博客园_Begtostudy(白途思)'s Professional Technology Blog

NX Nastran 节点遍历的方法 FEA Nodes iteration in NX Nastran by NXOpen

2012-05-03T02:24:00Z

FEA自动化过程中常常要用到节点遍历和查询。在NX Nastran中通常可以使用NXOpen进行录制和重放。但是，一般遍历方法都需要自己写。此次使用NX Nastran需要对一些特定节点自动布置约束，所以要先遍历节点集。本人采用NXOpen提供的方法进行遍历，当然，也可以读取dat文件。

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Open C 到 NXOpen 四个关键函数的映射

2012-04-28T14:58:00Z

在UG/NX二次开发中，Open C到NXOpen的映射可以参看帮助问题。但是，帮助文档对四个关键函数的介绍却几乎没有。本文系统介绍了NXOpen中的四个关键函数，ufusr，ufsta，ufusr_ask_unload，ufusr_cleanup到NXOpen中的映射关系。希望通过此文让更多的Open C开发者轻松的使用NXOpen。

补充说明：文中ManageLoader指的是NX加载调用.net dll的模块，由它实现对.net dll进行反射调用。

http://www.docin.com/p-391958209.html

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Isight 4 Getting Started Guide

2012-04-28T01:18:00Z

http://www.docin.com/p-391712549.html

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NXopen .net remoting遇到个很棘手的问题

2012-04-26T01:08:00Z

我想在NX内部使用NXOpen和remoting开一个icp通道，做驻留的被动响应服务。

外部采用exe程序调用，使得外部能够控制NX做一些工作。

环境是NX8，VS2010，语言C#4

非常令人费解的是，remoting连接和工作正常，调用NXMessageBox显示消息也正常，但是打开零件却报内存违例错误！

手动打开零件，以及用程序直接打开零件，都没有问题。

到目前为止，问题还未解决。

附件是VS2010工程文件：http://www.kuaipan.com.cn/file/id_28189949127819270.htm

问题已解决

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ISIGHT 5.0 components guide

2012-04-23T07:35:00Z

http://www.docin.com/p-388962072.html

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iSIGHT: 第六章单梁起重机结构优化设计

2012-04-18T14:12:00Z

6.1 工程与概述

在现代化工业生产中，起重机在重大物件的搬运与装卸中起到了重大作用。然而长期以来，起重机结构设计一直采用手工许用应力设计法。该方法的原理是使外载荷的结构及连接接头中产生的应力和变形不超过结构的承载能力和许用应力值；该方法使用简便，能满足设计要求，在以往的设计中也发挥了巨大的作用。但该方法在设计中将有关参数均看成定值，并为了确保安全凭经验选定一些安全系数，其结果是结构要么强度差，要么多消耗材料。近几十年来，起重机在设计和制造方面都有了很大的改进，尤其是随着有限元等数值仿真软件的出现，在结构设计方面已经从静态分析扩展到动态分析，有限元法优化设计等新的计算技术也得到了广泛应用。

本章以单梁起重机为研究目标，在对其安全性校核的基础上，对其主梁界面尺寸进行优化。

6.2 优化问题描述

6.2.1 单梁起重机强度校核分析模型

6.2.1 单梁起重机

图6.2.1的单梁起重机即为本案例的分析对象，它由桥架、大车运行机构、电动葫芦及电气设备等部分组成。工作时，桥架沿车梁上的起重机轨道运行，通过电葫芦来完成物体的升降及沿主梁方向平移。该型号起重机额定载重为20KN，主梁跨距为L=3m，主梁截面尺寸如图6.2.2所示。

通过对工作过程的分析，该起重机的受力可以简化为一个受移动载荷的简支梁，如图6.2.1所示。

本案例要求通过对截面尺寸的合理选择，达到在满足挠度要求的前提下实现主梁轻量化的目标。


6.2.2 主梁截面尺寸	6.2.3 起重机受力简图

6.3 集成软件的选择

本案例选择大型通用软件ANSYS11.0进行强度校核分析。

6.3.1 ANSYS驱动格式介绍

在启动ANSYS的时候，用户可以选择交互或批处理运行模式。在交互模式下，用户可以不时地和软件进行人机交互，对计算分析过程进行控制。而在批处理模式下，用户可以提交命令文件来运行软件。在一些操作系统中，用户可以一边做其它工作，一边在后台运行一批处理作业。当用户不需要与软件进行交互作业时，如在求解阶段，该模式常常能提高计算效率。

用户可以采用ANSYS支持的脚本语言来运行该软件，其后台运行驱动命令格式如下：

start /min "<drive>:\Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\bin\ansys110" A₁ B₁ A₂ B₂…

前台运行驱动命令格式如下：

"<drive>:\Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\bin\ansys110" A₁ B₁ A₂ B₂…

其中，A_i为选项标识，相应地B_i为对该标识的解释（内容）。常用的选项如表6.1所示。

表6.1

选项	内容解释
－b list or nolist	激活ANSYS程序批处理模式。选项－b list or－b用以让输出文件中包括在输入文件内容
`-dir`	定义初始的工作目录
`-i inputname`	指定批处理模式的输入文件
`-j Jobname`	指定初始的文件名称，用以给程序所产生的所有文件命名。
`-ooutputname`	用以指定保存批处理模式下输出结果文件名称

例：

"C:\Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\bin\intel\ansys110" -b -i vm2.dat -o vm2.out

该命令以批处理的方式在后台运行安装在C盘下的ANSYS软件，并指定vm2.dat为输入文件，vm2.out为输出文件。

6.4起重机主梁校核有限元计算模型介绍

根据6.2.2、6.2.3的受力模型与主梁截面图，可以在ANSYS中建立主梁的几何模型，并对其划分网格，如图6.4.1所示。

图 6.4.1系统网格模型

6.5 主梁优化模型

6.5.1 主梁优化系统结构特点

起重机工作时主梁处于弹性状态且挠度较小，因此本案例分析类型为线性，相应的优化也为线性优化。

6.5.2 目标函数选择

根据要求质量应该是最终的目标函数，在主梁跨距一定的情况下截面面积与质量成正比，所以优化时选取截面面积A作为目标函数，其与有优化变量如下关系式成立：

6.5.3 设计变量的选择

在优化过程中，把主梁截面尺寸所有参数作为优化设计变量，把梁的挠度作为约束；另外，为了模拟起重机在主梁上的移动把载荷作用位置变量L0也作为设计变量。

6.6.4 优化模型

主梁优化问题可以用以下的线性规划模型表示：

是设计变量，为工字梁截面尺寸参数；

是目标函数，为梁截面面积；

是优化问题必须满足的不等式约束，它为梁的挠度。

6.6.5 优化算法的选择

这里采用Modified Method of Feasible Directions优化方法对本分析问题进行了优化分析

6.7 输入、输出文件格式及其分析

本案例的输入、输出文件分别为cranein.txt和craneout.lis。下面我们分别对输入、输出文件结构进行分析。

6.7.1 输入文件格式分析

本案例以主梁的截面参数为优化变量，为提高文件解析的效率在输入文件开始定义这些参量，其在文件cranein.txt中如下：

/BATCH

/FILNAME,CRANE

/TITLE,JING QIANG DU FEN XI

L=30

L0=15

W1=5

W2=5

W3=9

T1=3

T2=3

T3=3

MJ=W1*T1+W2*T2+(W3-T1-T2)*T3

IZ1=(W1*T1**3)/12+W1*T1*((T1+W3)**2)/4

IZ2=(T3*W3**3)/12

IZ3=(W2*T2**3)/12+W2*T2*((T2+W3)**2)/4

IZ0=IZ1+IZ2+IZ3

/prep7

…..

6.7.2 输出文件格式分析

Ansys计算结束后，通过单元表操作输出单元的最大挠度，其在craneout.lis位置如下：

……

***** POST1 ELEMENT TABLE LISTING *****

STAT CURRENT

ELEM DEF

1 0.78717E-03

2 0.30926E-02

3 0.63727E-02

4 0.96528E-02

5 0.11958E-01

6 0.11958E-01

7 0.96528E-02

8 0.63727E-02

9 0.30926E-02

10 0.78717E-03

MINIMUM VALUES

ELEM 1

VALUE 0.78717E-03

MAXIMUM VALUES

ELEM 6

VALUE 0.11958E-01

……

6.8 iSIGHT集成优化

采用iSIGHT平台解决优化问题的流程，总共包括如下软件集成、优化建模、优化任务设置、任务分析与进程监控和结果分析五部分。下面对每个部分分别进行叙述。

6.8.1软件集成

6.8.1.1 添加集成代码

由以上叙述可知，本案例用的软件为ANSYS11.0，所需要的求解器的可执行文件为ansys110.exe，它的位置为"D:\Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\bin\intel\"。在软件运行时，还需要指定模型信息输入文件（cranein.txt），故在"Optional command argument"栏中需要输入以下内容：

-b -i D:\RecentPaper\IsightReferenceBook\casedebug\crane\cranein.txt -o D:\RecentPaper\IsightReferenceBook\casedebug\crane\craneout.txt。

在求解的过程ANSYS11.0会产生一些辅助文件，也通过DOS命令给以删除。溢出时间设为200，最终设置如图6.8.1所示

图6.8.1 集成代码添加设置

6.8.1.2输入文件分析

输入文件格式及优化变量在其中的位置如6.7所述。由于设计变量定义在文件的开始，并且每一个设计变量值前面都有"="，所以通过搜索的方式让光标移到相应的变量前，再进行替换操作，相关设置如图6.8.2所示。

图6.8.2 输入文件解析设置

图 6.8.3 输出文件解析设置

6.8.1.3输出文件分析

输出文件格式及优化变量值在输出craneout.lis的位置固定，所以通过光标的移动方式进行相关变量值的读取，相应设置如图6.8.3所示。

6.8.2 参数计算

本案例的目标函数为梁的体积，而主梁长度一定时其与截面面积成正比，所以体积最小就可以等价转化为梁的截面面积最小。梁的截面面积为上述优化变量（）的函数，且在计算中ANSYS不能直接输出，故采取iSIGHT参数计算的方式获得。

6.8.2.1 添加参数

在参数运算之前，首先需要定义梁截面面积参数AREA。

点击过程集成界面工作栏上的参数按钮，则弹出如图6.8.7所示对话框。点击图中的"Add"按钮，参数"OBJ"下面的一行被激活，用户可以在"Task Task1"一栏中输入所添加变量的名称"AREA"，然后确认返回过程集成界面。

图6.8.7 参数添加

6.8.8 参数计算设置

6.8.2.2添加参数运算块

点击过程集成界面的计算图标，则在工作界面的右半部分添加计算块。点击计算块的内容按钮，则弹出如图6.8.8所示的计算用户界面。

6.8.3 优化建模

在参数设置窗口（Parameters）中，设定优化变量的区间范围和目标函数，如图6.8.10所示。

图6.8.10 优化参数设置

5.8.3 优化任务设置

这里采用Modified Method of Feasible Directions优化方法对本分析问题进行了优化分析，相应设置如图6.8.11所示。

图6.8.11优化算法设置图

优化算法设置如图5.8.11所示。

6.8.4数据库选项设置

与前述方法相同不再赘述。

6.8.5 任务分析与进程监控

与前述方法相同不再赘述。

6.9优化结果及其分析

经过迭代求解后的优化结果，如表6.2所示

表6.2 优化结果

参数	初始值	优化值
H	9.0	6.6
W1	6.0	3.5
W2	6.0	3.6
T	3.0	1.0
T1	3.0	1.0
T2	3.0	1.0
DY	0.168119	0.782015
AREA	45	11.7

通过表6.2可以看出，经过优化后主梁的承载能力得到最大程度地利用，同时主梁的重量下降62%。

6.10 工程优化点评与提高

本章通过ISIGH集成ANSYS11.0软件对起重机的主梁进行优化。优化过程中由于主梁重量信息并没有明确体现在输入、输出文件中，本例把重量等效转换为梁的截面积，并通过引入虚拟设计变量的方法建立了其与优化变量的关系。

6.11 多学一招—ANSYS中结果输出方法

根据1.2所述，在iSIGHT集成优化中，所继承软件每次迭代后输出有关变量的计算结果以文件的形式进行输出是确保集成成功的关键。因此，在选择集成软件时应该

在ANSYS中，在命令流文件中一般可采用如下几种方法进行结果的输出。

6.11.1 通过文件写入

在后处理中用*get等命令获取相关优化变量的值，并通过*vwrite命令写出，本案例的相应的操作为：

ALLSEL

NSORT,U,Y ,0,0,ALL

*GET,MAX_N,SORT,0,IMAX ！获取应力最大的节点号MAX_N

*GET,DY,NODE,MAX_N,U,SUM！获取MAX_N节点的应力值单元DY

*cfopen, craneout,lis ！建立、并打开文件

*vwrite,DY ！把变量DY写入文件

(f8.1) ！数据写入格式

*cfclos ！关闭文件craneout.lis

在后处理中，*VGET命令几乎可以获得所有的结果值，同时要再结合循环等命令该方式可以几乎获取任何形式的计算结果，所以该方式的适应性最强。

注：*vwrite命令不能在ansys的命令输入行里边直接运行，必学通过

6.11.2 单元表操作

在后处理中，定义相关单元表，并通过单元表的打印输出相关优化变量的值，本案例的相应命令为：

/OUTPUT,'craneout','lis','D:\RecentPaper\IsightReferenceBook\casedebug\crane\' ！定义输出方式，设置输出文件信息

AVPRIN,0, , ！单元表选项设置

ETABLE,DEF,U,Y !定义单元表DEF

PRETAB ! 单元表输出

该方式是通过单元表的操作输出单元的计算结果，因此该方式尤其适合于对模型整体量的输出，如模型的质量、总应变能等。

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iSIGHT: 第五章模压强化工艺优化

2012-04-18T14:11:00Z

5.1 工程背景与概述

孔边强化工艺在孔表层产生残余压应力，可显著提高含孔构件的疲劳强度，增加构件疲劳寿命。强化的效果主要取决于强化后的残余应力场，其大小和分布对构件抗疲劳性能有着重要的影响。因此，强化时如何合理设置诸工艺参数，产生理想的残余应力场一直是工程技术和研究人员所研究的重点内容。

本课题在王生武教授提出的一种新型孔边模压强化工艺（以下简称模压强化）的基础上，结合前期的实验工作，利用有限元方法对该工艺进行了系统地分析研究，主要包括以下几个方面内容：

（1）利用MSC.MARC软件建立了模压强化工艺过程的有限元模型，采用弹塑性大变形有限元分析方法对其进行了数值仿真。

（2）建立了模压强化的优化数学模型，以iSIGHT软件为平台，孔边周向残余压应力为目标函数，压入量、压模倾角以及摩擦系数等为变量对强化工艺进行优化分析，得到了模压强化的最优设计，从而为模压工具设计及工艺参数设定提供了参考。

5.2 优化问题描述

5.2.1 模压强化工艺简介

5.2.1 试样几何图

图5.2.1为工件几何尺寸图。锥形压模在压力机的作用下，慢慢地压向构件的一边，达到指定位置后保持一段时间以使孔边得到充分地塑性变形,如图5.2.2（a）所示；然后压模后退，构件上下面翻转180⁰后对另一面进行模压而形成残余应力场，工艺过程如图5.2.2（b）、（c）所示。图5.2.2（d）为模压后的最终状态。

