（机械电子工程专业论文）结构优化可视化建模研究及软件开发.pdf

摘要 目f ，工程结构优化的一一个重要发展趋势是，同计算可视化技术相结合，丌 发完整的结构优化软件系统，来加速结构优化技术在工程中的实际应用。 传统结构优化的实际过程无论模型建立还是优化求解对工程设计人员来说都 是一个黑箱，这就使用户永远处于被动地位，不能f 涉设计过程。建立。个软件 集成基础上的可视化人机界面环境将大大推进优化设计在工程中的应用。 天线结构复杂，精度要求高，其优化设计更显重要，本文以面天线结构优化 设计为例，介绍了组成可视化结构优化设计软件必需的三大模块，几何造型模块、 有限元分析模块、优化模块。 优化模块分为三大部分：前处理( 优化建模可视化) ，后处理( 计算呵视化) 以及两者之间的接口优化计算程序的调用。本文结合天线结构的叮视化优化 设计，研究了可视化建模及前后处理接口的实现方法和关键技术。在可视化建模 方面，在d e l p h i 下丌发了可视化确定设计目标、约束和设计1 变量的可视化窗口界 面，重点是利用id e a s 软件二次开发技术，实现了优化建模的图形辅助变量归并。 前后处理接口的具体方法，是利用d e l p h i 与f o r t r a n 混合编程技术和多线程应用程 序技术，在d e l p h i 下调用并操控f o r t r a m j 一算程序的方法。 关键词：优化建模可视化；i d e a s 软件二次开发技术；混合编程；多线程应 用程序 a b s t r a c t a td r e s e n t ，d e v e l o p m e n to f as o f t 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 nf o r t h ew h o l ep r o c e s so fs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na p p e a r sal e a d i n ge v o l u t i o n i nt h ef i e l do f s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n t h e p r a c t i c a lp r o c e d u r e o fc o n v e n t i o n a l o p t i m i z a t i o n m e t h o d i n c l u d i n g b o t h m o d e l i n g a n dc a l c u l a t i o ni sab l a c kb o xf o re n g i n e e r s ，w h i c hp u t st h eu s e r si nap a s s i v e p o s i t i o n ，a n dm a d e t h e mu n a b l et oi n t e r f e r ew i t ht h ed e s i g np r o c e d u r e t h ec o n s t r u c t i o n o fah u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c eb a s e do nt h ei n t e g r a t i o no fs o f t w a r e sc a r la d v a n c et h e a p p l i c a t i o no f o p t i m i z a t i o nd e s i g n t oe n g i n e e r i n g t h eo p t i m i z a t i o nf o r a n t e n n as t r u c t u r e st u r n st ob em o r ni m p o r t a n tf o ri t s c o m p l e x i t ya n dh i g hp r e c i s i o n i l l u s t r a t e db ya n t e n n a s s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，i ti s p r e s e n t e d t h et h r e ee s s e n t i a l m o d u l e s _ 一g e o m e t r y m o d u l e ， f e m m o d u l e ， o ! b t i m i z a t i o n s m o d u l e ，w h i c h b u i l dv i s u a l i z a t i o ns o f t w a r e s y s t e m s o fs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n s t h ev i s u a lo p t i m i z a t i o nm o d u l ei sm