f m u t u a l l yi n t e r a c t i n gp h e n o m e n a ”即“多学科设计优化方法是一种通过充分探 索和利用工程系统中相互作用的协同机制，考虑各学科( 子系统) 之间的相互作 用，从整个系统角度优化设计复杂系统和子系统的方法论。 2 、英国南安普敦大学计算工程和设计中心给出的定义是【2 0 】： “m u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n ( m d o ) i saf o r m a lm e t h o d o l o g yf o rt h e d e s i g no fc o m p l e xc o u p l e ds y s t e m si nw h i c ht h es y n e r g i s t i ce f f e c t so fc o u p l i n g b e t w e e nv a r i o u si n t e r a c t i n g d i s c i p l i n e s p h e n o m e n aa r ee x p l o r e da n de x p l o i t e da t e v e r ys t a g eo ft h ed e s i g np r o c e s s 多学科设计优化( m d o ) 是在设计过程的每一个阶段解决复杂耦合系统的 一种正规的方法论，其重点在于研究学科之间的各种相互作用事物相互耦合的 协同效应。 3 、余雄庆，丁运亮【19 】：“一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的 协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。 不管哪种定义，其核心思想主要包括两点：一是充分考虑设计过程中各学科 之间的耦合作用，二是使复杂系统问题总体性能的最优化【2 1 1 。因此多学科设计 优化的定义也可以形象表示为： 腑轫= 乙d 脚砌叫+ 肋d ( 1 2 1 ) 3 第1 章引言 式中：咖一设计的总效益； 啪一各学科设计的效益之和； 左一一各学科之间相互作用产生的效益增量。 1 2 2 多学科设计优化发展历史 多学科设计优化( m o d ) 的思想早在2 0 世纪初就已经被人们认识到并开始 做了一些探讨，但由于人们对问题的认识深度及技术水平不足，直到2 0 世纪中 后期才正式将m o d 作为一个新的发展领域。1 9 8 2 年，n a s a 高级研究员、美籍 波兰裔数学家s o b i e s k i j 在他的文章“al i n e a rd e c o m p o s i t i o nm e t h o df o r o p t i m i z a t i o np r o b l e mb l u e p r i n tf o rd e v e l o p m e n t 中，首次提出了多学科设计优 化的思想，他采用了全局灵敏度方程分析方法和子空间优化方法对复杂系统进 行了复杂系统设计优化，解决了大系统中各子系统之间的相互耦合作用，并且 实现了子系统之间的并行处理，获得了之前难以得到的整个系统的最优解，形 成了m d o 的发展开端1 2 2 ) 3 ，2 4 1 。1 9 8 6 年由美国飞机工业协会( a i a a ) 、美国国家 航空和航天管理局( n a s a ) 、美国空军研究所( u s a f ) 、国际结构和多学科 优化学会( i s s m o ) 等四家机构联合倡导下，在n a s a 兰利研究中召开了首届“多 学科分析与优化 技术交流会，为多学科设计优化( m o d ) 的发展指明了方向。 在1 9 9 1 年，美国飞机工业协会正式设立专门从事m d o 技术研究的技术委员【2 5 1 ， 并率先提出了多学科设计优化( m u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n ，缩写m d o ) 术语，多学科设计优化( m o d ) 作为一个新的研究方向和研究领域从此诞生。 