5.2.2 模压工艺示意图

5.3 集成软件的选择

由于模压强化工艺过程集材料、接触与几何非线性为一体，且大的塑性变形可能导致单元发生畸变，导致有限元分析因不收敛而失败。根据模压强化工艺的特点，鉴于MSC.Marc强大的三维网格重划分功能，我们选择MSC.Marc做为有限元数值分析软件进行集成优化。

5.3.1 MSC.Marc驱动格式介绍

大多数计算机上都安有便于MSC.Marc运行的脚本语言程序，该程序对任务进行提交且自动处理所有的指定的文件。脚本语言命令需在能调用与MSC.marc任务有关所有输入、输出文件的路径下执行，另外每个MSC.marc任务都需要有一个独立的名字，且该任务相关的所有输出文件都使用该名字（文件格式不一样，即后缀不一样）。

在提交分析任务的时候，可以使用如下命令格式：

run_marc A₁ B₁ A₂ B₂…

其中，A_i为关键词，B_i为选项，它是与关键词相对应的内容。常见的关键词解释如表5.3.1所示。

表5.3.1 MSC.Marc驱动命令常用关键词解释

关键词	选项	解释与描述
－jid	job_name	输入文件的名称
-prog (-pr)	progname	指定的子程序名称
queue (-q)	Background、 foreground	程序运行模式，"background"为后台运行，而"foreground"则为前台运行；
-dir	directory_nam	程序输入/输出的路径
-back (-b)	yes no	运行模式转换：在后台运行程序；在前台运行程序

例：

run_marc -jid e2x1 在后台运行任务e2x1

5.4有限元计算模型介绍

本章的目的是让读者在上一章水杯优化的基础上，对iSIGHT集成优化有个更深入地了解，所以本案例对优化模型进行了简化。本案例分析对象为无限大板单面模压过程，所以可简化为二维轴对称进行分析。图5.4.1为完整的系统网格模型，由工件、工作台和压模组成。压模简化为刚体，同时在压模和板之间建立接触单元以传递接触面间的压力，同时也允许接触面之间出现间隙。

图 5.4.1模压系统网格

5.5 模压强化优化模型

5.5.1 优化系统结构特点

模压强化问题在优化环节上具有以下特点：

1．模压工艺优化设计问题是非线性优化问题。由于模压强化过程涉及材料、几何和接触非线性问题，使得模压强化的有限元分析呈现出高度的非线性；

2．多峰性，存在多个局部极值点。

5.5.2 目标函数选择

孔边强化可以显著提高含孔件的疲劳强度和使用寿命，其主要因素是强化引入的残余压应力。残余应力既有平均应力（抵消一部分外载荷）的作用，又有改变裂纹形核地点、抑制裂纹萌生和扩展的作用。根据含孔件疲劳破坏特点，我们把孔边周向残余压应力作为目标函数。

5.5.3 设计变量的选择

根据模压强化工艺特点，我们选择压模倾角、压入量为作为优化设计变量。

5.6.4 优化模型

模压强化优化问题可以用以下的非线性规划模型表示：

是设计变量，为模压量、压模倾角；

是目标函数，为模压后的周向残余应力；

、是优化问题必须满足的不等式约束及等式约束，包括几何约束、结构约束等。对于有约束的优化问题，通常需要转化为无约束的优化问题求解，也即把约束作为罚函数加到目标函数上构成增广的目标函数。

5.6.5 优化算法的选择

根据模压强化的工艺特点，在优化时采用iSIGHT自带遗传算法（GA）和序列二次规划算法的组合优化策略，即先用遗传算法对整个设计空间进行探索，并以此得到全局最优解，在通过逐次二次规划算法对其进行反复迭代和更新来逐步逼近精确的全局最优解。

提示：为了体会一下优化算法的重要性，建议读者可以单独使用序列二次规划法进行一次优化分析，看看会出现什么现象，并考虑为什么！

5.7 输入、输出文件格式及其分析

本案例MSC.marc的输入、输出文件分别为YouHua_job1.dat和YouHua_job1.out。下面我们分别就输入、输出文件格式进行分析。

5.7.1 输入文件格式分析

本案例优化时有两个优化变量，一个使压模倾角，另一个是模压量，其在输入文件中的位置与格式如图5.7.1所示。接触分析中把压模简化为刚体，MSC.Mac在模型信息文件中给出的是压模的几何信息，即每个压模仅给出其端点坐标，如图5.7.1（a）所示。

通过对在输入文件解析可以得知该文件中并不存在压模倾角的直接信息，所以需要建立压模倾角和压模端点坐标之间的关系以实现对压模倾角信息的修改。图5.7.2为压模倾角与压模端点关系示意图。

（a）压模倾角在输入文件中的位置与格式

（b）模压量在输入文件

图 5.7.1 优化变量在输入文件

图5.7.2 压模倾角与压模端点间关系

由图5.7.2可以得出点端点、与压模倾角间的关系式：

（4.1）

式中，H₀为孔的半径，本例中为4；H₃为工件厚度，本例中为6。

分析中模具的压入是通过对压模施加速度载荷来模拟，在本例中压模在模压阶段的速度为-2.5mm/时间单位，单面模压对应的时间为0.4个时间单位，相应的模压量为1.0mm。压模速度在输入文件中位置及其格式如图5.7.1（b）所示。

5.7.2 输出文件格式分析

目标函数在结果文件YouHua_job1.out中的位置与格式如图5.7.3所示。图中所标识出来的"min second comp. of stress"即为模型中最小的轴向残余应力，而其后边的数值即为本次计算的目标函数值。

图5.7.3 输出文件格式

5.8 iSIGHT集成优化

采用iSIGHT平台集成优化问题的流程，总共包括软件集成、优化建模、优化任务设置、任务分析与进程监控和结果分析五部分。下面对每个部分分别进行叙述。

5.8.1软件集成

5.8.1.1 添加集成代码

本案例用的软件为MSC.Marc，所需要的求解器的可执行文件为run_marc，它的位置为"D:\MSC.Software\MSC.Marc\2005\marc2005\tools"。而在运行软件的时候，我们还需要指定模型信息输入文件（YouHua_job1.dat），所以总的求解驱动命令为：（路径）run_marc -jid YouHua_job1.dat。

具体的操作方法与水杯优化相同，在此不再赘述。代码添加设置如图5.8.1所示。

图5.8.1 集成代码添加设置

5.8.1.2输入文件解析

输入文件格式及优化变量在文件中的位置如5.7所述。由于压模的几何信息出现在接触体定义区，且前面有唯一的标识"$....contact body 2: DieUp"，且在整个分析过程中文件保持稳定，因此在输入文件解析时采用先通过搜索找到字符"$....contact body 2: DieUp"，然后在让光标移动到所需要替代的变量值前面，相关设置如图5.8.2所示。

图5.8.2 压模几何信息分析

在压模倾角变量解析完后，下面进行压模速度的解析。在策略上我们采用与压模几何信息解析相似的方法，即先采用搜索的方法找到"$....end of loadcase ContactUp"，再把光标移到所要替代变量值的前边（注：光标移动的方向要选"Backward"），相关设置如图5.8.3所示。

由图5.7.1可以看出，在输入文件中每项信息都占有固定的区段，每项数据都以科学计数法方式描述，且占有20固定长度的字段。所以，文件解析时数据替代格式为13.12e，相应设置如图5.8.4所示。

图5.8.3 压模速度分析

读者在做练习的时候，可以发现在正确地变量替换后文件中原来的值被阿拉伯数字代替，其值为变量的排序值，而格式就是用户所设置的数据替代格式，据此读者可以判断相应地替代是否正确。

另外，细心的读者还会发现我们在进行数据替换的时候都没有对变量值前面的符号进行替换，一方面是为了让数据替代格式尽量统一；另一方面是因为有些变量的符号仅仅表示方向，如速度，在保证模型信息正确地前提下忽略符号更符合人们的习惯。

5.8.1.3输出文件解析

输出文件格式及目标函数值的位置如5.7所述。在进行非线性分析的时候，每次平衡迭代后都会输出一个求解结果信息，输出文件在集成分析整个迭代过程中是不稳定，因此在文件解析制定光标动作时采用纯粹的绝对位置已不可能。经过对输出文件仔细分析后，发现虽然我们的目标函数值在文件中的位置时有变化，可由于我们所需要的结果为最后一次平衡迭代后输出的结果，而其与文件结束标志之间的位置是固定的。所以，我们的策略是先让光标移动到文件的末尾，然后再向前移动到目标函数值的前端，相关设置如图5.8.5所示。

图5.8.5 输出文件解析设置

由于软件只需要对目标函数值进行读取和存储，所以数据读取采用默认格式即可，相关设置如图5.8.6所示。

5.8.2 参数计算

通过5.8.1我们已经完成了软件代码添加和文件解析工作，如果是一般优化问题这时就可以进行优化建模工作了，可是对于本案例还需要一步重要的工作去做。

通过以上分析，我们知道本优化案例中的压模倾角并没有直接体现在模型信息文件中，所以我们要做的工作就是在压模倾角和相关模型信息之间建立起关系式，通过该关系式来完成对模型信息文件的修改。

5.8.2.1 添加参数

在参数运算之前，我们首先需要定义相应的压模倾角参数（ANGEL）。

点击过程集成界面工作栏上的参数按钮，则弹出如图5.8.7所示对话框。点击图中的"Add"按钮，参数"OBJ"下面的一行被激活，用户可以在"Task Task1"一栏中输入所添加变量的名称"ANGEL"，然后确认返回过程集成界面。

5.8.7 参数添加对话框

5.8.2.2添加参数运算块

点击过程集成界面的计算图标，则在工作界面的右半部分出现计算块。点击计算块的内容按钮，则弹出如图5.8.8a）所示的计算用户界面。

取H₁＝3，H₂=0.5,则有公式（4.1）可得

（5.1）

关系式的建立步骤如下：

点击"All Parameters"下面的参数"X1"，则在上面的框中出现"X1＝"字符；

用鼠标点击"X1＝"后面的空白处激活该界面，输入"4+3.0*"，然后从"All Functions"标签下面选择点击反正切函数"cot（）"，最后从"All Parameters"标签下面选择参数"ANGEL",第一个关系式定义完毕。另一个关系式，定一方法完全相同，最终如图5.8.8 b）所示。
a）初时界面
b）添加完毕界面
图5.8.8 计算用户界面

关系式添加完毕后返回过程集成界面，如图5.8.9所示。
图5.8.9 添加计算块后的集成界面
由图5.8.9的流程图可以看出，iSIGHT软件在调用集成软件进行计算之前，先执行参数运算块计算工作。图中，数据流在参数运算块上方分叉，一支经过参数运算块传到集成代码块（对本例而言，包括参数X1、X1和ANGEL），而另一支则绕过运算块直接传递到集成代码块，形象地表明数据的流程。
5.8.3 优化建模
在参数设置窗口（Parameters）中，设定初始值的约束条件和目标函数。其中，压模倾角θ在20⁰到60⁰之间变化，压入量h在1.25到7.5之间变化；目标函数σr，越小越好，如图5.8.10所示。
图5.8.10 优化参数设置
5.8.3 优化任务设置
由以上分析可知模压强化分析具有多非线性和多峰性特点，因此在选择优化算法的时候必须考虑这些因素我们采用了iSIGHT中遗传算法（GA）和序列二次规划算法的组合优化策略，即先用遗传算法对整个设计空间进行探索，并以此得到近似全局最优解，然后通过逐次二次规划算法对其进行反复迭代和更新来逐步逼近精确的全局最优解。
图5.8.11优化算法设置图
优化算法设置如图5.8.11所示。
5.8.4数据库选项设置
与前述方法相同不再赘述。
5.8.5 任务分析与进程监控
与前述方法相同不再赘述。
5.9优化结果及其分析
本文利用了iSIGHT优化平台集成MSC.Marc软件来对模压强化工艺进行优化计算，整个过程共经历了122个循环，优化历程记录如图5.9.1所示。从图5.9.1可以看出所对应的目标函数（R）在循环中相对来说变化较大。

a) 优化前
b）优化后

表5.9.1 优化前后性能参数比较
工艺参数
模压量（h）
压模倾角（J）
目标函数（R）
优化前
1.0
45⁰
-140.7
优化后
1.7
46.8⁰
-228.5

在孔直径为8的时候，经优化后得到的最优工艺参数为：模压量为1.7，压模倾角为46.80，最大残余应力比设计初始值降低了62.41%。优化前后参数值如表5.9.1所示。由图5.9.1可以看出，经过优化后的残余压应力得到较大幅度提高的同时，孔周围的应力梯度也相应地变小，这对工件的疲劳性能提高是有利的。
5.10 工程优化点评与提高
本章通过ISIGH集成MSC.MARC软件对模压强化工艺进行了优化。在优化过程中由于压模倾角信息并没有明确体现在输入文件中，本例通过对模型输入文件（*.dat）的分析，通过引入虚拟设计变量建立了几何信息与压模倾角的关系式，从而保证了几何模型正确性，并确保了计算效率。

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iSIGHT: 第四章 iSIGHT优化入门

2012-04-18T14:10:00Z

4.1 iSIGHT优化基本问题

4.1.1 iSIGHT集成软件的条件

从一般意义上来说，只要是可执行文件（*.exe、*.bat）iSIGHT都可以进行驱动。但是为了实现优化过程的自动化，要求所集成的数值分析软件能进行后台求解计算，且要有明确包含优化变量的输入、输出文件。

4.1.2 常用的输入文件的类型

就目前市面上的数值分析软件而言，有以下两类文件可以作为输入文件：

模型信息文件

如上所述，数值分析软件一般分为三个模块，在数值建模结束后前处理程序便生成一个模型信息文件做为求解模块的输入文件，该模型文件包含了数值模型的各种信息，因此在优化的时候该文件便可以当作输入文件。如，MSC.MARC的*.dat文件，LS—DYNA的的*.K文件等。

命令流或过程记录文件

为了实现参数话建模与分析，好多数值分析软件中在提供菜单操作的同时也提供了相应地命令操作，并且可以把命令编程文件进行读入建模和分析，该文件常称为命令流文件。另外，一些软件可以自动记录用户的每一步操作，并能输出相应地命令流文件，软件也可以读入该文件实现建模和分析，该命令流文件习惯称之为过程记录文件。

在使用模型信息文件当作输入文件的优化过程中，优化中在每次迭代过程中没有了建立模型的环节，因此其效率相对较高！而在用命令流或过程记录文件当作输入文件的优化中，在每次迭代分析时都从建模开始，故其计算所需要的时间相对较长。然而，正是由于其每次迭代分析时都是从头开始建模分析，所以在相关变量的优化设计中，由于对模型信息文件的修改往往不能正确地反映模型的变化，故这时候就需要过程记录文件做为输入文件。