a d eo ft h r e ep a r t s - - - - - m p t i m i z a t i o nm o d e l i n g v i s u a l i z a t i o n ，c a l c u l a t i o n v i s u a l i z a t i o na n dt h e i rc o n n e c t i o nc a l l i n go fo p t i m i z a t i o n p r o g r a m s i ti s d i s c u s s e dt h er e a l i z a t i o nm e t h o d sa n dk e yt e c h n i q u e so fm o d e l i n g v i s u a l i z a t i o na n dc a l l i n go f o p t i m i z a t i o np r o g r a m s i nt h ea s p e c to f m o d e l i n g ，as e r i e so f v i s u a lw i n d o wi n t e r f a c e sh a v eb e e nd e v e l o p e di nd e l p h it od e t e r m i n eo b j e c tf u n c t i o n ， c o n s w a i n tf u n c t i o na n dd e s i g nv a r i a b l e s ，w i t ht h ee m p h a s i so nt h ed e t e r m i n a t i o no f d e s i g nv a r i a b l es y s t e mo nt h eg r a p h i c s o fg e o m e t r ym o d u l e sv i at h e t e c h n i q u e f o r o p e n i n g i - d e a ss o f t w a r e a sf o r t h ep r a c t i c a lm e t h o do ft h ei n t e r f a c eb e t w e e n m o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o n ，c a l l i n ga n dc o n t r o l l i n go fc a l c u l a t i o np r o g r a mw r i t t e n i n f o r t r a ni nt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fd e l p h ia r ei nv i r t u eo ft h et e c h n i q u e so f f o r t r a n d e l p h im i x e d l a n g u a g ep r o g r a m m i n g a n dm u l t i t h r e a d e d a p p l i c a t i o n k e y w o r d ：o p t i m i z a t i o nm o d e l i n gv i s u a l i z a t i o n ；t e c h n i q u ef o ro p e n i n g i - d e a s s o f t w a r e ；m i x e d - - l a n g u a g ep r o g r a m m i n g ；m u l t i t h r e a d e da p p l i c a t i o n 创新性声明 y 5 8 3 6 8 7 本人声明所呈交的论文是我个入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 子科技大学或其他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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人繇啦 日期型! ! 兰! 兰 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沦文的规定，即： 研究生在校攻读学位期i 嘲论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人 保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时，署名单位仍然为西安电子 科技大学。学校有权保留送交论文复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公 粕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： 导师签名： 麴! 豸丝 弘 只期型! 