有许多人直接或间接地帮助我完成了这篇论文,我真心希望在这里一一感谢他们。我的导师 Joaquim RRA Martins 教授让我产生了优化一切的内在愿望——飞机、轨迹、我的生活——对此我深表感谢。Martins 教授帮助我用好奇和批判的眼光看待世界,我将带着这种眼光度过我余下的研究旅程。我特别感谢 Justin Gray,他鼓励我申请 MDO 实验室,在我在美国宇航局工作期间指导我,并在我攻读博士学位期间与我合作,为我着想。Justin 对我的生活产生了多么积极的影响,我无法用言语来形容。我还要非常感谢 Charles Mader 博士,他耐心地帮助我(远程和亲自)进行更好的研究。我和实验室同事开玩笑说,我们站在加拿大人的肩膀上,而 Mader 博士为我们打下了坚实的基础。我感谢 Krzysztof Fidkowski 教授,他除了在我的委员会任职外,还在我在这里的最后几年担任研究生主席,致力于改善研究生的生活。我还要感谢 Julie Young 教授在我的委员会任职并为我的研究提供建设性反馈。我会想念安娜堡的许多方面,但我最想念的是 MDO 实验室的同事。我度过了无数美好的时光,一起构思、调试、素描、写作、吃饭、玩飞盘和与实验室伙伴一起旅行。John Hwang 教授(当时是博士后)是第一个迎接我的人,在我攻读博士学位的头几年,他是我的导师、合作者和朋友。一路上,许多资深成员也给了我帮助,包括 Ney Secco、Tim Brooks、Gaetan Kenway、Dave Burdette、Mohamed Bouhlel、Ping He 和 Xiaosong Du。我的同班同学都很棒,尤其是 Shamsheer Chauhan、Nick Bons、Josh Anibal、Ben Brelje、Eirikur Jonsson、Anil Yildirim、Yingqian Liao、Sicheng He 和 Gustavo Halila。我知道,在 Neil Wu、Marco Mangano、Sabet Seraj 和 Shugo Kaneko 领导下,这个团队的未来一片光明。在攻读博士学位期间,我很幸运地在美国宇航局格伦研究中心工作,在那里,只有最善良、最乐于助人的人才能做出伟大的工作。Jon Seidel 耐心地帮助我了解超音速发动机。Eric Hendricks 向我灌输了发动机建模知识,在骑自行车时总是能超越我。Rob Falck 在任务优化方面给予我的帮助比任何普通人都要多。
设计多个组件,同时结合工具和工程学科,以创建适合设计条件的最佳涡轮机。涡轮机组件的设计包括两个设计阶段:预先详细或初步设计阶段和详细设计阶段。在预先详细设计阶段,必须在有限的时间内设计出组件的粗略形状。设计师在初步阶段没有太多可用的知识,因此必须在设计的保真度和实现设计所需的时间之间做出妥协。在详细设计阶段,更加强调设计的保真度,投入更多时间,获得更多知识。因此,使用更准确但通常更慢的方法,例如有限元分析 (FEA) 和计算流体动力学 (CFD)
摘要 本文介绍的工作探讨了与复杂工程产品设计相关的几个概念,并强调了在开发过程中考虑多学科设计优化 (MDO) 的影响。本文绝不是全面的文献综述,而是旨在通过理论和对常见 MDO 应用的参考来讨论一些关键点。在这方面,本文讨论的核心主题是通用产品开发流程的增强、更好地整合组织职能的道路、管理复杂系统架构的方法,以及最后是 MDO 领域的缺点。作为与更实际的工业应用的联系,无人机 (UAV) 被选为说明性示例,因为它们具有技术复杂性以及相应市场的苛刻要求。总体而言,本文表明,尽管目前存在最先进的限制,但 MDO 可以成为“传统”设计流程中的一种有价值的工具,它有可能提高产品质量,同时减少总开发时间和工作量。关键词:设计方法、设计流程、优化、新产品开发、多学科设计优化联系人:Athanasios Papageorgiou 林雪平管理与工程大学 瑞典 athanasios.papageorgiou@liu.se
有助于降低燃料消耗和运营成本。从这个角度来看,新材料和技术得到了开发,设计方法和工具也取得了进步。生成设计是一种自动优化组件设计的新方法。设计过程必须自行设计,以实现与设计参数、要求和限制相关的最佳解决方案。哪些独特的特点使人们认为这项技术是相对于传统 MDO 的重大进步?生成设计是否只是一种重要的、但不是特别有区别的方法,用于设计(航空航天)结构和可能更高级别的系统?例如,当设计目标是找到结构的最佳配置时,生成设计是否会导致发现新概念或结构类型,或者它是遗传算法在拓扑优化中的特定应用?本文旨在回答前面的问题。具体而言,生成设计方法有望在基本概念之间进行选择,并将其用作设计新系统配方的基本说明和成分。基于这些考虑,我们在本文中修订了