4.2 iSIGHT集成优化的一般步骤

在工程上利用iSIGHT进行集成优化一般包括前期工作准备、过程集成、变量与算法设置以及过程监控与结果分析等步骤。

4.2.1 前期准备工作

在集成优化之前的准备工作主要包括数值分析软件选择、初始计算以及熟悉相关文件等。

根据优化问题所要求的分析与求解任务，选择合适的数值分析软件进行优化设计计算。在选择集成软件时应该考虑以下几个原则:

（1）软件的功能。这是首要的问题，应透彻了解所选软件是否具备所需要的功能，并满足iSIGHT集成软件的要求。

（2）前、后处理功能。这是很重要的，关系到是够易于操作，一定程度上也是计算成功与否的重要决定因素。

（3）软件所要求的环境及计算机配置。这也是软件正常运行所必需的，当然，软件的价格也要加以考虑和比较。

在选择好数值分析软件后，往往需要在所要集成的数值分析软件里边进行一次初始模型计算，以便生成下步软件集成所需要的输入、输出文件。

在进行下一步软件集成之前，要熟悉所集成软件求解的驱动命令，输入、输出文件的格式，要明确设计变量参数、目标函数值在输入、输出文件中的位置及其数据格式等。

4.2.2 iSIGHT软件集成

这部分工作就是要设置iSIGHT集成软件代码，指定所集成软件的输入、输出文件，并指定iSIGHT修改或读取输入、输出文件的位置与格式。

4.2.3设计变量与算法设置

又称数学建模，其主要内容有优化变量设置、优化方法与策略选择。该部分是优化设计中的核心工作，尤其是优化方法的选择，它关系到优化计算的效率的高低甚至成败，所以在分析的时候一定要根据工程实际问题具体特点合理设置优化算法。

4.2.4 求解与结果分析

在集成优化过程中，iSIGHT软件提供了让用户实时监控优化过程的功能，它可以图表、曲线等形式形象地给出目标函数随设计变量的变化图形，并给出软件集成日值文件。

以上仅对iSIGHT集成过程进行了简单地解释与阐释，更详细的描述可参考以后章节。

4.3 iSIGHT优化入门—水杯优化

以下通过一个水杯优化的具体实例，详细地讲述了集成优化的各个过程的操作步骤，希望通过这个例子读者能够iSIGHT集成优化能够有个初步认识与掌握。

4.3.1 问题描述

注意过普通的水杯吗？底面圆圆的，上面加盖的哪一种。仔细观察一下，你会发现比较老式的此类水杯有一个共同特点：底面直径＝水杯高度。

图4.3.1 水杯的简化模型

为什么是这样呢？原因很简单因为只有满足这个条件，才能在原料耗费最少的情况下使杯子的容积最大。可不是，在材料一定的情况下，如果水杯的底面积大，其高度必然就要小；如果高度变大了，底面积又大不了，如何调和这两者之间的矛盾？其实这恰恰就反应了一个完整的优化过程。

4.3.2 问题假设与模型简化

根据经验，在材料一定的情况下我们可以认为水杯的成本与其表面积成正比，为了控制成本我们对其进行限值。所以我们的设计问题就是，在成本一定的情况下如何合理设置水杯的几何尺寸以获得最大容积。

上述问题用优化语言描述为：

Maximize V＝πR²H

S.t S＝2πRH＋2πR²<100

4.3.3 集成软件的选择

由于在本问题的优化过程中，只需要进行体积V与表面积S的简单计算，我们采用FORTTRAN编程生成可执行文件（cup.exe）来完成该工作。

在建立自己的优化任务之前，首先需要了解所要集成的数值分析软件，主要内容包括文件所在位置，驱动命令格式，输入、输出文件的格式及优化变量在其中的位置等。

在本次的练习中，由于所需要的计算比较简单我们采用FORTAN程序变成的可执行程序（Cup.exe）来完成所需要的计算，其内容如下：

program Cup

implicit none

real R,H,Area,V

character(len=20)::filenamein="InPut.txt",filenameout="OutPut.txt"

logical alivein,aliveout

inquire(file=filenamein,exist=alivein)

inquire(file=filenameout,exist=aliveout)

if(alivein .and. aliveout) then

write(*,*)"所需的文件存在！"

else

write(*,*)"所需要的文件不存在！"

end if

open(unit=10,file='InPut.txt')

read(10,"(15X,F12.9,/,15X,F12.9)")R,H

Area=2*3.14*R*H+2*3.14*R*R

V=3.14*R*R*H

open(unit=10,file='OutPut.txt')

write(10,"('The Area is:',F17.9,/,'The volume is:',F12.9)")Area,V

stop

end

本例中，所集成的文件为位于"D:\Cup\CupProgame"下的Cup.exe。可执行文件从输入文件为Input.txt中读入茶杯的几何尺寸值，计算茶杯的表面积与容积，然后把计算结果写道输出文件Out.txt中，其执行过程如下图1所示。

图4.3.2 Cup.exe执行流程图

4.3.4 iSIGHT集成优化

在建立集成优化工程问题之前，我们在D盘下建立了一个文件夹Cup用以存放优化过程中的数据文件。文件夹建好后把分析所需要的各种文件（对本问题而言，有Input.txt、Output.exe、Cup.exe及其相关文件）移到该文件夹下，复制Input.txt文件，并重命名为CupInTemp.dat。

提示：iSIGHT同大多数英文软件一样识别中文字符有困难，所以在文件命名的时候不能取中文名，也不能存放在中文路径下，否则编译时会出错！

4.3.4.1添加集成代码

启动iSIGHT软件后，便打开如图4.3.3所示的任务管理页面。由于我们还没有建立优化任务，所以该页面呈现空白状态。

图4.3.3 任务管理界面

图4.3.4 集成代码添加界面

2、点击图4.3.3中的过程集成按钮，则进入添加集成代码界面，并自动建立任务"Task1"，如图4.3.4所示。

3、点击图4.3.4工具条上的集成代码按钮，添加集成代码。一个名为"Simcode0"集成代码块出现在集成对话框右边的工作区内，如图4.3.5所示。

图4.3.5 添加集成代码后的界面

注释：为了便于叙述，以后我们用块来描述上图4.3.5右边的图标。

4、双击图4.3.5中的任务块，则显示出集成代码的内容，如图4.3.6所示。

图4.3.6 集成代码内容

在设计的过程中，我们需要设置所用软件的基本信息（位置与名称），制定iSIGHT软件调用该软件的规则，这样才能保证集成优化的顺利进行。

5、点击集成代码块左边的属性按钮，弹出代码属性设置对话框，如图4.3.7所示。

图4.3.7 集成代码属性设置对话框

图4.3.8 路径设置对话框

在图4.3.7中，"simulation code－（path and）name"文本框用来输入集成代码信息的，它包括集成代码名称与所处的位置；"Optional argument"选项是用来输入驱动集成代码辅助命令，这是因为有些数值分析软件在调用求解器的时候还需要辅助的命令来指定一些信息，如输入、输出文件名称等；"Elapsed time limit（seconds）"选项用以设置溢出时间，当软件调用的集成代码在该时间内没有求解结束时，则它认为系统出错，并结束任务。

图4.3.9 添加集成代码后的属性对话框

6、点击图4.3.7 中"文件菜单"，在随后弹出文件选择对话框中选择位于"D:\Cup\CupProgame"下的"Cup.exe"文件。

7、点击确认后弹出设置新任务路径对话框，如图4.3.8所示。

为了便于管理，我们在优化的时候往往单独建立一个与所集成代码位置不同的文件来存放优化数据，所以这时候软件就询问用户是不是把优化数据放在集成代码所在的文件夹下。如果，用户确认是的话就点击"yes"，若要放在另外的位置的话点击"No"然后制定该位置。

8、点击"No"，然后制定"D:\Cup"为本问题工作路径，则返回图4.3.9所示界面。

9、点击4.3.9图中的"OK"按钮，返回过程集成界面，如图 5.5.10所示。

从图5.5.10可以看到，集成代码块的名称改为"Cup.exe"

4.3.4.2定义输入文件

在集成优化中，仅仅定义集成代码信息往往是不不够的，这是因为iSIGHT软件需要按照优化算法以不同的R和H值多次调用集成代码，因此我们需要"告诉"iSIGHT如何对这些文件进行操作。

1、点击输入块"Input0"的属性按钮，则弹出输入属性对话框，如图4.3.11所示。

在制定iSIGHT软件修改输入文件规则之前，我们首先需要给它明确工作对象，即定义输入文件信息，主要包括输入文件名与存放位置等。

图4.3.10 添加集成代码后的过程集成界面

2、点击"Template File"文本框旁边的"File"按钮，然后再随后弹出的对话框中选择"CupPrograme"下的文件"CupInPutTempt.dat"，并确认。

3、点击"Input File"文本框旁边的"File"按钮，然后再随后弹出的对话框中选择"CupPrograme"下的文件"CupInPut.txt"，并确认。此时的输入属性对话框如图4.3.12所示。

图4.3.11 输入属性对话框

图4.3.12 设置好的输入属性对话框

点击图4.3.12中的"OK"，返回过程集成界面。相应地，此时的输入块被命名为"Input.txt"。

4、点击"Input.txt"块的内容按钮"Input.txt" ，弹出文件分析对话框，如图4.3.13所示。

我们注意到，图4.3.13左边的明细区为空白，这是因为我们还没有进行定义的缘故；而右边的工作区，显示的却是输入文件Input.txt的内容。另外，在右半部分有个图标，它代表了iSIGHT中的鼠标。

图4.3.13 输入文件分析对话框

下面我们就利用文件分析对话框建立内部命令，来"告诉"鼠标如何对输入文件进行修改。

5、用鼠标选中字符"The radius is："，则会弹出动作类型选择对话框，如图4.3.14所示。

图4.3.14 动作类型选择对话框

注意：在选择字符的时候，一定要包括冒号后边的空格。

从图4.3.14可以看出，标签搜索被激活，同时刚才所选择的字符"The radius is："也出现在"Search for"文本框里。图中的，"Direction"选项用来定义鼠标的移动方向。

6、点击图4.3.14中的"Apply"，相当于我们"告诉"鼠标移动到字符"The radius is："的后面。

图4.3.15 替代标签内容

7、激活"Replace"替代标签，其内容如图4.3.15所示。

8、点击左上方"Replace Next Word"前边的方框，也就是让软件对字符"The radius is："后边的数值进行替代。

9、在"With"文本框中输入:Radius,并确保"Direction"中"Forward"被选中，确认后返回输入文件分析对话框，如图4.3.16所示。

图4.3.16输入文件分析对话框

从图中我们可以看出，左边动作明细区列举了我们所定义的鼠标动作，而右边同时显示出了这种变化。

5～9的作用就是让iSIGHT在输入文件中搜索字符"The radius is："，然后用变量"Radius"的值去代替字符"The radius is："后面的数值，从而完成了对输入文件中水杯半径尺寸的修改。

对水杯高度的修改规则的制定与上述方法相同，再次不再赘述。最终结果如图4.3.17所示。

图4.3.17 输入文件分析最终界面

图4.3.18 输出文件属性设置对话框

10、点击图4.3.17中"File"文件菜单下的"Save（need）"按钮进行保存，然后点击同一菜单下的"Close"按钮返回过程集成界面。

以上我们完成了对输入文件的分析，下面我们对输出文件进行相应地设置，以"告诉"iSIGHT如何对它进行操作。

4.3.4.3 输出文件分析

1、点击输出块"Output0"的属性按钮，则弹出输入属性对话框，如图4.3.18所示。

2、点击图4.3.18中的"File"按钮，然后再随后弹出的对话框中选择"CupPrograme"下的文件"OutPut.txt"，并确认后返回过程集成界面。

3、点击"OutPut.txt"块的内容，弹出文件分析对话框，如图4.3.19所示。

4.3.19 输出文件分析界面

4、用鼠标选中字符"The Area is:"，则弹出如图4.3.20所示的对话框。

图4.3.20 动作类型选择对话框

5、点击图4.3.20下边的"Apply"。

6、点击图4.3.20上边的阅读标签，其内容如图4.3.21所示。

图4.3.21 阅读标签内容

7、在"Store into Parameter"文本框里面输入：Area，并点击"OK"确认后返回文件分析对话框如图4.3.22所示。

图4.3.22 输出文件分析对话框

4～7的作用就是，让软件在输出文件中搜索字符"The Area is:"，然后读取其后边的数值并赋值给变量"Area"。

图4.3.23 设置完后输出文件分析对话框

对结果文件中另外一个值的操作规则的制定与上述类似，在此不再赘述。最终的输出文件分析对话框如图4.3.23所示。

8、点击图4.3.23中"File"文件菜单下的"Save（need）"按钮进行保存，然后点击同一菜单下的"Close"按钮返回过程集成界面，如图4.3.24所示。

图中的箭头表示在一次迭代计算中的数据流向，双击块"Input.txt"块上面的箭头，则会出现图4.3.25a）所示的数据流对话框。图a）表示T软件把参数"Heihgt"和"Radius"送到输入文件"Input.txt"中。

以上我们完成了过程集成的所有工作。

图4.3.24 过程集成界面

a） b）

C） d）

4.3.25 数据流窗口

4.3.4.4优化变量与算法设置

我们以完成软件集成与数据流定义，下面将通过变量对话框、任务方安设置和数据库对话框来进行优化变、量算法及其一些辅助选项设置。

1、点击任务管理界面工作条上的"Parameters"按钮，变量对话框，如图4.3.26所示。

图4.3.26中，"Obj"为目标函数选项，用来设定目标函数及其性质；"type"用来设置优化变量的类型，包括整数型、离散型和离散型；"Upper（Lower）bound"用来定义变量的上（下）限值；而"Current Value"用以设置变量的初值。

2、点击"Obj"列与"Volume"行交汇处的灰色按钮，则灰色按钮变为一个向下的箭头（箭头向下，表示希望在这个变量的值越小约好），再点击一次则变成一个向上的箭头（表示希望在这个变量的值越大约好）。

3、点击变量"Area"所在行与"Upper Bound"栏相交处左侧的灰色块，它变为，并在其右侧栏内输入数值：100。

图4.3.26 变量设置界面

5、分别在变量"Radius"所在行里输入其初值与上下限值，分别为：0.5，0，10。

图4.3.27 优化变量设置图

6、分别在变量"Height"所在行里输入其初值与上下限值，分别为：0.5，0，10。

经过上述设置后，各变量如图4.3.27所示。

变量设置好后，下一步便是选择优化方案了。

1、点击任务管理界面工作条上的任务方案按钮，则弹出任务方案对话框，如图4.3.28所示。

在图4.3.28中，图的左侧任务方案明细区；图右侧上部为任务设定区，而下边为优化算法明细区。

本例目的是寻找能使水杯容积最大的设计尺寸，所以任务选择"Performance"块中的"Optimization"。

另外，由于我们的问题比较简单，所以使用软件推荐的算法完全能够获得理想的结果。

2、任务选择"Performance"块中的"Optimization"，并点击下边的"OK"确认后，返回任务管理界面。

图4.3.28 任务方案对话框

4.3.4.5数据库选项定义

在设计探索计划执行过程中，设计问题的分析过程会产生大量数据。这些数据可以保存在iSIGHT数据库文件中，而数据库文件可以自动产生也可以由用户指定路径，这样就大大增强了操作和管理灵活性，极大的降低了获得较优的可行设计方案所需的时间。

