CN117669038A - 一种多学科优化模型构建系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多学科优化模型构建系统及方法，属于多学科建模技术领域，包括模板库、模型构建模块、以及模型解析与求解模块；模板库用于构建产品的多学科优化模型；模型构建模块通过连接器将优化算法图形、起点与终点图形、优化参数设置图形、优化目标求解图形进行互联，进而形成图形化多学科优化模型的完整优化循环；模型解析与求解模块用于将搭建的图形化多学科优化模型解析为可执行的多学科优化程序并执行。通过选择对应参数化设计模板和参数化分析模板，实现多学科优化模型的快速构建，大大降低了参数化模型二次开发难度，从而将模型构建重点放在优化参数选取、优化目标优化约束确定、优化算法选择层面，从而降低多学科优化的应用门槛。

Description

一种多学科优化模型构建系统及方法

技术领域

本发明涉及多学科建模技术领域，尤其涉及一种多学科优化模型构建系统及方法。

背景技术

现代飞行器设计过程中往往涉及众多学科，包括总体、气动、动力、结构、控制等专业学科以及众多细分的二级学科等等。在设计过程中各个专业相互制约，相互联系，系统耦合度较高，一般需要开展大量方案迭代才能得到最优方案，在工程应用中一般通过多学科优化的方式以获取系统最优解。当前众多的多学科优化工业软件中不乏图形化，节点化操作的多学科优化软件，其基本的步骤包括：

(1)确定各学科执行顺序；

(2)基于二次开发方法构建参数化多学科联合仿真流程并自动提取分析结果；

(3)确定优化变量、优化目标、优化约束和优化算法；

(4)启动优化分析。

其中，由于第(2)步构建参数化多学科联合仿真流程的二次开发方法往往需要较强的二次开发功底、以及参数化建模能力，工作量巨大，同时采用传统的代码编程的方式构建多学科优化模型也面临代码构建难度大，学习门槛较高等问题，这对多学科优化技术在实际产品设计(如发动机设计、燃烧室壳体设计等)中的落地实施带来极大的困难，不利于多学科优化技术的快速推广与应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供一种多学科优化模型构建系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多学科优化模型构建系统，系统具体包括模板库、模型构建模块、以及模型解析与求解模块；

模板库包括参数化设计模板和参数化分析模板，基于参数化设计模板、参数化分析模板进而构建产品的多学科优化模型；

模型构建模块包括优化图形工具箱、画布、连接器、优化模型视图；优化图形工具箱中包括优化算法图形、起点与终点图形、优化参数设置图形、优化目标求解图形，通过连接器将至少一优化算法图形、至少一起点与终点图形、至少一优化参数设置图形、至少一优化目标求解图形进行互联，进而形成图形化多学科优化模型的完整优化循环；画布用于编辑和展示构建的图形化多学科优化模型；优化模型视图用于对画布中搭建的图形化多学科优化模型进行可视化展示；

模型解析与求解模块用于将搭建的图形化多学科优化模型解析为可执行的多学科优化程序并执行。

在一示例中，所述系统还包括元模型，用于驱动三方软件对产品进行参数化设计与分析，以及实现元模型间的数据交互与管理；通过对元模型进行基础设置进而完成对模板库中模板的构建，基础设置包括对参数化设计模板、分析模板、设计参数进行设置。

在一示例中，所述系统还包括设计向导，用于获取基于元模型构建的模板并显示；通过将设计向导中模板映射至画布，从而实现设计分析流程的优化目标求解图形的创建和初始化设置。

在一示例中，所述形成图形化多学科优化模型的完整优化循环包括：

将起点、终点、优化目标求解图形之间通过连接器中有向线连接，并从起点指向第一个执行的优化目标求解图形，并按照执行顺序依次指向下一个需要执行的优化目标求解图形，并以终点为结尾，从而形成一个完整的可执行流程；

通过连接器中无向线将优化算法图形和优化参数设置图形连接，通过无向线将待优化区域起始优化目标求解图形、终止优化目标求解图形分别与优化算法图形、参数设置图形连接，从而形成完整优化循环。

在一示例中，所述形成完整优化循环后还包括：

在完整优化循环中待优化区域内继续选择局部优化区域继续构建局部优化循环，从而实现优化嵌套。

在一示例中，所述优化目标求解图形具有图形嵌套功能，包括：

在一个优化目标求解图形中嵌套至少一个优化目标求解图形，并且多个优化目标求解图形之间按照执行循序通过连接器中有向线连接，或者通过形成所述优化循环进而嵌套至局部优化循环。

在一示例中，所述优化目标求解图形用于对求解流程进行设置，包括流程执行指令脚本设置、结果提取设置、目标值计算、约束设置；

流程执行指令脚本中包含待优化参数，通过标签加参数名的方式实现流程执行指令脚本中关联参数的绑定；

结果提取设置中需要设置的内容包括结果参数、结果提取指令脚本，结果参数用于实现参数数量设置，结果提取指令脚本将获取的计算结果记录至设置的结果参数中，结果提取指令脚本与结果参数通过标签加参数名的方式绑定；