丝! 幺 日期d 3 1 2 第一章绪论 i 一一第一章绪论 i 1 结构优化现状、存在问题和发展趋势 优化设计是设计概念与方法的一场革命，它用系统的、目的定向的和有良好标 准的过程与方法来替代传统的试验纠错( t r i a l a n d e r r o r ) 的手工方法。优化设计 是寻求最好或最合理的设计方案，而优化方法便是达到这一目的的手段。虽然对大 多数现实问题而言，由于耗费资源( 时间、费用) 过于巨大，“最好”的不一定能实 现，但它提供了种指导思想与标准，形成了概念框架( 问题识别、定义、模型化， 求解与评价) 和运作手段。优化方法还能被应用于处理其他问题上，只要该问题存 在多种解决方案，故它是求解问题和帮助决策的手段与工具。 结构优化设计从马克斯威尔理论( m a x w e l l ，1 9 8 0 ) 和米歇尔( m i c h e l l ，1 9 0 5 ) 桁 架出现起已有百年，从史密特( s c h m i t ) 用数学规划来解决结构优化设计算起亦有 4 0 年历史，特别是过去3 0 年内，在理论、算法和应用方面都取得了长足的发展。现 代结构优化设计随着计算机技术的快速发展，数学规划的广泛应用，结构分析技 术的日臻成熟，到2 0 世纪7 0 年代开始发展起来。到8 0 年代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， 遗传算法等许多新方法的应用推进着这个领域的不断进步。 在工业界，它的推广应用将带来的效益是不用详述的。应用优化的领域涉及 航空航天、机械、土木、水利、桥梁、汽车、铁路、轻工纺织、能源工业以及军 事工业等诸多方面，主要处理那些具有复杂结构系统的设计，如飞机、卫星、机器 人、射电望远镜等，或者大规模的工程建设，如太坝、桥梁、核电站，或者产量大的 汽车、机械和轻工产品以及创新型的产品设计。 实事求是地说，目前优化应用的面与实际成效远落后于优化理论的进展，与其 它相关学科( 如有限元分析) 的应用对比亦是相形见绌，显得较为薄弱与局限。国内 迄今报道的优化实例中，8 0 9 6 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，而且绝大多数例子是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，汽车等领域受到重视外，并没有被工业界广泛采用。 基于优化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。应用与理论差距较大的原因是多方面的，诸如优化本身的性质， 理论研究存在的不足，实际应用中的问题等。 实际结构问题，往往十分复杂，涉及各种因素( 环境、荷载、几何特征、材料、 施工、费用等) ，受多方面的制约，因此必须抓住问题的主要方面和主要矛盾，删繁 ! 箜丝垡焦里塑丝堡堡婴塑垄塾丝垄一 就简、进行抽象，形成数学模型，才能实施优化。因此优化设讨的价值与有效性取 决于所用的数学模型和相应的寻优算法，特别与所选用的设计变量及所考虑的约 束条件和规定的目标或评价函数有密切关系。优化提供的最优解或最优设计只是 一个相对的晟优结构，它仅仅是在所选用的约束与评价函数下才是最优的。 如何从实际问题中提取出合适的模型，这是工程设计者的任务。由于实际问题 的多样性，且各具特色，还缺乏具体的系统的方法与规则，以及简化的尺度。因此只 有加深对优化原理与方法的理解，通过实践逐步积累经验，才能掌握有关辨识问 题、模型抽象、选择合适算法与求解的技能，当然这需要发展的时间。“。 还应指出，优化设计是一种“综合”，它要综合各方面的因素、要求和约束，以 产生一个尽可能理想和满意的设计方案，显然其复杂和困难程度要比单纯的分析 大得多，计算工作量有量级上的差别，需要有高速、大容量的计算机和完善的软件 支持，才能取得成效。 由于以上种种原因，优化的建模要素及优化算法一般要经过数次甚至更多次 才能确定，所以需要一个完善、集成化的优化设计支撑平台，以方便设计者实时 建模并交互修改，同时实现优化过程的监视与控制。但是，目前还没有具有如此 功能的优化设计软件。现在的算法程序大多使用f o r t r a n 或c 编制，且一般针对 某一具体问题，编写前很少经过软件系统结构的设计。 目前的工程结构优化，仍停留在数字式与非可视化的基础上。传统方法的实 际过程无论模型建立还是优化求解对工程设计人员来说都是一个黑箱，这就使用 户永远处于被动地位，不能干涉设计过程。概括来说，这种缺乏可视化的不足之 处表现在： 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； 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。因此，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： 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，始终处于被动接受地位，无法把握优化的 进程： 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 间监控，干预手段，往往浪费了大量的时间，还得不出结果或至少得不到 合理的结果。