多目标优化设计范文

导语：如何才能写好一篇多目标优化设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】多孔材料；多功能；优化设计

0.引言

随着工业装备和航空航天的迅猛发展，对高性能材料的设计提出了更高的要求，如：轻量化、高刚度、高散热、抗冲击性和多功能化应用等。多孔金属材料因其优良的性能和广泛的应用前景，近年来成为研究的焦点。

多孔金属材料性能与孔结构直接相关，孔隙率与多功能性能相关。改变孔隙率和孔的结构将影响材料的综合性能。因此，可根据不同需求对其结构多学科优化设计。本文将结合多孔材料的性能表征，对轻质多孔材料进行多功能化优化设计。

1.多孔材料多功能特性

多孔金属材料具有独特的多功能特性，包括：

（1）多孔材料的密度远远小于实体材料的密度。不同多孔材料孔结构不同，一般孔隙率都较高。

（2）抗冲击性 多孔金属在承受压应力时产生塑性变形，大量的冲击量被转变为塑性能，以热量形式耗散。

（3）高刚性 蜂窝多孔材料有很好的力学性能，同时其性能有较强方向性。

（4）高散热性多 孔金属是优良的传热介质，可以作为飞行器和超高速列车的散热装置。此外，在高孔隙中流过冷却剂，可达到冷却和承载的目的，在航天结构领域有广泛应用。

（5）吸声效果 与传统材料相比， 多孔泡沫结构吸声效果良好。

综上所述， 多孔材料具有高刚度、高强度、轻量化和高散热性等明显优势。多孔金属既是优良的结构材料，也是性能优异的功能材料，在交通、海洋采油、航空航天、医疗等领域中有着重要意义。多孔材料不仅性能优良，也降低能源消耗和减少环境污染。

2.多孔材料的性能表征

2.1 多孔金属材料静力学性能

在恒定载荷下，对轻质多孔金属材料的静力学性能研究。当这些构件比较复杂时，一般采用数值方法来研究其破坏变形；当宏观结构较为单一简单时，本构理论也较简单，且计算效率高，往往是数值方法中的主要方法。

本章使用ANSYS有限元程序进行有限元分析，由于结构较为复杂，模型使用三维四面体单元。材料杨氏模量为70GPa，屈服应力为150MPa，泊松比为0.3。

建立多孔金属材料有限元模型，有限元分析表明，该材料弹性模量和压缩强度均明显提高，材料弹性模量随孔径比的增加而增大，压缩屈服应力随孔径比的增加先增大后减小。对压缩变形机理进行讨论，变形主要为斜杆的弯曲变形，同时，小杆的弯曲变形机制使表现出不同的塑性流动特性。

研究表明，随着孔径比的增大，材料表现出不同的流动行为。材料塑性变形主要集中在斜杆上，孔洞的四个顶点处几乎没有变形，因此，斜杆的弯曲是泡沫金属压缩时的主要变形机制。提高孔径比，弯曲刚度显著提高，且塑性应变集中在压缩方向的小杆上。当小杆截面积逐渐增大时，结构应力也逐渐提高，直至斜杆发生屈服。

2.2 多孔金属材料动力学性能

在实际应用中，多孔金属可承受动态荷载而产生大范围变形，本文通过选择基体材料、孔隙结构来控制动态变形特征，可使多孔金属成为理想的吸能材料。多孔金属在高变形下的动态性能和破坏机理研究对于其的广泛应用具有重要意义。此外，载荷作用下力学行为的研究也是结构材料的重要前提之一，尤其对抗冲击材料在军事和防恐领域中的应用具有重要意义。

多孔材料在冲击下的变形模型一般采用动量守恒和能量守恒得出动态激励下的变形。多孔金属材料的吸能机理研究已成为当前多孔材料研究的热门方向。金属多孔材料抗冲击分析是建立在静态模型基础上的，未考虑应变效应的影响，很难准确得出整个材料的动态性能。如何进行冲击荷载下的强度和破坏研究，建立相关的本构关系及破坏判据，需要进一步深入研究。

2.3 多孔金属材料热力学性能

孔隙传热是多孔金属多功能特性中最受广泛关注的领域。材料的高热传导系数和对流换热使得多孔金属具有优良的换热性能。

传热性能研究一般集中于常温导热和单相对流传热。根据多孔金属结构的流体动力特性，确定了不同雷诺数作用下的动量方程，得出了惯性力表达式；根据空气冷却对流换热特性，测定了对流传热随微结构参数的变化规律，建立单相对流传热模型；测定真空状态下导热系数随温度的变化规律，进而确定了高温下的热传递规律。随着相对密度的提高，多孔结构的导热系数会随之增大，且导热系数与相对密度基本成线性关系。

3.多目标结构优化设计

传统材料的设计通过调整单一材料设计参数使之能够满足工程实际需求。在大多数情况下，材料的设计无法达到最优化。由于上述局限，力学工作者虽然以材料为研究对象，但只发挥其辅助作用。随着以多孔材料和复合材料的发展，材料的可设计性已有了较大提高，可根据工程需求利用优化技术设计出最优越的材料。

多目标优化问题的主要思路是目标加权求解。对多个目标中，评价各目标权重系数 ，将多目标归一化。从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题。

在航空航天领域，许多结构件需要同时满足强度、隔热和轻质的要求。从第3节力学性能研究中我们知道，随着密度的增大，材料屈服强度提高，多孔金属板的隔热性能降低，且孔径比越大，多金属板的隔热性能越好。针对单一目标优化进行的参数选取与其他目标优化的参数选取是相互矛盾的，需要进行多目标优化设计，以选取同时满足强度、隔热和轻质要求的材料参数。

金属板构件参数多目标优化设计中，首先采用最小二乘法对屈服应力和隔热参数进行多项式拟合， 以此表达式作为构件的目标函数，通过建立包含强度、隔热和轻质多目标函数的优化设计模型，采用权重法将多目标优化问题转化为单目标优化问题进行求解。

4.结论与展望

通过建立了多目标优化设计数学模型，求解目标最优的金属孔径比、相对密度。结果表明多孔金属板的综合性能显著优于传统金属板。

多孔金属材料应用前景十分广阔，但目前很多研究还只限于对宏观性能参数的研究，对细观结构研究还较少。

【参考文献】

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关键词：智能桁架；压电作动器；遗传算法；优化配置

智能桁架结构采用一体化思想，将控制元件以主动杆的形式取代部分结构杆件，使其能够传感外界条件，并且能够通过一定方法控制信号产生作动功能以响应外界条件变化，实现结构对环境的自适应。

在传感器与作动器的优化配置问题求解上，前人采取了枚举法等一般算法，但随着计算机技术的发展，随机类算法得到了广泛的开发和应用。目前国内的相关研究以遗传算法居多：研究遗传算法在搜索目标函数方面的应用，以及基于其他智能算法思想对遗传算法的改进。

许锐等[1]使用粒子群算法，姜冬菊等[3]使用混沌优化算法，研究了结构优化问题。李红芳等[2]基于混沌理论（Chaos theory）改进遗传算法，使算法对初值敏感性加强、提高局部搜索速度，提高了遗传算法的运行效率。

1 力学模型

研究以压电材料和普通材料组成的智能桁架结构，为简化。压电材料以堆叠形式叠加形成作动器，作为主动杆对结构产生的形变或震动进行响应，并产生电压与应变，通过一定的控制方式（如主动控制、被动控制或混合控制），对外界作用进行响应和调整，使结构能够更加稳定。

