馮剛英（西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)及其應(yīng)用?

馮剛英
（西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)是有效提升電子設(shè)備綜合設(shè)計水平的關(guān)鍵技術(shù)之一。結(jié)合電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化的技術(shù)需求，概述了電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究取得的相關(guān)成果，包括多學(xué)科建模技術(shù)、多學(xué)科優(yōu)化策略及優(yōu)化算法應(yīng)用、優(yōu)化流程定制及學(xué)科分層次優(yōu)化關(guān)系建立技術(shù)等內(nèi)容，通過多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計平臺實際應(yīng)用，實現(xiàn)了電子設(shè)備重量減輕，性能提高。

電子設(shè)備；多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計；多學(xué)科建模；優(yōu)化算法；多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計平臺

1 引言

從20世紀(jì)80年代奠基并逐漸發(fā)展起來的多學(xué)科優(yōu)化（MDO）技術(shù)，已得到了長足的發(fā)展。1982年，美籍波蘭人J.Sobieszczanski-Sobieski提出MDO設(shè)想；1996年，Sobieski和Haftka兩位MDO研究權(quán)威撰寫了《航空航天領(lǐng)域中的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化研究綜述》，對MDO的概念、基本方法等6個組成部分進(jìn)行了探討，并指明了MDO研究的方向。目前，已有美國、歐洲、俄羅斯、日本等國家和地區(qū)大量科研院所投身于MDO的研究。工業(yè)界如波音公司旋翼設(shè)計優(yōu)化、洛克希德·馬丁公司F-22飛機(jī)結(jié)構(gòu)／氣動優(yōu)化設(shè)計、歐盟空客公司牽頭的翼身融合體布局多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（MOB）等已有系統(tǒng)理論研究和工程應(yīng)用案例［1-2］。國內(nèi)20世紀(jì)90年代中期，包括清華大學(xué)在內(nèi)的多個大專院校開展了大量優(yōu)化理論、優(yōu)化算法研究，近些年來眾多的科研院所也開展了大量的工程研究工作［3-5］。

國內(nèi)電子設(shè)備的研發(fā)，已具備較成熟的熱、振動、電磁等單學(xué)科分析和優(yōu)化設(shè)計能力，但各學(xué)科的優(yōu)化相對獨(dú)立，較少研究各學(xué)科間相互作用而產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，很難獲得面向全局的優(yōu)化結(jié)果，而且設(shè)計周期較長，成本高［1］。伴隨電子設(shè)備逐步向綜合化、模塊化方向發(fā)展，一方面，電子系統(tǒng)集成度提高了，設(shè)備更加小型化、輕量化，各個現(xiàn)場可更換模塊（LRM）內(nèi)部的組裝和布線密度不斷增大，熱流密度也不斷增加；另一方面，面臨嚴(yán)酷的抗沖擊振動要求，以及更加復(fù)雜的電磁環(huán)境，電子設(shè)備研制中熱設(shè)計、振動設(shè)計、電磁兼容設(shè)計等多學(xué)科問題就顯得更為突出。開展電子設(shè)備多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究，目的就是解決電子設(shè)備小型化過程中需要解決的振動、熱及電磁等多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計問題，以提升設(shè)計水平，縮短設(shè)計周期，節(jié)約研制成本。

2 電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 復(fù)雜系統(tǒng)的多學(xué)科綜合建模技術(shù)

傳統(tǒng)意義的電子設(shè)備各學(xué)科優(yōu)化面臨著模型種類多、學(xué)科模型不統(tǒng)一、模型間數(shù)據(jù)無法共享、模型間數(shù)據(jù)傳遞驅(qū)動困難、模型建立過程復(fù)雜等難題，建立良好的多學(xué)科綜合設(shè)計模型是開展多學(xué)科綜合優(yōu)化的前提和基礎(chǔ)。針對電子設(shè)備多學(xué)科綜合優(yōu)化模型的特點(diǎn)，利用多學(xué)科主模型技術(shù)，通過主模型實現(xiàn)信息傳遞、驅(qū)動相關(guān)參數(shù)建立各學(xué)科分析模型，在定義優(yōu)化三要素的基礎(chǔ)上實現(xiàn)優(yōu)化模型的建立。主模型、學(xué)科分析模型和優(yōu)化模型的建模方法共同構(gòu)成了基于多學(xué)科主模型技術(shù)的電子設(shè)備綜合優(yōu)化建模方法［6］。

