（机械电子工程专业论文）基于可视化平台的广义结构优化设计.pdf

摘要 f 始于六十年代的结构优化设计领域的研究工作主要集中在理论探讨和算法研 究上，离工程应用还有相当距离。开发一个完整的结构优化软件系统，并同计算 机可视化技术相结合，使可视化贯穿于优化设计的全过程，能加速普及工程优化 技术在工程实际中的应用，具有深刻的现实意义。卜一v 一 本文在对面向工程的广义优化设计体系和科学计算可视化体系结构进行客观 分析的基础上，详细地设计了基于可视化的结构优化软件系统的总体框架；然后 论述了如何建立此软件平台的核心数据库，包括结构信息数据库，有限元信息数 据库和优化模型信息数据库。同时论述了在优化建模中运用o l ea r x 技术实现 可视化地建立优化对象的几何模型，结构有限元模型，以及使用模板和专家向导 来辅助建立优化模型；在优化迭代过程中实现了跟踪可视和交互式监控，以具体 的例子说明了在可视化技术辅助下的结构优化在工程中的应用。 最后对以上工作进行了系统集成，成功开发出一个初步的基于可视化的广义 优化设计软件平台。 【关键词】广义结构优化，计算机可视化技术，建模可视化过程可视化 a b s t r a c t r e s e a r c hw o r ko ns t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nl sm a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h e o r i e sa n d m e t h o d o l o g i e sd u r i n gt h ep a s tt h r e ed e c a d e s i ti ss t i l lf a ra w a y f r o m p r a c t i c a la p p l i a n c e i n e n g i n e e r i n g t h e r e f o r e ，t od e v e l o p a l l i n t e g r a t e d s o f t w a r e s y s t e mb a s e do nt h e t e c h n i q u eo fs c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ，a n d e n a b l et h ev i s u a l i z a t i o nt ob eu t i l i z e di n o p t i m i z a t i o n w i l lb e c o n s i d e r a b l y b e n e f i c i a lt ot h e a p p l i c a t i o n o fo p t i m i z a t i o ni n e n g i n e e r i n g b a s e do nt h e a n a l y s i s o fs y s t e mo ft h es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o na n ds c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n ，t h ef r a m e w o r ko fs o f c w a r es y s t e mb a s e do ns c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o ni s d e s i g n e di n d e t a i l t h e nt h e p a p e rp r e s e n t s h o wt ob u i l dt h e k e yd a t a b a s eo ft h e s o f t w a r e ，s u c h a s g e o m e t r i c a l s t r u c t u r a lm o d e l d a t a b a s e ，f e m d a t a b a s ea n d o p t i m i z a t i o nm o d e l d a t a b a s e t h ep a p e rp r e s e n t sh o wt ou s et h et e c h n i q u eo fo l e a n da r xo fa u t o c a dt o b u i l dt h eg e o m e t r i c a lm o d e l ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h eg i v e ns t r u c t u r ev i s u a l l ya n d u s et h et e m p l a t ea n dw i z a r dt ob u i l dt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo f i t