约束设置用于设置优化约束，被约束参数与结果参数之间通过标签加指定字符串方式绑定；

目标值计算设置用于设置单个计算目标或多个计算目标，通过对目标值解析并通过结果参数值运算得到目标值，结果参数与指令脚本通过标签加参数名的方式绑定。

需要进一步说明的是，上述系统各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

本发明还包括一种多学科优化模型构建方法，与上述任一示例或者多个示例组合形成的系统具有相同发明构思，包括以下步骤：

开发参数化设计模板和/或参数化分析模板，进而构建产品的多学科优化模型；

新建优化项目，并从优化图形工具箱中选择至少一个优化算法图形、起点与终点图形、与优化算法图形数量相等的优化参数设置图形；

从优化图形工具箱中选择至少一个优化目标求解图形，完成至少一个相应的优化目标求解图形的创建与初始化，重复本步骤，直至完成所有优化目标求解图形的创建；

通过连接器将至少一优化算法图形、至少一起点与终点图形、至少一优化参数设置图形、至少一优化目标求解图形进行互联，进而形成图形化多学科优化模型的完整优化循环；

解析图形化多学科优化模型得到可执行的多学科优化程序并执行，并实时查看分析结果。

在一示例中，所述方法还包括：

在完整优化循环中待优化区域内继续选择局部优化区域继续构建局部优化循环从而实现优化嵌套。

在一示例中，所述完成至少一个相应的优化目标求解图形的创建与初始化还包括：

从设计向导中选择相应模板并映射至画布，从而完成至少一个相应的优化目标求解图形的创建与初始化。

需要进一步说明的是，上述方法各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

1.在一示例中，在已经集成各学科参数化设计模型和参数化分析模型基础上，通过选择对应参数化设计模板和参数化分析模板，实现多学科优化模型的快速构建，大大降低了参数化模型二次开发难度，无需进行相关学科参数化设计与分析模板的构建，从而将模型构建重点放在优化参数选取、优化目标优化约束确定、优化算法选择层面，从而降低多学科优化的应用门槛，构建难度低，使得设计人员更容易掌握和使用，并且大大降低了模型构建工作量，极大地提高了模型的复用率，推导了产品设计的落地，利于多学科优化技术的快速推广与应用，同时还节约了产品研制成本。

2.在一示例中，能够实现全局优化与局部优化的嵌套，进而构建较为复杂的多学科优化模型，对产品设计进行全方面优化分析，以得到满足实际应用要求的多学科模型；同时模型视图支持多层嵌套，更便于展示和理解。

3.在一示例中，通过元模型驱动外部软件，实现本发明系统开发与集成环境和外部设计分析环境相结合的多学科优化模型的构建，兼顾了多学科优化模型构建的便捷性和灵活性、可扩展性。

4.在一示例中，用户可通过优化图形工具箱进行优化目标求解图形的创建，和/或通过直接从设计向导中选择对应设计分析项目即可实现相关设计分析流程的优化目标求解图形的创建，提供了多种创建方式供用户选择，灵活性高；同时，基于设计向导进行优化目标求解图形的创建无需在参数化设计模板和分析模板中进行相关设置，更加便捷，提高了模型构建的工作效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性示例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一示例中多学科优化模型构建系统组成示意图；

图2为本发明一示例中模型构建模块示意图；

图3为本发明一示例中单目标粒子群优化算法相关参数示意图；

图4为本发明一示例中优化目标参数设置窗口示意图；

图5是多学科优化模型树树视图展示方式示意图；

图6为本发明优选示例中多学科优化模型构建系统组成示意图；

图7为本发明一示例中设计向导示意图；

图8为本发明一示例中通过设计向导构建嵌套式多学科优化模型示意图；

图9为本发明一示例中通过设计向导创建优化目标求解图形初始化状态示意图；

图10为本发明一示例中通过设计向导创建优化目标求解图形二次编辑状态示意图；

图11为本发明一示例中固体火箭发动机燃烧室壳体与药柱参数化设计与分析模块集成情况示意图；

图12为本发明一示例中燃烧室壳体设计模板输入参数示意图；

图13为本发明一示例中固体火箭发动机结构内弹道一体化多学科优化模型示意图；

图14为本发明一示例中多目标粒子群算法参数设置示意图；

图15为本发明一示例中优化目标参数设置示意图；

图16为本发明一示例中多学科优化模型各个优化目标求解图形的优化相关字段设置示意图；其中(a)为“燃烧室壳体设计”优化目标求解图形；(b)为强度分析优化目标求解图形；(c)为“药柱设计”优化目标求解图形；(d)为“燃面推移”优化目标求解图形；(e)为“内弹道计算”优化目标求解图形；(f)为“绝热层厚度计算”优化目标求解图形；(g)为“药柱”优化目标求解图形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例是本发明一部分示例，而不是全部的示例。基于本发明中的示例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他示例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用序数词(例如，“第一和第二”、“第一至第四”等)是为了对物体进行区分，并不限于该顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在一示例中，如图1所示，一种多学科优化模型构建系统，该系统包括模板库、模型构建模块、以及模型解析与求解模块。

其中，模板库包括存储有元模型实例化(进行对应产品设计)过程中产生的参数设计与分析信息的参数化设计模板、参数化分析模板。元模型为能够实现多层递归嵌套的模型，当然也可选择不进行多层递归嵌套；当进行多层递归嵌套时，至少其中一层模型下能够递归嵌套有至少一个子元模型，嵌套层数可以是一层或者多层，每一层元模型中记录的字段信息包括设计输入参数列表、输出参数列表、数据上传参数列表、数据下载参数列表、交换参数列表、参数解算脚本、输入文件清单、输出文件清单、设计或分析模板路径、第三方软件名称、元模型ID号、上一级ID号、模型转换规则、转换源文件名称、转换结果文件名称、转换工具名称、结果提取脚本。其中，设计输入参数列表记录了需要输入的设计参数，输出参数列表为设计或分析结果参数；上传参数列表记录了需要传输至其他元模型实例化对象使用的参数；下载参数列表记录了需要从其他元模型实例化对象中获取的参数参数交换列表记录了需要与第三方软件交换的参数；参数解算指令脚本为通过设计输入参数和下载参数列表中的参数计算得到参数解算脚本的参数的脚本；输入文件清单记录了所有的输入文件；输出文件清单记录了所有的输出文件可用户可视化展示；设计或分析模板路径记录了第三方软件需要执行的设计或者分析模板的位置；第三方软件名称记录了需要调用的第三方软件的名称；元模型ID号是本元模型实例化对象的唯一标识ID；上一级ID号是用于记录本元模型实例化对象所属的上一级实例化对象的ID号；模型转换规则记录了从设计结果三维模型转换得到分析模型时的转换规则，例如删除某个三维模型中的某个特征，并转换为某种格式的三维模型；转换源文件为执行转换时的源文件的路径；转换结果文件为执行转换后得到的文件的路径；转换工具名称记录了进行模型转换时候的工具的名称，结果提取脚本记录了从设计或者分析结果中得到设计输入参数或者输出参数列表中的参数值时的指令脚本。