多學(xué)科主模型采用了異構(gòu)軟件界面集成技術(shù)，將CAD軟件嵌入建模模塊中，用于建立分析和優(yōu)化的三維幾何模型。開發(fā)了零部件與特征庫、建模規(guī)則庫和材料庫等數(shù)據(jù)庫與幾何模型關(guān)聯(lián)，組成可共用于分析和優(yōu)化的多學(xué)科主模型。仿真分析模型采用了CAD／CAE集成技術(shù)，通過各個仿真分析模塊的前處理子模塊建立相應(yīng)的CAE仿真分析模型。綜合優(yōu)化模型采用了異構(gòu)軟件的數(shù)據(jù)接口技術(shù)，解析主模型建模模塊、優(yōu)化模型建模模塊及各個分析模塊預(yù)先設(shè)定的接口文件，依照用戶的需求設(shè)置設(shè)計變量、目標(biāo)和約束，建立綜合優(yōu)化模型。利用綜合優(yōu)化建模技術(shù)建立的綜合優(yōu)化模型，集成了各相關(guān)學(xué)科優(yōu)化所需的信息，通過流程定制技術(shù)確定具體研究對象，優(yōu)化設(shè)計所涉及的學(xué)科（振動、熱、電磁）和學(xué)科的優(yōu)化調(diào)用順序，能實現(xiàn)產(chǎn)品綜合性能仿真和優(yōu)化。

2.2 電子設(shè)備多學(xué)科綜合優(yōu)化策略和優(yōu)化算法定制

電子設(shè)備各學(xué)科的設(shè)計計算是通過數(shù)值仿真分析實現(xiàn)的，但單學(xué)科仿真分析的數(shù)值結(jié)果噪聲大，這些數(shù)值噪聲給優(yōu)化計算帶來了比較大的困難，表現(xiàn)為迭代過程出現(xiàn)振蕩而不收斂，重分析次數(shù)過多導(dǎo)致計算量過大，最終使得基于梯度的通用優(yōu)化算法往往失效；同時各學(xué)科之間存在耦合關(guān)系，往往需要反復(fù)迭代才能夠完成一次可行設(shè)計，如果不對各學(xué)科間的這種耦合進(jìn)行處理，巨大的計算復(fù)雜性意味著無法進(jìn)行有效的系統(tǒng)綜合優(yōu)化設(shè)計。

開發(fā)基于局部近似的信賴域法和基于全局近似的概率協(xié)調(diào)策略的兩種優(yōu)化算法，解決了電子設(shè)備單學(xué)科仿真分析的數(shù)值噪聲問題。基于局部近似的信賴域法采用單純形梯度來消除數(shù)值噪聲對靈敏度信息的不利影響，用Lagrange乘子協(xié)調(diào)各學(xué)科性能要求之間的矛盾關(guān)系，進(jìn)而在信賴域方法的框架下完成尋優(yōu)過程；基于全局近似的概率協(xié)調(diào)策略采用回歸Kriging模型來過濾數(shù)值噪聲，構(gòu)造各學(xué)科響應(yīng)量的全局近似模型，利用Kriging模型的概率背景，有效過濾數(shù)值噪聲，采用KS包絡(luò)函數(shù)凝聚多個約束函數(shù)，利用KS函數(shù)的保守性，補(bǔ)償近似模型的誤差［7］。

2.3 多學(xué)科綜合優(yōu)化流程定制

電子設(shè)備綜合設(shè)計過程中面臨熱、振動、電磁兼容等多個學(xué)科分析及優(yōu)化，由于各學(xué)科分析采用不同商用軟件，數(shù)據(jù)格式各異、種類繁多，信息交換必然面臨大量數(shù)據(jù)傳遞的難題。要實現(xiàn)多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計，不同學(xué)科的分析流程、優(yōu)化設(shè)計流程的定制和相關(guān)數(shù)據(jù)管理是技術(shù)關(guān)鍵。學(xué)科分析流程定制通過中間文件轉(zhuǎn)換的技術(shù)途徑，在用戶界面指定分析輸入文件及參數(shù)，讀取路徑，指定分析執(zhí)行文件（.exe、.bat等）和結(jié)果輸出路徑、輸出方式，實現(xiàn)學(xué)科分析過程自動化；優(yōu)化流程定制通過界面選擇可執(zhí)行命令流，規(guī)定各個學(xué)科分析的順序，并確定需傳遞的數(shù)據(jù)規(guī)模和數(shù)據(jù)種類。考慮產(chǎn)品復(fù)雜程度及優(yōu)化問題需求，提供可選擇的優(yōu)化流程有3種：高精度優(yōu)化、基于近似模型的漸進(jìn)優(yōu)化、變復(fù)雜度模型優(yōu)化，3種優(yōu)化流程如圖1所示［1］。

2.4 多學(xué)科分層次優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化變量、約束條件關(guān)系的建立技術(shù)