2 遗传算法设计

针对遗传算法的收敛过程中的早熟问题，对适应度函数进行调整。有相关文献提出的自适应函数，使用动态适应度对演化过程进行调节：最大适应度Fitmax，最低适应度Fitmin和平均适应度Fitave。设计阀值a（0.5

对于压电桁架，通过设计各杆的横截面以及主动杆位置，使得桁架总质量与节点位移满足优化目标。以最小重量W为目标，在控制电压V和杆应力σ不超过上限，节点位移在要求范围内，对主动杆布置以及各杆的横截面在取值区间内进行搜索：

其中：ρ1为普通杆密度；ρ2为压电杆密度；ai=0表示杆为普通杆，ai=1表示杆为压电杆。

3 计算实例

使用压电材料优化十杆桁架问题（文献[5]），在原有杆截面问题上增加压电作动器优化结构，使得重量最小且节点位移在要求内。尺寸结构，左端节点3、6铰接固定，右端自由。杨氏模量为，许用应力为25ksi=172.375MPa，各杆横截面下限为，普通杆密度为，压电作动器密度，斜杆（杆2、4、6、10）作动因子为8.81，横杆（杆1、3、7、8、9、10）作动因子为1.25，压电杆最大电压为300V，要求位移小于杆长，载荷作用于节点5。

设计自适应遗传算法，取初始种群数M=60；使用浮点编码横截面积；使用长度为10的字符串通过二进制编码进行杆位的编码，其中1代表主动杆，0代表普通杆。设定交叉概率为，变异概率为。迭代200代进行搜索，结果如表1所示。

计算结果相比较文献中，添加了作动器使得结构在设置条件下质量降低9.6%，可以证明使用遗传算法进行计算是可行的。

4 结束语

结果证明了使用遗传算法进行作动器位置、杆件截面的多目标优化的可行性，其应用于大型复杂结构多也成为可能。

参考文献

[1]许锐，王泽兴，罗雪.桁架优化的改进粒子群算法[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2012，30（1）.

[2]李红芳.混沌遗传算法与结构优化设计[D].天津大学建筑工程学院，2004.

[3]姜冬菊.结构拓扑和布局优化及工程应用研究[D].河海大学，2008.

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关键词：遗传算法；永磁屏蔽电机；优化设计

1 引言

石化行业使用的永磁屏蔽电机具有效率高、反应速度快以及低速大转矩的优势，大大拓宽了屏蔽泵的应用前景。但由于电机在定子内腔和转子外表面各用一层非磁性不锈钢薄套将定子和转子部分屏蔽起来，而且它所使用的稀土永磁材料在电机成本中占有一定的比例[1]。因此从优化设计角度研究一种既能满足特殊工况要求，又能减小磁钢用量的永磁屏蔽电机，具有十分重要的应用价值。

永磁屏蔽电机优化设计的目标函数和约束条件均为设计变量的非线性数值函数和多峰值函数，因此采用传统的优化方法很难从根本上解决电机优化设计中的全局最优解问题。遗传算法[2]是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。该算法能较好地解决了控制参数的动态自适应性及较优值如何重复迭代等在优化设计中影响收敛速度和最终优化结果的问题。

文章将遗传算法引入到永磁屏蔽电机的优化设计领域，并结合永磁屏蔽电机的设计特点，对一台5.5kW的永磁屏蔽电机进行优化设计，提高了屏蔽泵的输出性能。

2 永磁屏蔽电机优化设计模型

2.1 设计变量

然后再将这些新生成的子群体合并成一个完整的群体，在这个群体中进行交叉和变异运算，最终可求出多目标优化问题的Pareto最优解。由于权重系数的随机性，算法将得到多个不同权重系数下的优良解，因此保证了群体中对应搜索方向的多样性和最终优化结果的准确性。

3.4 约束条件的处理

永磁屏蔽电机的约束主要是不等式约束，但遗传算法是无约束优化方法，因此需要将有约束优化问题转化为无约束优化问题。罚函数法是处理非线性约束优化问题比较广泛的一种方法，尤其是在对解空间中无对应可行解的个体计算其适应度时，可以降低该个体的适应度，从而使该个体被遗传到下一代群体中的概率减小。

5 结束语

文章应用遗传算法对永磁屏蔽电机的永磁体体积和电机效率两个目标进行了多目标优化设计，得到优化后的具体结构和性能参数。

（1）与传统算法相比，遗传算法能同时搜索解空间中的许多点，且搜索过程是通过适应度函数来实现对群体中的个体进行优胜劣汰操作，因而能较大概率地获取全局最优解。

（2）针对多目标工程优化问题，文章采用统一目标法中的线性加权和法和罚函数法对永磁屏蔽电机的多目标问题进行优化，减少了永磁体用量，并且提高了电机效率。

参考文献

[1]季建刚，孔繁余，孔祥花.屏蔽泵发展综述[J].水泵技术，2006，1：15-20.Ji Jiangang，Kong Fanyu，Kong Xianghua. Development Survey of Shield Pump[J].Pump Technology，2006，1：15-20.

[2]王小平，曹立明. 遗传算法-理论、应用于软件实现[M]. 西安：西安交通大学出版社，2002.Wang Xiaoping，Cao Liming.Genetic Algorithms-Theory and Application In The Software Implementatio[M].Xi An：Xi'An JiaoTong University Press，2002.

[3]唐任远.现代永磁电机-理论和设计[M]. 北京：机械工业出版社，1997. Tang Renyuan.Modern Permanent Magnet Motor-Theory and Design[M].Beijing：China Machine Press，1977.

[4]傅丰礼，唐孝镐. 异步电动机设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002. Fu Fengli，Tang Xiaogao.Asynchronous Motor Design Manual[M].Beijing：China Machine Press，2002.

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[关键词]稳健优化；机械结构；动态特性；双层更新Kriging模型

中图分类号：TQ320.66 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0225-01

现在机械设备的结构越来越大，也越来越精密和复杂，这使得某些关键零部件结构的动态特性和综合性能影响越发明显，但是在现代机械结构的设计中并没有较好的顾及到关键部件的结构特性，导致机械设备的噪声和震动等问题日益严重，故障率也随之增加，同时机械结构设计中也存在着多种不稳定因素的影响，这些问题的出现都使得相关的稳健优化设计的必要性，本文通过设置机械结构动态特性指标的Kriging模型，能够快速的获得给定的结构设计方案中的动态特性指标值，旨在降低优化求解中的相关数值计算，实现最终对机械结构的优化设计方法。

一、 机械结构动态特性的多目标稳健优化模型

首先我们要明确机械结构动力学分析的基本原理，根据结构动力学，相关的振动方程为：

如何根据机械机构动态特性建立多目标稳健优化模型，是我们要思考和解决的问题，现在衡量机械结构动态特性好坏的重要标准就是其固定频率是不是避开了来自外界的激励频率。基于这一情况的考虑，建立一下形式的动态特性好坏的标准函数：

其中，f为设计矢量的函数，d为确定变量，s为随机变量，为激振频率。由于稳健优化设计的目标是为了使得结构动态特性指标趋向于平均值，而且方差尽可能的缩小，所以可以建立多目标的问价优化模型：