d u r i n gt h ei t e r a t i v e p r o c e s so f t h eo p t i m i z a t i o n ，t h em e t h o do f t r a c i n gv i s u a l i z a t i o na n di n t e r a c t i v ec o n t r o l i sa l s op r o v i d e d s o m ee x a m p l e sa r eg i v e nt os h o wt h ea p p l i a n c eo f v i s u a l i z a t i o na i d e d s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n f i n a l l y , t h ew o r ko fs y s t e m a t i ci n t e g r a t i o ni sc a r r i e do u t as o r w a r es y s t e mb a s e d o ns c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o nn a m e de x t e n s i v es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o nd e s i g n i s s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d 【k e yw o r d s e x t e n s i v es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ， v i s u a l i z a t i o no n m o d e l i n g ，v i s u a l i z a t i o no i lc o u r s e 声明 r 一毫钉s 2 2 9 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 驾奴军 日期2 鲤ll 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：翌缓本人签名：i l 生 导师签名：嚣燮 日期2 刊! l 日期塑：! ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 结构优化现存问题和发展趋势 现代优化理论从产生至今已有几十年的历史，但结构优化设计随着汁f # - 机技 术的快速发展，数学规划的广泛应用，结构分析技术( 有限元技术) 的同臻成 熟，直到2 0 世纪7 0 年代才开始发展起来。到8 0 年代时，基于敏度的优化算法已 经得到了很好的发展。经过研究工作者的不断努力，在结构优化领域取得了许多 可喜的成果，新的思想和方法不断涌现。神经网络，模拟退火法，小波变换，遗 传算法等许多新的方法在结构优化的应用推进这个领域的不断进步。 但是，优化技术的实际应用还不普遍，国内迄今报道的优化实例中，8 0 以 上限于比较简单的零部件或者对复杂零部件的简化处理，而且绝大多数例子仅仅 是为了用来验证优化算法的可行性，还停留在“纸上谈兵”的阶段，除在航天， 航空，汽车等有限领域受到重视外，并没有被工业界广泛采用。基于数学模型的 优化设计始终没有成为时尚，许多产品设计师更加相信基于自身经验的直觉优 化。出现上述状况的原因是多方面的，除了复杂系统的建模理论还不够成熟外， 还有如下的原因： 首先，结构优化领域的研究主要侧重于理论方面，还没有形成一个完善，集 成化的优化设计支撑平台。现有的算法程序大都是用f o r t r a n 语言编制的程序，它 们都是针对某一具体问题而编制的，在编制前很少经过软件系统结构的设计。 其次，目前的工程结构优化，仍停留在数字式与非可视的层次上。无论在模 型建立阶段，还是在优化设计的求解阶段，进行优化工作的工程设计人员往往得 到的只是最后优化的结果数据，而对优化的具体过程一无所知，至少是知之甚 少。概括说来，这种缺乏可视化的不足之处表现在： 1 、以往的优化模型的建立，往往依靠繁琐的数据文件输入，尽管在有限元处 理上已有不少成熟的软件，但优化方面的前处理还十分欠缺； 2 、当存在拓扑，形状设计变量时，用户从一些数据中也无法快速在脑海中形 成结构当前的具体形状与拓扑关系的变化。因而也就难以判断当前结构形 状是否合理，从而影响了结果评价的效率； 3 、对于不太了解或不太精通优化技术的工程设计人员，在最终优化结果出来 之前，整个过程是完全封闭的，始终处于被动接受的地位，无法把握优化 的进程。 4 、更为严重的是，优化设计方法，在搜索最优解的过程中，往往会出现方向 偏差，甚至出现目标函数振荡，不收敛的情况。而由于用户缺乏有效的中 两安电了科技大学硕 j 论支 第一章绪论 问监控，干预手段，往往浪费了大量的计算时间，还得不出结果或至少得 不到合理的结果。 n 是于上面这些原因，在某种程度 二严重制约了优化设计技术在实际j ：程 - t ，的推广运川。