之后的近3 0 年的发展过程中，国外有许多研究机构和研究团体纷纷投入到 m d o 的研究工作中【2 6 1 ，主要有： 1 ) 、政府研究机构 在1 9 9 4 年8 月n a s a 成立的多学科设计优化分部( m d ob r a n c h ，简称 m d o b ) 2 7 ；美国将多学科设计优化及相关技术纳入了“国家关键技术发展规划 【2 8 】 o 2 ) 、高校 高校在研究m d o 技术主要负责多学科设计优化技术和学科分析的研究。 1 9 9 4 年6 月在美国弗吉尼亚州立大学成立了先进飞行器的多学科分析与设计 ( m a d ) 中心，斯坦福( s t a i l f b r d ) 大学 2 9 3 2 】、佛罗里达( f l o r i d a ) 大学【3 3 】、弗吉尼 亚理工大学州、布法罗( b u f f a l o ) 大学口5 1 等高校都有专门设立多学科设计优化 4 第1 章引言 的研究机构。 3 ) 、商业软件公司 为了推进多学科设计优化技术的发展，国外有多家商业软件公司在针对多学 科设计优化算法的实现研发了支持计算框架，其中包括：美i 玉l e n g i n e o u s 软件公 司开发的i s i g h t 集成平台【3 6 3 7 1 ，美国l m s 数值技术公司开发的l m so p t i m u s ， p h o e n i x 公司开发m o d e l c e n t e r t 3 8 】，s y n a p s 公司开发了p o i n t e r ,塞迪国家实验室 ( s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e s ) 研发 d a k o t a 3 9 1 等。 4 ) 、工业公司研究 波音公司、洛克西德马丁公司、通用公司等都在大力发展多学科设计优化 技术的实质性应用研究，希望通过m d o 技术的研究能够促使企业界从传统的设 计模式向并行化、一体化的先进模式转化。其中波音公司将m d o 应用于 f a 1 8 e f 飞机的设计，验证了m d 0 能够快速找到可行的设计方案；洛克西德马 丁公司将m d o 应用于f 2 2 战斗机的结构气动弹性设计过程。 相比之下，国内在多学科设计优化技术研究方面起步较晚，但也有很多高校 在进行m d o 的理论及计算框架的研究工作，如南京航空航天大学的余雄庆博士 开展了多学科设计优化算法及其在飞机设计中的应用研究【1 9 , 4 0 , 4 1 1 ，国防科学技术 大学的陈琪锋博士对飞行器分布式协同进化多学科优化方法做了一定的研究 【4 2 删。西北工业大学的谷良贤、胡峪等人在多学科优化算法及其在飞行器设计 应用方面展开了研究【4 5 枷1 。西北工业大学的卜广志等人对鱼雷总体设计的多学 科优化开展了理论研究【4 9 ，5 0 1 。在潜水器方面，上海交通大学的刘蔚等人对载人潜 器的多学科设计优化开展了理论研究【5 1 彤】。北京航空航天大学的何麟书等人较 早地提出了采用正交设计解决飞行器方案设计m d o 问题，主张通过“松耦合 方式处理m d o 耦合问题，并发表了多篇文章【5 4 , 5 5 1 ，蔡苗等人则对基于c o r b a 的m d o 分布式计算环境作了初步研究【5 6 1 。除上述的部分m d o 研究外，国内还 有一些与m d o 相关的论文【5 7 , 5 8 】，但是这些文章只是概念性的探索，并没有在工 程实践中得到应用。 。 1 2 3 多学科设计优化主要思想 1 、合理的系统分解 通过某种方式，将原有的复杂工程设计问题按照现有的学科领域相一致的形 式进行分解，使各学科领域的专家在不考了其它学科对本学科设计的影响下， 5 第1 章引言 采用本学科丰富知识、经验及计算分析软件对设计优化。 2 、有效的优化算法 在系统合理分解的基础上，建立有效的优化算法，组织和管理优化设计过程 学科间的信息交换，反复协调各学科间的设计优化差异，实现对复杂系统的综 合设计。 3 、先进的集成环境 多学科设计优化的最后实现还必须具有良好的计算环境及集成框架。