二、 基于双层更新Kriging模型的结构动态特性多目标稳健优化求解

从上文中我们知道，结合机械结构动态特性的优化设计是需要对动态特性指标的方差和均值同时达到最优的多目标优化方案，优化设计的过程中需要多次进行大规模的有限元仿真分析来获取对应的约束函数值和目标函数，由于整合的数据量非常大，求解的效率相对较低，为了解决这一难题，通过优化设计来获取足够多的样本点，建立拟合效果更好的Kriging模型，采取双层更新策略使得设计空间和区域有更高的契合度，从而快速而精确的获得优化函数的函数值和约束函数值。在这个思路的参考下，利用优化模型的算法，提高了对全局数据的搜索能力。

1、Kriging模型

工程领域有很多个常见的模型，分别为人工神经网络模型、Kriging模型和多项式响应面模型等。针对不同的问题，每个模型都有着一定的局限性，而Kriging模型由于具备局部随机误差和全局相似的双重特点 ，所以其有效性不受随机误差的影响，对局部响应突变问题以及非线性成都较高的问题都有较好的拟合效果。

Kriging模型可以看成是一个多项式和随机分布函数的和，如下：

y（x）即为一个位置的Kriging模型函数，f（x）是一个二阶回归函数，β、z（x）分别为待定系数和随机过程模拟函数。通过带入数据的相关矩阵，并根据Kriging模型理论，可以求得最后相关参数的特殊的特征是最大函数：

上式即为该值组成的Kriging模型下最优化拟合方案的模型

2、Kriging模型的双层更新方案

通过分析最优化的函数模型，我们可以得知Kriging模型的在优化设计方面的主要思路为，首先把需要设计的空间里的局部和全局误差带入样本点，在确保全局的精度的前提下更新模型，随后，在优化的数据中寻找近似最优解并且把这个最优解添加到样本点中来，具体的操作方法是，首先要构建初始模型，利用初始的样本点和双层最优化模型，建立局部的随机样本点集合，加上对有限元的分析获得相关的最优函数值，并将局部的点集带入到模型中，对比检验获得的数据是否满足拟合度要求。满足局部精度是远远不够的，在此基础上还要满足全局的精度，那么久需要对模型进一步的优化和更新，具体的方法是判断R值的收敛性的条件，若收敛，则要继续判断RMAE的收敛性，如果不收敛，则在该值的最大样本点附近新增少量的点并对其进行加密。最后是模型内部的更新策略，具体的方法是使用遗传算法，搜索最优解的数值，并带如模型中计算看是否能达到精度要求，如果能达到，那就保留模型，如果达不到的话，就使用迭代的方法，重新带入更新优化模型，知道达到为止。

3、结构动态特性多目标稳健优化问题的求解算法

基于该模型解决方案下，对于问题的稳健优化流程步骤为：1首先根据具体的设计要求，确定相关的变量，并确定变量的取值空间；2构建以设计变量的参数化有限元分析模型，模型使用的是拉丁超立方采样数值实验表，具体包括了两类变量的变化空间要求；3通过参数化有限元分析的模型和拉丁超立方采样实验表综合分析结构的有限元，通过对比各个实验方案的输出响应值，得到了我们需要的双层更新Kriging模型的初始样本点集；4通过初始的方案，来预算Kriging模型的结构动态特性指标的优化方案设计；5在双层更新Kriging模型和蒙特卡罗计算方法求出动态特性指标的方差和均值；6最后得出机械机构动态特性的文件优化模型，使用领域培植遗传学算法求解得到相关的最优解集，并判断解集是否满足条件，如果不满足，就要重新对设计变量进行筛选，然后改变变量的取值范围，返回第一步，重新开始稳健优化的计算。

结论：把机械结构动态特性指标看成需要优化的目标，在这个过程中把材料属性不确定性和装备的综合性能列入考虑的范畴，构建相关的机械结构特性的多目标优化模型，是对装备设计方案的基础方法，构建高精度高契合度的Kriging模型，能够提高对于机械结构稳健优化模型的约束函数和目标函数值获取的快速和准确。

参考文献

[1] 何欢，朱广荣，何成等.基于Kriging模型的结构耐撞性优化[J].南京航空航天大学学报，2014，46（2）：297-303.

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中图分类号：O327文献标识码： A文章编号： 10044523（2013）02016909

引言

随着科学技术的发展和工程实际问题的需求不断提高，为了提高受控结构系统的总体性能，引入了结构控制一体化优化设计策略。智能桁架结构一体化拓扑优化能够除去桁架中不必要的节点和杆件，同时考虑了振动控制中所需作动器的数目，配置的位置和控制器参数，从而达到预期结构控制同时优化的目的。目前在这方面国内外已经取得了一些研究成果：赵国忠等建立了具有压电智能桁架的结构和振动控制的联合优化设计模型[1]，采用了基于灵敏度的优化求解算法；Hiramoto等以悬臂输液管道的外半径和传感器与作动器位置为设计变量[2]，以闭环系统关键流速最大为优化目标进行结构控制的一体化优化；在2004年至2007年的研究表明[3～5]，将结构尺寸拓扑参数、控制器设计参数和作动器配置参数（位置和数目）均处理为独立设计变量，能够极大地优化受控系统性能。但是在实际工程问题中，由于制造和各种环境因素的影响，使结构参数不可避免地呈现不确定性。以往的结构控制一体化优化设计研究都没有考虑这些不确定因素的影响，如果硬将这些不确定性因素作为确定性信息来处理，有时会得出矛盾或很不合理的结果[6]。

因而，针对区间参数压电智能结构控制一体化多目标拓扑优化，本文提出了一种区间参数结构控制多目标拓扑优化方法：对于目标函数处理引入决策风险因子和偏差惩罚项，对于不确定性约束函数转为非概率可靠性约束，将不确定性优化问题转化为风险因子意义下的确定性优化目标问题；优化求解策略采用基于个体排序的求解有约束多目标优化问题的Pareto遗传算法（CMOPGA）。将此方法应用于桁架结构，算例结果表明所提方法是有效的。

2性能灵敏度分析

针对小区间参数压电智能桁架的性能分析，本文采用一阶泰勒展开法，并且在小区间范围内，此法可以保证精度要求。

21开环系统

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关键词：参数化；散料输送机械；设计与分析；多目标优化；快速设计系统

中图分类号：TH132.4 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2016）10-0016-07

Abstract：To meet the demands of today's market fast fine design and to solve the bulk material conveying machinery's problem of long cycle of product design and slow process of optimization， we developed a platform of rapid design system for bulk material conveying machinery. Taking the bucket and wheel body of a company's bucket wheel mechanism as an examples， we firstly built parametric dimension driven design models， and then used the finite element analysis software to establish multi-objective optimization models based on the principle of parametric， realized the quick optimization of product design， and improved the design efficiency and the accuracy of the complex steel structure. Finally， the parametric design and parametric analysis of the optimization module were highly integrated and the rapid design system platform was completed. Users can use the interactive interface of the rapid design system platform input parameters to get the product they need. The example has indicated that the rapid design system has good application prospects in the serialization development of bulk material conveying machinery.

Key words：parameterization；bulk material conveying machinery； design and analysis； multi-objective optimization； rapid design system

散料输送机械在港口、矿山等领域的应用得到了越来越广泛地重视，国内外学者对散料输送机械进行了CAD/CAE方面的研究[1-2].最常见的是以实现轻量化为目的，运用有限元分析[3]，疲劳强度分析[4]，动力学仿真等相关知识对产品进行结构优化设计[5].然而由于散料输送机械的组成零件繁多，零部件之间关联紧密，对产品结构的分析修改以及尺寸参数调整的工作量较大，尤其涉及到产品的优化时，往往会因为研发周期过长，而延误生产及产品交付周期.