为加快工程结构优化技术在工程中的推厂应用，为了使上祀! 技术 人员普遍认n j 丁_ i l 程结构优化这一现代技术，进行建模过程与优化设计过程的可视 化技术的研究工作，使工程设计人员及时了解与掌握模型建立与优化求解的全过 程，并可进行适时修改与干预，以保证优化设计过程的健康发展，直至成功，具 有非常重要的意义与推广应用价值。 当时的软件是为每个具体应用而专门编写的。这时的软件通常是规模较小的 程序，编写者和使用者往往是同一个( 或同一组) 人。这种个体化的软件环境使 得软件设计通常是人们头脑中进行的一个隐含过程，软件就是程序，程序就是清 单。 随着实用程序的复杂化和应用化，这种“软件作坊”似的工作方式碰到了前 所未有的问题：在程序运行时新发现的错误必须改正：用户有新的要求时必须修 改程序；硬件和操作系统变化时，程序必须适应新环境。可是，许多程序的“个 体化特性”使得这种维护最终无法实现。小的程序只能解决学科中的简单具体问 题，其输入输出通常表现为格式自定义的数据文件；随着结构优化的不断发展， 问题的不断复杂化，同时人们也越来越迫切的要将结构优化知识大规模的应用到 实际中去，这些问题本身绝不是小的具体问题的简单组合，其解决手段也更不是 各个子问题解决手段的简单组合。因此，如果说计算机程序是解决理论问题的有 效工具，那么各个已有发展年代的学科都迟早会遇到“工具危机”。历史事实也 一再并且清晰地说明了这个问题：人类在很早以前就会制造轮船，可是只到1 8 世纪远洋轮船问世后，人们才最终证明了地球是个球体，找到了美洲；人们在坷i 小心将放大镜、放小镜组合后才发现了星际世界的宏伟以及微观世界的秘密 可是，在利用计算机开发面向学科复杂问题的研究工具时，即便是同一个( 或同 一组) 人编写的简单问题求解程序，串接起来也不一定能够直接满足需要。因 此，开发适合研究结构优化高级复杂通用问题的软件已经或正在成为为“软件危 机”的影子渗透到结构优化学科。 技术产品的创新和优化的要求越来越高，为解决复杂的实际工程问题，传统 的优化设计概念已显得势单力薄，不能满足整个工程系统与全局优化的需要。因 西安电子科技大学硕士论文 第一帚绪论 而能够适应现代工程特征的优化设计方法便呼之欲出，而向。翻犟的广义优化设、f 正是基j 。这一点而破提的。 从表而看来，这是一个软件集成问题。f i = i 软件的i j 的无疑是服务于特定专 业，i 二l 此，为了使软件具订使用价值，必须深入了解如此知i , t5 、分业问题的解决 途径。因此，开发1 作的第一个任务便是对广义优化设计从方法学的角度思考和 抽象，用合理的形式过程表达出来。而且，利用面向对缘技术分析设计软件的过 程已经被证明是对与软件作用专业领域直接相关的知识进行提取和抽象过程。 广义优化设计发展到全性能优化的层次，首先必须能够进行柔性建模。柔性 建模的结果可以抽象定义为“对设计产品的参数和函数的随意组合”，为了实现 这种随意组合性，就必须对参数、函数能够进行“逻辑”运算，需要进行特征的 定义、提取、存储与运算，这部分至今并不存在可以借鉴的方法，需要依靠一定 的理论作为基础。 根据设计条件，考察目标自动建立数学模型也是设计领域一个崭新的方向。 它需要网络算法、概率算法、知识推理等智能算法。其中待解决的问题还只是初 露端倪。因此，广义优化设计软件平台将是集最新计算机技术与柔性建模理论与 一体的综合产物。该平台将专家系统作用和科学计算可视化贯穿优化设计的整个 过程，具有良好的人机交互界面和高效的寻优算法。本文课题正是在这种背景下 提出的。 1 2 本文的主要目的和工作 目前，优化设计领域已经从数学规划阶段进入了工程优化和人工智能优化 阶段。在数学规划阶段，“工程设计专家和其他非数学领域专家等不及数学家的 工作进展，自己动手开发了一些面向工程的优化方法”。而现阶段，我们遇到的 问题之一除好是“等不及计算机专家来提供一套便于工程优化设计的工具”。小 的程序只能解决学科中简单具体的问题，学科中复杂的问题必需采用一种系统化 的工具来研究。因此，如果说计算机程序是解决理论问题的有效工具，那么工程 优化设计领域遇到了“工具危机”。开发广义优化设计软件平台的目的之一便是 解决工具危机。 本文所做的主要工作概括如下： 两安电子科技大学硕1 j 论文 ： 兰二兰堕坠一 夺对现代广义优化设计体系结构内容进行了客观的分析，明确了建立广义优化 设计软件平台的必篮性： 夺刈j 义结构优化i 5 2 汁软件系统进 ? 总体设i f 从核一d 数拼阼改汁，功能做块 改汁，外仡表现形i 个方f i f 做了i y ：钉f l 沦述，捉了批j i 可视化的广义舅+ ，构 优化类层次模型，建立了软件系统的总体框架； 夺从对数据的模型的分析，建立包括几何结构模型数据库，有限元模型数据 侔，优化模型数据库的核心数据库； 令用a r x 技术丌发c a d 造型系统的方法具体实现优化对象可视化，实现了交 互式建立结构模型，有限元模型和优化模型的新方法； 夺对过程可视化进行了分析和实践：用多线程的方法实现了跟踪可视和交= 】i 式 监控，实现对优化过程的驾御。