2 1 正是由于上面这些原因，在某种程度上严重限制了优化设计技术在实际工程 第一章绪论 3 一一一 中的推广应用，为了使工程技术人员普遍认可工程结构优化这现代技术，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。 当前工作的重点首先应放在推广与应用上。应研制开发一批面向实际问题的 专用的结构优化软件。软件应具有友好的用户界面，合宜的图象处理模块，实现优 化过程与成果的可视化，且能与有关专业的c a d 软件连接或在它的框架内成为它的 一个子系统。 由于其在设计中的巨大意义，加上工程设计者的不懈努力，结构优化前景看 好，并且，将有以下的发展趋势： 有限元优化c a d 的集成化。在有限元、优化、c a d 各自的理论研 究和软件开发都有一定基础的前提下，实现这种集成化的关键在于解决好 他们之间的接口。 可靠、有效算法的进一步研究。这更多地依赖于非线性规划本身的发展。 近似概念有较高效率，但可靠性尚需提高。 平行算法。结构优化的巨大计算量，要求更快的计算机处理速度，平行处 理是提高计算机处理速度的重要技术。有限元分析的平行算法已有不少研 究，但结构优化的平行算法还不多。 高层次优化问题。对于拓扑、布局、离散变量优化问题等，目前还没有一 套行之有效的方法，还要依赖专家系统、人工智能及神经网络的发展及其 在结构优化中的运用。”。 1 2 优化建模 建立优化数学模型是开展优化工作的关键一步，对实际应用的工程技术人员 而言，如何从复杂的现实问题中抓住主要矛盾和本质内容，抽象出合理和性态良好 的模型，是优化成功应用的关键。建模通常包括：建立评价方案优劣的准则函数或 目标函数：抓住影响问题的主要因素，提取相应的设计交量：以及根据对问题的各 种规定限制与要求，确定有关的约束条件 为了考虑对复杂、大型问题的优化和便于用户使用，目前发展有如下建模方 式： 建立优化模型库根据已有的实践经验，建立若干优化模型，供需要时选 择，调用并组合： 柔性建模方法传统建模方式是先确定设计变量、目标函数和约束函数的 类型、数量与相关性质，按这一固定模型进行编程在随后整个优化过程中 ! 堕塑垡些旦型! 些建基婴壅垦堑型互噬王一 模型是不变的，对模型中变量、约束和目标这三个系统的任何修改，都将导 致对模型程序的修改，既费时且易出错。柔性建模的关键是在模型与程序 中用准设计变量代替传统的设计变量，用设计函数代替传统的约束函数和 目标函数，优化过程中准设计变量可通过人机交互方式或预先设定阈值， 区分为设计变量、相关变量和设计参数，同样设计函数亦可区分为目标函 数、约束函数或者予以忽略。同时约束的类型与限值、目标函数的类型与 理想值等亦可在优化过程中予以调整修改。这样构成优化模型的三大要素 就不再如传统建模方式那样完全被编程固定，而可通过交互手段建立具有 不同含义的模型，实现优化模型的柔性化。 由于学科的多样性，同样的结构优化问题在不同领域，例如工程设计或机械设 计或航空航天中有较大差别，在塑造优化模型，选择优化算法时必须考虑不同的领 域知识为此有人建议采用三列概念( t h r e e c o l u m n c o n c e p t ) ，建立设计模型、结 构模型和优化模型，即首先从结构参数中选出分析变量它们将随优化过程而变； 其次通过构造设计模型实现设计变量与分析交量的数学联系，设计模型中包括了 变量间的连接、变量冻结、形状函数等：为了提高优化效率，改善收敛性，根据优 化算法的专门需要，再将设计变量转换成变换变量( 或优化变量) ，而目标函数和约 束应通过对结构响应或状态的评估程序来确定。 1 3 可视化在优化设计中的意义 虽然计算机用于科学计算已有5 0 多年的历史，但由于受到计算机硬件技术的 限制，科学计算不能以交互方式进行处理，使用者不能对计算过程进行干预和引 导，只能被动地等待计算结果的输出；而且大量的输入输出数据只能手工处理， 或简单地用二维图形输出。这样处理不仅不能及时地得到有关计算结果的直观、 形象的整体概念，而且手工处理数据十分繁琐、易出错，所化的时间往往是计算 时间的十几倍甚至几十倍。正是在这样的背景下，科学计算可视化技术应运而生。 科学计算可视化v i s e ( y i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 是计算机 图形学的一个代表性应用，它是发达国家8 0 年代中后期提出并发展起来的，它是 9 0 年代计算机应用新技术的热点之一。随着科学技术的进步，人类面临着越来越 多的数据需要进行处理。这些数据来自高速计算机、人造地球卫星、地震勘探、 计算机层析成像和核磁共振等途径。科学计算可视化就是应用计算机图形生成技 术将科学与工程计算中间结果以及测量数据等在计算机屏幕上以图形形式显示出 来，使人们能观察到常规手段难以观察到的自然现象和规律，实现科学计算环境 和工具的进一步现代化。它把科学计算从模型的建立、计算的实施到结果的表达， 通过图与数据的相互转换用图形或图像直观的表达出来，使人们对计算及结果有 第一章绪论 一个全面、形象的了解，并能追踪计算过程，洞察所发生的情况及问题，加深对 计算和数值分析的理解。 