本示例中，参数化设计模板中存储有设计输入参数列表、输出参数列表、数据上传参数列表、数据下载参数列表、交换参数列表、输入文件清单、输出文件清单、第三方软件名称、ID号、上一级ID号、转换源文件名称、转换结果文件名称、转换工具名称；参数化分析模板中存储有参数解算脚本、设计或分析模板路径、模型转换规则、结果提取脚本。可选地，参数化设计模板中设计输入参数列表中参数包括飞行器中发动机下火箭弹的星角数、柱前段内孔直径、桂后段内孔直径、过渡角度、后孔长度、槽半宽度、翼长、后翼槽项圆直径、药柱体积等；参数化分析模板中参数结算脚本中待解算参数包括燃面推移参数化分析模板中的求解步长、轴向数量、对称数等。用户通过选择对应的参数化设计模板、参数化分析模板进而实现产品(飞行器或者飞行器组件)的多学科优化模型的快速构建。

进一步地，如图2所示，模型构建模块包括优化图形工具箱(点划线方框框出部分)、画布(实线方框框出部分)、连接器(虚线方框框出部分)、优化模型视图。其中，优化图形工具箱中包含了优化算法图形(用于设置优化算法相关参数，算法包括NSGAII，多目标粒子群算法、单目标粒子群算法、遗传算法等)、起点与终点图形、优化参数设置图形(用于设置需要优化求解的参数)、优化目标求解图形。其中优化目标求解图形用于驱动参数化设计模板、参数化分析模板，并关联相应的需要优化求解的参数；还用于通过二次开发脚本驱动外部程序执行某个设计或分析过程并获取相应的结果；还用于通过二次开发脚本关联需要优化求解的参数，并驱动外部程序开展某项设计分析工作并获取相应的结果。如图2所示，优化图形工具箱中名称为“砺箭”的图形工具，用于通过二次开发脚本驱动外部程序执行某个设计或分析过程并获取相应的结果，还通过二次开发脚本关联需要优化求解的参数，并驱动外部程序开展某项设计分析工作并获取相应的结果。在本示例中名称为“Ansys”、“CMD命令”、“PTCCreo”、“abaqus”的图形工具均具有此类功能。画布用于编辑和展示用户构建的多学科优化模型。连接器包括有向线、无向线、派生线。优化模型视图是对画布中搭建的多学科优化模型进行某种视角的可视化展示，其功能包括辅助用户对模型状态进行检查和管理。

本示例中多学科优化模型的构建具体通过连接器将至少一优化算法图形、至少一起点与终点图形、至少一优化参数设置图形、至少一优化目标求解图形进行互联，进而形成图形化多学科优化模型的完整优化循环。

可选地，优化图形工具箱中包含至少一种优化算法图形，其中每种优化算法图形与相应的优化算法相对应，当拖拽到画布中创建相应的优化算法图形后可以设置相应的优化算法图形的属性和设置优化算法相关参数(如图3所示是单目标粒子群优化算法相关参数示意图，需要说明的是每一种优化算法的参数均存在一定差别，在使用时需要根据具体选择的算法进行设置)。其中优化算法图形属性包括：线形、颜色、填充(包含图片填充)、名称、图层顺序，其中优化算法参数与每一种优化算法相关，需要根据不同的优化算法具体设置，当需要更换优化算法时,只需要删除画布中的优化算法图形并拖拽入新的优化算法图形并通过无向线相连形成完整的优化循环即可，通过该方法能够快速实现优化算法的替换。

可选地，优化参数设置图形中可以对优化目标参数进行设置，其中设置方式包括右键菜单弹出设置对话框，优化参数数量可以根据具体需要自行调整，其中每一项优化参数需要设置的字段包括：ID号，参数名，最小值、最大值，如图4为优化目标参数设置窗口示意图，在实际设置时要确保参数名和ID号的唯一性。

可选地，优化模型视图呈现形式包括基于树视图的展示方式，在树形视图中通过一定的层级关系与组织关系展示画布中搭建的多学科优化模型。如图5所示是一个画布中编辑的两层优化嵌套的多学科优化模型以及其树视图展示结果，对于每一层多学科优化模型，当其图形元素满足优化流程要求时即可在树节点下形成一个优化循环节点，当优化要素不全面时则形成一个流程节点，如图5所示通过该视图能够非常清楚、直观获取画布中构建的多学科优化模型的组织结构和具体的运行逻辑。

进一步地，模型解析与求解模块用于将搭建的图形化多学科优化模型解析为可执行的多学科优化程序并执行该优化程序(流程)。具体地，模型解析与求解模块用于将画布中编辑的多学科优化模型包括设置的相关字段信息解析为可执行的优化程序，还用于对图形信息以及设置的字段信息是否完整给出提示；还用于对解析得到的优化程序是否完备给出提示；还用于执行解析生成的优化程序，以及给出运行过程中的运行状态提示：(包括正确信息、错误信息、提示信息)；还用于允许执行过程中进行介入操作，包括(暂停、停止、结束、继续执行)。具体地，模型解析与求解模块解析得倒的优化程序的工作流程可以通过图5所示树视图查看，整个多学科优化模型可以看作一个流程，而最外层优化模型形成该流程下的一个子流程节点，优化循环节点中除了优化算法图形和优化参数设置图形外的每个优化目标求解图形都可以看作一个子流程节点，在优化求解过程中每进行一个样本点的计算都需要依次执行该优化循环节点下的各个流程节点，对于一个形成一个优化循环的流程节点，只有达到循环结束条件(包括目标值达到收敛要求，执行迭代步数达到预设值)时才会继续执行下一个流程节点，在执行每一个优化目标求解图形中的指令脚本时优化模型解析与求解模块会根据指令脚本中的标记自动用相应的数值代替，进而形成可执行脚本。