图4.3.29 数据库设置对话框

可以通过以下步骤进行数据库设置：

1、点击任务管理界面工作条上的"Database"按钮，则弹出图4.3.29所示的数据库设置对话框。

图4.3.29中，"Database Mode"选项用来设置迭代中数据库保存格式，其中"Append"为延续模式，而"Overwrite"为覆盖模式。"Database Storage Option"选项用以设置数据存储内容与格式。

2、在"Select Database File Name"文本框里输入数据库名：Cup.db。

3、点击图4.3.29下方的"OK"按钮，则返回任务管理界面。

4.3.4.6过程监控设置

1、点击任务管理界面工作条上的"Monitor"监控按钮，则弹出如图4.3.30所示的监控设置对话框。

图4.3.30 监控设置对话框

我们想了解在设计搜索的过程中各设计变量的变化情况，因此只需要用表格的形式列出各变量的值即可。

图4.3.31 插入表对话框

点击图4.3.30工具条中的"Table"表，则弹出图4.3.31所示的插入表对话框。

3、选择"Table Type"选项下边的"Custom"，并点击"OK"确认后返回监控设置对话框，如图4.3.32所示。

图4.3.32 插入表后的监控设置对话框

4、用鼠标右键点击表"Custom table"，在随后弹出菜单中选择"Fit to Window"选项，则最终的监控界面如图4.3.33所示，

图 4.3.33 过程监控界面

4.3.4.7执行计算

在执行计算之前，我们需要先对文件进行一下保存。

1、设任务管理界面为当前界面，点击"File"菜单下的"Save"按钮进行保存。

2、点击任务管理界面工具条上的"Execute"执行按钮，则任务开始执行。

3、重设任务监控界面为当前工作界面，就可以实时观看设计搜索的过程了。

经过76次调用Cup.exe后，分析结束，最终的监控界面如图4.3.34所示。在求解结束的同时，系统弹出执行结果报告，如图4.3.35所示。

图4.3.34求解结束时监控界面

注：图4.3.35中的最有一次求解结果并不一定是最优结果。

图4.3.35 任务执行结果报告

4.3.4.8最优解的查看

我们求解的目的就是获得能使水杯容积最大的半径和高度尺寸，所以求解结束后我们需要知道与最优解相对应的这些变量的值。查看的方法主要有以下两种：

1、通过图4.3.35的任务执行结果报告进行查看；

2、通过点击任务管理界面上的参数按钮进入变量设置对话框进行查看。本例任务结束后的参数设置对话框如图4.3.36所示。图中各参数对应的值即为与最优结果相对应的最优解。

图4.3.36 任务结束后的参数设置对话框

4.4.3 结果分析与评估

一个设计方案最根本的要求是可行，在可行的基础上才有最优可言，所以对于优化问题我们一定要对所获得最优解的正确性、可靠性进行评估。

对于本例而言，用数学方法完全可以求出其精确解为，下面我们就对其进行求解。根据实际经验我们的优化模型等价于下述模型：

（1）

（2）

由（2）式可得，

（3）

把（3）带入（1）式整理得：

（4）

对于式（4）为多项式的极值问题，通过对其求导可以得到取最大值时的半径直：

（5）

把式（5）带入（3）可解得H≈4.6743。

而我们用iSIGHT所获得相应的最优变量值为2.3041与4.6067，两者的相差分别为0.0086％、1.446％，可见iSIGHT优化结果完全可靠！而，就给我们开始的问题一个答案。

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iSIGHT: 第三章 iSIGHT软件界面与菜单介绍

2012-04-18T14:07:00Z

3.1 iSIGHT软件的启动

在介绍软件的界面与菜单之前，首先介绍一下iSIGHT软件的启动方法。在Windows操作系统下，用户可以通过以下方式进行iSIGHT软件：

■ 双击桌面iSIGHT软件快捷方式图标；

■ 在DOD命令提示iSIGHT软件安装路径下输入"iSIGHT"；

■ Windows2000：依次点击"开始菜单"®"程序"®"iSIGHT 8.0" ®"iSIGHT"；

■ WindowsXP：依次点击"开始菜单"®"所有程序"®"iSIGHT 8.0" ®"iSIGHT"。

在DOS命令行里面输入命令是启动iSIGHT软件最基本的方式。它可以打开软件的"任务管理"窗口，尽管并不能加载任何任务。常用的命令格式与选项可参见附录A。

需要注意的是在输入命令的时候，如果需要输入任务描述文件的话其它选项应该放在前面。

■ 正确输入：

isight -I beam.desc

■ 不正确输入：

isight beam.desc –I

3. 2 iSIGHT软件图形界面总论

iSIGHT软件提供了强大的用户界面，通过图形化工作界面，用户可以进行产品设计的过程设计、优化设计处理和自动化求解以及结果分析等所有工作。纵观iSIGHT软件，其图形话界面可以任务管理、过程集成、问题定义、过程监控及结果分析四个模块。每一个功能模块都强调了设计研究中所需要的集成、自动化和过程监控步骤。软件中的每一个接口模块都是独立的部分，它们分别通过iSIGHT解析器与客户/服务器模式下的其他部分通信。

iSIGHT中各种图形界面分类如图3.2.1所示。先对各主要功能模块的作用进行简单介绍。

3.2.1 任务管理界面

在iSIGHT中，任务管理界面为各模块的集成界面，它为设计问题的图形描述。在多层次、多模块的任务中，该模块还有助于用户了解各部分之间的相互关系，有利于交互使用各单一层面上的设计任务，或者多层次、多模块设计任务中各子任务之间的相互转换。

在iSIGHT中，任务管理是唯一可以访问软件所有模块的入口。任务管理负责控制设计学习的执行。用户通过任务管理可以引导、管理任务的执行过程。对于特定任务，可以通过必要的处理措施和优化策略来实现学科交叉分析和耦合，达到任务基础上的设计控制和管理。图3.2.2为典型的任务管理界面。

图3.2.1 iSIHGT软件界面分类

3.2.2 过程集成界面

过程集成模块可以方便用户快速集成多学科、不同编程语言和各种仿真代码。通过该界面，用户可以完成数据流与控制流的可视化设置，同时借助可视化的任务管理和过程集成视图，可以方便地实施任务导航和任务操作。图3.2.3为典型的过程集成界面。

图3.2.2 任务管理界面

图3.2.3 典型的过程集成用户界面

3.2.3 文件分析

在iSIGHT集成优化的过程中，iSIGHT需要不时地根据优化算法修改分析模型，然后调用集成代码进行求解计算，通过对求解结果文件的分析进行判断是否达到了最优，如果已经是最优则停止计算，否则继续进行修改模型进行求解。为了分析过程地顺利进行，我们必须"告诉"iSIGHT在迭代求解的过程中如何进行修改输入模型文件，如何对求解结果进行读取，也即制定iSIGHT对输入、输出文件进行操作的规则。以后，我们称该过程为文件分析。图3.2.4为典型的文件分析界面。

图3.2.4 文件分析界面

3.2.4 优化参数设置界面

在iSIGHT中，优化参数包括设计变量、约束变量和目标函数三种。参数的设置就是对工程优化问题进行建模的过程，它是整个问题求解的前提。参数设置界面提供了类似电子表格形式的操作风格，方便用户快速定义设计问题。图3.2.5为典型的参数设置界面。

图3.2.5典型参数设置界面

图3.2.6 任务设置界面

3.2.5 任务设置界面

优化模型建立以后，要根据该模型的特点同时考虑计算效率，对优化任务进行合理设置，主要包括制定分析类型和选择计算方法。图3.2.6即为任务设置界面。

3.2.6 过程监控与结果分析设置界面

大多数设计学习软件的一个通用的缺陷是：用户无法对计算的过程进行监控，要等算法程序结束后才可以执行结果分析，用户面对的就是一个"黑匣子"，缺乏可视化的方法来实施监控设计计算的过程和运行状态。而iSIGHT软件有效克服了这一不足，在产品探索分析过程中，用户可以实时监控运行过程，可以以图表、曲线等多种方式显示各参数的动态变化，并且提供了方便的控制手段和管理模式。图3.2.7为典型的过程监控与结果分析设置界面。

以上对iSIGHT软件的用户图形界面进行了总体介绍，下面就对一些主要功能模块的工作界面进行详细地阐述。

图3.2.7过程监控与结果分析设置界面

3.3 任务管理界面

3.3.1 界面总览

图3.3.1为任务管理界面。读者需要注意的是图3.3.1为标准配置下的工作界面，在不同的设置下可能有所区别。

下面将对图1中各部分的功能进行详细地介绍。

图3.3.1 任务管理模块界面

3.3.2 主菜单

主菜单由如下菜单组成：

¨文件（File）

¨编辑（Edit）

¨视图（View）

¨控制（Control）

¨执行（Exection）

¨工具（Tool）

¨帮助（Help）

3.3.2.1 文件菜单

文件菜单内容如图3.3.2所示。图中"Project Viewer"选项用来打开工程文件浏览器对话框，列出当前工程相关的所有文件进行。菜单中其它选项与大多数软件的无异，在此不再赘述。

注：在菜单中往往在选项名称后面带有一些符号，先对一些符号的意义说明如下。

"…"：表示点击该选项后将弹出一个对话框；

""：表示点击该选项后会弹出一个子菜单；

"N"：在菜单选项字母中的下划线标识，表示组合键"+N"为该选项的快捷键。

3.3.2.2 编辑菜单

编辑菜单提供了用户对工程任务和用户界面设置进行修改的各种选项，通过各选项用户可以方便地对各项设置进行修改。

"Process Intergration…"：点击该选项进入过程集成界面，用户可以对过程集成的各种设置进行修改；

"Parameters…"：点击该选项进入参数设置界面，用户可以对参数设置进行修改；

"Preference…"：点击该选项用户可以对当前的界面设置进行修改。

其余两项作用类似，在此不再赘述。

3.3.2.3浏览菜单

该菜单的功能是对当前有关设计任务的一些信息进行浏览，主要选项功能如下：

"Solution Monitoring…"：启动过程监控设置；

"Task Summary…"：打开任务总结对话框，显示示了任务信息，包括运行模式、设计变量、约束以及目标函数等信息；

"Tasks in Text Form"：打开用多学科优化语言描述的任务描述文件对话框；

"Execution Results Summary"：打开描述任务执行信息对话框；

"Log File"：在任务管理界面的下部打iSIGHT日志文件。

3.3.2.4 控制菜单

顾名思义，该菜单的功能是对工程任务进行控制，主要选项如下：

"Select All Tasks"：选择各任务中那些处于上层的任务；

"Dselect All Tasks"：取消对各任务中那些处于上层任务的选择；

"Enable Parallel Subtasks"：激活所定义的并行代码块中多定义的并行计算；

"Task Distribution"：打开分布式运算对话框，对子任务与集成代码进行监控；

"Enable Parallel Techniques"：在适合的情况下激活并行计算处理；

"Parallel Techniques Options"：打开并行运算选项对话框，可以对并行计算进行设置；

"Rules Single Step for Selected Task"：在iSIGHT与用户之间切换执行控制模式。默认控制模式是软件计算分析过程中自动化运行、处理，而不需要用户的干预；而通过该选项的控制模式转换后，用户就获得了过程干预的能力。

"Enable Checkpoints"：该选项允许用户对一个需要长时间运行的探索过程进行保存和读取，以便发生以外中断后

"Recover Checkpoints"：覆盖原来的检查点信息。

3.3.2.5 执行菜单（Execution）

该菜单提供人任务执行选项，其各选项的功能如下：

"Execute Selected Task"：执行所选定的设计任务，功能与工具条上的"执行"按钮相同；

"Pause Selected Task"：停止设计任务，一直到选项"Continue Selected Task"被激活为止；

"Continue Selected Task"：继续执行被暂停的设计任务；

"Stop Selected Task"：终止所选定任务的设计分析工作；

"Trade－off Excution…"：打开"Trade－off"分析对话框，对正在进行的"Trade－off"sets进行执行、停止、编辑等操作；

"Inspector/Debugger…"：当激活该命令后，在弹出的对话框中列出用户所选择的任务。用户可以通过点击它旁边的修改按钮来选择其它的任务。

"Stop All Tasks Immediately"：立即结束目前所有执行的任务，与"Stop Selected Task"不同的是该选项并不对最有设计的信息进行保存。

"Stop At End of Run"：当前循环迭代结束后终止任务分析；

"Restore Best State"：获取先前迭代分析中最优设计信息；

"Unset Best State"：清除先前迭代分析中的最优设计信息，如果用户不想让iSIGHT在执行迭代中自动更新数据库信息的话，可以选择该选项；

3.3.2.6 工具菜单

工具菜单选项设置如图3.3.7所示。各选项的功能如下：

"DOE Studies…"：打开试验设计对话框，可以对相关设置进行修改；

"Optimization Plans"：打开优化设计对话框；

"Trade－off Analyses"：打开多准则"Trade－off"分析方案对话框；

"Quality Eng.Methods"：点击该选项后打开一个子菜单，用户可以通过其中的选项对质量工程进行设置；

"Task Plan…"：打开任务方案对话框；

"Approximations"：打开近似分析对话框；

"Knowledge Rules"：打开知识规则对话框；

"Verify File Parse…"：打开文件分析"Verify"对话框。

3.3.2.7 帮助菜单

iSIGHT通过该菜单提供了用户帮助文献，其主要内容如下：

"On Context"：该选项提供了有关任务管理的信息文档；

"On Window"：该选项提供了有关任务管理交互界面的有关信息文档；

"Using Help"：提供了有关如何使用本在线帮助文献的有关信息；

"Tutorial"：提供了"Fence"案例帮助文档；

"Navigation"：点击该选项后出现对话框，该对话框列出了在线帮助的一些主题内容，用户可以点击相应地部分浏览更详细的帮助信息；

"Interactive Guide"：该选项提供了如何一步步进行工程设计分析操作的帮助文档；

"Release Notes"：该选项提供了有关当前软件版本信息的文档；

"About Task Manager"：点击该选项后出现对话框，对当前软件的有关受权信息、版本、技术支持以及版权方面的信息。

3.3.3 工具条

通过工具条用户可以完成iSIGHT软件的大部分操作。下面对各个按钮的功能进行简单的介绍。

过程集成：点击该按钮后将启动过程集成用户界面，通过该界面用户可以创建或修改任务描述文件。

参数：点击该图标后打开参数设置对话框，用户可以对优化参数进行设置或修改。

任务方案：点击该图标后打开任务方案对话框，用户可以进行任务规划设置，如任务分析类型、算法等设置。

数据库：点击该图标后打开"数据库对话框"，用于可以进行数据库选项进行设置。

求解监控：该交互界面可以让用户实时监控设计探索过程，或者对已执行任务进行浏览。

日志信息：该图标会打开任务管理界面下部的日志信息。

执行：该图标会启动设计搜索分析。

停止：该图标会停止设计搜索分析。

试验设计：点击该图标会打开试验设计方法选择对话框。
蒙塔卡罗仿真：点击该按钮则打开蒙塔卡罗仿真算法选择对话框。
优化设计：点击该按钮则打开优化算法选择对话框。

近似分析：点击该按钮则打开近似分析算法选择对话框。

可靠性分析：点击该按钮则打开可靠性算法选择对话框。

基于可靠性的优化设计：点击该按钮则打开可靠性算法选择对话框。

Taguchi Robust：点击该按钮则打开Taguchi Robust算法选择对话框。

Six Sigma Robust Design：点击该按钮则打开Six Sigma Robust Design算法选择对话框。

3.3.4 结构视图区

工作界面的左半部分为结构视图区，当打开一个任务描述文件后，该区则会显示任务层次中各任务的标识。通过图3.3.9，为一粱的优化案例任务管理界面，从图中户可以形象地看出各任务之间的关系。在这个例子中，左半部显示的为任务"beamRef"与其子任务"simpleRef"和"lifeRef"。在这个例子中，"beamRef"为任务的顶端，它控制着任务执行的流程，决定着它与其它两个子任务间的数据交换。

