1.4 多学科设计优化技术国内外研究现状

20世纪30年代，日趋复杂的包含有多个相互高度关联子系统的飞行器优化设计难题使科研人员逐渐意识到飞行器设计过程中各子系统间必须进行协调折中，否则很难完成相对完整的飞行器优化设计^[79]，但该问题没有引起重视。

早在1974年，美国国家航空航天局（NASA）高级研究员SobieskiJ首先提

出了多学科设计优化（MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO）的初步思

想^[80]，但该方法与现今的多学科设计优化方法相差甚远。直到20世纪80年代，文献[81，82]研究结果表明，飞行器优化设计中的各通用子系统设计因忽视各子系统间的相互影响，其设计结果并非最优。自此以后，一些关于复杂系统优化设计及研究分析的理论方法被陆续提出。1986年，第一届多学科分析与优化设计大会在美国国家航空航天局兰利研究中心举行。到20世纪90年代，出现了一

种新的优化设计方法多学科设计优化（MultidisciplinaryDesignOptimization，

MDO）^[83，84]。1991年，美国航空航天学会（AIAA）发表了多学科设计优化白皮

书^[85]，该白皮书论述了航空工业产品设计方法的发展历程，指出多学科设计优化策略与优化算法是航空器MDO的主要研究内容，这标志着多学科设计优化作为一个新的研究领域正式诞生。1998年，美国多学科设计优化（MDO）技术委员会基于波音、通用电气等大型企业MDO技术应用现状的调查数据又发表了第二份多学科设计优化白皮书^[86]，书中对MDO技术的方法和经验进行了总结，并提出了多学科设计优化过程中需要解决的困难问题。

对于包含许多子系统的复杂系统设计，该优化设计方法的基本步骤为：

（1）充分考虑各子系统间的相互耦合关系，采用适当的方法以学科（或子系统）为基础将复杂系统分解。

（2）根据学科间关系，通过某种理论方法协调和控制各子系统（子学科）。（3）通过某种优化算法获得复杂系统的整体最优解。

10多年来，多学科设计优化是国内外飞行器优化设计研究的一个最新、最活跃的领域，其研究成果有利于促使传统的串行设计模式向先进的并行、协同设计模式转换。而多学科设计优化方法（也称优化策略）则是多学科设计优化技术研究领域中成果最多和最为重要的研究方向，而SobieskiJ.则在这一研究方向取得了一系列的开创性成果，例如适用于复杂耦合系统的“全灵敏度方程分析方法”^[87]和子空间优化方法等^[88]。而文献[89]则将子空间优化方法改进和发展为并行子空间优化方法，并在机械构件设计应用时取得了满意的结果。文献[90，91]分别将响应面方法和专家系统引入到并行子空间优化方法，不仅可减少系统分析的次数和提高全局最优解的精度，而且可在很大程度上提高设计的自动化程度。

对于可重复使用的运载器初步设计问题，文献[92]利用协作优化方法既实现了并行通信又找到了更好的设计方案。在发动机设计领域方面，文献[93]采用多学科鲁棒性设计优化方法对发动机设计过程中的不确定性进行了评价，取得了比较理想的效果，而文献[94]则采用多学科优化技术对发动机动力系统进行了优化设计，效果比较理想。

与国外的研究现状相比，我国在多学科设计优化技术领域的研究仍处于起步阶段。20世纪90年代我国科研工作者开始关注多学科设计优化技术的发展动态，但一直没有取得令人满意的成果。直到20世纪初期，多学科设计优化技术的研究与应用才正式被科研工作者所重视，涌现了一系列的研究与应用成果，如无人机的并行子空间设计优化^[95，96]、飞行器设计过程异步并行的分布式协同进化MDO算法^[97]、飞行器设计中的协同优化算法^[98]以及对多学科设计优化技术的理论探讨^[99107]，但其研究与应用大多集中于航空航天设计过程的多学科设计优化理论研究，真正能在实际中得到工程应用较少。

自2005年以来，多学科设计优化技术开始被引入汽车领域，如以汽车整车、载货汽车驾驶室、汽车离合器和轿车空调制冷系统为研究对象的多学科设计优化取得了较好的优化效果^[108111]，但作为汽车心脏的发动机及其燃油系统设计方面的多学科设计优化技术研究尚未见相关文献报道，这足以说明汽车领域的多学科设计优化技术研究仍存在许多有待于科研工作者进一步努力研究空间。