綜合模塊化的電子設(shè)備，以現(xiàn)場可更換模塊（LRM）加機(jī)箱的結(jié)構(gòu)集成形式為典型代表。由于設(shè)備的構(gòu)成模型復(fù)雜、仿真分析規(guī)模龐大、單次仿真計算時間長等計算問題，從而導(dǎo)致學(xué)科優(yōu)化在技術(shù)上面臨實現(xiàn)困難。特別是進(jìn)一步進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化時，更是存在尋優(yōu)迭代次數(shù)多、優(yōu)化精度和優(yōu)化成功率低等諸多問題。在研究過程中，考慮對象產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可分解成機(jī)箱加模塊的組成形式，所針對的優(yōu)化目標(biāo)（如重量及體積）也可分解，將系統(tǒng)級優(yōu)化問題中優(yōu)化目標(biāo)與設(shè)計變量分解為若干子系統(tǒng)級優(yōu)化目標(biāo)及設(shè)計變量的優(yōu)化問題，采用主模型統(tǒng)一提供數(shù)據(jù)信息。通過確定模型分層界面，明確各學(xué)科設(shè)計參數(shù)（變量、約束條件和目標(biāo)）分解和傳遞，實現(xiàn)減小分析規(guī)模、縮短優(yōu)化時間、確保計算能夠收斂、達(dá)到總的優(yōu)化目標(biāo)要求，因此采用多學(xué)科分層次優(yōu)化方法能保證多學(xué)科綜合優(yōu)化實施的可行性。

3 綜合模塊化電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計平臺開發(fā)

應(yīng)支撐數(shù)據(jù)庫組成。

綜合建模模塊提供基于規(guī)則設(shè)計、基于裝配樹設(shè)計等方法，結(jié)合各類數(shù)據(jù)庫，可以方便地定制特定電子設(shè)備的主模型。首先，建立常見零部件和特征的框架模型，按照規(guī)則定義語義，在框架模型上添加建模規(guī)則；然后，定制整機(jī)參數(shù)化設(shè)計的零部件庫和特征庫；最后，通過規(guī)則入庫管理。上述功能通過“規(guī)則定義”子模塊、“零部件庫維護(hù)”子模塊實現(xiàn)。用戶在綜合建模模塊中，通過選擇產(chǎn)品類型，選擇產(chǎn)品組成的零部件和特征類型、數(shù)量、輸入?yún)?shù)，即可快速地生成產(chǎn)品模型實例。

仿真分析模塊在充分利用商業(yè)軟件原有功能基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行二次集成開發(fā)，實現(xiàn)各學(xué)科自動前后處理、模型轉(zhuǎn)換和分析軟件自動調(diào)用求解。力學(xué)分析模塊補(bǔ)充開發(fā)了符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)振動和沖擊數(shù)據(jù)加載、選用界面和調(diào)用接口等內(nèi)容，實現(xiàn)隨機(jī)振動激勵響應(yīng)和沖擊激勵響應(yīng)分析的方便快速進(jìn)行。熱分析模塊重點(diǎn)進(jìn)行電子機(jī)箱冷板模型、傳導(dǎo)接觸熱阻模型等相關(guān)等效計算軟件開發(fā)，實現(xiàn)熱分析模型簡化，降低仿真時間。電磁分析模塊重點(diǎn)研究縫隙模型、密封屏蔽裝置轉(zhuǎn)移阻抗等模型等效處理方法，解決了電磁仿真軟件無法實現(xiàn)縫隙、密封條等模型建模求解問題。

綜合優(yōu)化模塊建立系統(tǒng)級全局優(yōu)化模型，采用優(yōu)化策略和算法求出最佳的設(shè)計參數(shù)以滿足設(shè)計目標(biāo)。開發(fā)了專用于電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化的基于局部近似的信賴域法軟件、基于全局近似的概率協(xié)調(diào)策略軟件和多學(xué)科耦合系統(tǒng)的解耦方法軟件。同時，開發(fā)仿真分析的流程定制、自動調(diào)用、流程控制軟件和CAD、力學(xué)、熱、電磁和優(yōu)化等異構(gòu)軟件之間的數(shù)據(jù)接口軟件，實現(xiàn)優(yōu)化過程中的數(shù)據(jù)流程有效管理。

綜合優(yōu)化設(shè)計平臺是多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)的綜合體現(xiàn)，多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用都建立有相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計平臺，例如：清華大學(xué)建立的虛擬樣機(jī)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計與仿真平臺［8］、北京航空航天大學(xué)建立了基于航空發(fā)動機(jī)的優(yōu)化設(shè)計平臺［9］、國防科技大學(xué)建立的飛行控制器的多學(xué)科綜合環(huán)境［10］等。針對電子設(shè)備的特點(diǎn)，同時結(jié)合上述電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中多項關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，開發(fā)了電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計軟件平臺。該軟件平臺由綜合建模模塊、仿真分析模塊、綜合優(yōu)化模塊及相