本文开发一套基于参数化的散料输送机械快速设计系统[6-7]，以斗轮机构中斗子与轮体为例，首先依靠已知的设计目标和工况，建立参数化三维模型和有限元分析模型，得出可供快速修改的三维实体模型和工程图以及斗子和轮体负载状况下的力学性能；然后根据相应的计算数据，以符合产品强度刚度等力学性能的要求为前提，针对斗轮机构中斗子和轮体产品性能进行多目标优化；最终集成各个模块进行快速设计系统平台搭建与封装，达到了高精、高效完成产品系列化开发的目的.

1 快速设计系统开发流程

该快速设计系统包括参数化设计、参数化分析、基于多目标优化的结构优化以及平台封装等关键技术，具体的开发流程图如图1所示.

2 参数化设计技术

2.1 参数化设计软件平台选择

在工程机械设计中三维建模软件的发展特别快，为产品的设计开发提供了非常便利的工具.INVENTOR是一款非常适用于大型钢结构工程机械快速建模的软件，能方便地检查装配过程中造成的干涉问题；该软件由AUTODESK公司开发，能与常用的二维制图软件AutoCAD进行无缝链接，生成的DWG格式工程图用AutoCAD查看时不会有图元缺失，并且工程图与三维数模链接能同时实现参数化驱动，保证了参数化驱动的时效性和完整性.本文选用INVENTOR软件作为专家系统中建立参数化三维数模和二维工程图的软件平台，并以斗轮机构中轮体和斗子为例进行了参数化设计[8-9].

2.2 参数化设计方法

根据自上而下的设计理念构建模型总体框架，框架的建立是以所有零部件的定位和装配信息为基础，模型在简单明了的同时还必须保证其完整性，尤其是关键的参数信息，能对后期整体三维数模的尺寸驱动产生重要地影响.所有子属零部件的建立过程中都将利用INVENTOR的衍生功能将框架文件衍生进来，并依托框架来建立三维模型，由于每个零部件都已经依托框架完成了定位，可以省去繁琐的装配过程，大大节省了时间.如图2参数化流程图所示，通过修改框架的参数，可以使相关联零部件的模型与工程图随之联动，因此参数化设计能够避免大量的重复工作，提高工作效率，为实现产品的系列化开发提供有力保障.

2.3 斗子与轮体的参数化设计

参数化设计的关键步骤就是建立框架，一个框架的好坏直接影响到后期参数驱动的效果.按照参数化设计的要求建立斗轮轮体和斗子子部件的框架，如图3、图4所示.然后依托框架建立各自的三维数模，保证与框架完全相关联.后期通过与模型相关联的EXCEL文件来进行参数修改，但由于该修改过程过于繁琐，当参数过多时易产生混淆造成人为的错误，因此本文所建立的专家系统选择通过VB来建立操作平台，如图5所示.基于该操作平台进行参数改变，完成产品的参数化设计.

3 参数化分析技术

3.1 参数化分析软件平台选择

本文选取功能强大的ANSYS软件来进行有限元分析，主要利用该软件的结构静力学分析和模态分析功能来获取本文后期优化所需的数据.由ANSYS自带的二次开发语言APDL建立的有限元分析模型同样是基于参数化思想，通过该软件平台的参数化程序，可以实现参数化有限元分析的全过程，即实现三维数模的参数化、网格划分的参数化、材料定义的参数化、载荷和边界条件的参数化等.利用APDL语言，通过修改程序参数来实现产品结构修整时的及时性，便于下一步的优化工作.

3.2 斗子与斗轮的参数化分析

通过APDL语言编程建立斗轮机构关键部件斗子和轮体的参数化有限元模型，并进行了分析，部分结果如图6～图9所示.由静力学分析的结果得知，应力最大值多出现在斗子同轮体的衔接处，与斗数的变化无关.且增加轮体直径会增大辐板条根部应力，但是增大轮体直径，可以分散应力集中的区域，使应力最大区域向轮体外缘转移，出现在轮体辐板中间的折线部分，缓解了辐条根部的应力集中.由模态分析结果得知：斗子的第6阶模态整体振动较大，且最大振动位移集中在铰接处，此处如果产生共振会破坏连接孔，易影响斗子的使用寿命.轮体的第6阶模态振型，主要位移集中于轮体的副侧环圈梁，固有频率如果过小，会引发轮体的较大抖动，破坏斗子与轮体的连接平衡，影响机械性能，造成较大的机器动载.这些结果就是后期优化目标和设计变量选择的参考依据.

4 结构优化技术

4.1 多目标优化

对于散料输送机械的优化需要同时满足两个或者多个优化目标需求，而且所需要满足的目标之间往往是负相关，很可能此消彼长，很难在方案中取舍，因此采用多目标优化方法来对模型进行优化，具体的多目标优化方法有统一目标函数法、主要目标函数法、协调曲线法、分层目标法等，结合本文的研究对象和优化设计模型，以及ANSYS的优化特点故选择分层目标法，即首先确定以第一优化目标函数进行优化，再在求解集中进一步以第二优化目标函数进行第二层优化选择.

4.2 斗子多目标优化

4.2.1 斗子多目标优化模型建立

1）斗子优化设计变量

根据设计原理和工作需要，选取斗子的后部侧板板厚、斗底圆弧板厚、开口挖掘板板厚、挖掘侧板板厚、斗底圆弧板弧半径、斗子挖掘点定位角度、开口宽度、斗体后部宽度、斗身过渡段宽度作为设计变量，变量涵盖了斗子结构设计及性能影响的关键参数.

2）斗子设计优化目标

基于斗子的功能需求及前面的分析结果，选取的优化目标为斗子的最大等效应力和斗子第6阶模态的固有频率.

3）斗子优化约束条件

斗子优化的第1个约束条件是斗子在工作条件下要能够满足斗容设计需求.由于斗子的钢板材料为Q345，第2个约束条件是密度为7 850×103 kg/m3.此外，轮体材料在1.5倍安全系数条件下应满足最大等效应力SEQV≤345 MPa，斗子的综合变形USUM≤5 mm.

4.2.2 斗子的优化求解及其结果分析

选择子空间迭代法进行优化，指定优化步数为10.以斗子的最大等效应力和频率为目标函数进行优化，优化后的数值变化及基于优化数据建立的斗子模型如图10～图12所示.

通过优化计算得到优化计算解，观察第10步最优化解，与初始设计各项值进行比较，初始157.35 MPa的最大平均应力减至132.87 MPa，而所关心的斗子第6阶固有频率由104.1 Hz稳定在128.0 Hz，符合设计优化改进的综合需要.

4.3 辐条轮体多目标优化

4.3.1 辐条轮体多目标优化模型建立

1）轮体优化设计变量

辐条轮体为发散圆环均布结构，其质量主要受板材厚度、型材截面尺寸、箱形梁设计尺寸的影响.辐条轮体的固有频率及振型，也与结构设计相关.选择轮体板材厚度、箱型梁及型材尺寸和辐条的搭接位置参数为设计变量，能够满足以结构质量和固有频率为优化目标的优化设计.