科学计算可视化广泛应用于计算结构力学、流体力学、固体力学、有限元数 值分析、气象科学、天体物理、分子生物学、医学图像处理等领域。它已成为研 究和解释各种自然现象的强有力工具，是当前计算机应用的一个新的发展方向。 科学计算可视化的基本思路就是将科学计算中从建立计算模型到计算结果均 采用图形的输入和输出来实现。将复杂的数据计算和数据处理推向后台，用户主 要和图形打交道。用户通过使用多媒体技术在屏幕上作图和修改图形，形成计算 模型后，自动生成后台的输入文件，用户可以通过交互方式获取中间结果和图形 仿真以了解计算过程，干预和引导计算并最终获得计算结果的图形、颜色、静态 和动态画面，使研究者了解全部过程和发展趋势。 可视化系统的工作过程，见图1 1 ：通过图形用户界面( g u i ) 及前处理模块， 软件获取所需进行结构分析的各种数据，如结构类型、作用在结构上的各种工况 载荷、结构材料特性等。这部分功能可以通过v i s u a lc + + 、d e l p h i 等开发工具编 写的各种用户界面进行人机交互，由前处理模块所获取的数据传输给计算模块进 行计算，得到结构在各种载荷工况作用下的力学响应，如应力、应变、位移等。 由计算模块得到的数值结果信息经过后处理模块，以颜色、密度、透明度、文字 等技术，将不可见的计算结果变为可见的图像，通过o b j e c t a r x 编程，利用a u t o c a d 强大的图形功能完成计算结果的可视化。 图i 1 计算机可视化系统框图( 本框图以力学分析为例) 结构优化可视化建模研究及软件开发 如今，科学可视化技术已被应用到许多领域，但是，它却很少被用在结构优 化的研究中。虽然已有了较好的前处理有限元分析界面，但结构优化基本上还没 有有用的人机界面，目前的工程结构优化，仍停留在数字式与非可视化的基础上。 传统方法的实际过程无论模型建立还是优化求解对工程设计人员来说都是一个黑 箱，这就使用户永远处于被动地位，不能干涉设计过程。因此，在结构优化中引 入科学可视化有非常重要的意义，这样整个设计过程将尽可能的对用户开放；建 立个软件集成基础上的可视化人机界面环境将大大推进优化设计在工程中的应 用。这里，结构优化的可视化主要包括两个方面：模型建立可视化和迭代计算可 视化，本文的工作就是与前一方面有关，并且目前主要是针对天线结构的。 1 4 本文的主要目的和工作 本文所作的主要工作可概括如下： 1 对现在结构优化现状、存在问题和发展趋势作了介绍和分析，阐述了建立 面天线结构优化设计软件平台的必要性。 2 介绍了结构优化可视化实现的总体框架。具体运用可视化优化理论，在我 们的相关项目“面天线综合设计平台”中，建立了一个可视化优化设计模 块，同时提出，若不是作为一个模块，而是开发独立的优化设计软件，其 总体设计与“面天线综合设计平台”类似，也需要几何造型和有限元分析 模块。 3 着重在结构优化的可视化建模方面展开工作，提出了交互式建立优化模型 的方法，通过人机界面确定优化模型的三要素：目标函数、约束条件和设 计变量，重点是运用i d e a s 二次开发技术实现了优化对象的可视化，帮 助实现方便直观的设计变量归并。 4 用多线程技术及动态链接库的方法，实现对优化过程的控制操纵。在 d e l p h i 下调用并操控f o r t r a n 优化计算程序，为优化过程监控打下了基础。 5 以天线结构优化可视化建模为重点，结合可视化优化在科研项目中具体应 用可视化优化设计操作界面，给出了实例演示。 第二章可视化优化设计软件总体设计简介 7 第二章可视化优化设计软件总体设计简介 2 1 可视化优化设计的相关项目 前面己提到，在结构优化设计中引入可视化方法以及开发平台概念的重要意 义，比如，在我们的研究领域天线结构设计中，利用优化技术可以在天线结构的 经济指标和各项性能之间进行协调，快速得到满足性能要求的合理设计方案。我 们在天线结构优化设计中，开发了天线结构优化设计可视化平台，该平台属于我 们的在研项目“面天线结构综合设计平台系统”。下面就对我们的在研项目及其中 的优化模块加以简要介绍。 国防科工委“十五”预研项目“面天线结构综合设计平台系统”是我校一项 重要的科研在研项目，通过总结大型面天线结构设计中的共性技术问题及其解决 方案，建立应用于面天线结构设计的虚拟制造、分析的平台。应用该软件平台， 用户可以快速设计出天线虚拟电子样机，显著提高面天线的创新设计能力，减少 设计缺陷，优化产品性能，加速面天线装备设计过程和批量制造过程，提高质量、 降低成本，满足国防需求。“面天线结构综合设计平台系统”包括面天线的造型模 块，天线结构有限元分析模块以及天线结构优化模块。先由参数化造型技术建立 面天线的几何造型，再由有限元分析模块对天线结构进行静力分析、模态分析， 最后用面天线结构优化模块优化天线结构，最终完成设计。 天线结构设计的根本目标，是设计能够确保天线电性能指标( 例如电效率) 的机械结构。能够满足设计指标的结构设计中，有一些是比较优秀的，例如重量 轻、尺寸小等等。结构设计的过程实际就是不断寻找最优结构的过程。因此，需 要一个界面友好，交互性强的天线结构优化模块帮助设计者快速找到优选的结构 方案。