进一步地，模型解析与求解模块中包含了多学科优化工具元模型，该元模型可以多层递归嵌套，其中在一层模型下能够嵌套至少一个实例化对象或者不嵌套，其中优化工具元模型记录了实现一项优化的所有字段信息，包括优化参数、外层优化参数、计算过程指令脚本、计算结果参数、结果提取指令脚本，优化目标计算指令脚本，优化目标值列表，优化算法基本参数，优化算法类型，嵌套的下一级优化工具实例化对象指针列表，优化完备性标记参数。其中，当优化算法类型为0时，则该优化工具元模型实例化对象退化为仅仅执行一次的流程模型，而在优化工具实例化对象中嵌套的每一个子优化工具实例化对象都可以视为一个流程模型。具体地，模型解析与求解模块将搭建的图形化多学科优化模型解析为可执行的多学科优化程序并执行该优化程序(流程)，具体包括：

(1)从根节点遍历多学科优化模型树树视图；

(2)当遍历到某个树节点时，若该节点为优化目标求解图形(非优化算法图形或者，非优化参数设置图形)，则创建一个优化工具实例化对象，并将该图形中的信息分别写入计算过程指令脚本、计算结果提取指令脚本、优化目标计算指令脚本、计算结果参数字段；

(3)遍历(2)节点下的每一个子节点，若该节点为优化算法图形，则将该优化算法图形中记录的优化算法参数字段信息写入该优化工具实例化对象中的优化算法基本参数和优化算法类字段，若该节点为优化参数设置图形，则将该图形中记录的优化参数写入到该优化工具实例化对象中的优化参数字段，否则创建一个优化工具实例化对象，并将该优化目标求解图形中记录的信息分别写入计算过程指令脚本、计算结果提取指令脚本、优化目标计算指令脚本、计算结果参数字段，并将该实例化对象的指针写入(2)中所创建的优化工具实例化对象的优化工具实例化对象指针列表中的末尾，若此树节点下还有节点则递归执行(3)，直到将(2)所述某个树节点下的所有扩展节点信息写入该优化工具实例化对象，形成多级嵌套的优化工具实例化对象，并将该优化工具实例化对象的指针放入全局优化工具实例化对象指针列表；

(4)采用(2)到(3)的流程遍历下一个节点，形成新的优化工具实例化对象，并追加到全局优化工具实例化对象指针列表末尾；

(5)循环执行(4)，直到完成多学科优化模型树树视图的遍历，最终形成一个全局优化工具实例化对象指针列表；

(6)顺序检查全局优化工具实例化对象指针列表中每一个指针指向的优化工具实例化对象的优化要素是否完备(1.优化参数字段不为空；2.优化算法基本参数不为空，优化算法类型不为0，嵌套的下一级优化工具实例化对象指针列表不为空，则认为形成一个可执行的优化循环)，若优化要素不完备则将“优化完备性标记参数”标记为“不完备”；

(7)依次执行全局优化工具实例化对象指针列表中指针指向的每一个实例化对象；

(8)若“优化完备性标记参数”为“不完备”，且该实例化对象工具中嵌套的下一级化实例化对象指针列表为空时，则根据外层优化参数字段中记录的字段信息的实际值，替换计算过程指令脚本中标记的参数，并调用相关软件执行该指令脚本，在完成计算后通过执行结果提取指令脚本从计算结果中获取结果参数写入计算结果参数字段，最后运行优化目标计算指令脚本，根据计算结果参数字段信息计算得到优化目标值，写入优化目标值列表；

(9)若“优化完备性标记参数”为“不完备”，且该实例化对象工具中嵌套的下一级化实例化对象指针列表不为空时，则依次将该实例化对象中的优化参数和外层优化参数合并至子优化工具实例化对象的相关字段中，并执行每个子实例化对象，将各实例化对象中求解得到的优化目标值列表汇总到该优化的优化目标值列表中；

(10)若优化算法完备则执行优化工具实例化对象中的优化算法，包括：

a、根据优化参数的取值范围生成优化参数样本，更新优化参数列表中的参数值；

b、依次执行优化工具实例化对象指针列表中的指针指向的每一个优化工具实例化对象：首先将a生成的优化参数和外层优化参数写入每一个优化工具实例化对象中的外层优化参数字段信息；然后根据(7)，(8)，(9)执行该优化工具实例化对象，并得到该步的优化目标值列表；

c、根据优化算法循环执行a和b，直至满足优化算法的收敛要求，则结束该优化算法；结束优化算法后，优化目标值列表不再汇总到外层优化。

(5)执行到全局优化工具实例化对象指针列表中的最后一个实例化对象执行完成，完成整个多学科优化算法的执行。

通过上述多学科优化模型解析与求解方案能够将图形化表达的多学科优化模型解析为能够进行求解的多学科优化模型，并且实现了多学科优化模型中优化的嵌套功能，使得用户能够采用图形化方式构建复杂的多学科优化模型。

本示例中，在已经集成各学科参数化设计模型和参数化分析模型基础上，通过选择对应参数化设计模板和参数化分析模板，实现多学科优化模型(如发动机模型、燃烧室壳体模型)的快速构建，大大降低了参数化模型二次开发难度，无需进行相关学科参数化设计与分析模板的构建，从而将模型构建重点放在优化参数选取、优化目标优化约束确定、优化算法选择层面，从而降低多学科优化的应用门槛，构建难度低，使得设计人员更容易掌握和使用，并且大大降低了模型构建工作量，极大地提高了模型的复用率，推导了产品设计的落地，利于多学科优化技术的快速推广与应用，同时还节约了产品研制成本。