2）轮体设计优化目标

根据之前分析描述，优化目标为轮体的质量和第6阶模态的固有频率.

3）轮体优化约束条件

轮体优化的约束条件主要为轮体在工作条件下能够满足强度和刚度需求，由于轮体的选料为Q345，密度为7 850×103 kg/m3，轮体材料在1.5倍安全系数条件下应满足最大等效应力SEQV≤345 MPa，轮体的综合变形USUM≤2 mm.

4.3.2 轮体的优化求解及其结果分析

选择子空间迭代法进行优化，指定优化步数为10.对以固有频率和质量为目标函数的轮体进行优化，优化后的数值变化及基于优化数据建立的轮体模型如图13～图15所示.

根据优化程序，在优先固有频率优化结果的基础上，再计算出质量最优解.依据第10步数据得出的多目标优化参数而设计的辐条轮体，强度和形变均满足设计要求，并达到质量较轻、固有频率相对较高的效果.在第6阶固有频率提高到24.1 Hz，强度、刚度都符合设计要求的基础上，辐条轮体整体质量由优化前的2.99 t，优化后至2.32 t，轮体的整体质量减少了22.7%，优化结果显著.出于斗轮机整体平衡结构的机理，斗轮机构的特殊位置需要尾部配重来平衡，减少重量对于整机的平衡性能具有重大意义.

5 快速设计系统平台搭建

首先通过VB搭建平台的交互界面，获取用户输入的总体设计参数信息；再根据散料输送机械的结构特点，预先设计好相关公式以自动生成相关的设计参数；随后可根据用户的需求对产品子部件的参数进行微调，以满足产品系列化开发的要求；因参数化设计、参数化有限元分析及结构优化等模块已高度集成在快速设计系统里，所以用户也可以根据不同需要分别选择相应的模块进行输出，得到相应的产品资料.图16～图19为部分以斗子和轮体为例的工作界面.

6 结 论

本文开发了一整套针对散料输送机械的快速设计系统，该系统通过VB搭建平台，集成了基于INVENTOR的参数化设计、基于APDL语言的参数化有限元分析和多目标优化，并以某公司实际产品为例，很好地完成了参数化设计及分析优化任务，达成了高效率高准确地解决复杂工程问题的目的，对该类型产品的系列化开发，具有较好的参考价值.

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篇7

【关键词】洗碗机；喷淋结构；优化设计

1.结构优化设计

优化设计首先要解决的关键性问题是如何将工程的实际问题转化为数学模型。解决这个问题必须要考虑哪些是设计变量，这些设计变量是否受到约束，这个问题所追求的结果又是什么，即在优化设计过程要确定目标函数或者设计目标。设计变量、约束条件和目标函数是优化设计的三个基本要素。

1.1设计变量

设计变量是在设计过程中选择的需要调整的独立参数，固定不变的要事先给定的参数称为设计常量。设计变量的数目称为优化问题的维数，设计空间的维数同时也表征了设计的自由度，设计变量愈多，则设计的自由度愈大、可供选择的方案愈多，设计愈灵活，但难度也愈大，求解也愈复杂。设计变量有连续变量和离散变量之分，大多数产品设计中的设计变量是连续变量，但也有一些产品设计中的设计变量是离散型设计变量，如齿轮的模数、轴承的内径、弹簧的螺距等。对于离散型设计变量，目前通行的做法是在优化过程中，先将这些离散型设计变量当做连续变量来处理，待优化过程结束后，再在所取得的最优点附近.通过与其邻近离散点的目标值进行比较，来确定最优离散点。

1.2目标函数

目标函数又称为评价函数，是评价设计方案优劣的标准和反映设计者追求产品最优指标的设计意图，目标函数表征的是设计的某项或者某些最重要的特征，如产品的重量、体积、刚度、变形、承载力、功耗、产量、成本、运动误差、动态特性或其他指标等。优化设计就是要通过优选设计变量使目标函数达到优值。

目标函数与设计变量值之间具有一定的函数关系，虽然这种关系并非一一对应，但是一组已知的设计变量在设计空间还是唯一地确定了目标函数的值和设计点。依据设计特征的数量，目标函数可分为单目标函数和多目标函数两类。由于单目标函数所反映デ仅是产品设计中中多指标的某一项，片面性和局限性很大，故在优化设计中，多目标函数的优化设计问题比较普遍。目标函数愈多，考虑到的设计指标就愈多，设计的综合效果愈好，但是求解也更复杂。

1.3约束条件

目标函数值取决于设计变量的变化，但这种变化并不是任意的自由变化，绝大部分实际问题的设计或多或少总要满足一定的条件，而这些条件构成了对设计变量取值的限制，称为约束条件或约束函数。根据对设计变量取值的限制形式，约束条件可分为直接限制的显约束和间接限制的隐约束。结构优化提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化，这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。拓扑、形貌和自由尺寸优化基于概念设计的思想，作为结果的设计参数还可以反馈给设计人员并作出适当的修改和调整，经过设计人员修改过的设计方案可以再经过更为细致的形状、尺寸以及自由形状优化，从而得到更好的方案。

2.洗碗机喷淋结构的优化设计

2.1洗碗机喷淋结构设计的缺陷

应用流体动力学软件Fluent 对洗碗机的清洗系统（图1）的结构进行仿真分析，得出图2 所示的水流速度矢量图。

从速度矢量图中可以看出单管中出口的增加让水流充满了管道，水流速度最大的地方在最接近水流的出口部分。由于水流是从右边流过来，明显的发现水流集中偏向了左边。这样势必导致有一部分碗盘无法被清洗干净，这也就是这种商用洗碗机洗净度不高的主要原因。

2.2洗碗机喷淋结构优化设计思路

对于喷淋式洗碗技术，洗碗机是通过电机驱动水泵，使洗涤水在一定压力下从喷臂喷出，喷射水流对碗碟表面起机械冲击作用，洗碗机专用洗涤剂对碗碟表面油污起化学去污作用，加上热水起浸泡软化作用，三种物理化学作用共同使碗碟表面油污和残渍分解和脱落，从而达到洗净餐具目的。由此可知，洗净能力与出水口水流角度、冲洗时间、能量水量有直接关系。

对于该商用洗碗机的清漂洗系统优化设计的主要思路即为在满足低能耗，安全的前提下，通过改变喷水系统的结构，管道大小，出口大小，出口角度等参数，使得商用洗碗机洗净度更高，更加高效，卫生，方便。

2.3洗碗机喷淋结构优化设计过程

针对以上情况，优化设计该清洗管道的开口角度，通过改变清洗管道开口的角度来解决出水偏移的问题。在单管上面的六个出口倾斜角度分别设计为0510152025 度（图3）。从仿真分析的结果来看（图4），已经把水流集中偏移的现象给以了修正，但是开口角度有些偏大，使得靠右的水柱出现右偏的现象，因此又考虑将出口角度做适当的调整。

根据上述分析的结果，对上述结构的出口角度重新进行修正，出口角度修正为01012.51517.520 度（如图5）。根据速度矢量图（图6）可知，效果显著，正符合我们所需要的水流垂直喷射的要求。

上面的对比显示，清洗结构未优化之前，水流喷射集中左偏，这不利于清洗，导致有的地方清洗不到位，而优化结构一在纠正了左偏的基础上纠正过大，导致部分喷口喷射出来的水偏右，仍然没有达到我们预期的目标。在此基础上进一步优化出口角度，得到了最合理的结构，此结构水流垂直均匀的喷出，喷淋效果最好。

