طراحی بهینه چند موضوعی (MDO)[1] زمینه ای از مهندسی است که از روش های بهینه سازی برای حل مسائل طراحی شامل چندین موضوع[2] استفاده می کند. این روش همچنین تحت عنوان بهینه سازی چند موضوعی و طراحی بهینه سیستم چند موضوعی (MSDO)[3] نیز شناخته می شود.
طراحی بهینه چند موضوعی (MDO) به طراحان اجازه می دهد تا تمام موضوعات مرتبط را به صورت همزمان به کار گیرند. بهینه ی چند مسئله ای، که برترین نقطه طراحی است، بوسیله بهینه سازی هر یک از موضوعات به صورت ترتیبی بدست می آید. چرا که این کار می تواند از تعاملات بین موضوعات بهره برداری کند. هرچند، دخالت تمامی موضوعات به صورت همزمان، آشکارا پیچیدگی مسئله را افزایش می دهد.
این تکنیک ها در تعدادی از زمینه ها مانند طراحی اتومبیل، معماری دریایی، الکترونیک، کامپیوتر و توزیع نیروی برق استفاده شده است. اما بیشترین میزان کاربردها در زمینه مهندسی هوافضا همچون طراحی هواپیما و فضاپیما بوده است. برای مثال، شرکت بوئینگ[4] برای طرح پیشنهادی هواپیمای BWB[5] (شكل2-1)، در مراحل طراحی مفهومی و اولیه به شکلی گسترده از MDO استفاده کرده است. موضوعاتی که در طراحی BWB در نظر گرفته شدند، عبارتند از آیرودینامیک، طراحی سازه، پیشرانش، تئوری کنترل و اقتصاد.
شكل1-1 : هواپیمای X-48B که از نوع طراحی BWB بهره برده است
مهندسی سنتی معمولاً بوسیله تیم هایی که هر یک تخصص بالایی در یک موضوع خاص مانند آیرودینامیک یا سازه دارند، اجرا می شود. هر تیمی از تجربه و داوری اعضای خود جهت توسعه یک طراحی عملی، معمولاً به صورت ترتیبی، استفاده می کند. برای مثال، متخصصان آیرودینامیک طرح کلی شکل بدنه را استخراج می کنند و از متخصصان سازه انتظار می رود تا طراحی خود را مطابق این شکل خاص انجام دهند. عموماً اهداف تیم ها به عملکردهایی از قبیل حداکثر سرعت، حداقل درگ یا حداقل وزن سازه ارتباط دارد.
بین سالهای 1970 و 1990، دو پیشرفت عمده در صنعت هواپیمایی، رویکرد مهندسان طراحی هواپیما را به مسائل مورد طراحی شان تغییر داد. اولین آنها، طراحی به کمک کامپیوتر بود که به طراحان اجازه می داد تا به سرعت طراحی های خود را اصلاح و تحلیل کنند. دومین پیشرفت، تغییراتی در خط مشی اکثر سازمان های نظامی و خطوط هوایی (مخصوصاً صنایع نظامی ایالات متحده) از رویکرد عملکرد محور به مسایل هزینه چرخه حیات[6] بود. این موارد منجر به تمرکز فزاینده بر روی فاکتورهای اقتصادی و صفاتی که تحت عنوان قابلیت[7] شامل قابلیت ساخت، قابلیت اعتماد، قابلیت تعمیر و نگهداری و غیره شناخته می شوند، شد.
از 1990، تکنیک ها به صنایع دیگر گسترش یافت. جهانی سازی منجر به تیم های طراحی نامتمرکز و پراکنده تر شد. کامپیوترهای شخصی با عملکرد بالا، به طور گسترده با سوپرکامپیوترهای متمرکز جایگزین شدند و شبکه های اینترنتی و محلی، اشتراک گذاری اطلاعات طراحی را آسان کردند. نرم افزار طراحی چند موضوعی در بسیاری از موضوعات (از قبیل NASTRAN، برنامه تحلیل المان محدود برای طراحی سازه) بسیار کامل شده اند. بعلاوه بسیاری از الگوریتم های بهینه سازی به طرز چشمگیری پیشرفت کرده اند.