在一示例中，如图5所示，系统还包括参数化设计分析一体化模板开发与集成环境，用于提供了统一的产品参数化多学科设计分析一体化模型的开发与集成环境，包括元模型，即设计分析一体化元模型，是对产品参数化设计与分析高度总结提炼形成的元模型，具备与外部三维造型软件、分析软件、数据库等第三方面软件通信的数据驱动接口，以及被其他软件或者模块调用的调用接口(如API接口等)。通过设计分析一体化元模型实现了开展产品参数化设计与分析过程所需的基础功能(例如驱动三维造型软件生成三维模型；驱动分析软件完成数学分析；进行分析结果的后处理等)、元模型之间的自我治理功能(即据交互与管理功能，例如多个元模型实例化模型之间的数据自动交互，多个元模型实例化模型之间的层级关系自动组织，元模型实例化模型的数据自动管理)，用户通过对元模型进行相应字段的设置(包括参数化设计模板、分析模板、设计参数等)就能够完成参数化设计分析一体化模板(参数化设计模板与参数化分析模板的一体化模板)的构建。

进一步地，实现多个元模型实例化模型之间的层级关系自动组织包括：

在进行模板开发过程中，需填入元模型ID号和上一级ID号。其中元模型ID号为本元模型实例化对象的唯一标识，上一级ID号为本元模型实例化对象所属的上一级元模型实例化对象的ID号，因此可采用的元模型组织方式包括基于树视图对元模型进行层级组织，例如依次获取每一个元模型的ID号和上一级ID号，并在树视图中遍历每一个树节点元素(记录了该节点展示的实例化对象的ID号和上一级ID号)记录的ID号是否为获取到的上一级ID号，如果是则在该树节点下创建该实例化对象子节点，若未找到上一级ID号对应的树节点，则在树的根节点上创建树节点，同时遍历树视图中每个节点记录的上一级ID号是否为该树节点的ID号，若是，则将该树节点移动到创建的树节点下，最终能够得到按照层级关系自动组织的所有元模型实例化对象的树视图。

在一示例中，如图6所示，参数化设计分析一体化模板开发与集成环境还包括可视化界面，为画布、优化模型视图的显示提供显示基础。可视化界面包括数据可视化窗口和设计向导，设计向导用于接收元模型构建的模板并显示，从而可以被应用于开展产品参数化设计与分析工作，当设计向导中模板被拖动到图形化多学科优化模型构建模块中时，元模型能够根据实例化模型中的字段信息，自动在画布中创建优化目标求解图形。

可选地，当从设计向导中拖拽参数化设计或分析模板图标到画布中时，被拖拽的图标对应的参数化设计分析一体化元模型实例化对象会通过消息机制向画布中发送消息(包含了图标信息、脚本命令、对象名称)，画布在接到消息后会根据消息内容在画布中创建相应的优化目标求解图形。具体地，当用户鼠标左键按下时，若鼠标左键位置位于设计向导中某个树节点上，则记录当前树节点对应的元模型实例化对象，并将当前状态标记为拖拽中，当鼠标在左键按下状态进入画布中，并在画布中某个位置放下鼠标左键时，检测是否处于拖拽中，若是则记录的元模型实例化对象根据内部记录的参数信息生成脚本命令，并将生成的脚本命令和图标信息、名称通过消息函数或者API函数发送到画布，画布在接受到上述信息后会根据接收到的信息在鼠标左键抬起位置，以该点为中心创建优化目标求解图形(首先创建优化目标求解图形实例化对象，在该对象中录入脚本命令、图标信息、对象名称字段、位置参数，最后将该优化目标求解图形显示到画布中)。

可选地，设计向导如图7所示，在本参数化设计分析一体化模板开发与集成环境中开发并集成的固体火箭发动机参数化设计与分析模板库，在该设计向导中按照一定的组织关系展示了每一项设计内容的图标和名称。统一调用接口包括消息函数+指令集调用、API接口调用、API接口加指令集调用，在本示例中其他模块或者外部程序可通过消息函数或者API接口将指令脚本传递给本模块，模块内部对传入的指令内容进行解析并执行。提供用户参数化设计分析一体化模板的开发与集成接口为预设的能够与参数化设计分析一体化模板开发与集成环境内部进行数据交互的函数接口，用户可以根据提供的函数接口开发相应设计模板与分析模板并形成相应的可执行文件(包括动态链接)和其他相关支撑文件，按照规定存入指定文件夹，在通过低代码方式录入参数化设计分析一体化模板开发与集成环境，从而能够在设计向导中被使用。

可选地，一个优化目标求解图形可以根据需要从优化图形工具箱中拖拽相应的图形工具到画布上并编辑相应的内容，也可以从参数化设计分析一体化模板开发与集成环境中的设计向导中拖拽相应的设计或分析项目的图标到画布中从而实现相关设计分析流程的优化目标求解图形的创建和初始化设置(如图8所示，采用从设计向导中拖拽设计或分析项目到画布中创建优化目标求解图形的示例，当鼠标左键选中设计向导中的药柱设计项目，并保持鼠标左键按下状态拖拽到画布上时将自动在画布中创建名为药柱设计的优化目标求解图形)，用户只需要根据初始化设置的信息二次编辑就能够快速实现优化目标求解图形相关内容的设置。如图9所示在初始化设置信息的基础上，用户只需要确认哪些参数为待优化参数，并在流程设计指令脚本编辑框中进行相应待优化参数与指令脚本的关联绑定，在本示例中图10所示对话框中左侧参数设置栏主要用于辅助参数关联标记，当鼠标双击参数条目是将在右侧流程设计指令脚本编辑器中光标所在位置创建相应的参数标记，如图中“【星角数】”参数标记。

在一示例中，在画布中构建的一个完整的多学科优化模型包含至少一种优化算法图形、至少一个优化参数设置图形、至少一个优化目标求解图形、一个起点与一个终点图形。其中起点、终点、优化目标求解图形之间应通过有向线相连，并从起点指向第一个执行的优化目标求解图形，并按照执行顺序依次指向下一个需要执行的优化目标求解图形，并以终点为结尾，从而形成一个完整的可执行流程。在上述可执行流程中选择整体或者局部作为待优化的区域，通过无向线将优化算法图形和参数设置图形相连接，进一步通过无向线将待优化区域起始优化目标求解图形和终止优化目标求解图形分别与优化算法图形和参数设置图形相连接(需要注意的是待优化区域起始优化目标求解图形可以和优化算法图形相连也可以和参数设置图形相连，其实现的效果相同)从而形成一个完整的优化循环。需要说明的是，用户从参数化设计分析一体化模板开发与集成环境中的设计向导中拖拽相应的设计分析项目的图标到画布中从而实现相关设计分析流程的优化目标求解图形的创建和初始化设置的过程是在参数化设计分析一体化模板开发与集成环境基础功能中实现的，不需要用户在参数化设计模板和分析模板中进行相关设置。