笔者将对优化柔性建模及科学可视化所作研究具体应用到了这里的天线结 构设计中，与他人合作，编制了天线结构设计技术中重要模块优化软件平台。 从结构设计的角度讲，天线背架的结构类型、拓扑结构、零件截面形状、零 件尺寸等因素都会影响天线的电性能指标。从理论的角度讲，天线结构优化包括 结构类型优化、拓扑优化、形状优化和尺寸优化。 本系统的天线结构优化，主要是零件尺寸的优化。即在给定天线背架类型、 拓扑结构、截面形状的前提下，应用优化软件，帮助用户确定最佳的结构尺寸。 ! 壁丝垡垡墨望垡垄堡塑壅垦鏊壁茎垄 一一 2 2 优化可视化设计要求 目前，大部分正在使用的天线优化软件的整个优化过程( 从建模、求解到结 果分析) 对使用人员来说是封闭的，即是一个黑箱，这就导致：第一，不懂优化 的工程技术人员比较难以学会使用已有的优化软件；第二，由于看不到中间过程， 就无法对迭代过程进行适时干涉以提高优化效率与质量。针对这一现状，我们提 出了基于可视化的天线结构优化设计策略与方法，包括优化前处理的可视化建模 和优化过程的可视化两大部分内容。利用可视化的建模环境，用户可以方便快速 的建立优化模型( 包括设计变量、约束、目标的确定等) ；并且在设计中通过交互 手段建立具有不同含义的优化模型，即实现设计变量灵活随意的归并以及约束、 目标函数的任意组合，从而实现建模的柔性化。优化过程的可视化则使得优化搜 索过程变得透明可驾驭，用户可以监控和随时干预优化进程，避免收敛于局部极 小点、跳出死循环、并能根据迭代情况随时方便的修改优化模型。 要避免以上的弊端，无论针对什么样的具体结构，可视化结构优化设计软件 要达到以下要求： 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的加 入： 可视化应贯穿于优化建模、分析、求解的全过程： 可作为独立的子系统方便的与外界衔接。 根据对可视化结构优化设计的要求，该软件平台应实现以下功能： 1 部分的实现柔性建模； 2 最大程度的可视化： 3 实现工程结构优化中可能涉及的各种操作步骤； 4 记录历次操作的决策参量、运行状态变量、执行结果： 5 分析、显示( 表格或图形) 各类数据； 6 扩充、修改、重组、更新、删除各种操作； 7 扩充、修改、重组、更新、调试实现各种操作的程序模块： 8 动态制作、编辑、调试结构优化中某些典型问题类型的自动半自动化 设计方案； 9 常用软件间的数据共享、动态交换； 1 0 数据信息的输入与输出。 第二章可视化优化设汁软件总体设计简介 9 2 3 优化可视化设计流程和实现简介 我们对结构优化可视化设计提出了下面的实现流程图，现已被具体运用到天 线结构可视化优化设计中去，实现了理想的功能。 图2 1 优化模块操作流程 图2 1 所示为优化模块的操作流程示意图。图中细实线表示操作流程方向， 粗实线表示数据流或信息流方向。该图表示了优化模块与中央数据库及有限元分 析模块的关系，以及用户使用该模块的操作流程。本文将结合下面的功能界面对 该流程作进一步说明。 首先，良好的数据组织在优化设计平台中处于至关重要的地位，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的核心。 1 0结构优化可视化建模研究及软件，r 发 我们“面天线综合设计平台”具体的数据库组织见f 图： 混合法 il 遗传算法il 其他算法 几何模型数据库 参数化造型横块 软件平台核心数据库 限元模型数据库 有限元处理模块 优化模型数据库 化模块建模界面 图2 2 可视化优化软件平台核心数据库 核心数据库由三大部分组成，几何模型数据库、有限元模型数据库、优化模 型数据库。他们的关系是这样的：由用户通过与软件平台界面的交互操作建立对 象几何模型，同时将模型信息存入几何模型数据库，包括节点坐标、杆件连接关 系等；再由有限元处理模块从几何模型数据库读取信息生成对象的有限元模型， 并将模型信息放入有限元模型数据库：最后，优化可视化模块将从有限元模型数 据库中读入必要信息，将有限元模型拿来作为优化建模的对象，随后将建模信息 存入相应优化模型数据库。 在项目中，优化可视化设计模块是整个综合设计平台的一部分，设计对象造 型，有限元建模分析都有其他的设计人员完成；若要单独建立个优化设计软件 平台，则也必须要有几何建模和有跟元处理模块，具体数据库组织也和上图相同， 只不过几何建模与有限元建模需要我们自己来做。 在图2 1 中，在优化迭代计算中还调用了有限元分析模块，在每一次迭代中 进行有限元分析。在我们的项目中有限元分析采用的是商用有限元分析软件 n s y s ，在优化计算程序中采用一条语句自动调用a n s y s 完成分析任务。 在建立优化模型时需要一个实体对象的有限元模型图来方便可视化建模，我 们可以采用有限元模块生成的有限元模型图，也可以用几何模型图，在其中附加 从有限元数据库中得到的有限元信息。这里用了后一种方法，参见优化模块操作 流程图。具体可见后面章节介绍。 优化建模是针对有限元模型的，在我们的优化模块中，从数据库提取有限元 模型信息并有了附加有限元信息的几何模型后，就有了优化建模的具体对象。用 可视化的方法用户交互建立优化模型随后，调用优化计算程序，进行优化搜索。 