通过 有效的优化算法寻找系统的综合性能最优解是一个循环迭代的过程，合理的集 成框架及先进的计算环境，能加速系统寻优过程，并结合系统分解，实现各学 科的并行计算，缩短设计周期，从而使研制出的产品在国际市场上更具有竞争力。 1 2 4 多学科设计优化研究内容 多学科设计优化作为一种针对复杂工程设计问题的设计优化方法，较一般常 用的优化方法所必须研究的内容为，还有一些其独特的研究内容，其主要内容 包括如下： 1 、设计对象分解 多学科设计优化的一项前期工作就是对设计对象的分解，弄清设计对象的学 科组成及学科之间的相互关系，为后面的工作打下基础，常用的系统分解方法 主要有以下几种【4 5 j ： a 、按物理部件分解，如袋式除尘器中的花板、灰斗等； b 、按学科领域分解，如：流场、结构、性能等； c 、混合分解，既有物理部件又有学科领域的分解。 2 、设计对象各学科的建模与分析【5 9 - 6 2 建模包括建立数学模型及分析模型，设计对象被分解之后，学科之间的相互 关系及信息交流必须通过合理的数学模型进行描述；各学科优化又是建立在学 科分析的基础之上的，而学科分析必须具有能够准确的反映工程实际问题的物 理分析模型，因此，对设计对象各学科的建模与分析的研究是解决复杂工程多 学科设计优化问题的重点之一。 3 、多学科设计优化算法 多学科设计优化算法是实现复杂工程多学科设计优化问题的有效的、具体的 优化求解方法，它将设计对象各学科的知识与这些具体的寻优算法结合起来， 6 第1 章引言 建立起符合工程设计结构，权衡各学科间的耦合关系，并能有效的组织学科间 的信息交互的计算框架。 4 、寻优算法 多学科设计优化问题在数学上归根结底还是一个优化问题，但由于多学科设 计优化问题各学科之间的耦合关系复杂，增加了寻优的困难，因此针对这一困 难，研究更加有效的寻优算法是多学科设计优化发展的一个方向。 5 、并行计算的分布式计算机网络环境 多学科设计优化过程是一个迭代过程，系统级优化建立在学科级优化的基础 上，而学科优化又是通过多次学科分析完成，因此，多学科设计优化存在巨大 的计算困难，建立分布式计算机网络环境，实现学科间的并行计算是解决此困 难的有效途径。 6 、近似技术 建立分布式计算机网络环境，实现学科间的并行计算在一定程度上缓解了计 算量的问题，但由于系统的设计变量多，设计变量类型复杂，要在高维且不连 续的设计空间中寻找最优解是一个仅仅提高计算速度是不能解决的难题，因此， 不少专家在研究多学科设计优化问题时引进了近似技术，采用近似模型代替各 学科精确计算的分析模型，提高收敛速度，但如何更有效、更精确的建立设计 问题的近似模型成为多学科设计优化中新的难题。 1 2 5 多学科设计优化算法介绍 多学科设计优化技术经过近3 0 年的研究和发展，各方面内容都取得了丰硕 的成果，其中最为重要、成果也是最多的是m d o 算法的研究，m d o 算法是指 复杂系统工程设计方案的最优化求解方法。其主要任务是为了解决m d o 的计算 复杂性和信息交换复杂性两个难题。 虽然m d o 算法发展迅速，但是还存在许多难题有待于解决，比如：算法的 收敛性和寻求全局最优解的能力需要在理论上得到严格的证明；理论方法的研 究如何与工程实际问题相结合。因此，为了使多学科设计优化方法能更好、更 广的应用于工业界对复杂产品设计中，m d o 算法在广度和深度上都有待进一步 的完善和发展。 目前主要的m d o 算法有以下几种： ( 1 ) 单级优化算法 7 第1 章引言 单级优化算法是通过集成框架将系统中各学科的分析计算简单的集合在一 起，采用传统的优化算法对系统进行自动优化，学科间不存在复杂的耦合关系， 它与传统的单学科优化算法相似，并不是完全意义上的m d o 算法。主要包括： 标准的系统级优化算法；基于c s e ( 全局敏感方程) 的单级优化算法；一致性约束 优化算法等。 ( 2 ) 并行子空间优化算、法【6 2 侧 并行子空间优化算法是将复杂工程系统分解为系统级优化和两个并行子空 间优化，系统设计变量被分配到各子空间中，包括局部设计变量及全局设计变 量，各子空间全局设计变量通过全局敏度方程来近似处理。这种优化算法最初 由s o b i e s k i 提出，后经r e n a u d 和b a t i l l 等人改进和发展后，目前主要包括：基 于敏感性分析的并行子空间优化算法；改进的基于敏感性分析的c s s o 算法； 基于响应面的c s s o 算法等。 ( 3 ) 协同优化算法1 6 蛐7 j 协同优化算法是将复杂的工程系统设计优化问题分解成一个系统级优化问 题和若干个学科级优化问题，各学科分别构成独立的并行优化模块，各模块不 仅进行学科分析，还进行学科优化，各学科优化时不必考虑其它学科对本学科 的影响，在满足本学科约束条件下，使本学科设计优化结果与系统级优化分配 的设计期望值的差异最小，系统级的优化功能是协调各个学科级优化结果的不 一致性，在满足一致性约束条件下使原设计优化问题达到最优。 1 3 基于c a e 多学科设计优化实现 多学科设计优化方法的实现需要一个能够集成和运行各学科的分析计算框 架，它能够实现各学科之间的信息交互。近年来，为了推动多学科设计优化方 法在工业界对复杂产品设计中的应用，大量的资金已经投入到多学科设计优化 计算框架的研究中，并且已经取得了很好的成果，自1 9 9 4 年起，n a s a 的兰利研 究中, b m d o 部门分别开发和应用了学科间设计优化框架( f r a m e w o r kf o r i n t e r d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n ，简称f i d o ) ，c o r b a j a v a 优化( c o r b a j a v a o p t i m i z a t i o n ，简称。o p t ) 等多种m d o 框架体系【6 8 6 9 1 ，并且仍在不断完善之中，目前 比较常用的多学科设计优化集成框架包括p h o e n i xi n t e g r a t i o n 的m o d e l c e n t e r - a n a l y s i ss e v e r ，e n g e n i o u s 的i s i g h t 和t e c h n o s o f i 的a m l 等等，其中， 8 第1 章引言 i s i g h t 在实现多学科设计优化方法领域占有相当大的市场份额，另外美国s a n d i a 国家实验室为了实现多学科设计优化计算，基于u n i x 系统研发了d a k o t a 软件， 以及v 觚d e r p l 嬲t s 等研发了v i s u a l d o c 软件( 基于w i n d o w sn t 和u n i x 平台) 。 i s i g h t 是应用最为广泛的多学科设计优化计算框架之一，它是基于 w i n d o w sn t 和u n i x 平台开发的。该优化计算框架能够实现产品、设计团队、 多个学科、多个软件工具之间的协同，并且通过软件协同驱动实现产品设计优 化。它主要功能包括：过程集成、优化处理和自动化求解。其特点为： ( 1 ) 、它可以集成各种c a d c a e ( 商业和自有) 软件，并能有效地控制它们 之间的信息流； ( 2 ) 、它能使设计流程自动化； ( 3 ) 、在i s i g h t 中集成了大量的寻优算法和质量工程方法，并可以方便地 进行优化探索策略的制定。 i s i g h t 主要侧重于提供多学科设计优化和不同层次优化的技术以及优化过 程管理能力，解决了多学科交叉情况下协调优化设计过程多次迭代、数据反复 输入输出时的操作的自动化，提供了一个优化工具包，将各种优化方法( 数值迭 代算法、搜索式算法、启发式算法、实验设计( d o e ) 、响应面模型扭s m ) 等有效 地组织起来进行多学科的设计优化，其工作流程图见图1 3 1 所示。 圈 区巫塑堕硝豳 - l 获得输出文件的目标变量i 图1 3 1i s i g h t 的工作流程 9 第1 章引言 1 4 本文主要研究内容 本文基于多学科设计优化理论，以袋式除尘器为研究对象，以袋式除尘器综 合性能为目标，对袋式除尘器综合性能进行优化，为复杂工业产品设计提供了 一种新的设计方法，具体研究内容如下： l 、总结国内外除尘器行业结构设计现状，针对袋式除尘器这一典型的复杂 产品，介绍了其中各学科交叉耦合关系，阐述了多学科优化设计方法在袋式除 尘器产品优化设计中的必要性。 