编制了具有基本数据分析显示功能的图形可 视化器； 夺程序的主要开发环境为b o r l a n dc + + b u i l d e r ，对混合法优化天线结构的f o r t r a n 程序做成动态连接库，加入系统方法库，针对典型的杆系和天线结构进行了 运算验证，最后对软件系统进行了集成。 西安电子科拉大学硕j j 论文 第一章基于可饮i 化广义优化软件总体设计 第二章基于可视化广义优化软件总体设训 2 1 广义优化设计平台的现实意义 对于一个j 程结构优化专家而言，优化不仅仅意味着具体应用。他可能提 l 了种有待验证的模型建立方式；也可能发现了可以用于加快敏度信息记算的捷 径；还可能需要检验某些新优化算法的可行性、鲁棒性：更有可能分析优化过程 中各种参变量在寻优中呈现的性质以提取优化经验这些时侯，他最需要的是 这样一种辅助软件只要稍稍按动些键钮，加几旬简洁的逻辑和循环控制实 施合理的模块调度，就可以集中精力来解决他最为关心的问题。在他眼里，这种 软件的全部价值丕是童篚照用塞鲤迭哪些间壁，厦是宣熊照逼过怼必焦重复王僬 虽太捏廑鲍篮业塑重用，塞验适那些直剑厘的叛友法。这种软件将辅助专家高效 率地在结构优化领域中继往开来。 为了实现上述目标，软件平台必须具备“开放性”。能够容纳更新与改进， 同时使这些更新与改进成为自身的基本功能，进而服务于下一轮的更新与改进。 当然，“开放性”的实现不能依靠程序模块的简单添加和调用。而应该在一个能 够剔除数据信息冗余，规范操作控制流程，统一输入输出软件接口协议，交 互界面用户化，设计过程可视化，操作程序模块化，作业格式模板化 ( t e m p a t e ) ，设计方案使用调度自动半自动化( w i z a r d ) 的总体系统框架下进行 代码( c o d e ) 的添加和重用。这个总体系统框架就是我们的软件平台。 如果说广义优化设计平台是建造座用于产品优化设计的大型智能“加工 厂”，那么面向专家的开放型工程结构优化可视集成平台是希望组成一个高效地 研究结构优化中各种现存问题的现代化“实验室”。 对于软件设计要求可概括为以下几点： 1 、能基本覆盖常用工程结构，能适应广义结构优化的发展趋势； 2 、能选用不同的优化方法来解决具体问题，新的寻优方法能方便地加 入： 3 、可视化应贯穿于优化建模，分析，求解的全过程： 4 、可作为独立的子系统方便地与外界衔接。 2 2 广义优化平台设计及功能概述 针对广义优化设计软件平台的要求，采用了下面的广义优化设计平台流程 图。包括造型模块，有限元分析模块，优化模块，同时还有优化知识库，人工智 能等方面内容。 具体模型图如图2 1 所示： 两安电了科控人学硕j 论文 第二章基于可视化广义优化软件总体设计 2 1广义优化设计平台 良好的数据组织对于广义优化设计平台有着至关重要的地步，要做到对于工 程的几何数据，有限元数据，优化数据，优化过程中及优化设计后各种数据信息 的存储，管理，查询以及显示，就必须要采用设计良好的数据组织方法。 现代软件设计以内部数据库设计为数据流设计核心。与平台内部结构的o o d 相应，本软件系统数据库的构造采用o o d b 技术。一个基于面向对象的数据库不 像传统关系型数据库，它不仅包含存储数据，还包含方法、过程以及非数值的知 识以支持系统核心数据模型，主要涉及的方面包括内部核尘数握库、与外昼接口 数据痊、输出结果数握痊设计。功能上包括s o l 查询，访问修改权限设置，与应 用程序的开放式连接( o d b c ) 等。这通常要对传统关系型数据库的语义加以扩充、 修改。广义优化设计软件的核心数据库模型图2 2 所示。 臼 臼 臼 四 四 根据对广义优化设计的要求，认为该软件平台的功能应实现以下内容 实现柔性建模： 晟大程度的可视化； 。 实现工程结构优化中可能涉及的各种操作步骤； 记录历次操作的决策参量、运行状态变量、执行结果 分析、显示( 表格或图形) 各类数据； 西安电子科技大学硕士论文 第二章基于可视化广义优化软件总体设计 扩充、修改、重组、更新、删除各种操作： 扩充、修改、重组、更新、调试实现各种操作的程序模块： 动念制作、编辑、调试结构优化时常用的作业格式模板( f e m p l a t e ) ； 动态制作、编辑、调试结构优化中某些典型问题类型的f 】动、 ，自动化设汁力 案( w jz a r d ) ： 常用软件间的数据共享、动态交换； 对象的链接与嵌入服务； 数据信息的输入与输出； 混合法ii 遗传算法il 其他优化算法 软件平台核心数据库 几何模型数据库li 有限元模型数据库ll 优化模型数据库 a u t o c a d 的a r x 技术来编写 图形的输入输出模块，同 时还把获得的数据输入到 系统数据库中去。 必要的有限元模型建 立参数输入模板。 必要的建立优化模 型的参数输入模板 图2 2 广义优化设计软件平台核心数据库 为了更加清晰、具体的了解平台的功能要求，下面借助结构优化中广泛涉及 的一些问题与基本的设计进程进行例解。由于采用面向对象的设计方法( 0 0 d o b j e c to r i e n t e dd e s i g n ) ，广义优化设计暂时着眼于全面覆盖问题空间中可能 包含的现实世界( 类) ，至于它们之间的关系、层次划分和进一步地抽象分类有 待下一步研究探讨。 研究结构优化问题时，可以采用各种度量单位，这些不同单位体系之j 日j 必然 存在转换关系。