第二章可视化优化设计软件总体设计简介 在搜索迭代过程中，用户可以监控优化进程，让迭代计算过程暂停，察看中 间结果，比如设计空问情况、设计变量、优化目标及约束函数当前值，还有敏度 信息等。若暂停察看后，用户对当前优化步的状态满意，比如搜索方向可行，设 计变量对目标敏感，不会过早收敛于局部最小值点等；就让优化代代继续下去。 否则，可以通过修改优化控制参数( 如步长因子) ，冻结不敏感变量，或者重新回 到优化建模部分修改模型，然后决定让优化计算从断点继续还是重新开始。这就 是优化过程可视化的用户干预过程。 本章小结： 结合具体科研项目应用，本章以天线结构的优化设计为例，对可视化结构优 化设计作了个全局概述，给出了可以用于任何结构可视化优化设计的实现思想、 流程和数据组织形式。 首先详细分析了结构优化可视化设计软件所要实现的基本功能，随后提出了 实现功能的流程图。结合流程图，从优化核心数据库的设计，功能模块设计，各 模块之间的关系和接口设计等几个方面，简述了可视化优化软件的总体设计。 结构优化可视化建模研究及软件开发 第三章结构优化可视化建模的具体实现 3 1 面天线结构优化可视化建模简介 绪论中已对优化建模的概念加以了简介，并且，由于我们的结构优化可视化 软件界面目前应用的主要工程对象是面天线背架结构或类似背架结构的桁架结 构，现就以天线结构为例对优化建模加以详述。 天线结构的数学描述就是对天线结构设计变量、性能与性态约束以及目标函 数综合分析后给出的关于优化设计模型的定量表示。天线结构的设计变量( 即可 变参数) 包括杆件横截面积与板壳厚度等尺寸变量，背架结构下弦节点坐标变量 等等。约束一般有重量限制( 当精度作为目标时) 、反射面误差均方根值限制( 当 重量作为目标时) 、应力约束、固有频率约束等等。目标函数则包括结构重量、精 度等。对不同用途、不同要求的天线而言，目标函数与约束函数是可以相互转换 的。 在天线结构优化设计中，优化建模是一个重要环节，它的任务是拟定优化模 型的三要素：变量、约束和目标。传统的建模方法是，先建立设计问题的数学模 型然后编制计算机程序，它的不足表现在： 1 优化模型中变量、约束和目标三要素的任何修改，都将导致对源程序的修 改。这种修改不仅费时，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。 2 优化模型的建立，往往依靠繁琐的数据文件处理，对于天线，尤其是大型 天线这样的复杂结构，形成这样的数据文件本身已十分费时费力。 3 现代天线结构优化设计的设计变量范围广，尺寸、形状和拓扑变量是最常 用到的；但是，设计者仅从一些数据去想象天线实体的空间三维结构是不 易的，不利于合理建模。 天线结构复杂，精度要求高，其优化设计更显重要，优化建模更为繁杂。利 用可视化的建模环境，用户可以方便快速的通过交互手段建立优化模型，实现设 计变量灵活随意的归并以及约束、目标函数的任意组合，从而在一定程度上实现 了建模的柔性化，一定程度上克服了上诉传统建模方法的不足。 3 2 柔性建模技术 柔性建模就是建立灵活可变的模型。2 0 世纪6 0 年代机械制造专业最先提出 f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的概念，1 9 8 2 年开始有国际性的f m s 会议 第三章结构优化可视化建模的具体实现 1 3 一一 举行。对于土建领域，国内外有人作过有限元二维与三维柔性边界分析，其他的 报导较少见。总的说，柔性建模的研究与应用尚处于早期阶段t 柔性优化建模方 法的关键是在模型程序用准设计变量代替传统建模方法中的设计变量，用设计函 数代替传统建模中的约束函数和目标函数，在优化过程中通过交互手段划分准设 计变量为待优化的设计交量、相关变量和固定量，区分设计函数为目标函数、约 束函数或者既作目标又作一定约束，也可予以忽略。这样在优化过程中可以进行 单目标优化或多目标优化，同时约束的类型、限制范围、目标函数类型及其评价 函数等都可按需要交互地确定。使优化模型的三大要素，不再如传统那样完全被 编程固定，仅仅由编程提供变量、目标和约束的基本要素，在设计中通过交互手 段建立具有不同含义的优化模型，从而实现建模的柔性化。设计人员通过编程把 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 样建立的优化模型依赖于设计师的具体意图，在一定程度上实现了设计师的直接 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。 优化前处理中可视化是柔性建模的前提，而柔性建模是可视化建模的主要目 的。两者的关系密不可分。 为了达到柔性建模的目标，应当在优化前处理模型建立中可视化的展现优化 模型，比如附录中介绍的确定目标函数、约束函数以及设计变量的界面，这样才 能实现交互确定优化模型的三大要素。我们采用的是文档视的基本结构方法 作为可视化界面的思路，文档( d o c u m e n t ) 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1 3 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，并把用户的 输入操作转化为对文档的操作，这种文档视结构的实现方法把数据本身与其显 示，及用户对其操作分离开来，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 户窗口中。