从图3.3.9中，读者还可以看到在每个任务前面都已一个双齿轮图标，它为任务执行状态图标，表示当前任务的状态为未执行；该图标会随着任务的状态的变化而相应地改变，主要还有以下两种：

：该图标表示，其所在的任务正在执行中；

：该图标表示其所在的任务已暂停执行；

3.3.5工作界面

图3.3.9 任务管理界面

图3.3.9中的右半部分为用户工作界面区，所列出的信息包括运行模式和运行预测两部分。点击图3.3.9中的"Task Plan"块，则弹出图3.3.10所示的菜单。

"Single"：软件运行单一任务评估，该模式有助于用户对新设计点进行评估，测试启动的正确性与可行性；

"Task Plan"：软件一次执行所有的任务分析工作，直至获得最优解；

"No Execution"：不执行任务分析工作；

"DOE Study"：执行所选择的试验设计；

"Optimization Plan"：执行所选择的优化方案；

"Trade－off Analysis"：执行所选择的Trade－off分析；

"Quality Engineering"：打开可用可靠性工程方法子菜单，并执行所选择的方法；

"Approx.Single"：打开近似模型选择子菜单，并以单一模式运行所选择的模型；

"Apply Rules"：打开规则选用子菜单。

3.3.6 状态条

位于任务管理界面下部的状态条提供的信息不但包括了当前所运行任务的信息，还有任务管理界面本身的有关信息。用户可以把鼠标移到该区域的上面，便能读取这些信息。

3.3.7溢出时间指示器

状态条的右边为溢出时间指示器，显示的为溢出时间。

3.4 过程集成界面

3.4.1界面总论

图3.4.1 过程集成界面

图3.4.1为任务管理界面。下面对图中各部分的功能进行详细地介绍。

3.4.2 结构视图区

结构视图区如图3.4.1中的左半部分所示。图中箭头所指的为当前位置。在各标识前面的表示当前任务还有子任务没有展开，而待其展开后在其变为符号。

3.4.3 主菜单

如图3.4.1所示，主菜单有如下子菜单组成：

¨文件（File）

¨编辑（Edit）

¨视图（View）

¨插入（Insert）

¨工具（Tool）

¨帮助（Help）

3.4.3.1 文件菜单

文件菜单如图3.4.2所示。其各选项的功能与前述一样，在此不再赘述。

3.4.3.2 编辑菜单

该菜单提供了用户对工程任务和用户界面设置进行修改的各种选项，通过各选项用户可以方便地对各项设置进行修改。

"Delete"：删除所选中的对象（包括设计任务、输入、输出块等）；

"Parameters":打开参数设置对话框，可以对优化参数进行设置；

"Initialization..."：打开任务属性对话框，可进行相关设置；

"Sequence"：打开排序对话框，对多个任务模块进行排序；

"Unsequence"：打开排序对话框，对解除排序；

"Publish Task"：打开公共任务对话框，进行公共任务相关设置。

3.4.3.3 视图菜单

通过图3.4.4所示的视图菜单，用户可以对工作区显示格式进行设置，另外还可以打开所选择模块相应内容的对话框。

"Container":点击该选项后，激活当前任务的父目录，并使之变为当前目录；

"Contents":展现当前所选中任务模块的内容；

"Properties":打开所选中对象的属性对话框；

"Data Flow":打开数据流对话框，显示所选择模块之间的数据内容。

3.4.3.4 插入菜单

通过如图3.4.5所示的插入菜单，用户可以进行模块插入操作。图中灰色的选项，表示该功能目前为被激活。需要主要的是，当前位置的不同，所激活的选项也有所不同。

"Input"：插入输入块，即增加集成代码的输入文件；

"Output"：插入输出块，即增加集成代码的输出文件；

"Simcode"：增加集成代码；

"Calculation"：插入计算模块，完成优化过程中的参数计算工作；

"Tcl Script"：插入通讯…模块；

"Task"：在当前位置，插入任务块；

"If"：插入流程控制的"If"模块；

"Else/Else If"：插入流程控制的"Else/Else If"模块；

"Case"：插入流程控制的"Case"模块；

"While"：插入流程控制的"While"模块；

"Parallel"：插入并行模块；

"Component"：点击该选项打开组件Library重用管理界面；

"Published Model"：插入公共的模块；

"Execl"：插入"Excel"集成代码模块；

"MATLAB"：插入"MATLAB"集成代码模块；

"MAC/NASTRAN" ：插入"MATLAB"集成代码模块；

3.4.3.5 工具菜单

工具菜单如图3.4.6所示。图中的"Verify File Parses"选项功能是对所集成代码输入、输处文件分析进行确认。

3.4.3.6 帮助菜单

该菜单的内容和功能与任务管理界面的相同，在此不再赘述。

图3.5.1 文件分析界面

3.4.4 工具条

工具条上的各图标的功能如下所示：

：打开参数设置对话框，对参数进行设置或修改；

：插入输入文件模块；

：插入输出文件模块；

：插入集成代码。

后几项图标也是插入模块操作，与上述插入菜单的功能相同，不再赘述。

3.5 文件分析界面

3.5.1 界面总览

文件分析就是制定iSIHGT对输入、输出文件进行读写操作的规则，主要包括操作对象及其位置、动作类型（读、写）等信息。输入、输出文件分析界面相同，在此仅以输出文件分析界面为例进行讲述，如图3.5.1所示。

3.5.2 主菜单

如图3.5.1所示，主菜单由如下菜单组成：

¨文件（File）

¨编辑（Edit）

¨视图（View）

¨插入（Insert）

¨选项（Option）

¨帮助（Help）

3.5.2.1 文件（略）

3.5.2.2编辑菜单

如图3.5.3所示，编辑菜单提供的主要是一些对光标动作进行编辑的选项，各功能如下所述：

"Cut"：对所选择的对象（Action）进行剪切操作；

"Copy"：复制所选的对象；

"Paste"：粘贴所复制的对象；

"Delete Action"：删除所选的动作；

"Select All Actions"：选择所有的动作；

"Deselect All Actions"：删除所有的动作；

"Clear Text File"：关闭工作区所显示的文本内容；

"List of Parameters"：显示已定义的优化参数。

注意："Clear Text File"只是关闭文件的显示，用户如果想再次在工作区显示文件内容的话，可以通过文件菜单里面的"Open Text File"选项打开文件。

3.5.2.3 视图菜单

菜单内容与结构，如图3.5.4所示。就其功能而言，或许在此称之为浏览菜单更加准确，为了内容的一致性，我们依然称之为视图菜单。

"Refresh…"：对文件描述命令进行刷新，用户可以在文件显示区观看动作命令的结果；

"Verify iSIGHT Parse…"：打开文件分析确认对话框，列出所定义的动作及其编译状态。

"Actions in Text Form…"：以文本格式列出所定义的光标动作。

3.5.2.4 插入菜单

该菜单主要功能是增加光标的动作选项，其内容如图3.5.5所示。

"Find…"：插入"搜索"动作；

"Move Positon"：插入"光标移动"动作

"Read from File…"：插入"从文件读入数据"动作；

"Store into Parameter…"：插入"将所读数据存入参数"动作，可在随后的对话框中指定参数名称；

"Require Parameter…"：插入"读取参数值"动作，该动作用以在输出文件分析中声明所定义的参数被集成代码支持；

"Write to File…"：插入"写入文件"动作，用以将新的参数值写入输入文件；

"Replace"：插入"替代"动作；

"Return Status…"：插入"返回状态"动作，用以获取输出文件分析的状态值，分析成功为0，否则表示文件分析失败；

"Expressions…"：插入"计算"动作，用以对参数进行赋值；

"If Branch…"：插入循环控制"If"语句；

"While Loop…"：插入循环控制"While"循环语句；

"For Loop…"：插入循环控制"For"循环语句；

"Create Aarry…"：插入"创造数组"动作

"Word Delimiter…"：插入"字符Delimiter"动作，用以定义在文件分析的时候字符周围空白格外忽略的其它内容；

"End Block"：插入循环控制语句中的"结束块"

"Subroutines…"：插入"创建子动作块"，当文件分析时如果重复的命令较多，利用子动作块可以使文件描述命令显得更加紧凑；

"Include…"：插入"包含块"，用以调用所定义的子动作块；

"Invoke…"：插入"激活"块，用以激活子动作块；

"Custom Statements…"：用以在描述命令文件中，插入"Perl"代码块；

"Remember Position"：插入"位置存储"动作，可在随后打开的对话框中输入用以存放该数据的参数；

"Stop Parsing…"：选用该命令后，软件将忽略所有其它动作命令；

"Delete…"：该命令用来对文件进行维护，比方说删除输入、输出文件的某些行或其它内容；

"Comments.."：插入"注释"动作，用以对输入、输出文件进行注释；

3.5.2.4 选项菜单

选项菜单的内容如图3.5.6所示。其各选项的功能如下所示：

"Edit Mode…"：点击该选项，在弹出的子菜单中设定文件描述命令放在命令明细区的方式；

"Type of Parse"：用以选定分析分析的类型，输入文件分析或者输出文件分析；

"Auto－Refresh"：自动更新文件描述命令；

"Preference…"：偏好选项，用以设置文件分析对话框里面显示内容及其显示方式。

3.5.2.5 帮助菜单

同以前帮助菜单相同，不再赘述。

3.5.3 工具条

工具条上各按钮的功能分别与"Edit"、"Insert"某些菜单选项的功能相同，故不再重复。

3.5.4 调拨与提高

3.5.4.1iSIGHT文件分析的过程

为了读者更深刻地掌握文件分析的方法，首先介绍一下软件进行文件分析的过程。

图3.5.7 iSIGHT输入文件分析过程

输入文件分析过程如图3.5.7所示。在iSIGHT执行完一个迭代分析后，首先是打开所设定的输入文件，按照用户所定义的光标动作移到输入文件中的某一个位置，然后按照用户所指定的方向（向前或向后）进行文件的替代操作，替代完毕后关闭输入文件则输入文件分析结束。相应地，输出文件的分析过程如图3.5.8所示。

图3.5.8 iSIGHT输出文件分析过程

3.5.4.2 相对位置与绝对位置

在设置光标移动动作的时候，用户有两种方法可以选择，一种为绝对位置，另一种也就是相对位置。绝对位置的起点为文件的开始，而相对位置的起点为上次移动的终点位置，也就是说在利用绝对位置的时候每次光标都需要先移到文件开始然后再移动到指定的位置；而利用相对位置的时候，只需要在上次移动的基础上再向前或向后移动一定的位置即可。所以，从这个层次上讲，利用相对位置的效率要比绝对位置高。但利用相对位置的前提是它们之间距离保持不变，否则利用相对位置就会出错。

3.5.4.3 再论数据替代格式

在进行文件分析的时候，除了要指定文件操作的位置外，还需要设定数据操作（如替代）的格式，这是因为许多集成代码的输入、输出文件是固定格式的（比方说材料弹性模量E数据出现在模型信息文件的第三区段，占有的位置是从20～26列），求解器也是按照这种格式读入模型信息进行求解的。所以在文件分析，尤其是输入文件的时候只有按照所集成代码所固有格式进行数据替代才能保证集成代码求解的正确性，进而iSIGHT任务分析才能成功。

3.6 过程监控界面

3.6.1 界面总论

如图3.6.1所示，过程监控界面有如下几部分组成：

主菜单
工具栏
导航区
图形显示区
控制滑块
状态栏

3.6.2 主菜单

3.6.2.1 文件菜单

文件菜单如图3.6.2所示，在此只介绍两个与前述文件菜单内容不同的选项：

"Active"：是否激活用来自iSIGHT运行中的输入参数更新图表，默认选项为激活。

"Send To…"：允许用户用数据浏览器中的一行数据对一任务进行初始化。

"Print…"：打印所选择的图或表。

3.6.2.2编辑菜单

编辑菜单如图3.6.3所示，其各项功能如下：

"Cut"：把当前所选择的图或表移到粘贴板上；

"Paste"：把最近移到粘贴板板上的信息放到当前位置下；

"Clear"：使图或表中为空白状态，以接受新的数据；

"Filter Row"："行过滤"，使用户能够按照自己的标准来安排数据行；

"Filter Columns"："列过滤"，使用户能够按照自己的标准来安排数据列；

"Sort Columns"：通过该选项，用户可以以增加或减小的方式排列数据；

"Undo Filter/Sort"：使数据浏览器返回过滤选项变化前的设置。

"Delete"：删除所选择图或表；

"Properties"：通过该选项，用户可以在随后打开的对话框里查看所选择的图或表的属性和性质。

3.6.2.3视图菜单

视图菜单如图3.6.4所示，其各选项的功能如下所述：

"Navigator"：在导航区显示结构视图；

"Split"：把图形显示区分为上下两部分，以分别显示图和表；

"Graphics Browser"：该选项可以在过程监控界面的右半部分显示图形。；

"Data Browser"：在过程监控界面的右半部分显示数据库信息；

"Zoom In"：增加图形显示区所显示的图像尺寸的10％；

"Zoom Out"：减小图形显示区所显示的图像尺寸的10％；

"Fit to Window"：使图形显示区所显示的图形充满整个区域；

"Open View"：默认的情况下，用户所设定的图或表在图形显示区是固定排列的，且大小等均不可调整，通过该选项用户可以在另外一个街面上显示所选择的对象，且位置和大小都可以随意调整。

3.6.2.4插入菜单

如图3.6.5所示，各选项功能如下所述：

"Graph…"：在图形显示区插入图形，用户可以在随后打开的插入图形对话框中进行图标的相关设置；

"Table…"：在图形显示区插入数表，用户可以在随后打开的插入数表对话框中进行相关设置；

"Page"：当设计中所要查看的图形或数表较多的时候，而图形显示区所能放的又有限，这时用户可以通过该选项增加新的显示页面，在新的页面上添加图形或数表；

"Template"：在过程监控界面上添加用户或系统定义的页面，用户可以在随后的对话框中选择新页面的内容是针对输入参数或输出参数，然后系统自动添加所定义的各参数随迭代次数变化的图形和图标。

3.6.2.5工具菜单

工具菜单如图3.6.6所示，其各选项功能如下所述：

"Database Scan"：打开数据库扫描对话框，自动对数据监控界面所打开的数据库进行扫描，扫描一旦完成它的信息就显示在过程监控界面的图形显示区；

"ADA Scripts"：打开S－Plus Script对话框；

"DOE Dataset Analysis"：打开DOE数据设置分析对话框，用户可以分析一般数据用以产生DOE后处理信息，或者创造包含由指定数据所产生的近似模型的iSIGHT描述文件；