در حقیقت شیوه های بهینه سازی تقریباً به قدمت حساب دیفرانسیل و انتگرال هستند و به زمان آیزاک نیوتن، لئونارد اویلر، دنیل برنولی و ژوزف لاگرانژ که از آنها برای حل مسائلی از قبیل شکل منحنی زنجیره ای استفاده کردند، برمیگردد. اوج دوران بهینه سازی عددی در عصر دیجیتال حاصل شد.
قانون بهینه سازی این است که تعدادی متغیر، تعدادی قید و برخی روابط بین متغیرها وجود دارد و پیدا کردن پیکربندی بهینه کلی، هدف بهینه سازی است. متغیرها ممکن است شامل "متغیرهای طراحی[8]" مانند نسبت وزن به تراست باشد. قیدها برای مثال ممکن است این باشد که ماهوارهبر نیاز به رسیدن به سرعت مداری خاص یا ارتفاع مداری خاص داشته باشد. متغیرها به وسیله تئوریها و دادهها با یکدیگر مرتبط میشوند.
طراحی بهینه چند موضوعی (MDO) به عنوان روش جدیدی مطرح شده است که مجموعهای از روشها و تکنیکها را فراهم میکند تا به مهندسان کمک کند در مهندسی طراحی سیستمی با تعاملاتی بین زیر سیستمهای مختلف آن، نزدیکتر به نقطه بهینه حرکت کنند. به موازات پیشرفت روش بالا، تعدادی بسته نرمافزاری نیز ایجاد شدهاند تا تجمیع کدها، دادهها و وجه مشترک کاربر را تسهیل کنند. این بستهها اغلب به قالبهایی[9] ارجاع میشوند. اکنون تجربه جمع شده از پیادهسازیها و کاربردهای این قالبها به نقطهای رسیده است که ممکن است به الزاماتی تبدیل شود تا توسعههای قالب بعدی را هدایت کند. [2]
[1] Multidisciplinary design optimization (MDO)
[2] Discipline
[3] Multidisciplinary system design optimization (MSDO)
[4] Boeing
[5] Blended Wing Body (BWB) aircraft
[6] Lifecycle cost
[7] ilities
[8] Design variables
[9] Framework
طراحی بهینه چند موضوعی (MDO) به طراحان اجازه می دهد تا تمام موضوعات مرتبط را به صورت همزمان به کار گیرند. بهینه ی چند مسئله ای، که برترین نقطه طراحی است، بوسیله بهینه سازی هر یک از موضوعات به صورت ترتیبی بدست می آید. چرا که این کار می تواند از تعاملات بین موضوعات بهره برداری کند. هرچند، دخالت تمامی موضوعات به صورت همزمان، آشکارا پیچیدگی مسئله را افزایش می دهد.
این تکنیک ها در تعدادی از زمینه ها مانند طراحی اتومبیل، معماری دریایی، الکترونیک، کامپیوتر و توزیع نیروی برق استفاده شده است. اما بیشترین میزان کاربردها در زمینه مهندسی هوافضا همچون طراحی هواپیما و فضاپیما بوده است. برای مثال، شرکت بوئینگ[4] برای طرح پیشنهادی هواپیمای BWB[5] (شكل2-1)، در مراحل طراحی مفهومی و اولیه به شکلی گسترده از MDO استفاده کرده است. موضوعاتی که در طراحی BWB در نظر گرفته شدند، عبارتند از آیرودینامیک، طراحی سازه، پیشرانش، تئوری کنترل و اقتصاد.
شكل1-1 : هواپیمای X-48B که از نوع طراحی BWB بهره برده است
مهندسی سنتی معمولاً بوسیله تیم هایی که هر یک تخصص بالایی در یک موضوع خاص مانند آیرودینامیک یا سازه دارند، اجرا می شود. هر تیمی از تجربه و داوری اعضای خود جهت توسعه یک طراحی عملی، معمولاً به صورت ترتیبی، استفاده می کند. برای مثال، متخصصان آیرودینامیک طرح کلی شکل بدنه را استخراج می کنند و از متخصصان سازه انتظار می رود تا طراحی خود را مطابق این شکل خاص انجام دهند. عموماً اهداف تیم ها به عملکردهایی از قبیل حداکثر سرعت، حداقل درگ یا حداقل وزن سازه ارتباط دارد.