优选地，通过设计向导中设计分析项目图标拖拽得到的优化目标求解图形可以和优化图形工具箱中的优化目标求解图形混合使用，从而增加多学科优化模型的可扩展性，使得用户在搭建多学科优化模型时即体验到通过参数化设计分析一体化模板开发与集成环境带来的便捷，也能够通过引入外部的设计分析流程进行模型的扩充从而较大程度的扩展该系统的功能，最终实现高效便捷与灵活可扩展的同时兼顾。

在一示例中，还可根据上述优化循环方法在优化循环中待优化区域内继续选择局部优化区域继续构建局部优化循环，从而实现优化嵌套的效果。

在一示例中，优化目标求解图形具有图形嵌套功能，即在一个优化目标求解图形中可以嵌套进至少一个优化目标求解图形(如图8所示优化模型中“药柱”优化目标求解图形中嵌套进了三个优化目前求解图形，当双击药柱图形时可以打开内部嵌套图形的窗口)，并且多个优化目标求解图形之间按照执行循序按照有向线向连，也可以通过前述构建优化循环方法嵌套进局部优化循环，该嵌套方式可以嵌套至少一层，并且每一层之间嵌套的图形可以通过单独的画布窗口展示，从而实现可执行流程的分层级编辑与可视化展示。

在一示例中，优化目标求解图形用于对求解流程进行设置，如图9-图10所示是其中一个具体示例，设置内容包括流程执行指令脚本设置、结果提取设置、目标值计算、约束设置。其中，流程执行指令脚本中包含了相关的需要优化的参数，通过特殊标签加参数名的方式实现流程执行指令脚本中关联参数的绑定，其中特殊标签包括某种指定字符串，包括“指定字符串”+参数名+“指定字符串”方式。在优化程序执行过程中会根据该参数的具体值进行自动的匹配替换，并执行该指令脚本，得到相应的结果。在结果提取设置中需要设置的内容包括结果参数、结果提取指令脚本，其中结果参数可以根据具体情况设置参数数量，每一个结果参数需要设置相应的参数名，结果提取指令脚本通过本系统自定义的脚本从指定文件中获取计算结果并记录到设置的结果参数中，其中结果提取指令脚本与结果参数通过特殊标签加参数名的方式绑定，其特殊标签包括某种指定字符串，包括“指定字符串”+参数名+“指定字符串”方式。约束设置用于设置优化约束，可以通过数学公式方式设置约束，而被约束参数与结果参数之间通过前述特殊标签加指定字符串方式绑定。目标值计算设置中可以根据实际情况设置单个目标或多个目标，采用本系统的操作指令进行目标值的设置，各个目标值的获取为单独的指令脚本，通过该指令脚本能够解析并通过结果参数值运算得到目标值，其中结果参数与指令脚本的关联方式包括前述特殊标签加参数名的方式绑定。

本示例中，通过“特殊标签+参数名称+特殊标签”方式能够在解析指令脚本时在指令脚本中快速定位到关联参数所在位置并进行替换，同时采用“特殊标签+参数名称+特殊标签”的方式，能够极大程度地降低了字符串重复的可能性，从而避免由于字符串重复而导致的脚本中参数替换错误的情况发生。此外，在实际使用中，一般使用比较醒目的特殊标签，用户在使用过程中能够通过特殊标签快速找到各个绑定参数的位置，便于用户编辑指令脚本，避免发生遗漏。

本发明还包括一种多学科优化模型构建方法，与上述一种多学科优化模型构建系统具有相同过发明构思，在上述任一示例或多个示例组成的构建系统基础上进行实施，该方法包括以下步骤：

S1：开发参数化设计模板和/或参数化分析模板，进而构建产品的多学科优化模型；

S2：新建优化项目，并从优化图形工具箱中选择至少一个优化算法图形、起点与终点图形、与优化算法图形数量相等的优化参数设置图形；

S3：从优化图形工具箱中选择至少一个优化目标求解图形，完成至少一个相应的优化目标求解图形的创建与初始化，重复本步骤，直至完成所有优化目标求解图形的创建；

S4：通过连接器将至少一优化算法图形、至少一起点与终点图形、至少一优化参数设置图形、至少一优化目标求解图形进行互联，进而形成图形化多学科优化模型的完整优化循环；

S5：解析图形化多学科优化模型得到可执行的多学科优化程序并执行，并实时查看分析结果。

在一示例中，执行步骤步骤S4后，还包括：

在完整优化循环中待优化区域内继续选择局部优化区域继续构建局部优化循环从而实现优化嵌套。

在一示例中，完成至少一个相应的优化目标求解图形的创建与初始化还包括：

从设计向导中选择相应的设计分析项目并映射至画布，从而完成至少一个相应的优化目标求解图形的创建与初始化。

将上述示例进行组合，得到本发明优选示例，此时该方法包括以下步骤：

S1’：在参数化设计分析一体化模板开发与集成环境中开发相应的参数化设计模板或参数化分析模板至少一个，并将得到的可执行文件以及其他相关文件放到系统中指定位置包括某个文件夹下，并在参数化设计分析一体化模板开发与集成环境下设计向导中录入开发得到的模板，录入方式包括低代码录入方式；

S2’：新建优化项目，并从优化图形工具箱中拖入至少一个需要的优化算法图形、起点与终点图形、与优化算法图形数量相等的优化参数设置图形；

S3’：根据需要从优化图形工具箱中拖入至少一个优化目标求解图形，或从参数化设计分析一体化模板开发与集成环境中的设计向导中拖拽相应的设计分析项目的图标到画布中从而完成至少一个相应的优化目标求解图形的创建与初始化；