"Engineering Data Minging"：打开工程数据Mining对话框，用以协助NCGA、NSGA—II等优化算法后处理的数据分析。

3.6.2.6帮助菜单

菜单的内容与功能与前述相似，不再赘述。

3.6.3 工具栏

工具栏位于主菜单的下边，由一些按钮组成，其功能分别如下：

：导航按钮，功能与视图中选项"Navigator"相同；

：分开按钮，功能与视图中选项"Split"相同；
：图形浏览按钮，功能与视图中选项"Graphics Browser"相同；
：数据浏览按钮，功能与视图中的"Data Browser"相同；
：放大按钮，功能与视图中的"Zoom In"相同；
：缩小按钮，功能与视图中的"Zoom Out"相同；
：图形按钮，功能与插入菜单中的"Graph…"相同；
：页面按钮，功能与插入菜单中的"Page"相同；
："Template"按钮，功能与插入菜单中的"Template"相同；

："ADA"按钮，提供了iSIGHT软件高级数据分析工具，并把所选择的数据库加载到过程监控界面；

3.6.4 导航区

过程监控界面的左半部分为导航区。该区域以层装结构显示图形显示区所显示内容，用户点击该区域的项目后，图形显示区则同步显示其内容。如图3.6.1所示。

3.6.5 图形显示区

如图3.6.1所示，图形显示区显示的是用户所插入的各种图形或图标。

3.4 多学一招—C语言的格式化输入/输出

在C语言中，字符的输入/输出的格式控制是由格式控制字符实现的，它由"%"和格式字符串，如%d等。格式控制字符的作用是将数据转换为制定的格式进行输入/输出。

（1）%d格式符，按照整数数据格式的实际宽度输出。有以下两种方法：

%md，m用于指定输出字段的宽度。如果数据的位数小于m，则左端补以空格，若大于m，则按实际位数输出

%ld，输出长整型数据。

（2）%u格式符，用来输出unsigned型数据，即无符号数，以十进制形式输出；反之，一个unsigned型数据也可以用%u格式输出。

（3）%c格式符，用来输出一个字符。

（4）%s格式符，直接输出一个字符窜。

%-ms，如果字符串长小于m，则在m范围内，字符串向左靠,右补空格。

%m.ns，输出占m列，但只取n个字符串输出在m列范围内右侧，左补空；n>m,则m自动取n值，即保证n个字符串正确输出。

（5）%f格式符，不指定字段宽度，由系统自动制定，是整数部分全部如数输出，并输出6位小数。

%m.nf格式符，指定输出的数据占m列，其中有n位小数。如果数值长度小于m，则左侧补空格。

%- m.nf格式符，与%m.nf格式符

（6）%g格式符，用来输出实数，它根据数值的大小，自动选用f格式或者是e格式，且不输出无意义的0.

（7）%e格式符，以指数形式输出实数。

在上述格式说明中，在%和上面格式字符间可以插入表所示的几种附加符号。

表 4

字符	说明
字母l	用于长整型数据
m（代表正整数）	数据最小宽度
.n（代表正整数）	对于实数，表示输出n位小数；对于字符串，表示截取的字符个数输出的数字或字符在区域内的向左靠

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iSIGHT: 第二章结构优化设计理论基础

2012-04-18T14:04:00Z

传统的设计通常是采用试算法,即在设计时根据要求,参考一些同类产品设计的成功经验,凭借一定的理论判断来选定设计参数, 然后进行校核计算,检验其是否符合要求,不满意则调整设计参数再校核,如此反复多次直到满足设计要求为止。传统的算法已经不能满足高效、优质的设计生产任务要求,需要一种新的方法来适应现代化的高速发展。

在计算力学领域中，结构优化设计比结构有限元等数值分析的层次高，这是因为有限元等数值分析是一个"认识世界"的过程，答案唯一；而结构优化设计是一个"改造世界"的综合决策过程。当前的结构设计，早已超出了不进行计算的经验决策阶段，因而有限元计算就成了结构设计得以"生存"的基本手段，倍受重视。而结构优化设计却进展缓慢。分析其原因，一是某些工厂决策者误把几个方案的比较视为优化设计，轻视真正优化设计的理论作用；二是某些设计人员虽然认识到了优化设计的理论指导作用，但是难于消化。

针对上述两种倾向，本章从优化设计的基本概念、思路着手以让读者对优化设计有个初步的概念与意识。

2.1 优化设计与数值分析的关系

优化设计与数值分析的关系是，对一个给定的数值计算模型，指定设计变量与约束条件后，可以进行优化设计或敏度分析，如果只进行敏度分析，则不需要修改设计变量；如果要进行优化设计，则需要修改设计变量后返回到有数值计算模型，予以重分析。对每一次重分析的结果进行收敛性检查，如果满足，停止分析，否则迭代继续进行直到满意为止。

2.2 优化设计基本概念

2.2.1 设计变量（Design Variables）

设计变量，即自变量，凡是设计中允许改变的参数，均称为设计变量。例如描写几何形状的参数（比如板壳的厚度、梁截面上的某些尺寸、孔的直径、园角半径等），甚至还有描写物理性质的参数（如杨氏模量、密度等）。

在优化设计中，我们一般把设计变量分为独立设计和相关设计变量两种。所谓独立设计变量，是指它取值的变化不会引起计算模型中其它变量的改变，比如壳单元的厚度、材料弹性模量等；而所谓的相关变量就指那些自身的取值变化会引起计算模型中其它变量信息改变的变量，比方说粱断面几何尺寸的变化会引起梁的抗弯截面模量等力学属性的变化。

另外，根据设计变量是连续取值还是仅取一些离散值，又把设计变量分为连续性与离散性两种。

2.2.2 约束条件（Constraints）

在优化设计中对设计变量或其函数表达式所进行的限值与约束，均称为约束条件。例如应力约束、位移约束、频率约束等，通常是设计规范中的规定值，以及设计变量的取值范围的上、下界限约束。

2.2.3 设计目标与目标函数（Object）

对结构优化设计而言，设计目标是优化设计的最终目的。而目标函数也就是设计目的的具体体现，它必须是设计变量的函数。比方说，在结构轻量化优化设计中以结构总质量为目标函数，而在涡轮增压器叶片的组合场优化中则以叶片的空气阻力系数为目标函数。

2.2.4 敏度（Sensitivity）

敏度是指目标函数或某个约束条件相对于某一个设计变量的变化而得到的变化率，在数值上它等于设计变量获得单位改变时目标函数或约束条件所获得的改变。通过敏度分析，用户可以了解各设计变量对目标函数的影响程度。

例如，在废气涡轮增压器叶片的优化设计中。其设计目的是如何在保证静强度和不发生共振的条件下，如何选择合适的叶片几何尺寸参数，以使叶片的质量最小为目标。在这个工程优化实例中，叶片的几何尺寸参数是设计变量，叶片应力场应力最大值与自振频率为约束条件，而叶片的质量则是设计目标，或称之为目标函数。而某处质量关于叶片某一几何参数的导数，以及某处位移关于该参数的导数，即为该处相应的质量敏度和位移敏度。

2.2.5 收敛准则(Convergence Criteria)

收敛准则是指用以判断优化设计是否达到最优的判别标准，一般取前后两次目标函数值的相对变化是否小于某一事先给定的一个很小值，例如0.05或0.03等，这个收敛精度由用户自己定义。

2.2.6 可行域(Feasible Domain)

在数学规划的讨论中，把满足约束条件的点称为可行点（或可行解），所有可行解组成的点集称为可行域。

2.2.7 最优点与最优值(Optimal Point and Optimum Value)

如果可行域记为S，对于数学规划而言就是求，且使在S上达到最大（或最小），把称为最优点（或最优解），为最优值。

2.3 优化模型分类

根据处理方法的相近，又可以把优化问题加以归类，从而对这些问题可从一种或几种不同的角度进行系统地深入研究。根据这种归类的结果，优化问题便产生了许多相对独立的分枝。它们包括数学规划、组合优化、图论与网络流和动态规划等。

2.3.1 数学规划

在一些不等式或等式约束条件下，求一个目标函数的极大（或极小值）的优化模型称为数学规划。视有、无约束条件而分别称为有约束规划和无约束规划。约束规划的一般形式为：

（2.1）

其中，为向量（即），若目标函数和约束条件中的函数，均为线性函数，则称数学规划（2.1）为线性规划，否则就成为非线性规划。

在线性规划和非线性规划中，所研究的问题都只含有一个目标函数，这类问题常称为单目标规划。但是，在工程技术、生产管理以及国防建设等领域中，所遇到的问题往往需要同时考虑多个目标在某种意义下的最优化问题，我们称这种含有多个目标的最优化问题为多目标规划。

2.3.2 组合优化

组合优化为有一个由有限个元素组成的集合，和定义在E上的某些子集作成的集合上的实集函数，问题就是从E中找出一个子集，即满足要求，又要使相应的函数值达到极大或极小。

由于E只有有限个元素，E的所有子集也只有有限个，因此组合优化问题的最优解必然存在，而且可以用最原始的方法——逐个列举法的方法求得。根据目标函数的不同，问题的难以程度就会大为悬殊，因此在组合优化问题算法的讨论中常要考虑计算的工作量。

2.3.3 图论、网络流

所谓的图是指有一组点和一组点与点之间的连线（边）所组成的总体。而图论就是研究图的理论。图论的产生可以追溯到18世纪，但在本世纪50年代后，由于许多具有问题均可通过图来表示，使得图论的研究越来越受到人们的重视。图论的研究问题主要分为两类：一是在给定的图中具有某种性质点和边的存在与否的问题；二是如何构造一个具有某些性质的图或子图。图论中得到最多应用的是网络流。所谓的网络流，即为各条边上赋有权数的图，而且可以有方向或没有方向，分别称为有向网格或无向网格。实际生活中可以用网络来描述的例子很多，如一组电路、一个电视系统等，因此在近30年来，在计算机蓬勃发展的促使下，图论由于在许多领域有广泛地应用，并卓有成效，现已成为运筹学、电路网络、计算机科学等所不可缺少的数学工具。

2.3.4 动态规划

某飞机制造厂接受了11架飞机的订货，货主要求在第一、二、三年内分别交货4、5、2，该厂的年生产能力为4架，预计每年的单位生产成本为6、8、4，每年多生产的飞机可以放在仓库里储存，其每年每架飞机的保管费为2.0，试制定一个完成定货合同且成本最低的生产计划。

我们可以把这个问题的解决视为各年份（习惯称为阶段）先后作出决策的过程——多阶段决策过程，而在做每一年的生产计划的时候，不能仅考虑本年份的费用（一般称为阶段效益），因为本年份的决策会对以后各年份的决策过程产生影响，因此应考虑从本季度直到交货期的总费用（总效益），而年度的决策依赖于每年初仓库中储存量（一般称为初态）而和以前各年份如何造成的这储藏量无关（称之为无后性）。

通过上述问题的分析，我们可以把上述问题的方案看作为任何截断面（年份）仍是最优的，称之为最优性原理。把一个最优化问题视为符合最优性原理、无后效性的多决策过程并进行求解的方法称为动态规划。

2.4 常用优化算法

2.4.1 满应力设计法

满应力设计是结构优化设计的各种方法中最简单，也是最易为设计人员所接受的一种方法，但是仅适用于只有应力约束的优化设计。

给定设计变量后，进行有限元等数值分析，根据分析结果可以判定那些设计变量所对应的应力大于或小于应力约束值（一般取为许用应力）。对于应力大于约束值的，可按应力比（此时应力比大于1）放大设计变量；对于应力小于约束值的，可按应力比（此时应力比小于1）缩小设计变量。这样做的意图很显然要使每一个设计变量的应力"饱满"。

绝大多数情况下，设计变量的每一次修改将导致结构内的内力重新分布，从而使已经"饱满"的应力状态发生变化而再次大于或小于应力约束，因此，必须重新求应力比，继续修正，强迫其应力"饱满"。上述过程是一个迭代过程。由于满应力设计不考虑或不比较目标函数值，其结果经常不是最优解，并且在迭代过程中经常产生一系列不可行设计，因此满应力设计应用的局限性很大。

2.4.2二次规划法

二次规划算法是结构优化设计的重要算法，被广泛使用。

2.4.2.1 约束的线性近似

在许多优化设计问题中，约束是设计变量的非线性函数，引入倒设计变量之后，有些约束条件表现为线性，虽然仍有一些约束表现为非线性，但好处是明显的。设第个约束的非线性关系是

（2-31）

式中为中间倒设计变量。在当前设计点上用泰勒级数（Taylor Series）一阶展开，可得下一个设计点的线性估计

（2-32）

如果令：（2-33）

那么所有约束可以用矩阵形式表示为：

（2-34）

式中是约束对于设计变量的敏度向量。

2.4.2.2 目标函数的一阶和二阶近似

由于引进了倒设计变量，目标函数的非线性程度反而增加了。研究表明，目标函数的非线性配以线性约束与目标函数的线性配合以非线性约束相比，前者求解效率要高一些。

在分析时可以选择对目标函数作了一阶近似或二阶近似，前者用于线性对偶规划，后者用于求解二次规则。

设目标函数与中间变量的关系是：

（2-35）

在当前设计点上的一阶台泰勒展开式：

(2-36)

二阶展开式：

(2-37)

以矩阵形式表示，它们分别是：

(2-38)

(2-39)

式中是目标函数的敏度：

(2-40)

式中是二阶导数矩阵——海森（Hesssian）矩阵：

(2-41)

2.4.2.3 目标函数和约束条件的线性规划

用代替，原问题变成：

(2-42)

上式可以整理成线性规划的标准型：

(2-43)

式中，

因为设计变量中的直径，厚度等等不可能是负数，所以永远是正数。

用拉格朗日乘子法格构造式（2-31）(2-43)的对偶问题，得：

(2-44)

式中为与约束对应的拉氏乘子；为设计变量大于零的拉氏乘子；（a）式为(2-44)的拉氏函数，（b）式为式（a）对的导数为零条件。将（b）转置后两端右乘，得：

将式（e）代入式（a）后，最后得原问题的对偶问题：

(2-45)

式(2-45)可以用单纯形法求解，目标值是对偶质量，解出的是拉氏乘子，其中每一个与一个约束条件对应。如果，在最优点第个约束是主动约束；如果，在最优点第个约束是无效约束。根据这些信息，可以进一步实现主动约束策略。

2.4.2.4 二次规划

原问题的约束经过筛选，降低了求解的困难度，并且可以构造一个新的二次规划：

(2-46)

式中的约束是新的集合，为方便，不再引用新的记号。

式的拉氏函数是

(2-47)

由优化的必要条件（K-T条件），在最优点：

(2-48)

解式(2-48)，由第一个方程，得

(2-49)

上式回代到(2-48)中第二个方程，得

(2-50)

解式(2-50)，得拉氏乘子：

(2-51)