2 、在给出复杂多学科设计优化问题数学描述的基础上，研究了常用多学科 设计优化算法思想，并建立其数学模型，即协同优化算法数学模型。结合袋式 除尘器工程实际设计要求，对袋式除尘器进行学科分解，建立系统级目标函数、 一致性约束条件及结构子系统和流场子系统数学模型，为袋式除尘器多学科设 计优化平台的构建奠定基础。 3 、在对协同优化的设计思想及数学模型进行分析之后，通过经典数学算例， 介绍了协同优化框架的构建过程及其数据库管理方法，并阐述了协同优化存在 的计算困难，分析了根源所在。在此基础上引进了响应面近似方法，建立了基 于响应面协同优化算法数学模型，通过算例，对比分析基于响应面协同优化算 法较协同优化算法的优越性。 4 、针对袋式除尘器这一复杂产品结构，并结合工程实际设计要求，确定计 算区域，给出计算工况及相关假设，建立了袋式除尘器基于响应面协同优化数 学模型。 5 、研究多学科设计优化过程中多目标问题的处理方法，即线性加权法，在 此基础上建立了袋式除尘器综合性能评价函数，并给出权系数的计算方法。 6 、基于对协同优化的研究和袋式除尘器综合性能评价函数的确定，采用基 于响应面的协同优化算法，在i s i g h t 优化平台中实现袋式除尘器的结构与流场 的协同优化。 1 0 第2 章袋式除尘器多学科设计优化问题的数学模型 第2 章袋式除尘器多学科设计优化问题的数学模型 袋式除尘器的设计包括结构系统设计、过滤系统设计、控制系统设计以及喷 吹系统设计等，如此复杂的一个设计系统包含了多个学科、多个领域的知识， 必须将其进行分解为多个子问题由不同学科领域的专家参与设计。但在分解时 子问题( 子学科) 间存在着设计变量的耦合以及学科之间的相互影响，导致了各学 科专家在进行本学科设计优化时存在巨大困难，这种困难的根源在于学科之间 的相互关系复杂，因此，必须建立其相关数学模型来清晰的描述这个问题。 2 1 袋式除尘器多学科设计优化问题的数学描述及分析 2 1 1 袋式除尘器多学科设计优化问题的数学描述 一般复杂工程系统的多学科设计优化问题在数学形式上可简单地表达为： f 寻优：x j 苎! ：化产厂( 而力 ( 2 1 1 ) l 约束：h , c x ，y ) = 0( 扛1 , 2 ，脚) 。 lg ，( x ，y ) 0 ( 歹= 1 , 2 ，刀) 式中：x 一设计变量； 厂一目标函数； y 状态变量； 瑰( x ，力一等式约束； g i ( x ，力一不等式约束。 在复杂系统中，由于各学科之间相互耦合，因此状态变量y 、约束条件囊、 蜀以及目标函数厂的计算通常受到多个学科的影响。根据学科之间的关系，复 杂系统可分为层次系统和非层次系统，对于层次系统，可以按学科之间先后关 系，顺序计算状态变量y 、约束忽( x ，y ) 、( x ，y ) 以及目标函数厂。对于非层次 系统，状态变量y 、约束曩( z ，y ) 、( z ，y ) 以及目标函数厂的计算是耦合在一起 的，需要多次迭代才能收敛。 传统袋式除尘器设计优化通常只对单学科进行优化，往往得不到最优设计结 第2 章袋式除尘器多学科设计优化问题的数学模型 构，袋式除尘器包含多个学科设计优化，本文针对其中两个相互耦合的学科进 行优化设计，即流场设计优化和结构设计优化，对袋式除尘器多学科设计优化 问题进行描述及其存在的问题进行深入研究。袋式除尘器多学科设计优化问题 的数学模型可表示如下： 寻优：x 曲：厂= ( x ，d ( 2 1 2 ) c ：h ( x ，】，) 0 g ，( x ，d 0o = 1 , 2 ) 式中：f 一袋式除尘器综合性能，包括流场均匀及结构钢耗量； - x 一设计变量，包括孔间距、加强筋型号及烟气入口宽等； 】，状态变量，包括结构强度、结构刚度及流场残差等； 一流场学科提出的约束条件，即满足流场计算精度的最小残差； 繇一结构场学科提出的约束条件，由国家标准及袋式除尘器行业标准 确定的强度、刚度要求。 式( 2 1 2 ) 称为袋式除尘器设计多学科设计优化的优化模型。其中，x 与】， 又必须满足如下的关系： f a l ( x ，】，) 1 彳( x ，聊= a 2 ( x ，y ) = 0 ( 2 1 3 ) l a 3 ( x ，y ) l 式( 2 1 3 ) 称为袋式除尘器设计多学科设计优化的状态模型。