因此软件平台首先应该具备描述计量单位，管理单位换算的交互 控制类( 功能) 。 设计工程结构时可以使用各种工程材料，因此平台需要描述、管理、调度这 些材料特性。 研究一个工程结构实际上至少涉及四个现实世界：结构形式；工作环境：工 作任务( 工况) ：性能指标。结构形式描述结构的各部分类型、组成关系，如典 西安电子科技大学硕士论文 四囡豳臼 臼回回 第二二帝基于可视化广义优化软件总体设计 型的一维、三维和组合结构( 图2 3 ) 。工作环境描述工程结构的支撑固定形 j 弋、i 薹转审州形状，：小、7 r 关热电磁、圯环境参数，用以记录栩同结构可能t 作的 不嗣环境r 图2 4 ) 。一r 作仟务描述t 况包括芾一或多t 况、确定或变化( 鬲 数型或随机型) 丁况( 图2 5 ) 。性能指标捕述结构的技术、经济指标。在现代 软件、f i 台r h 描述上述世界离不丌图形表示。如果采用常用的绘图软件( a u t o c a d 2 0 0 0 ) f ? 为设计辅助功能，除去接口协议外，建立平台自身数据结构、数据库与 这些软件内部数据结构、数掘库的映射关系( 以下简称数据映射关系) 至关重 疆。 图2 。3 结构形式 图2 4 作环境 西安电子科技大学硕士论文 第二章基于可视化广义优化软件总体设计 图25 工作任务 结构优化离不开结构分析，因此必需得到设计结构的有限元模型。软件平台 应该支持二维及三维有限元划分，实现包括a u t o c a d 辅助人工划分，交互半自动 划分甚至自动划分。由于软件平台重点不在有限元自动划分，这部分功能集中表 现为节点及单元信息管理；载荷及边界条件信息管理；有限元信息与常用分析软 件数据文件的关联：有限元自动划分方法调度及管理等几个方面。 将结构设计问题进一步转换为数学模型，至少涉及到设计变量、目标函数、 约束条件三个现实世界。结构优化在数学模型上改进的可能性非常大，这一部分 的开放性成为衡量整个软件平台开放性的关键点。 考虑设计变量时包括选取内容、优先层次和选取方式三个方面。设计变量选 取覆盖面较宽。优先层次( 树) 确定选定设计变量在优化过程中呈现的因果、制 约、互动关系，从而规定相关设计变量在某一轮具体优化搜索中是否可变，因何 而变，受谁制约，牵连谁为了获得优先层次( 树) ，在结构形式描述时还应 该获得设计结构的子划分层次树。选取方式应该实现可视化，并同时使设计变量 与结构图形建立可能的动态链接。 面向对象的分析方法( o o a ) 是八十年代兴起的软件设计方法，它是通过定 义一些类来模仿人类建立客观世界模型的途径，程序设计的重点首先放在确定合 理的类层次，而不是实现的细节上。它通过数据抽象和信息封装，上下层类间的 可继承性及同一行为在不同层次具体对象间表现出的多态性来为软件开发提供了 理想的模块化机制和充分利用已有软件的手段，已经广泛应用于界面设计，数据 库，文件管理等非数值科学领域，被公认为未来软件设计的发展趋势。在科学计 算领域，成熟的面向对象系统还不多见。 在这里，作者用这种方法建立了结构优化的类层次体系如图2 6 ，图中方框 部分表示的是类名，带圆角框表示某类的内部组成部分。上层的类包容下层。由 两安r 乜于科技大学硕- t 论文 9 量萤 第二章基于可视化广义优化软件总体设计 这个图可以基本把握优化设计中结构的总体数据模型，这个类层次的结构是和第 一小节分析的广义结构优化系统的要求是相符合的。 = 二= 二二二 结构图形 一了7 一 广义f 化结构i 一一二= = r = 型一一二= 5 r = = 二 图2 6 广义结构优化数据结构层次 从图上可见，结构的图形表示已经成为结构数据模型的一个组成部分，它也说明 了建立在这种数据结构上的优化模型具有基于可视化的特点。 目标函数及约束条件可以通过一个函数生成、管理类驱动材料特性、工作环 境、性能指标实例中记录的信息获得。它还应该实现优化模型的交互式输入、公 式可视化书写和编辑。一些常用的目标函数、约束条件应该可以自动生成。 上述优化模型大多数情况下是数学通式，往往需要结合有限元分析、敏度分 析才能得到具体数值表达式。平台因此需要考虑敏度分析方法管理和调度。另 外，对于结构应力分布，变位情况仿真，振动仿真等有限元分析结果实现可视 化。 在建立优化模型的各项要素是必须要注意，在解决复杂工程机械问题时，其 信息和设计性能指标往往带有这样和那样的不确定性，这种不确定性表现在两个 方面：一是随机性，如外载风荷等，一是模糊性与未确知性，既设计指标的评 价。正是由于客观事物的不确定性，因此在上述建模时一定要做到柔性建模。 西安电子科技大学硕士论文 i引 一引引，一 第二章基于可视化广义优化软件总体设计 建立优化模型是优化设计的一个重要环节。优化建模的任务是拟定优化模型 的三要素：变量系统，约束系统和目标系统。传统的建模方法，是先建立设计问 题的数学模型，然后编制计算程序。这种建模方法的不足是：对优化模型中变 量，约束，和目标三个系统的任何修改，都将导致对源程的修改。这利修改1 i 但费时，而且易出错，给缺乏编程能力的设计师和非优化专家的用户带来了困 难，阻碍了优化技术的应用推广。 