3.结论

对于商用洗碗机而言，由于结构优化设计所涉及的参数太多，比如角度，开口大小，喷口数量，上下喷淋管之间的距离等，我们所做的实验仅仅是通过改变出口角度这一参数获取的优化结果，而没有考虑其它的因素。在这个过程中得到如下结论：

（1）优化设计是在仿真分析的基础上进行的，仿真的结果为结构优化提供依据。优化的效果可以通过仿真来验证。

（2）结构优化设计所涉及的参数比较多，有时不能仅仅通过优化某一个参数来进行，而是需要全面考量之后，优化设计才能达到预期的目标。

（3）运用仿真软件来仿真和分析结构优化的效果，可以高效地完成优化设计。

运用优化设计的理论，对于洗碗机的清洗管道进行了结构的优化设计，通过优化实现了水流的垂直喷淋，对于该洗碗机清漂洗系统的结构优化设计提出了初步的方案。目前完全利用计算机仿真分析就可以得出洗碗机设计上存在的缺陷并通过结构优化的方法进行了优化设计和仿真验证，这对洗碗机的完善具有十分重要的意义。 [科]

【参考文献】

篇8

建筑幕墙的优化设计是最优化设计方法在建筑幕墙设计领域的应用。幕墙的最优化设计，简单的说，就是从所有可能的设计方案中，寻求最优的设计方案，以最大限度地满足设计所提出的目标。

寻求最优方案的方法是最优化方法，最优化的理论和方法是随着计算机的迅速普及而发展起来的，正因为最优化的宗旨是追求最优目标，这就决定了它的应用价值，最优化问题的解决意味着在相同条件下获得最优的方案、最好的效果和最优的经济指标。最优化的应用和推广，必将使建筑幕墙的设计提高到一个新水平。

目前,幕墙的设计，多采用类比法，参考已有的设计或经验数据，进行分析对比，从而确定所需的设计参数。也有选择有限的几种方案进行计算，最后根据设计要求确定一组较好的设计参数。一般来说，这样确定的设计方案，不是最佳的设计方案。但是，如果采用最优化方法进行设计，则可以获得最佳的设计方案。

最优化设计方法，是根据设计要求建立数学模型，选用有效的最优化计算方法，设计编写优化软件，在计算机上完成设计计算，最后获得最佳的设计方案。

二、建筑幕墙优化设计一般步骤

数学模型的一般形式：

minf（）

∈En

其中，=[x1，x2，x3，…,xn]T

s.t.

Si()≥0i=1,2,…,m

hj()=0j=1,2,…,l(l﹤n)

幕墙优化设计首先要解决的关键问题就是将工程实际问题转化成数学模型,建立数学模型的三个基本要素是:目标函数,设计变量和约束条件。

1．目标函数

目标函数是设计所追求的目标，它是用来衡量设计方案优劣的目标。幕墙优化设计可以是优化结构形式、确定优化的截面尺寸、成本最低、生产率最高等。

目标函数分单目标函数和多目标函数。单目标函数的求解比较简明准确，而多目标函数的求解比较繁琐。

当前，幕墙优化设计开展的工作主要是优化截面尺寸，使得幕墙的结构重量最轻。

2．设计变量

=[x1，x2，…,xn]T是设计变量。

幕墙的一个设计方案,一般可用一组参数来表示,在这些参数中,有的是预先确定的,即在设计过程中固定不变的量,即设计常量,如材料的弹性模量E、材料的泊松比γ、材料的线膨胀系数α、材料的强度设计值等等；有些参数实质上不是常量,但在某些具体问题中可以看成常量,如风荷载,它是与地区、建筑物高度、建筑物所处的地面粗糙度、建筑物的体型等有关的量,但有的时候、有的情况下，可以作为常量处理。另一类是在优化过程中经过逐步调整、最后达到最优值的独立参数,叫做设计变量。优化设计的目的就是使各个设计变量达到最优的组合。优化截面尺寸的设计中,截面的几何参数、物理参数就是设计变量。

应当指出,合理地确定荷载和作用,是幕墙设计中十分重要的工作,作用在幕墙上的荷载有重力荷载、风荷载、雪荷载,此外还有使结构产生变形和内力的作用,有地震作用、温度作用。如果取值过大,所设计的结构尺寸会偏大,造成浪费；如果过小,则所设计的结构不够安全。

设计变量的个数就是优化问题的维数,若有n个设计变量X1,X2,…,Xn的优化问题,变量按一定次序排列就构成一个数组.设计变量的个数越多,设计自由度就越大,容易得到比较理想的设计方案,但随之而来的是,使设计复杂起来,优化计算更加困难,所以,应尽量减少设计变量的数目,将一些参数定为设计常量,而只将那些对目标函数影响较大的设计参数确定为设计变量,以使优化设计容易进行。

3．约束条件

约束条件也叫约束函数，是设计变量本身或者设计变量之间应遵循的限制条件的数学表达式。

在优化过程中，设计变量不断改变其数值，以望达到目标函数的最小值。但设计变量的改变要受到限制和约束，设计变量在设计中的取值范围、上下边界也都必须有一定的限制，它们都是设计变量的函数。

为了保证幕墙结构能正常工作，在设计每一构件时，首先要使构件在外力作用下不破坏，即每一构件要有足够的强度。第二要考虑构件在外力作用下要变形，但变形不能超过某一允许范围，即每一构件要有足够的刚度。最后，构件在外力作用下，可能原来的形状不能继续维持而要突然改变，即原来的平衡形式不能保持稳定。幕墙构件设计时，应当考虑以上三方面以及参数本身、构造方面的要求，以数学表达式的方式写出。但对具体工程的具体构件，往往有时只考虑某些主要方面，有时可以以强度为主要的，有时则可能以刚度为主要的。假如所设计的构件能符合强度、刚度和稳定性的要求，就认为设计是安全的。

一般而言，梁在设计中应考率强度、刚度、整体稳定、局部稳定。轴心受拉构件应考虑强度和刚度。轴心受压构件应考虑强度、整体稳定、局部稳定和刚度。拉弯构件应考虑强度和刚度。压弯构件应考虑强度、整体稳定、局部稳定和刚度。

幕墙结构的连接通常有焊接、铆钉连接和螺栓连接。与主体结构的连接有前置式的预埋件连接，后置式的膨胀螺栓连接（有的省市禁用）、化学锚栓连接、穿透螺栓连接等。

约束条件的建立主要依据《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）、《金属与石材幕墙工程技术规范》（JGJ133-2001）、《点支式玻璃幕墙工程技术规程》（CECS127：2001）、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）等相关国家和行业标准的要求。

4．优化方法

寻求的过程，是设计编写计算机程序，然后在计算机上完成的，软件的设计是件十分繁重的工作，是应用最优化方法的关键环节和难点。

我们设计、编写了通用软件，用于建筑幕墙的优化设计。这套软件可用于一维问题、n维问题，线性规划、非线性规划，无约束问题、有约束问题，等式约束和不等式约束问题。应用结果表明，软件有以下特点：实用性强、通用性好，收敛速度快、数位稳定性好、计算精确度高，便于操作、效果明显。