如果从式(2-51)中解的中有负的乘子，那就将它们从主动约束集合中去掉重新安排求解直至所有的。如果解出的全部为零，说明约束均没起作用，原问题退化为无约束问题，收敛速度也会受到影响。实际问题中，以上两种情况并不经常发生。

由式(2-49)解出的步长并不能使设计一次迭代后就结束，原因是式中的目标函数，约束函数并非原来的函数，只能使设计向真正的最优点靠近了一步。虽然迭代次数几乎与约束数，设计变量数无关，但是它与下面两个因素密不可分：

（1）原设计距最优点的距离；

（2）约束条件，目标函数近似的好坏程度。

一旦最后得到的在运动极限之内，则修改设计，从而得到新的设计点：，如果不收敛，下一轮迭代就开始了。

2.4.3 iSIGHT中的NLPQL算法

NLPQL用来解决带有约束的非线性数学规划问题，并假设目标函数和约束条件是连续可微的。二次连续规划法(SQP)是NLPQL的核心算法。将目标函数以二阶泰勒级数展开，并把约束条件线性化，原非线性问题就转化为一个二次规划问题，通过解二次规划得到下一个设计点。然后根据两个可供选择的优化函数执行一次线性搜索，其中Hessian矩阵由BFGS公式更新，该算法很稳定。

这个技术最主要的优点是容易和一个非常健壮的算法一起使用。

NLPQL优化技术的数学公式表达如下所示：

数学表达 代表值

寻找设计变量

使得最小目标函数

不等约束

等式约束

边界约束

SQP方法是解决处于以下一些假定下的平滑非线性优化问题的标准通用工具：

优化问题不是很大；
函数和梯度可以用非常高的精度来评估；
平滑和容易缩放的优化问题；
没有能被开发的深一层的模型结构（问题的数学模型）。

SQP方法的数学收敛性和数值表现属性现在非常容易理解，根据已有的研究表明，SQP方法的理论收敛性在以上的假定下优于其他的数学规划算法。

SQP的关键问题是如何逼近二阶信息来获得一个快速的最后收敛速度。因而我们通过一个所谓的类牛顿矩阵定义了一个朗格拉日函数的二阶逼近和一个的Hessian形式矩阵的逼近。然后，我们可以获得二次规划的子问题：

最小化，；

为了让算法更加稳定，尤其是如果从一个糟糕的起始猜测点开始，而要保证它能达到全局收敛，所以我们在NLPQL中应用了一个附加的线性搜索。只有当满足一个关于二次规划子问题的解决方案的下降性，才会执行一个步长计算来进行一个新的迭代。按照Schittkowski的方法，一个联立线搜索需要因数逼近和一个扩张的朗格拉日价值函数来确定线搜索的参数。此外，有一些可靠的安全措施也需要加以注意，以确保线性化的约束没有相互矛盾。

矩阵的更新在SQP中可以用无约束优化中的标准技术来执行。在NLPQL中，应用了BFGS方法。该方法是从单位矩阵开始的一个简单二阶修正，并且只需要微分向量和。在一些安全措施的保证下，所有的矩阵都可以保证是正定的。

SQP方法的最吸引人的特征之一是在从所得到的解决方案的临近区域内的超线性收敛速度。在这里，是收敛至零的正数序列，而是一个优化解决方案。

为了了解这个收敛的特性，我们用朗格拉日函数的Hessian行列式来代替，而且只考虑等式约束。然后就很容易看出SQP方法在处理带有n+m个等式的非线性系统时和牛顿方法是一样的，而且这个非线性系统有n+m个由Kuhn-Tucker条件带来的自变量。这个结论同样可以扩展到不等约束的情况中。这样我们就立即可以看到二次收敛性的特性了。

2.4.4 遗传算法（GA）

遗传算法是近年来发展起来的智能型优化方法，它模拟生物进化过程，形成一套计算机数值计算方法。遗传算法以统计的概率结果为依据进行最优化选择，不需要求解敏度。而且，作为基本设计变量为离散值，尤其对多峰值目标函数以及多目标值优化这类组合优化问题求全局最优解有独到之处。能够解决用数理方法难以处理的问题，与之形成互补。遗传算法近年来在发达国家（美、欧及日本）发展很快，复合材料设计及控制系统已有许多应用。

遗传算法是概率方法，优化进行的对象必须是个集团，它是由一个个的个体（叫做染色体）组成，每个个体用一个一维数码（一般用二进制数）列表示，组成这些数码的元素叫基因。遗传算法是基于进化论的思想，可归纳为：在一代代的繁衍中每一代集团中都有些相对优秀的，即适应环境能力比较强的个体，它应该优先生存下去，反之则繁衍困难是短命的，应该被淘汰。对应以上概念，在截面优化中，基因就是设计变量，即截面形状或尺寸，一个染色体即一个结构，由一组设计变量组成，若干个这样由不同的截面组成的结构形成集团。

用遗传算法进行刚架截面优化设计是概率的方法，其思想大体可以概括为：首先随机为每个设计变量（可以是一个或多个单元）选出截面种类和尺寸，组成一个结构。用同样的方法选若干个（M个）结构形成初期集团。初期集团的个数应适当，太少不利遗传操作，太多则效率低。继而分别对每个结构进行分析计算，计算出对应的目标值、应力等进行优劣判断，经优选产生临时集团。对这个临时集团进行遗传操作产生新的集团。再分析、优选反复进行，直至收敛到最优解。

2.4.3.1设计变量的数码化

因为遗传操作是在数码间进行，所以，必须将设计变量数码化，一般用二进制数码比较方便。

截面优化的设计变量有两个因素形状和尺寸，由于本文截面库设置了8种形状和8种尺寸，所以，一个设计变量可以用2个3位的二进制数表达。（000对应1，21对应8）。如果结构设计变量数是n，则这一结构对应设计变量数码列的字长为6*n（比特），称为染色体字长。每个染色体对应一个结构，结构的优劣是由基因（截面种类）决定的。例如图2-2所示染色体，第i个变量的6位二进制数为02 010（这里规定前边代表形状类型号、后边代表尺寸类型号），表明该结构的第i个设计变量取截面库中的第4种形状（三角形）第三种尺寸。

|××× ×××|……|02 010|……|××× ×××|

1 i n

图2.3.1 染色体数码表示

2.4.3.2 适合度函数

适合度函数是衡量结构优劣的度量工具，直接影响到是否收敛和收敛速度，是遗传优化的重要因素。适应度函数可以直接取目标函数，但为提高收敛速度，一般要进行加工，使其在优化具体的操作中有适当的敏感度，在有约束的情况下应能做可行性调整，作为原则应尽量满足三点：1）与目标值一一对应；2）适合度不管目标函数符号如何而保持正值，最好是单调；3）二者具有相同的极值点。经数值实验，本文所研究问题取如下适合度函数为好：

i=1,2,...,M

式中： — 第个染色体的适合度函数，— 当前集团所有染色体目标平均值

、— 常数（人为确定）， — 第i个第个染色体的目标值

值越小值越大，从而达到尽快收敛之目的，具体关系如下：

2.4.3.3 染色体集团的再生

建立前述染色体的初期集团后，进入优化循环过程，这一过程大体概括为以下三个环节：

淘汰首先对每一个染色体对应的结构进行分析（这是纯粹的结构分析，可用各种方法，如有限元、边界元等数值计算法，也可用解析法和试验法，本文用有限元法），目的是求出目标函数、应力和位移等性态指标，进而计算适应度函数。根据其大小和约束情况判断哪些染色体应当死去，哪些存活，通过适应度造成适者生存的环境。

染色体再生在保留下来的相对有优势的染色体集团中，采用轮盘法随机选出M个染色体，组成新的染色体集团叫做"临时集团"。轮盘法思想是：将保留的N（ N〈M 余下的M-N个染色体已被淘汰）个染色体中根据适合度的大小，分N个数值段（在0——1之间），每段的长度为的大小与对应的有关，越大越长，被选中的概率就大。随机取0——1间的实数，随机数落在哪个段内，对应的染色体就被选为新的染色体集团成员，选出M个组成上述"临时集团"。

(=1,2,…，;)

遗传操作 上述临时集团中适合度总的水平已有提高，但还没有脱离原集团的范围，再通过交叉、异变等遗传手段使染色体基因发生变化，就能产生更好的染色体。

遗传操作主要有两个内容——交叉和异变。作用是通过改变上代（母代）集团的基因，产生新的子代集团从而可能产生更优良的染色体，达到优化的目的。本文具体做法如下：

交叉首先确定一个交叉率，交叉率即在这个集团中参与交叉操作（从结构上讲是两个结构相互交换部分截面）的染色体的概率。这样生成的子代染色体有可能使一些好的基因交叉到同一个染色体中，达到更优良子代产生，既组成更好的结构。交叉率一般在0.6---0.8之间比较好。本文采用一点交叉法。根据人为确定的交叉率，从临时集团中随机选出一对染色体作为母体，随机找到切入点，让这两个有一定优势的染色体之间进行基因交换。也就是通过数码的交换，完成两结构之间部分截面的交换，产生两个新的结构。如图2-3所示，随机取一对染色体作为母体A和B，随机选交叉位置Y，然后对换部分基因，成为子代染色体。

（母）A 0 1 1 0 1| 0 1 0 0 1 1 0（子）A 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0

B 1 0 1 1 0| 1 1 1 0 0 1 0 B 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0

图2.3.2 一点交叉操作

异变确定异变率，然后随机选出发生异变的染色体和异变点Y，进行数码的0、1交换，如图3所示。使原染色体的基因发生较大的变化。即通过数码的反相变化使相应截面可远离原有范围，目标函数值可能产生跳跃性变化，有助于使解从一个局部极值点向另一个极值点移动，在大范围搜索中找到全局最优解。

0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0

图2.3.4 一点变异操作

当然，这些遗传操作产生子代染色体优和劣的可能性同时存在，只要在恰当的适合度函数控制下，能够逐步收敛到最优解。

2.4.5 iSIGHT中模拟退火法

模拟退火算法是模拟金属退火的物理过程得到的。在冶金业，退火是强化金属的一种方法。金属加热到一定的温度就会融化，这时分子可以自由地移动，如果金属在冷却槽中以特定的速率进行冷却，允许分子在较低的能态进行稳定，这样就产生了特定的晶格。

模拟退火算法通过模拟退火过程，将组合优化问题与统计力学中的热平衡问题类比，可找到全局(或近似)最优解。其基本思想为：把每种组合状态 S看成某一物质系统的微观状态，而将其对应的目标函数C(S)看成该物质系统在状态S下的内能；用控制参数T类比温度，让T从一个足够高的值慢慢下降，对每个T用 Metropolis抽样法在计算机上模拟该体系的热平衡态，即对当前状态S作随机扰动以产生一个新状态s'，如果C(s')<C(s)则接受s'为下一状态，否则以概率e-(c(s')-c(s))接受。经过一定次数(Markov链长)的搜索，认为系统在此温度T下达到平衡，则降低温度T再进行搜索，直到满足结束条件。模拟退火算法的改进算法有加温退火法、记忆模拟退火法等。如果一个问题潜在地存在大量解的话，该方法能够以最小的成本获得可行解。模拟退火算法在iSIGHT中称为自适应模拟退火算法。

模拟退火算法作为一种优化方法，从初始点开始每前进一步就对目标函数进行一次评估，只要函数值下降，新的设计点就被接受，反复进行，只到找到最优点。函数值上升的点也可能被接受，这样能够避免找到的是局部最优点。是否接受函数值上升点是依据Metropolis 判据决定的，它是温度的函数，温度高则更容易接受。由于该算法对目标函数的要求很松，所以在非二次面情况下是很稳定的。

模拟退火算法和遗传算法有很多相似之处，他们都需要从旧的设计点通过变异产生新的设计点。模拟退火算法比遗传算法简单，因为它每次在搜索空间中只检查一个设计点，而遗传算法检查一组设计点（一个种群）。除此之外，模拟退火算法的参数也比遗传算法少。

模拟退火算法主要有以下优点：

能够处理任意的系统和目标函数；
从统计学角度看肯定能找到最优设计点；
编码相对容易；
通常能够找到一个好的设计点。

模拟退火算法主要有以下缺点：

重复循环的退火和目标函数的计算使得优化过程很慢，效率低；
对于平滑的设计空间，局部最优点很少的话，这种方法不是最简单最快的方法；

算法不能够指明找到的设计点是不是最优的设计点。

2.4.6 iSIGHT混合整型优化

混合整型优化方法-MOST首先认定所给的设计问题是连续的，并使用连续二次规划法得到一个初始的峰值。如果所有的设计变量都是实数型的，优化过程停止。否则，对每一个非实数型参数寻找一个最近的设计点，该点满足非实数型参数的限制条件。这些限制条件被作为新的约束加进来，然后重新优化，产生一组新的峰值。这些峰值作为新的迭代的起始点。在这个过程中，连续的非实数型参数被作为重点考虑的对象，直到所有的限制条件都得到满足，优化过程结束。

混合整型优化-MOST技术起源于一个优化包，MOST（Multifunctional Optimization System Tool）。MOST结合了用来解决实值问题的连续二次规划优化、处理整数型和离散型参数的一个分歧定限法（branch-and-bound）外部回路、处理多目标问题的一系列标准程序、和让用户提供梯度的能力。这个优化包的iSIGHT界面支持除了多目标优化问题之外的所有特性（iSIGHT只处理单目标问题）。这些特性的组合使这种技术类似于连续二次规划-DONLP或连续二次规划-NLPQL和逐次逼近法的组合。

这种技术从忽略设计变量的所有整数型和离散型限制开始，并且在连续设计空间上应用了SQP。开始时提出一个优化值的初始值。如果所有的设计变量事实上是实数型的，那么立刻终止并返回作为解决方案。如果一些设计变量被限制为整数型或是离散（数值）型，那么很可能不能满足那些限制。在这种情况下，这种技术会应用一个分歧定限法搜索来找到适合限制的点。

分歧定限过程开始时独立地考虑整数型和离散型的设计变量。典型的情况下，设计变量的值会处在两个允许的值当中（例如，如果的值必须是个整数，对于一些N来说是N和N+1）。这个技术通过把放置在这些允许的值当中来构建两个设计点和，评估这两个点，并且不管哪一个生成更好的目标值都先将它们放在一边。在这个分支过程结束的时候，会积累下一个满足一个整数形或离散形变量限制的一个新序列。然后，将每个分支点依次处理，通过应用每个整数型或离散型的值作为一个新的输入约束来限定问题，并且重新进行完整的分歧定限法循环，从分支点开始。

当每一个分支点被评估时，都会产生下一些分支点，但那些点会违反更少量的整数型或离散型限制。最后，会找到一个或多个满足所有限制的点，这就是最优值。

注意：iSIGHT数据库文件会记下所有被评估过的设计。因为在大部分的优化过程（例如，在所有SQP阶段的有限差分计算期间）中忽略了整数型和离散型的限制，所以数据库中的大部分设计点都不会在规定的设计空间中。为了确定真实的解决方案，用户必须首先过滤数据库，只保留处在设计空间中的点。