而柔性建模方法则是在模型程序中用准设计变量代替传统方法中的设计变 量，用设计函数代替传统方法中的约束函数和目标函数，准设计变量在优化过程 中由设计师通过可视的交互手段区分为设计变量、相关变量、和固定量。同样， 目标和约束系统也通过交互指定。这样，编程就把抽象的优化模型和具体程序计 算隔离开来，仅仅提供了变量，约束和目标三大要素的部分基本内容，其定量， 取舍，及归并关系由设计师通过交互手段提供。这样建立的优化模型会因为设计 师不同而异，在一定程度上实现了设计师直接参与建模，使模型的建立具有相当 的柔性，也体现了人类智能的作用。而柔性建模的实现则完全依赖于一套完整的 结构优化体系数据结构作为基础，这也提出了一个基本要求，即广义优化软件的 结构设计应使优化系统的数据结构模型和具体的优化算法分离。 为了求解优化模型，软件平台应该实现数学问题从难到易地等效变形、分解 ( 以下称问题转换) ，搜索策略和方法的管理及调度。同时，还应该将上述各部 分功能根据需要链接成一个统一的设计进程，实现设计进程的管理与调度。 2 3 广义优化设计软件平台中的可视化 为什么要最大程度地实现可视化呢? 科学可视化技术是将人们对自然现象模 拟过程中产生的数字信息，转换为形象直观，以图形图象形式表示，便于进行交 互分析的静态和动态画面。它不仅提供了二维，三维绘图的辅助分析工具，同时 又是分析和理解大容量数据的有效手段。如果把字符信息看作是一维的话，那么 可视化系统就将一维的信息量扩展n - - ，三维，加上颜色，时间的延续，可达到 更高维数。并且可视化技术中的交互功能可使用户迅速获取反馈信息，及时用图 形，图象再现交互变化结果，使原本抽象的数据空间关系更加易于理解和表达。 工程应用对可视化系统要求有通用的基础部分，也有专用的特殊要求，如医 学上核磁共振的成像，是通过传感器从人体内测量数据，经过傅立叶变换由各层 析图像建立起体元模型，在屏幕上真实地显示出来，而工程有限元计算结果的可 视化是通过有限元方法计算出对象应力后，再对应力值在某一范围内的区域用同 一颜色填充，不同应力区域用不同颜色区分，从而直观地展现出机械零部件的应 力分布情况。正是因为各个工程应用领域的具体数据表达形式不同，所以很难有 西安电子科技大学硕士论文 第二章基于可视化广义优化软件总体设计 一个通用的系统满足各种特殊需求，特别是高层次的跟踪和驾驭可视化系统一般 都足i | i l 特定领域艾观的。 r 1 丁以把可视化系统分成两大块，系统建横和信息造艮 3 0 l 1 ，系统建模随一i 同应用系统而异，丽信息造型则不同系统有y l ：多拭同 点，f n x i t 独立开发，这样划分使系统结构清晰，如广义优化设计软件数据可视 化器就是属于这个部分。 从操作过程来看，可视化模型可归结为如下的主要执行阶段： a 数据过滤。将原始数据转换为形式化数据，即进行数据变换，加工处理， 格式转换的工作； b 数据映射。将模块数据转换为图形数据，从过滤后的数据中建立与实体 点，线，面等几何要素的对应关系； c ，画面绘制，将分类后的几何图元归类，绘制成图象，并加以特征标注，真 实感显示等。 可视化模型中较多地采用数据流模型，即将可视化过程抽象为一种数据流， 数据流模型通过各个模块之间的进程通信来完成相应的功能，每个模块是相互独 立的，用于实现输入数据流的处理功能并输出数据流。可以看出，数据流通过通 信管道传输，丽不采用模块间的直接数据传送，因此数据流模型更加适合驾驭计 算等高级控制机制。 科学计算可视化就是利用图形形象直观地表示科学计算产生的数据，根据科 学计算程序和可视化结合程度的不同，可视化从层次上可划分为结果( 事后) 可 视化，跟踪式可视化和驾驭式可视化，结果可视化是目前广泛应用的一种可视 化技术，对于该方式来说，科学计算和可视化过程不发生任何耦合作用，即科学 计算过程中无图形显示及改变计算进程的交互控制，而进行可视化时，必需等待 计算过程结束。跟踪式可视化是在计算过程中用图形来显示中间计算结果，由于 图形直观且信息量大，因此可以尽早发现计算过程中出现的问题，以及发现新的 流动现象。跟踪式可视化中也没有提供控制计算进程的交互手段。驾驭式可视化 是科学计算软件开发的发展方向，它不仅具有跟踪式可视化的功能而且可以对计 算进程进行交互控制，由于受到软硬件水平的限制和驾御理论的不足，目前驾驭 式可视化尚处于研究开发阶段，应用还不广泛。本文在实现结果和跟踪式可视 化基础上，对驾驭式可视化也做了部分工作。 考虑对象的链接与嵌入，作者采用了文档一视的基本组成结构。文档 ( d o c u m e n t ) 是存放系统的核心数据，负责数据文件的输入输出，方法的调度 等。而视是窗口的概念，它是与文档紧密相联系的，在文档和用户之间起到中介 作用：视屏幕上提供文档某一部分的图形图象，并把用户的输入操作转化为对文 档的操作，如图2 7 所示。这种文档，视结构的实现方法把数据本身与其显示，以 两安电子科技大学硕士论文 堡三兰苎里丝些! ：墨垡些竺丝璺竺堡生，旦 及用户对其操作分离丌来，它们各司其职：即数据的所有变化都通过文档来管 理，而视则调用这个接口来访问和更新数据，及时将数据以图形方式显示在用户 窗 ，。应用j j 4 i 系统，文档的概念是优化内部核心数据，而视币好是可视化优 化过程的活动窗nu ，见，这是一种最合适优化过程可视的表现方式。 