5．优化结果的分析评判

对优化的结果要检查与评价其合理性，对所得到的优化参数要考虑是否需进行调整或圆整，要考证优化结果的正确性和实用性。

三、结束语

建筑幕墙是关系到人民生命财产安全的行业，国家实行生产许可证制。对建筑幕墙的要求是，安全可靠，实用美观和经济合理。

当前，建筑幕墙市场供求不平衡，“粥少僧多”，竞争激烈，相互压价，有的地方单价已经压得很低，若低价中标，再凭主观臆断降低材料的质量和数量，将会埋下严重的质量隐患。

建筑幕墙作为一种结构，假如过于保守地强调安全可靠，强度储备过大，选用了过大的截面尺寸或者优质材料，就意味着过重的结构重量或材料费用，势必造成成本的加大，材料的浪费，经济上的损失和效益的低下。

但如果片面地、盲目地追求经济效益和利润，甚至偷工减料，就可能使得工程不安全，最终会酿成质量事故。

篇9

关键词：发动机悬置系统；能量解耦；Pareto遗传算法；稳健优化设计；Monte Carlo法

中图分类号：U464.12 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）04-0016-04

Robust Optimal Design of Engine Mounting System Based on Tolerance Model

WANG Xin-kan1，2

（1.Institute of Noise and Vibration Research，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2. Anhui Key Laboratory of Automobile NVH and Reliability，Hefei 230009，China）

Abstract：Considering the influence of the uncertainty of design variable on the results，the robust optimization design theory is used to build robust model. Pareto Genetic Algorithms is adopted to optimize the stiffness of mounting of engineer mounting system which takes the decoupling of energy distribution as a target，and the Monte Carlo method is used to analyze the optimized results. The results show that the method can improve the robustness of mounting system.

Key words：engine mounting system；energy decoupling；Pareto genetic algorithms；robust optimal design；Monte Carlo method

人们对汽车乘坐的舒适度要求越来越高，发动机是汽车主要的振源，其振动经悬置系统传递给车架或车身，因而发动机悬置系统的参数设计对汽车整车减振来说非常重要。对于发动机悬置系统的优化设计，可以从不同角度提出目标函数和约束条件，并建立不同的数学模型。常见的目标函数主要有：发动机悬置系统六自由度完全解耦或是部分解耦，移频使系统固有频率处在合理的区间，系统的支反力（矩）最小或是传递率最小。考虑到研究的车型上的悬置位置和安装角度已经确定，因而以悬置的刚度为设计变量，主要从移频且使悬置系统部分解耦来进行多目标参数优化设计。悬置厂商提供的悬置垫，悬置刚度参数一般都有很大的可变性，主要来源于悬置材料的变化和悬置几何形状的变化。另外在悬置与支架等的装配过程中，往往会产生预应力以及悬置形状的扭曲，也将造成悬置刚度值的变化［1］。传统的确定性解耦优化方法往往忽略了悬置刚度值的可变性，忽略了刚度偏差对悬置系统解耦的影响，使实际的工况下解耦效果很不理想。基于对悬置参数不确定因素影响的考虑，应该选择一种方法一方面寻求目标函数的最优值，另一方面应该考虑设计变量的误差等不确定因素，这就需要我们在优化设计中结合稳健设计的思想，即稳健优化设计。本文将稳健优化设计应用于发动机悬置系统的解耦优化中，充分考虑了各种干扰和设计变量的变差情况，不仅保证设计结果的合理性，同时也保证设计结果对悬置参数的不敏感性。同时利用Monte Carlo方法对结果进行分析验证，对悬置刚度对系统性能的影响程度进行研究。

1 稳健优化设计模型

传统确定性优化模型为：

min f（x）s.t. gi（x）≤0 i=1，2，L，m xL≤x≤xu（1）

式中：x，xL，xu分别为设计变量及其上下界； f（x）为目标函数；gi（x）（j=1，2，L，m）为m个约束函数。

稳健优化设计中，不仅考虑目标函数均值?滋f变化，而且要考虑目标函数的标准差?滓f的变化。均值?滋f和标准差?滓f的计算，可以通过泰勒级数展开来近似。考虑变量相互独立，则目标函数的均值和标准差分别为：

?滋f =f（?滋x）+■■■?滋xi?滓2xi?滓f =■ （2）

对于约束函数，由于变量变化因而引起约束的变化，于是原问题的约束变为：

?滋g i（x）+n?滓g i（x）≤0 （3）

同时为了表示设计变量偏离的可行性，相应的设计变量的边界变为：

xL-n?滓x≤x≤xu+n?滓x （4）

（2）、（3）式中n为任意常数，当n=3，x随机变差时，其设计的可行率可达到，能满足实际要求。

综上，稳健优化模型为［3］：

min ?滋f ?滓ff（x）s.t. ?滋g i（x）+n?滓g i（x）≤0 i=1，2，L，m xL-n?滓x≤x≤xu+n?滓x（5）

2 发动机悬置系统优化模型

篇10

1.1DER-CAMDER-CAM

能够以微电网年供能成本(购电成本、燃料成本、分布式能源等年值成本及运行维护成本)最低和/或CO2排放量最低为优化目标进行单一或多重目标的优化规划，可确定微电网内部分布式能源最优的容量组合以及相应的运行计划。目前该模型能够考虑光热、光伏、传统/新型发电机、CHP、热/电储能、热泵、吸收式制冷机、电动汽车等多种分布式能源和储能设施。DER-CAM中负荷模型包括纯电负荷、冷负荷、冷冻负荷、供暖负荷、热水负荷、纯天然气负荷共6类。

1.2HOMER

可再生能源互补发电优化建模(HybridOptimizationModelforElectricRenewable，HOMER)是由NREL资助开发的可再生能源混合发电经济-技术-环境优化分析计算模型，主要针对小功率可再生能源发电系统结合常规能源发电系统形成的混合发电系统进行优化。HOMER以净现值成本(可再生能源混合发电系统在其生命周期内的安装和运行总成本)为基础，模拟不同可再生能源系统的规模、配置，在一次计算中能同时实现仿真、优化和灵敏度分析3种功能。其优化和灵敏度分析算法，可以用来评估系统的经济性和技术选择的可行性，可以考虑技术成本的变化和能源资源的可用性。其能够模拟系统的运行过程，提供全年每小时各种可再生能源的发电量及系统电力平衡情况;能够详细计算系统全年燃料、环境、可靠性、电源、电网等各项成本;能给出不同限制条件下的最优化可再生能源发电规划方案。HOMER的优点在于其灵活的系统建模能力，能够对多种可再生能源、发电技术进行建模仿真，储能模型考虑了飞轮、蓄电池、液流电池以及氢储能。HOMER能够对并网型和独立型微电网系统进行建模仿真，支持基于全年8760h能量平衡仿真的系统容量优化以及参数灵敏度分析。其应用范围广泛，适用于不同规模的系统，目前已在城市、海岛、村庄、社区、住宅等规模下的可再生能源规划及电网优化设计中得到应用。此外，HOMER还能提供不同系统配置下详细的经济分析结果，但不足是作为能源规划分析软件，没有对网络进行建模。

