第1章 緒論

產品建模與仿真的最終目的是實現產品的優化設計。仿真優化是指基于系統仿真的參數優化，它是針對仿真模型建立的優化問題。采用相關的優化搜索算法進行求解的一整套技術，是基于仿真的目標或和約束的優化問題。其原理如圖1.1所示，即基于模型仿真給出的輸入關系構造優化模型，通過輸出給優化算法得到最佳的輸入量。如制造系統、交通系統、電力系統、化工系統等的許多工程問題都能歸結為基于仿真的優化問題［1］?；诜抡娴膬灮鶕抡鎲栴}的類型分為靜態優化和動態優化。基于仿真的動態優化又可分為基于仿真的動態響應優化、基于仿真的動態特性優化和基于仿真的動態疲勞優化?；诜抡娴膭討B優化不僅是仿真優化問題，而且是動態優化問題。從狹義上講，動態響應優化是在動態載荷作用下的結構動態特性的最優化；從廣義上講，動態響應優化是指目標函數優化或約束函數與時間相關、而設計變量與時間無關的優化，當然后者包含前者。

圖1.1 基于仿真模型優化的原理

基于仿真的優化的特點如下：

（1）系統輸入輸出的關系有兩種，一種是缺少結構信息，不存在解析表達式，僅能通過仿真得到；另一種是雖然存在解析表達式，但是獲得解析解比較困難，如微分方程或偏微分方程等，或者采用近似方法獲得解析表達式，如結構的運動模型。

（2）在仿真優化時，一種仿真耗費時間較少，另一種仿真耗費時間則較多，且缺少針對這種情況的仿真優化算法，導致優化過程十分耗時，甚至不可能實現優化。

（3）對于大型連續結構，優化難度非常大，主要表現在：大型連續結構有限元分析耗時較長，尋優過程效率較低；連續結構參數化比較困難，但對于桿單元、平面單元、梁單元等簡單單元來說，常以單元截面積、單元厚度及梁截面積為設計變量，很容易實現參數化。根據子結構方法的優勢與優化過程中各個子功能的特點重新思考優化是一種有效的解決方案。

（4）設計變量及其取值范圍的確定是對結構優化問題建立合理優化模型的前提，它們的取值直接決定了優化問題的收斂性與高效性。工程師一般結合經驗盡量多取設計變量，盡量擴大設計變量的取值范圍，這樣做是為了避免漏掉關鍵設計變量及其包含的重要取值范圍，但這樣確定設計變量的取值范圍沒有任何理論依據。

鑒于基于仿真的結構優化工程背景和上述特點，它一直是很多領域，尤其是機械制造和航空航天等領域學者和工程師們共同關注的重要課題。隨著計算機技術、人工智能技術和數學分析方法的發展，對基于仿真的結構優化研究更加迫在眉睫。