S4’：重复S3’，直到完成所有优化目标求解图形的创建；

S5’：将起点图形、优化目标求解图形、终点图形之间通过有向线相连，并从起点指向第一个执行的优化目标求解图形，并按照执行顺序依次指向下一个需要执行的优化目标求解图形，并以终点为结尾，从而形成一个完整的可执行流程；

S6’：在上述可执行流程中选择整体或者局部作为待优化的区域，通过无向线将优化算法图形和参数设置图形相连接，进一步通过无向线将待优化区域起始优化目标求解图形和终止优化目标求解图形分别与优化算法图形和参数设置图形相连接需要注意的是待优化区域起始优化目标求解图形可以和优化算法图形相连也可以和参数设置图形相连，其实现的效果相同从而形成一个完整的优化循环；

S7’：根据需要重复S6’，在优化循环中待优化区域内继续选择局部优化区域继续构建局部优化循环从而实现优化嵌套的效果，或者直接进入下一步。

S8’：设置各个优化算法图形中的属性和设置优化算法相关参数；

S9’：确定优化参数，在优化参数设置图形中设置各个优化参数的相关信息；

S10’：设置各个优化目标求解图形的属性和优化相关字段包括流程执行指令脚本设置、结果提取设置、目标值计算、约束设置；

S11’：点击优化流程解析按钮，并查看输出提示是否形成完备的多学科优化模型，若没有生成完备的多学科优化模型则重复检查S2’到S10’，直到生成完备的多学科优化模型。

S12’：执行该多学科优化模型，并实时查看分析结果。

需要说明的是上述过程只是在本发明所述多学科优化模型的构建系统中的一个示例，最终画布中搭建得到的多学科优化模型结果与各个图形元素在画布中出现的先后顺序无关，因此在实际过程中并不一定严格按照上述步骤实施，只要保证搭建的出来的多学科优化模型要素满足系统要求即可。

优选地，为更直观地展示本发明模型构建方法的先进性和便捷性，基于上述优选示例提供一个较为简单的气动外形的多学科优化模型构建案例(固体火箭发动机结构内弹道一体化多学科优化模型)进行辅助说明，步骤具体如下：

S1”：在参数化设计分析一体化模板开发与集成环境中开发固体火箭发动机燃烧室壳体参数化设计和药柱参数化设计相关模块，如图11所示，在设计向导中“燃烧室壳体”节点下集成了“燃烧室壳体设计”、“自定义特征”、“强度分析”三个参数化设计与分析模板，在“药柱”节点下集成了“药柱设计”“燃面推移”“内弹道计算”“绝热层厚度计算”“药柱结构完整性计算等”参数化设计与分析模块；当点击某个模版节点的图标时将在参数化设计分析一体化模板开发与集成环境中的参数输入视图中显示该模板的所有设计参数，如图12所示是燃烧室壳体参数化设计模板的所有输入参数。

S2”：新建优化项目名为“壳体药柱联合优化”，并从优化图形工具箱中拖入“多目标粒子群算法”优化算法图形、起点与终点图形、一个优化参数设置图形；

S3”：从参数化设计分析一体化模板开发与集成环境中的设计向导中将“燃烧室壳体”、“药柱”节点拖入画布，并完成所有连线和图形属性设置；并在生成的“燃烧室壳体”优化目标求解图形和“药柱”优化目标求解图形中通过右键菜单创建嵌套图层，并从设计向导视图中将相应的设计或分析节点拖入画布按照执行顺序将各个优化目标求解图形依次用有向线相连。

S4”：重复S3”，直到完成所有优化目标求解图形的创建，此时在画布中形成如图13所示的多学科优化模型，此时完成了对该优化模型的初始化；

S5”：设置优化算法图形中的属性和设置优化算法相关参数，如图14所示；

S6”：确定优化参数，在优化参数设置图形中设置各个优化参数的相关信息，在本示例中选择的待优化参数如图15所示，该示例仅仅是为说明原理，因此选择了较少的优化目标参数；

S7”：设置各个优化目标求解图形的属性和优化相关字段包括流程设计指令脚本设置、结果提取设置、目标值计算、约束设置，由于本示例中优化目标求解图形均是从设计向导中拖拽得到，因此在上述关键字段中均已自动填入了初始化指令脚本只需要进行二次设置即可，图16所示是在本示例中完成的设置，需要说明的是每个优化目标求解图形的各个字段可以为空，也可以部分为空，在优化求解时会根据具体设置获取各个图形中设置的字段信息，形成完整的优化程序，本示例图16(a)中设置了“燃烧室壳体设计”优化目标求解图形中的字段信息，在流程设计字段的指令脚本中绑定了优化目标参数中的“圆筒段厚度”参数，其余字段为空；图16(b)中设置了“强度分析”优化目标求解图形中的字段信息，并设置了结果提取指令，提取计算得到的壳体实际安全系数，同时构建了“【壳体实际安全系数】>＝1.3”的约束，图16(c)中设置了“药柱设计”优化目标求解图形中的字段信息，并将设计流程指令脚本与“星角数”、“翼长”、“后翼槽顶圆直径”、“槽半宽”等四个参数进行了绑定，同样的在图16(d)中设置了“燃面推移”优化目标求解图形中的字段信息，用于执行燃面推移过程，图16(e)中设置了“内弹道计算”优化目标求解图形中的字段信息，用于执行内道求解流程。图16(f)中设置了“绝热层厚度计算”优化目标求解图形中的字段信息，用于执行绝热层厚度计算流程，上述图16(d)、(e)、(f)中均没有绑定相关优化参数，图16(g)中设置了最顶层画布中的“药柱”优化目标求解图形中的字段信息，提取了计算得到的“总冲”和“燃烧室质量”两个结果参数，并设置了“总冲”最大和“燃烧室质量”最小两个目标，如图16(f)中的目标值计算所示，指令脚本中的每一行指令代表一个目标，默认求解每一个目标的最大值，当需要求解最小值时可以在前面添加“-”号进行转换，至此整个多学科优化模型构建完毕；