2.4.7 iSIGHT优化算法分类

iSIGHT软件里面优化方法大致可分为数值优化方法、探索优化方法和专家系统优化三类。

2.4.7.1数值优化方法

数值优化方法通常假设设计空间是单峰值的，凸性的，连续的。iSIGHT中有以下几种：

（1）外点罚函数法（EP）

外点罚函数法被广泛应用于约束优化问题。此方法非常很可靠，通常能够在有最小值的情况下，相对容易地找到真正的目标值。外点罚函数法可以通过使罚函数的值达到无穷值，把设计变量从不可行域拉回到可行域里，从而达到目标值。

（2）广义简约梯度法（LSGRG2）：

通常用广义简约梯度算法来解决非线性约束问题。此算法同其他有效约束优化一样，可以在某方向微小位移下保持约束的有效性。

（3）广义虎克定律直接搜索法：

此方法适用于在初始设计点周围的设计空间进行局部寻优。它不要求目标函数的连续性。因为算法不必求导，函数不需要是可微的。另外，还提供收敛系数（rho），用来预计目标函数方程的数目，从而确保收敛性。

（4）可行方向法（CONMIN）：

可行方向法是一个直接数值优化方法，它可以直接在非线性的设计空间进行搜索。它可以在搜索空间的某个方向上不断寻求最优解。用数学方程描述如下：

Design i = Design i-1 + A * Search Direction i

上式中，i表示循环变量，A表示在某个空间搜索时决定的常数。它的优点就是在保持解的可行性下降低了目标函数值。这种方法可以快速地达到目标值并可以处理不等式约束；缺点是目前还不能解决包含等式约束的优化问题。

（5）混合整型优化法（MOST）：

混合整型优化法首先假定优化问题的设计变量是连续的，并用序列二次规划法得到一个初始的优化解。如果所有的设计变量是实型的，则优化过程停止。否则，如果一些设计变量为整型或是离散型，那么这个初始优化解不能满足这些限制条件，需要对每一个非实型参数寻找一个设计点，该点满足非实型参数的限制条件。这些限制条件被作为新的约束条件加入优化过程，重新优化产生一个新的优化解，迭代依次进行。在优化过程中，非实型变量为重点考虑的对象，直到所有的限制条件都得到满足，优化过程结束，得到最优解。

（6）序列线性规划法（SLP）：序列线性规划法利用一系列的子优化方法来解决约束优化问题。此方法非常好实现，适用于许多工程实例问题。

（7）序列二次规划法（DONLP）：

此方法对拉各朗日法的海森矩阵进行了微小的改动，进行变量的缩放，并且改善了armijo型步长算法。这种算法在设计空间中通过梯度投影法进行搜索。

（8）序列二次规划法（NLPQL）：

这种算法假设目标函数是连续可微的。基本思想是将目标函数以二阶拉氏方程展开，并把约束条件线性化，使得转化为一个二次规划问题。二阶方程通过quasi－Newton公式得到了改进，而且加入了直线搜索提高了算法的稳定性。

（9）逐次逼近法（SAM）：

逐次逼近法把非线性问题当做线性问题来处理。使用了稀疏矩阵法和单纯形法求解线性问题。如果某个变量被声明成整型，单纯形法通过重复大量的矩阵运算来达到预期的最优值。逐次逼近法是在M. Berkalaar和J.J. Dirks提出的二次线性算法。

2.4.7.2探索优化方法

探索优化法避免了在局部出现最优解的情况。这种方法通常在整个设计空间中搜索全局最优值。iSIGHT中有以下两种：

（1）多岛遗传算法（MIGA）：

在多岛遗传算法中，和其他的遗传算法一样每个设计点都有一个适应度值,这个值是建立在目标函数值和约束罚函数值的基数上。个体如有好的目标函数值，罚函数也就有一个更高的适应度值。多岛遗传法区别于传统遗传算法的最大区别在于每个种群都被分为若干个子种群，也称为岛。分别在各自的子种群中进行传统的遗传算法。一些个体被选出来周期的"移民"到其他的岛上。这种操作成为"移民"。有两个参数控制着移民过程：移民间隔（每次移民之后繁殖后代的个数）；移民率（移民个体所占的百分比）。

（2）自适应模拟退火算法（ASA）：

自适应模拟退火算法非常适用于用算法简单的编码来解决高度非线性优化问题，尤其是当发现找全局目标值比寻求好的设计方法更为重要的时候。这种方法能够辨别不同的局部最优解。该算法能够以最小的成本就获得最优解。

2.4.7.3专家系统优化

定向启发式搜索算法(DHS)：定向启发式搜索算法只注重于可以直接影响到优化解的参数。

在实际应用中，用户可以通过表1、2的问题特性描述来选择合适的优化算法。

表1 问题特性描述

问题特性描述	PenMeth	MMFD	SLP	SQP	HJ	SAM	DHS	GA	Sim.Annl	MOST	LSGRG2
只有实型变量	x	x	x	x	x	x	x	x	x	X**	x
处理混合或者不混合实型，整型，离散型变量					x	x	x	x	x	x
高速非线性问题	x	x					x
脱离的设计空间（相对最小值）	x							x	x
大量的设计变量（大于20个）		x				x	x	x	x		x
大量的约束条件（大于2000）		x	x			x					x
长时间的运算代码或分析（大量的方程求解）	x	x	x		x	x
用户提供梯度的有效性	x	x	x	X*						x	x

注：

* 只有NLPQL. DONLP在不能处理用户提供的梯度情况下有效。

**尽管运算需要某些或全部变量是整型或者离散型的，任务过程必须能估计任意实型设计变量。

表2 优化技术特性描述

技术特性描述	MMFD	SLP	SQP	HJ	SAM	DHS	GA	Sim.Annl.	MOST	LSGRG2
不需要目标函数是连续的				x	x	x	x	x
处理等式或不等式约束条件	X*	x	x	x	x	x	x	x	x	x
基于库塔条件的优化方程	x	x								x
从一系列设计点寻找而不是从单一的某点							x		X**
使用随机准则							x	x
在开始就可以得到好的目标值							x
不需要假设参数的独立性				x		x	x	x
不需要用有限差分法				x		x	x	x
能够通过可控地，有序的方式设定						x	x	x
容易理解						x
不同阶次的数量级对设计变量的值不敏感						x

注：

* 表示只有在修正可行方向法（ADS）才有效，在可行方向法（CONMIN）不可以处理等式约束。

** 先从初始设计点找到一个初始解，然后从这一点向外搜索最优解。

2.5大型结构优化策略与方法

随着航空、航天、航海、铁路、公路等各行各业的迅猛发展，客观世界对结构优化设计的理论和方法提出了越来越高的要求。例如飞机的结构优化设计，其规模之大，一般的常规算法根本无法解决。以美国洛克西德公司生产的L102飞机的优化设计为例，该设计中共含各类约束1950个，各类设计变量1303个，且涉及几个优化目标。对这类大规模、多类变量、多非线性约束的复杂结构的优化设计，由于不同类型设计变量对约束条件的影响、对目标函数性态的影响差异甚大，将导致收敛困难，甚至可能引起计算上的病态。而对有些问题，若用一般的优化设计方法，几乎是不可能的。

针对大工程的优化问题，常用的解决方法有两种，一种是分解法，另一种是敏度分析法。

2.5.1 优化分解法

2.5.1.1解法的基本思想

分解法结构优化设计的基本思想是：先把一个大规模的、复杂的优化设计问题分解为若干个较为简单的、相互或串行、或并行、或一般树形结构的子问题，在每一个子问题中只处理一类设计变量，因而，每一子问题的求解相对比较容易。分解优化设计的难点是如何处理子问题之间的耦合影响。一般的做法是利用一阶或二阶导数传递子问题之间的耦合影响，然后迭代求解。因此，分解优化方法的研究内容是：将原问题处理成若干子问题的划分准则、子问题之间的相互耦联影响、综合拼装、采用序列迭代逼近原问题等。

2.5.1.2分解法分类

对不同的系统有不同的分解策略，因而也就有不同的分解模型，归纳起来大致可分为如下三种分解模型：层次分解模型（如图2.3.7）、网状分解模型（如图2.3.8）和混合分解模型，相应于以上三种模型的优化方法分别称为层次分解优化方法、网状分解优化方法和混合分解优化方法。

图2.3.7 结构层状分解示意图

图2.3.8 结构网状分解示意图

2.5.1.3耦合问题的提出

实践证明，结构优化设计问题的规模越大，分解法的好处越明显。对于静定结构的优化问题，分解法是相当有效的。因为各子问题（单元）约束条件之间没有任何关系，即内力不随截面积变化，所以，各子问题优化时对其他子问题无任何影响，可以各自单独优化。然而，工程中的问题大量属于超静定结构的优化问题。举一个简单的例子，如图2.3.9所示的平面N杆桁架，结构在C点受的力F_X 、F_Y ，材料的弹性模量E为已知，设计变量为各杆的横截面面积A_i、第i 杆上铰接点B_i在水平方向上的坐标值X_i(i=1,2,…,N)、铰接点C在铅垂方向上的坐标值Y。约束中包括：各杆内的应力σ_i不大于各自的拉应力许用值[σ]_Li且不小于各自的压应力许用值[σ]_Yi，杆的横截面积大于零等。目标函数为整个结构体积W最小。对于这类问题，由于任一设计变量的变化（如A_i），必然要引起各个杆件内力或应力的重新分布。这就是工程中所说的耦合。因此，在使用分解法优化算法时，仅对各子问题单独优化是不行的，必须同时考虑到其它子问题的影响，即考虑到各子问题之间的耦合。

图2.3.9 平面N杆桁架

仍以图2.3.9题为例，暂不设计外层循环的设计变量Y和，仅对内层循环的进行设计。对第杆的应力约束条件，不考虑耦合时，约束式为：，即：

(2-52)

但由于耦合的存在，必须考虑当j杆(j≠i)的截面积发生变化时，在第杆内所引起的内力或应力的改变，即耦合。设其相应的影响为，则对应于式（2-52）的约束条件应为

(2-53)

整理后得：

(2-54)

将式（2-52）与式（2-54）进行比较可知：考虑耦合后的约束条件相当于其右端项有所改变，换句话说，相当于可行域有所改变。其改变部分即是由耦合（其它杆截面积改变对杆的影响）所引起的结果。一旦定量地解出了耦合部分，即可令式（2-54）的右端项为：

(2-55)

此时，原目标函数中及不再是固定参数。利用参数最优控制，从而可以实现耦合最优控制。求解新的最优控制模型：

（2-56）

即可得最优耦合。（上式中W⁰为整个结构体积的初始值或迭代过程中上一步计算的结果）

2.5.2敏度分析

敏度分析的真正含义是计算目标函数和约束条件对设计变量的导数，它是结构优化设计的重要支柱。

首先，利用K-T条件建立优化准则时，需要计算应力、位移、频率等约束条件对设计变量的导数。其次，优化算法中，当目标函数和约束条件表现出高度非线性时，经常将其用泰勒级数近似展开，这也需要反复计算目标函数和约束条件的导数。最后，敏度分析自身就有重要的应用价值，因为敏度分析可以直接为设计的改进指引方向，设计者根据这些导数信息可以判断那些设计变量对那些性态(应力、位移、频率)最灵敏，从而在修改设计时处于主动地位加以控制。敏度分析包括位移敏度分析和应力敏度分析两种。

2.5.2.1 位移敏度分析

常用的位移敏度分析方法有模拟和虚载荷两种方法。

1.模拟载荷法

由线弹性静力平衡方程

（2-1）

可求其结构位移向量

（2-2）

式中为真实载荷向量，不同的载荷工况代入上式得不同工况下结构位移向量。

直接求导数法是对式（2-1）两端直接求对设计变量的导数，令设计变量为，有

（2-3）

整理后，即得结构位移对的敏度：

（2-4）

式中，相当于式（12-2）的右端载荷项，令其为拟载荷（Pseudo-load），用表示，则式（2-4）可以写成

（2-5）

式（2-5）与式（2-2）形式一模一样，式（2-2）求解的是结构位移向量，式（2-5）求解的是结构位移向量对第个设计变量的导数。

由于总刚度矩阵中与有关的单元才对有贡献，所以很容易在计算出与有关的那些单元的刚度矩阵对的导数之后，象组成总刚一样组成；是原结构位移响应；是真实载荷对设计变量的导数，中的大多数（有时是全部）分量与无关，很容易计算。拟载荷中各个分量求得后，即可形成。由于事先是已知的，并且已分解完毕，引进之后回代即得中全部分量。

拟载荷法位移敏度求得的是结构所有独立自由度对某一个事先指定的设计变量的导数，所以位移敏度向量与位移向量规模一样大小。当载荷工况数乘以独立设计变量数小于位移约束时，采用拟载荷法比下面要介绍的单位载荷法合算。

2.虚载荷法

假设某个结构优化设计问题中有J个位移约束条件，对应的位移值都可以由基于单位载荷法的积分公式求得。

由虚功原理，结构在某载荷作用下的广义位移为：

（2-6）

式中是单位虚载荷下的单元应力向量；是真实载荷工况下的单元应变；是第个单元对个广义位移贡献的莫尔积分形式。以轴力杆单元为例：

（2-7）

对梁元：

（2-8）

总之，每一类单元的均可求之。

设第个位移为，则沿这个位移方向施加一单位载荷，，

即虚设一载荷向量，该向量中除与第个位移对应的位置上载荷大小为1外，其余全部为零，

则该位移对设计变量的导数与结构全部位移对的导数之间存在以下关系：

（2-9）

将式（2-9）代入式（2-4），得

（2-10）

设单位虚载荷，作用在原结构后获得的位移为，它可由下式算出：

（2-2）

将式（2-2）代入式（2-10）之前对式（2-2）两端作转置运算。并利用的对称性，所以有：

于是式（2-10）可以表示为：

（2-12）

式中等号右端括号内意义同前，为与这个自由度相一致的单位载荷作用下所获得的结构位移向量，二者矩阵乘法后，即得对设计变量的导数。由于这之前，已经分解。施加单位载荷后，很容易回代解出。

式（2-12）即称之为单位载荷法，有多少个位移约束就需要计算多少个单位虚载荷工况，因此这种方程又称之为虚载荷法。

虚载荷法与直接求导数法形式上差别很大，计算量也不同，但本质是一样的。

2.5.2.2 应力敏度分析

有了位移敏度，应力敏度（Stress Sensitivity）的求解就很容易了。

设第个单元的应力为，根据有限元理论，可以用该单元的结点位移表示：

（2-13）

式中为弹性矩阵，为几何矩阵，为应力矩阵，为结点位移向量，为热胀系数，为单元结点温度向量。式（2-13）两端对中间设计变量求导数，得：

（2-14）

对梁元和壳元，由于在一些分析中已经指定温度是独立于设计变量的常数，因而在式（2-14）中最后一项为零，对应力敏度没有贡献。

式（2-14）中的可以直接从位移敏度中按照单元接口点号信息取出。

一般说来，计算应力敏度之前，用那一种方法计算位移导数都可以酌情选择，但是，用直接求导数法要有利一些，因为它给出的信息面大。

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a）初时界面	b）添加完毕界面
图5.8.8 计算用户界面

工艺参数	模压量（h）	压模倾角（J）	目标函数（R）
优化前	1.0	45⁰	-140.7
优化后	1.7	46.8⁰	-228.5

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