4 實踐應(yīng)用

某電子設(shè)備設(shè)計過程中面臨熱、振動、電磁兼容等多學(xué)科綜合設(shè)計問題，通過上述多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，在實現(xiàn)小型化、輕量化設(shè)計的同時，較好地滿足了各項環(huán)境設(shè)計要求。

該設(shè)備采用上下穿通風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)形式，在模塊的外表面設(shè)計散熱齒，在機(jī)箱的上下板上設(shè)計通風(fēng)孔，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由于體積和重量的限制，設(shè)計中必須采用高效散熱技術(shù)來解決高熱流密度LRM模塊的散熱問題，同時機(jī)箱需具備較高的抗沖振能力，并滿足復(fù)雜的電磁兼容性要求。在設(shè)計過程中需要綜合考慮高組裝密度和高熱流密度對設(shè)備的抗振動能力、散熱能力以及電磁兼容性方面的影響，協(xié)調(diào)3個學(xué)科之間的不同要求，這是典型的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計問題。

運(yùn)用上述的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)以及開發(fā)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計平臺，進(jìn)行分層次優(yōu)化，即機(jī)箱的多學(xué)科優(yōu)化和模塊的多學(xué)科優(yōu)化。

4.1 機(jī)箱的多學(xué)科優(yōu)化

根據(jù)設(shè)備重量指標(biāo)小于6 kg、屏蔽效果大于45 dB（頻率小于600 MHz）、模塊的溫度小于60℃、模態(tài)基頻大于150 Hz的設(shè)計要求，機(jī)箱的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計問題定義如下：

（1）優(yōu)化目標(biāo)：重量最小化；

（2）設(shè)計變量：上下板矩形孔的長度變化范圍10～40 mm，上下板的厚度變化范圍12～16 mm，側(cè)板厚度變化范圍6～12 mm，側(cè)板減重槽長度變化范圍10～60 mm；

（3）約束：基頻不低于160 Hz，屏效不低于50 dB（≤600 MHz），機(jī)箱內(nèi)模塊的溫度不高于60℃。

通過多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計平臺，開展綜合建模、仿真分析和綜合優(yōu)化，實現(xiàn)了機(jī)箱級的優(yōu)化目標(biāo)，如圖3所示。

4.2 模塊的多學(xué)科優(yōu)化

以該設(shè)備中某信號處理模塊為例，外表面的散熱齒與機(jī)箱上下板的通風(fēng)孔構(gòu)成了整個設(shè)備的風(fēng)道，冷卻風(fēng)從中流過帶走模塊工作時產(chǎn)生的熱量。經(jīng)過分層次定義及指標(biāo)分解，將該模塊的多學(xué)科設(shè)計問題定義如下：

（1）優(yōu)化目標(biāo)：重量不大于0.4 kg；

（2）設(shè)計變量：散熱齒肋高尺寸變化范圍2～7 mm，肋寬尺寸變化范圍1.5～3 mm，肋間距尺寸變化范圍4～8 mm；

（3）約束：中心位置貼裝的某器件最高殼溫度不超過85℃。

通過多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計平臺，開展綜合建模、仿真分析和綜合優(yōu)化，實現(xiàn)了模塊級優(yōu)化目標(biāo)，如圖4所示。

該電子設(shè)備通過上述兩級多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，最終實現(xiàn)了設(shè)備重量減輕21.5%，同時熱、振動和電磁兼容性能滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計技術(shù)是在多學(xué)科仿真分析技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展并建立起來的，通過多年的研究，已在技術(shù)上得到長足發(fā)展，并取得了大量的成果。通過電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究，開發(fā)的優(yōu)化設(shè)計平臺已在多個工程案例中成功應(yīng)用，進(jìn)一步證明了多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對提高電子設(shè)備綜合性能指標(biāo)、縮短研制周期、降低研制成本有著非常重要的意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Multidisciplinary Design Optimization and its Application in Electronic Equipment

FENG Gang-ying
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Multidisciplinary Design Optimization（MDO）is one of the key technologies which can effectively enhance the integrated design level of electronic equipment.According to the requirements of MDO，relevant achievements of current MDO research are summarized，including multidisciplinary modeling，application of multidisciplinary optimization strategy and algorithm，optimization of processing customization and the establishment technology ofgraded optimization relations.Better performance and less weight of the electronic equipment are achieved by actual application of MDO.

electronic equipment；multidisciplinary design optimization（MDO）；MDO modeling；MDO algorithm；MDO platform

The National Basic Science and Research Program（B1120060958）

TN802；TP391.9

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.026

馮剛英（1970—），女，四川成都人，高級工程師，主要研究方向為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計及電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。

1001-893X（2012）03-0379-05

2012-01-05；

2012-03-12

國家基礎(chǔ)預(yù)研項目（B1120060958）

FENG Gang-ying was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1970.She is now a senior engineer.Her research concerns system structure design and MDO of electronic equipment.

Email：lisadt＠yahoo.cn