由于工业设备产生的副产品热量会造成功率耗散,从而对其性能产生负面影响,因此几乎所有这些应用都需要一定的温度限制才能在适当的条件下工作。也就是说,如果过热超过这些限制,这些工程设备可能会以某种方式失效。在所有相关行业中,功率密度的不可阻挡的增长正在推动热交换技术的创新。此外,电子设备在热能产生量增加的同时,体积也变得越来越小。因此,散热器可用于冷却许多重要应用中的关键部件,从航空发动机和核反应堆到计算机、数据中心服务器机架和其他微电子设备。
我们建议将概念阶段的飞机设计问题制定为几何规划 (GP),这是一种特殊类型的凸优化问题。凸优化的最新进展与飞机设计中通常使用的一般非线性优化方法相比具有显著优势。现代 GP 求解器速度极快,即使在大型问题上也是如此,不需要初始猜测或调整求解器参数,并保证全局最优解。这些好处是有代价的:所有目标和约束函数 - 描述飞机设计关系的数学模型 - 都必须在 GP 的受限函数形式内表达。也许令人惊讶的是,这种受限的函数形式集一次又一次地出现在流行的基于物理的飞机系统模型中。此外,我们表明,对于无法通过代数操作转换为 GP 所需形式的各种模型,我们通常可以拟合紧凑的 GP 模型,这些模型可以准确近似原始模型。GP 解决方法的速度和可靠性使其成为解决概念阶段飞机设计问题的一种有前途的方法。
我们建议将概念阶段的飞机设计问题制定为几何规划 (GP),这是一种特殊类型的凸优化问题。凸优化的最新进展与飞机设计中通常使用的一般非线性优化方法相比具有显著优势。现代 GP 求解器速度极快,即使在大型问题上也是如此,不需要初始猜测或调整求解器参数,并保证全局最优解。这些好处是有代价的:所有目标和约束函数 - 描述飞机设计关系的数学模型 - 都必须在 GP 的受限函数形式内表达。也许令人惊讶的是,这种受限的函数形式集一次又一次地出现在流行的基于物理的飞机系统模型中。此外,我们表明,对于无法通过代数操作转换为 GP 所需形式的各种模型,我们通常可以拟合紧凑的 GP 模型,这些模型可以准确近似原始模型。GP 解决方法的速度和可靠性使其成为解决概念阶段飞机设计问题的一种有前途的方法。
汽车公司面临着激烈的竞争,因此他们力求以更便宜、更快的方式设计出更好的产品。这一挑战要求不断改进方法和工具,因此需要使用仿真模型来评估产品的每个可能方面。优化越来越受欢迎,但其全部潜力尚未得到充分发挥。对精确仿真结果的需求不断增加,导致需要创建详细的仿真模型,而这些模型的评估通常需要耗费大量的计算资源。基于元模型的设计优化 (MBDO) 是一种有效的方法,可以减轻优化研究期间的计算负担。元模型是详细仿真模型的近似值,评估时间很短,因此在需要进行多次评估时尤其有效,例如在多学科设计优化 (MDO) 中。
我们要感谢 Michael A. Demetriou 教授和 David J. Olinger 教授给予我们参与该项目的机会。他们在整个过程中的持续指导和支持为我们提供了必要的方向和动力,让我们能够坚持到最后。我们还要感谢 Alex Camilo 设计和构建我们的机载电子套件。我们要感谢 Adriana Hera、Raffaele Potami 和 Kimon Simeonidis 协助和指导我们开发 matlab 工具以及设置和开展校准实验。此外,我们还要感谢 John Blandino 教授、Roger Steele 和化学系对我们设备需求的帮助。此外,我们还要感谢 Neil Whitehouse 在制造项目所需组件方面提供的持续支持和指导。
我们要感谢 Michael A. Demetriou 教授和 David J. Olinger 教授给予我们参与该项目的机会。他们在整个过程中的持续指导和支持为我们提供了必要的方向和动力,让我们能够坚持到最后。我们还要感谢 Alex Camilo 设计和构建我们的机载电子套件。我们要感谢 Adriana Hera、Raffaele Potami 和 Kimon Simeonidis 协助和指导我们开发 matlab 工具以及设置和开展校准实验。此外,我们还要感谢 John Blandino 教授、Roger Steele 和化学系对我们设备需求的帮助。此外,我们还要感谢 Neil Whitehouse 在制造项目所需组件方面提供的持续支持和指导。