图27 文档视结构不意图 以上是软件平台的基本功能要求和实现途径。鉴于在结构优化中已有许多章 法可循，广义优化设计软件平台更希望借助现代软件技术消化、重用以前的各种 经验。这些技术主要包括模板、专家向导。 首先，要对这两个技术做一些概念上的澄清。模板在软件使用和设计时具有 不同含义。在软件设计时，它指的是对相似类的更高一级的抽向，俗称“类的 类”。它不能直接应用，第一次参数化得到具体的类，再一次参数化得到应用实 例( 对象) 。在软件应用中，它多指对文本、数据( 表格) 、图形显示格式等预 先设立的通用实体组合，可以直接应用。以后在设计、使用软件平台时各取其相 应含义。 专家向导根据具体问题，在用户参与选择的情况下，将解决该问题的所有功 能模块、源程序代码、应用模板等提供给用户，并按照一定的进程实现预定任 务。 在本软件平台中，各个功能类的可视化处理可以采用模板技术。如常用的工 程结构图形模板，各种数据的表格显示模板( 数据库模板) ，各种数据分析的图 形显示模板，结构优化问题( 作业) 的处理报告模板，常用目标函数、约束函数 表达式模板当然，模板的多少并不重要，重要的是模板类型要全面，同时模 板应该易于管理调度( 模板的管理与调度) 。 两安l 乜于科技大学硕i 。论文 第二章基于可视化广义优化软件总体设计 结构优化设计涉及领域繁多，各领域都可能存在相应的专家向导( 以下简称 向导) 。如结构形式设计向导，有限元划分向导，数学模型推导向导，数学规划 向导h ：则优化向导以及天系令用的优化设计进 譬控制向导。 模板、专家向导将是本软件甲台设计的重点和特色所在。在广义优化设汁软 件平台- f 将尽可能的给设计人员提供成熟的摸板和向导来进行结构优化泼汁工 作。 本软件平台的改进方向是人工智能的引入，在现阶段的设计中可以使用虚函 数、空函数来考虑但不解决这一目标。 本章小结： 本章从对开发广义优化设计系统的现实意义出发，分析了现代广义优化设计 体系结构功能要求的变化，着重在描述优化系统数据结构的变化上，阐述了柔性 建模的概念，提出了可视化优化的应用，为下面软件总体设计提供了依据。 随后本章详细论述了广义优化设计软件平台的总体设计：首先分析了系统的 地位和设计要求；然后从核心数据结构设计、功能模块设计、外在表现形式三个 方面做了详细介绍：提出了基于可视化的广义结构优化类层次模型；在此基础上 对系统的各个组成模块包括建立模型、有限元分析、优化分析、可视化处理模块 进行了功能分析；最后介绍了系统外部表现形式的设计。在后续章节中，将基于 此讨论具体环节的实现过程。 西安电子科技大学硕士论文 第三章广义优化设计软件平台具体实现 第三章广义优化设计软件平台具体实现 3 1 软件丌发l ：具的选择 根掘第二章的分析要求，仔细考虑了几种软件丌发工具，最终决定采用 b o r l a n dc + + b u i l d e r 作为主要开发工具，这个开发工具综合了v i s u a lc + + ，b o r l a n d c h d e l p h i v b 的所有优点，给程序员提供了一个全功能的可视化的面向对象丌 发平台。他的主要优点如下： 1 、完全可视化。b o r l a n d c + + b u i l d e r 支持w i n d o w s 9 5 9 8 小t 所有标准界面元 素，程序可以在几分钟内构造出标准的w i n d o w s 风格的用户界面。 2 、可重用的元件技术。c + + b u i l d e r 采用了无与伦比的代码重用技术，所有可视 化元件都是完全面向对象的，当你在c + + b u i l d e r 中设计好一个窗体后，想把他 重用，你只需把它存到对象仓库，就可以在其他应用程序中使用它。 3 、优化编译器技术。用c + + b u i l d e r 在编写的软件很大的时候，它的编译速度也 很快，这对软件的调试工作很有作用。 4 、可伸缩的数据库技术。c + + b u i l d e r 使用的是b d e ( b o r l a n d 数据库引擎) ， 简化了对数据库的访问，为应用程序与数据库接1 2 1 提供了一致界面；当数据库改 变时，应用程序几乎不作任何修改。在c + + b u i l d e r 中，提供了大量的数据访问 控件，这些数据访问控件使用极其方便，而且功能很强大，可以大大加快软件开 发的速度和可靠性。 此外，c + + b u i l d e r 提供了大量的向导和模板，大大简化了应用程序创建工 作。利用这些现有的向导和模板，可以快速构造出各种各样的应用程序框架，只 要应用程序框架中添加所需的功能就可以了。 所以，最终决定采用这个开发工具来构建广义优化设计平台。 3 2 原有资源的利用 由于以前大量的程序是由f o r t r o n 语言编写的，随着计算机的发展，软件 的设计更多的采用c + + 语言，但要放弃旧的程序无疑又是资源的极大浪费，而且 重新编写代码旷日持久，所以如何利用好他们也是一个重要问题。我们在设计软 件平台时就遇到这个问题，由于人力的不足，更需要利用原有的资源。如果把 f o r t r o n 完全翻译成c + + 语言，工作量太大而且很容易出错，所以广义优化设 计平台要用动态链接库d l l 技术，这样就可以很好的解决这个问题。