应用于本系统，文档的概念是优化内部核心数据，而视正好是可视化 优化过程的活动窗口，可见，这是一种最适合优化过程可视的表现方式。“。 当然，我们的软件还没有实现完全的柔性建模。比如，从前面的优化目标函 数确定界面可看出，用户虽然可以自己选定优化目标，但是这个目标只能在软件 界面上的下拉菜单里选择，只能是我们的优化计算程序支持的诸如结构重量、固 有频率、表面精度这些常用优化目标中的某一个，即，用户不能制定其它的目标 结构优化可视化建模研究及软件开发 函数。要实现这点，就要实现公式的可视化书写及编辑，让用户自己书写新的 目标函数表达式，同时，我们的软件还要识别它并将其作为目标函数。同样，约 束、设计变量的指定也有这一局限。所以在柔性建模领域，还有很多研究工作要 做，目前的成绩还只是一小步。 3 。3 结构优化可视化建模具体实现 3 。3 1 软件开发工具的选择 由于面天线综合设计项目由许多个功能子模块，为了便于模块之间的集成， 我们采用同一基本开发环境来开发各个模块，仔细比较了几种可视化开发工具， 最终决定采用d e l p h i 。 d e l p h i 是著名的b o r l a n d 公司开发的可视化软件开发工具。“真正的程序员 用c ，聪明的程序员用d e l p h i ”，这句话是对d e l p h i 最经典、最实在的描述。d e l p h i 被称为第四代编程语言，它具有简单、高效、功能强大的特点。和v c 相比，d e l p h i 更简单、更易于掌握，而在功能上却丝毫不逊色；和v b 相比，d e l p h i 则功能更强 大、更实用。可以说d e l p h i 同时兼备了v c 功能强大和v b 简单易学的特点。它一 直是程序员至爱的编程工具。 d e l p h i 具有以下的特性：基于窗体和面向对象的方法，高速的编译器，强大 的数据库支持。与w i n d o w s 编程紧密结合，强大而成熟的组件技术。但最重要的 还是o b j e c tp a s c a l 语言，它才是一切的根本。o b j e c tp a s c a l 语言是在p a s c a l 语言的基础上发展起来的，简单易学。 d e l p h i 的主要优点如下： l 、完全可视化： d e l p h i 是全新的可视化编程环境。为我们提供了种方便、快捷的w i n d o w s 应用程序开发工具。它使用了m i c r o s o f tw i n d o w s 图形用户界面的许多先进特性 和设计思想支持w i n d o w s 9 5 9 s n 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。 d e l p h i 实际上是p a s c a l 语言的一种版本，但它与传统的p a s c a l 语言有天壤 之别。一个d e l p h i 程序首先是应用程序框架，丽这一框架正是应用程序的“骨架”。 在骨架上即使没有附着任何东西，仍可以严格地按照设计运行。您的工作只是在 “骨架”中加入您的程序。缺省的应用程序是一个空白的窗体( f o r m ) ，您可以运 行它，结果得到一个空白的窗口。这个窗口具有w i n d o w s 窗口的全部性质：可以 被放大缩小、移动、最大最小化等，但您却没有编写一行程序。因此，可以说应 第三章结构优化可视化建模的具体实现 1 5 用程序框架通过提供所有应用程序共有的东西，为用户应用程序的开发打下了良 好的基础。 d e l p h i 已经为您做好了一切基础工作程序框架就是一个已经完成的可运 行应用程序，只是不处理任何事情。您所需要做的，只是在程序中加入完成您所 需功能的代码而已。在空自窗口的背后，应用程序的框架正在等待用户的输入。 由于您并未告诉它接收到用户输入后作何反应，窗口除了响应w i n d o w s 的基本操 作( 移动、缩放等) 外，它只是接受用户的输入，然后再忽略。d e l p h i 把w i n d o w s 编程的回调、旬柄处理等繁复过程都放在一个不可见的r o m u l a m 覆盖物下面，这 样您可以不为它们所困扰。轻松从容她对可视部件进行编程。 2 、完全的面向对象机制 面向对象的程序设计( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，简记为o o p ) 是d e l p h i 诞生的基础。o o p 立意于创建软件重用代码，具备更好地模拟现实世界环境的能力， 这使它被公认为是自上而下编程的优胜者。它通过给程序中加入扩展语句，把函 数“封装”进w i n d o w s 编程所必需的“对象”中。面向对象的编程语言使得复杂 的工作条理清晰、编写容易。 说它是一场革命，不是对对象本身而言，而是对它们处理工作的能力而言。 对象并不与传统程序设计和编程方法兼容，只是部分面向对象反而会使情形更糟。 除非整个