بین سالهای 1970 و 1990، دو پیشرفت عمده در صنعت هواپیمایی، رویکرد مهندسان طراحی هواپیما را به مسائل مورد طراحی شان تغییر داد. اولین آنها، طراحی به کمک کامپیوتر بود که به طراحان اجازه می داد تا به سرعت طراحی های خود را اصلاح و تحلیل کنند. دومین پیشرفت، تغییراتی در خط مشی اکثر سازمان های نظامی و خطوط هوایی (مخصوصاً صنایع نظامی ایالات متحده) از رویکرد عملکرد محور به مسایل هزینه چرخه حیات[6] بود. این موارد منجر به تمرکز فزاینده بر روی فاکتورهای اقتصادی و صفاتی که تحت عنوان قابلیت[7] شامل قابلیت ساخت، قابلیت اعتماد، قابلیت تعمیر و نگهداری و غیره شناخته می شوند، شد.
از 1990، تکنیک ها به صنایع دیگر گسترش یافت. جهانی سازی منجر به تیم های طراحی نامتمرکز و پراکنده تر شد. کامپیوترهای شخصی با عملکرد بالا، به طور گسترده با سوپرکامپیوترهای متمرکز جایگزین شدند و شبکه های اینترنتی و محلی، اشتراک گذاری اطلاعات طراحی را آسان کردند. نرم افزار طراحی چند موضوعی در بسیاری از موضوعات (از قبیل NASTRAN، برنامه تحلیل المان محدود برای طراحی سازه) بسیار کامل شده اند. بعلاوه بسیاری از الگوریتم های بهینه سازی به طرز چشمگیری پیشرفت کرده اند.
در حقیقت شیوه های بهینه سازی تقریباً به قدمت حساب دیفرانسیل و انتگرال هستند و به زمان آیزاک نیوتن، لئونارد اویلر، دنیل برنولی و ژوزف لاگرانژ که از آنها برای حل مسائلی از قبیل شکل منحنی زنجیره ای استفاده کردند، برمیگردد. اوج دوران بهینه سازی عددی در عصر دیجیتال حاصل شد.
- مفهوم MDO
قانون بهینه سازی این است که تعدادی متغیر، تعدادی قید و برخی روابط بین متغیرها وجود دارد و پیدا کردن پیکربندی بهینه کلی، هدف بهینه سازی است. متغیرها ممکن است شامل "متغیرهای طراحی[8]" مانند نسبت وزن به تراست باشد. قیدها برای مثال ممکن است این باشد که ماهوارهبر نیاز به رسیدن به سرعت مداری خاص یا ارتفاع مداری خاص داشته باشد. متغیرها به وسیله تئوریها و دادهها با یکدیگر مرتبط میشوند.
طراحی بهینه چند موضوعی (MDO) به عنوان روش جدیدی مطرح شده است که مجموعهای از روشها و تکنیکها را فراهم میکند تا به مهندسان کمک کند در مهندسی طراحی سیستمی با تعاملاتی بین زیر سیستمهای مختلف آن، نزدیکتر به نقطه بهینه حرکت کنند. به موازات پیشرفت روش بالا، تعدادی بسته نرمافزاری نیز ایجاد شدهاند تا تجمیع کدها، دادهها و وجه مشترک کاربر را تسهیل کنند. این بستهها اغلب به قالبهایی[9] ارجاع میشوند. اکنون تجربه جمع شده از پیادهسازیها و کاربردهای این قالبها به نقطهای رسیده است که ممکن است به الزاماتی تبدیل شود تا توسعههای قالب بعدی را هدایت کند. [2]
- مزایای روش MDO
- معایب روش MDO
[1] Multidisciplinary design optimization (MDO)
[2] Discipline
[3] Multidisciplinary system design optimization (MSDO)
[4] Boeing
[5] Blended Wing Body (BWB) aircraft
[6] Lifecycle cost
[7] ilities
[8] Design variables
[9] Framework
آخرین ویرایش:
،