下面就简单 介绍一下这种技术： 首先要在f o r t r o n 中编译出动态链接库。例如可以在f o r t r o n 的编译器 中作这样的一个例子： 西安电子科技大学硕士论文 第三帝广义优化设 l 轼件、r 钉且体实现 s u b r o u t i n e t e s t ( a )定义函数t e s t ，参数为数组a ! m s $ a t t r i b ! w e sd i 。i e x p o r t ：t e s t 声f 归t e s l 为输函数 ! m s $ a t t r b r t e sc ：t e s tj i 明t e s t 以c 语i l i 力c 输 i n t e g e ra ( 1 0 ) 程j 卜t 体部分 d o e n ds u b r o u t i n et e s t结束 然后编译生成动态链接库文件t e s t d l l ，这个就是供外部呼叫的动态链接函数库。 其次就是在c + + b u i l d e r 中如何使用d l l 的问题了。使用d l i ，有两种方式， 分别为明确呼叫和不明确呼叫。现就不明确呼叫的使用方式说明如下。不明确呼 叫指的是，在程序中没有一行程序是用来载入d l l ，而是利用连接一个记载输入 函数的函数库档案( l i b ) 来进行连接，如此系统就会自动载入该d l l ，同时在使 用完毕后将其释放，不必由使用者来进行载入和释放的动作。 这就需要一个对应的l i b 文档，可以利用c + + b u i l d e r 程式目录内的 i k i p l i b e x e 来产生该文档，将产生好的动态连接库文件t e s t d l l 拷贝到恰当的 目录下，然后再将i m p l i b e x e 拷到此目录下，用以下指令来产生t e s t 1 i b 文 档： i m p l i b t e s t 1 i bt e s t d 1 1 在得到供程序连接用的t e s t 1 i b 后，还要编写使用该d l l 的代码。这个相当简 单。可以建立一个c o n s o l ea p p l i c a t i o n 如d 1 1 t e s t 工程，然后再把t e s t 1 i b 加入到工程中去，并且应该编写如下的头文件代码： # i f n d e fd l l t e s t h # d e f ir l ed 1 1 t e s t h # if n d e ft e s t # d e f i r ee x t e r n d e c l s p e c ( d 1 1 i m p o r t ) # e l s e # d e f i n ee x t e r n _ d e c l s p e c ( d 1 e x p o r t ) # e n d i f e x t e r n “c ” ( e x t e r nv o i d s t d c a l lt e s t ( i n t ) ： 其中e x t e r n c ，是用来告诉编译器，以c 的方式来命名，一s t d c a l l 是用来表示 它使用的参数传入方法。 西安电子科技大学硕士论文 茎兰童墨垡些堡盐塾丝! 鱼星堡塞墨 一旦 做完这些，就可以在c 的程序中使用f o r t r o n 的函数t e s t ，使用起来和使用 c 定义的函数效果完全一样。这样就可以很好的利用原有的大量资源，为以后。f 作的外腱奠定了基础。 3 3 广义优化设计平台核心数据库的设计 山于广义优化设计平台涉及到的数据类型多，数据量大，包括几何结构数 据，有限元前后处理数据，优化模型数据，优化过程数据，而且在做不同例子和 不同算法的时候，数据的管理和维护很困难，所以有必要建立恰当而有效的数据 库来管理广义优化设计过程中的数据。 考虑所要求的功能，决定使用m i c r o s o f ta c c e s s9 7 ，它提供了许多有益的 功能，可以帮助创建功能强大的数据库应用程序。在真正使用m i c r o s o f t a c c e s s 新建组成数据库的、窗体和其他对象之前，花时间设计数据库是很重要 的。合理的设计是新建一个能够有效地、准确地、及时地完成所需功能的数据库 的基础。关于设计核心数据库的目的在上一章已经详细讨论过了，这儿主要是具 体说明数据库的设计。核心数据库主要包括三个部分，几何结构数据库，有限元 数据库和优化模型数据库。在每个库中包含若干个表，表是关系型数据库的基本 组成部分，确定表可能是数据库设计过程中最难处理的步骤。因为要从数据库获 得的结果要打印的表、要使用的表格、要解决的问题不一定能提供用于生 成它们的表的结构线索。 在设计表时，应该按以下设计原则对信息，数据进行分类： l 、表中不应该包含重复数据，并且数据不应该在表之间复制。 如果每条信息只保存在一个表中，只需在一处进行更新，这样效率更 高，同时也消除了包含不同信息的重复项的可能性。例如，要在一个表 中只保存一次每一个杆件的起点和终点号码。 2 、每个表应该只包含关于一个主题的信息。 如果每个表只包含关于一个主题的事件，则可以独立于其他主题维护每