S8”：点击优化流程解析按钮，并查看输出提示是否形成完备的多学科优化模型，若没有生成完备的多学科优化模型则重复检查S2”到S7”，直到生成完备的多学科优化模型。

S9”：执行该多学科优化模型，并实时查看分析结果。

本发明通过统一的产品参数化设计分析一体化模型的开发与集成环境，用户在此基础上开发并集成的各学科参数化设计模型和参数化分析模型能够在很大程度上降低参数化模型二次开发难度，用户可以通过内置的参数化设计分析一体化模板库，通过选择模板方式实现多学科优化模型的快速构建，极大的提高了多学科优化流程的构建效率，降低了多学科优化的难度而不需要进行相关学科参数化设计与分析模板的构建，从而将主要精力放在优化参数选取，优化目标优化约束确定，优化算法选择上，从而降低多学科优化的应用门槛，使得设计人员更容易掌握和使用，并且极大的提高了模型的复用率，节约产品研制成本。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多学科优化模型构建系统，其特征在于：其包括模板库、模型构建模块、以及模型解析与求解模块；

模板库包括参数化设计模板和参数化分析模板，基于参数化设计模板、参数化分析模板进而构建产品的多学科优化模型；

模型构建模块包括优化图形工具箱、画布、连接器、优化模型视图；优化图形工具箱中包括优化算法图形、起点与终点图形、优化参数设置图形、优化目标求解图形，通过连接器将至少一优化算法图形、至少一起点与终点图形、至少一优化参数设置图形、至少一优化目标求解图形进行互联，进而形成图形化多学科优化模型的完整优化循环；画布用于编辑和展示构建的图形化多学科优化模型；优化模型视图用于对画布中搭建的图形化多学科优化模型进行可视化展示；

模型解析与求解模块用于将搭建的图形化多学科优化模型解析为可执行的多学科优化程序并执行。

2.根据权利要求1所述的一种多学科优化模型构建系统，其特征在于：所述系统还包括元模型，用于驱动三方软件对产品进行参数化设计与分析，以及实现元模型间的数据交互与管理；通过对元模型进行基础设置进而完成对模板库中模板的构建，基础设置包括对参数化设计模板、分析模板、设计参数进行设置。

3.根据权利要求2所述的一种多学科优化模型构建系统，其特征在于：所述系统还包括设计向导，用于获取基于元模型构建的模板并显示；通过将设计向导中模板映射至画布，从而实现设计分析流程的优化目标求解图形的创建和初始化设置。

4.根据权利要求1所述的一种多学科优化模型构建系统，其特征在于：所述形成图形化多学科优化模型的完整优化循环包括：

将起点、终点、优化目标求解图形之间通过连接器中有向线连接，并从起点指向第一个执行的优化目标求解图形，并按照执行顺序依次指向下一个需要执行的优化目标求解图形，并以终点为结尾，从而形成一个完整的可执行流程；

通过连接器中无向线将优化算法图形和优化参数设置图形连接，通过无向线将待优化区域起始优化目标求解图形、终止优化目标求解图形分别与优化算法图形、参数设置图形连接，从而形成完整优化循环。

5.根据权利要求4所述的一种多学科优化模型构建系统，其特征在于：所述形成完整优化循环后还包括：

在完整优化循环中待优化区域内继续选择局部优化区域继续构建局部优化循环，从而实现优化嵌套。

6.根据权利要求5所述的一种多学科优化模型构建系统，其特征在于：所述优化目标求解图形具有图形嵌套功能，包括：

在一个优化目标求解图形中嵌套至少一个优化目标求解图形，并且多个优化目标求解图形之间按照执行循序通过连接器中有向线连接，或者通过形成所述优化循环进而嵌套至局部优化循环。

7.根据权利要求1所述的一种多学科优化模型构建系统，其特征在于：所述优化目标求解图形用于对求解流程进行设置，包括流程执行指令脚本设置、结果提取设置、目标值计算、约束设置；

流程执行指令脚本中包含待优化参数，通过标签加参数名的方式实现流程执行指令脚本中关联参数的绑定；

结果提取设置中需要设置的内容包括结果参数、结果提取指令脚本，结果参数用于实现参数数量设置，结果提取指令脚本将获取的计算结果记录至设置的结果参数中，结果提取指令脚本与结果参数通过标签加参数名的方式绑定；

约束设置用于设置优化约束，被约束参数与结果参数之间通过标签加指定字符串方式绑定；

目标值计算设置用于设置单个计算目标或多个计算目标，通过对目标值解析并通过结果参数值运算得到目标值，结果参数与指令脚本通过标签加参数名的方式绑定。

8.一种多学科优化模型构建方法，其特征在于：基于权利要求1-7任一项所述系统进行实施，包括以下步骤：

开发参数化设计模板和/或参数化分析模板，进而构建产品的多学科优化模型；

新建优化项目，并从优化图形工具箱中选择至少一个优化算法图形、起点与终点图形、与优化算法图形数量相等的优化参数设置图形；

从优化图形工具箱中选择至少一个优化目标求解图形，完成至少一个相应的优化目标求解图形的创建与初始化，重复本步骤，直至完成所有优化目标求解图形的创建；

通过连接器将至少一优化算法图形、至少一起点与终点图形、至少一优化参数设置图形、至少一优化目标求解图形进行互联，进而形成图形化多学科优化模型的完整优化循环；

解析图形化多学科优化模型得到可执行的多学科优化程序并执行，并实时查看分析结果。

9.根据权利要求8所述的一种多学科优化模型构建方法，其特征在于：所述方法还包括：

在完整优化循环中待优化区域内继续选择局部优化区域继续构建局部优化循环从而实现优化嵌套。

10.根据权利要求8所述的一种多学科优化模型构建方法，其特征在于：所述完成至少一个相应的优化目标求解图形的创建与初始化还包括：

从设计向导中选择相应模板并映射至画布，从而完成至少一个相应的优化目标求解图形的创建与初始化。