从多学科设计 优化的意义上来讲，式( 2 1 2 ) 与式( 2 1 3 ) 共同组成设计对象的设计模型。 为了更深入的研究袋式除尘器各学科之间的复杂关系，下面针对袋式除尘器 多学科设计优化问题，对其设计模型中的一些概念进行如下说明【7 l j ： x ：设计向量 由设计变量组成的向量，向量维数为刀。维，下文中统一简称为设计向量。本 文所研究的设计问题由两个学科组成，各学科的设计向量分别为五、t ，各设 计向量的维数分别为1 1 n 。：，在袋式除尘器设计优化中，某些设计变量只和 某一学科有关，如袋式除尘器结构设计中加强筋尺寸就是一个局部变量，它只 与结构学科设计有关，这种设计变量称为局部变量；而某些设计变量同时与两 个学科有关，如袋式除尘器花板孔间距既与流场学科设计优化有关，也和结构 1 2 第2 章袋式除尘器多学科设计优化问题的数学模型 学科设计优化有关，这种设计变量称之为全局变量。因此，袋式除尘器多学科 设计优化问题的设计向量是其各学科设计向量组成向量的一个子集，且向量维 数小于等于其各学科设计向量维数之和，即： z ( 五，五) ( 2 1 4 ) n j i + n # 2 】，：状态向量 由状态变量组成的向量，向量维数为甩，维，下文中统一简称为状态向量。本 文所研究的设计问题由两个学科组成，各学科的状态向量分别为x ，e ，各状 态向量的维数分别为n n ，2 ，在袋式除尘器多学科设计优化中，各子学科之 间所研究的范围不同，各学科的状态向量也各不相同，袋式除尘器流场学科状 态向量是残差或人为设置被监测点的状态值，而袋式除尘器结构学科的状态向 量是应力、变形。因此，各学科的状态向量没有重叠部分，即： 】，( v l ，艺) ( 2 1 5 ) 1 1 y l + 唧2 = 仰 c ：约束向量 由约束条件组成的向量，向量维数为玩维。本文所研究的设计问题由两个学 科组成，各学科的约束向量分别为c l ，c 2 ，各约束向量维数分别为，：， 与状态向量相似，袋式除尘器各学科的约束向量也各部相同，学科之间通常没 有重叠部分，袋式除尘器流场学科的约束是为了保证流场计算的准确性，而结 构学科的约束是为了满足结构强度及刚度要求。则有： c c i ，c 2 ( 2 1 6 ) 1 1 c l4n c 22n c 即袋式除尘器多学科设计优化的系统分解在某种意义上来讲就是对其约束 条件的分解。 彳：状态方程组 状态方程组反应了各学科之间的内在物理规律。在本文所研究的设计对象 中，当给定设计向量的情况下，设计对象的状态是不变的，即状态向量( 强度、 刚度及满足流场计算精度的最小残差) 是一个确定值，因此在式( 2 1 3 ) 中还存在 着这样一个暗含条件：刀。= 3 。 与袋式除尘器传统的设计优化相比，袋式除尘器多学科设计优化中还包括如 1 3 第2 章袋式除尘器多学科设计优化问题的数学模型 下相关定义： 1 、系统分析( s y s t e ma n a l y s i s ，简称s a ) 从式2 1 3 中可以看到，状态向量与设计向量成函数关系，给定一个系统设 计变量i x ，通过解一组系统状态方程组 = f x ) ，得到系统状态变量) 的 分析过程称之为系统分析。对于袋式除尘器这样复杂工程系统，系统分析涉及 多门学科分析，因而，系统分析有时也称为多学科分析( m u l t i d i s c i p l i n a r y a n a l y s i s ，简称m d a ) 。 2 、学科分析( c o n t r i b u t i n ga n a l y s i s ，简称c a ) 学科分析也称作子系统分析( s u b s y s t e ma n a l y s i s ) 或子空间分析( s u b s p a c e a n a l y s i s ) ，它以系统级传递给本学科( 结构学科或流场学科) 的系统设计变量、 本学科的设计变量以及其他学科对本学科的耦合状态变量作为输入参数，根据 本学科满足其自身的约束条件，确定其物理特性的过程，在系统分过程中起重 要作用。 3 、一致性设计( c o n s i s t e n td e s i g n ) 在系统分析过程中，由设计变量及其相应的满足