1.3H2RES

H2RES是由克罗地亚萨格勒布大学于2000年开发的能源规划程序。该程序能够模拟不同研究场景(不同可再生能源、间歇式能源渗透率、不同发电技术)下能源需求(水、电、热、氢)、储能(氢储能、抽水蓄能、蓄电池)与供给(风、光、水力、地热、生物质、化石燃料或电网)之间的平衡。H2RES模型包括除核电外的各种热发电技术以及除潮汐能外的各种可再生能源技术，也包括不同的储能与转换技术。在进行风电、光伏和水电模拟时，需输入从邻近的气象站获得的风速、太阳能辐射和降水等气象数据，H2RES可由此输出合适的可再生能源技术参数。H2RES模型尤其适合提高海岛、偏远山区等独立型系统或与电网连接比较脆弱的并网型系统的可再生能源渗透率及利用率分析。此外，H2RES也可以作为单个风能、水力、光伏发电并网的辅助规划工具。

1.4HOGA

基于遗传算法的混合优化设计软件(HybridOptimizationbyGeneticAlgorithms，HOGA)由西班牙Zaragoza大学电气工程系开发。HOGA采用遗传算法对混合系统进行优化设计，其仿真时间为1h，在此期间所有参数都假定为常数。应用HOGA可以进行单目标或多目标优化。该软件可对组成混合发电系统的光伏发电机、风力发电机、蓄电池、水轮机、柴油或其他燃料发电机、燃料电池、电解槽、氢储罐、整流器和逆变器等组件的数量及种类进行优化，同时混合系统的控制策略和蓄电池的荷电状态设置点也可通过该软件进行优化。

1.5DCOT

联产设计工具包(Designer’sCogenerationOptimizationToolkit，DCOT)是中国科学院广州能源研究所在十余年的科研成果的基础上，研发的面向节能设计者的集成GAMS和Dest的辅助设计计算软件。软件基于数据库进行编程，具有完备的设备库和模型库，不同地区能源价格数据库，空调负荷数据库，另外还有算法库，包括线性规划、非线性规划、混合整数线性规划和混合整数非线性规划等算法。DCOT主要应用于需要进行能源优化设计(包括供电、供热和供冷)的场合。不仅可以应用于普通建筑，还可以应用于区域能源规划。在使用DCOT进行能源规划前，可以使用DEST和DOE-II的建筑热环境设计模拟软件来进行建筑模拟，得出全年、每天、每小时的冷热电负荷;并根据以上数据将全年分为几个工况，而后将各数据作为DCOT的优化设计的依据。

1.6PDMG

微电网规划设计软件(PlanningandDesigningofMicro-grid，PDMG)为天津大学在其配电网规划软件平台基础上研制的一套实用软件。该软件具备间歇性数据分析、分布式电源及储能容量优化、储能系统实现设计以及结合专家干预的技术经济比较等较为完整的微电网规划设计功能。PDMG采取流程化的微电网规划设计方法。主要包括原始数据获取与分析、分布式电源规划设计、储能系统规划设计和微电网方案评估。

2系统仿真分析软件

2.1HYBRID2

HYBRID2是由NREL与科罗拉多州大学于1996年合作开发的混合发电系统仿真软件。HYBRID2采用概率时序仿真模型，能够对风/光/柴/蓄混合发电系统进行技术、经济分析，可用于并网、孤岛混合发电系统的工程级仿真。HYBRID2仿真软件中，针对风/光/柴储独立微电网系统提出了多种控制策略，可以归纳为两大类:①柴油发电机主要扮演净负荷跟随的角色(负荷跟随)，蓄电池基本处于浮充状态，作为系统备用;②柴油发电机与蓄电池可轮流做主电源满足净负荷需求(循环充放)。净负荷是指由实际负荷减去可再生能源发电系统功率输出后的负荷值。HYBRID2是一款精确的混合系统模拟软件，模拟时间间隔可固定在10～60min之间。HYBRID2能对一个风光混合发电系统进行精确的模拟运行，根据输入的混合发电系统结构、负载特性、安装地点的风速及太阳辐射数据获得一年8760h的模拟运行结果。但其只是一个功能强大的仿真软件，自身不具备优化设计的功能，且模拟所使用的风力发电机、光伏发电机和蓄电池特征的数学模型尚未公开。与HOMER相比，HYBRID2的优点在于其更为详细、准确的系统建模能力，其元件模型、控制策略比HOMER都要详细，其概率时序仿真模型弥补了准稳态仿真模型不能考虑参数波动(如风速、负荷波动)的不足。详细的元件模型、控制策略及仿真模型，使得HYBRID2的仿真结果更加准确。但HYBRID2的系统建模灵活度不如HOMER，且不具备系统容量优化及参数灵敏度分析功能，同样没有对微电网内部的实际网络进行建模，故不适宜单独用于微电网系统的规划设计。NREL建议使用HOMER软件对混合系统进行优化设计，将优化后的结果输入HYBRID2中，使用HYBRID2对其进行进一步的性能分析。

2.2μGrid

μGrid是由佐治亚理工学院正在开发的微电网仿真工具。针对微电网设备类型繁多、结构灵活而导致微电网仿真建模工作的挑战，μGrid具备较强的建模仿真分析功能。μGrid微电网分析软件抓住了三相或单相三线制、四线制及五线制电路最关键的物理现象，同时可基于物理模型模拟负荷。该建模方法使得一系列微电网相关问题的分析成为可能，如不平衡、不对称预测和评估、不平衡不对称损失评估、杂散电压及地电位升高评估等;系统中不同元件的相互动态影响以及对系统稳定性、发电机负荷控制(频率控制)、动态电压控制的影响等。电力电子接口的设计和控制算法是动态分析的关键问题，μGrid不仅包括一些典型的控制方案，而且还可以对分布式电源制造商的控制方案建模;同时还包括分布式电源的用户安装模型(DER-CAM)，能对DG的安装位置进行优化。μGrid具有较强的微电网建模、仿真、分析能力，但不具备微电网规划优化功能。但可与DER-CAM等软件结合使用，完成对微电网的规划与仿真。

3综合对比

目前分布式能源系统方面的规划设计软件总体并不完善，不同软件的功能也有所不同。针对上文所述的规划设计软件，对其功能进行综合对比，结果如表2所示。

4发展趋势

分布式能源系统内部设备类型繁多、结构复杂、运行方式灵活，涉及风/光/气、冷/热/电等不同形式能源的合理配置与科学调度，具有极大的不确定性和复杂度。由于分布式能源的优势体现在技术、经济、环保、社会等多个方面，需从可靠性、全生命周期成本、污染物及温室气体排放水平、能源利用效率、化石燃料消耗等多个方面对系统规划设计进行综合评价。分布式能源系统规划设计需要解决的问题包括容量优化配置、网络结构优化、运行控制优化、经济性优化等。因此，系统规划设计本质上是多场景、多目标、不确定性的综合规划问题。基于目前分布式能源系统规划设计软件的发展现状，可知软件的发展存在着以下几点趋势:

(1)多目标。由于分布式能源系统自身的复杂性，导致单目标优化无法全面、有效地进行规划设计，因此单目标优化会向多目标优化发展。

(2)并/离网模式。分布式能源系统的优势之一是既可以并网运行，也可以离网独立运行，因此分布式能源规划设计软件需要考虑并网与离网两种模式。

(3)负荷多元化。分布式能源系统除包括传统的电能外，还需综合考虑冷/热/氢等不同的负荷需求，因此软件应当对负荷需求进行全面的考虑。

(4)仿真与规划结合。仿真与优化两者各有优势且互为补充，因此在开发分布式能源系统规划设计软件时，应当考虑兼顾仿真与优化的功能。

5结语