Реальные инженерные системы редко поддаются оптимизации в рамках одной дисциплины. Авиационный компрессор — это одновременно задача аэродинамики, прочности, термодинамики и управления. Оптимизировать каждую дисциплину по отдельности и затем «собрать» результат — значит заведомо получить неоптимальное решение, поскольку дисциплины взаимозависимы.
Концепция многодисциплинарной оптимизации (MDO) в IOSO объединяет все три ранее описанные технологии — многокритериальную, многоуровневую и параллельную оптимизацию — в единый вычислительный процесс. Исследуемая система рассматривается как многослойная структура, каждый слой которой соответствует отдельной инженерной дисциплине. Внутри каждой дисциплины может использоваться любой расчётный инструмент — от простейших аналитических моделей до экспериментальных образцов.
Связующим звеном между дисциплинами служат поверхности отклика: они позволяют передавать информацию между уровнями моделирования и дисциплинами без необходимости жёсткой интеграции расчётных кодов. Адаптивное переключение между глобальными и локальными аппроксимациями обеспечивает высокое качество приближения при минимальном числе обращений к дорогостоящим моделям.
Пример: оптимизация управляемого осевого компрессора
Задача проектирования компрессора включает два принципиально разных типа переменных: конструктивные — геометрические параметры, не меняющиеся при смене режима работы, — и управляющие, которые могут целенаправленно изменяться в зависимости от режима. Наличие управляющих переменных превращает задачу проектирования в задачу оптимального управления.
IOSO позволяет решать все три уровня этой задачи:
- Оптимальное проектирование — определение конструктивных параметров, оптимальных для расчётного режима работы;
- Оптимальное управление — нахождение наилучших законов управления для фиксированной геометрии на всех режимах;
- Совместная оптимизация проекта и управления — одновременное определение конструктивных параметров и законов управления для всего диапазона режимов.
- Исходный проект
- Оптимальное проектирование неуправляемого компрессора
- Оптимальное управление при фиксированной геометрии на основе результатов оптимального проектирования неуправляемого компрессора
- Оптимальное проектирование управляемого компрессора
Именно третья постановка даёт наибольший прирост эффективности: она учитывает взаимозависимость между геометрией компрессора и его управляемостью — то, что недостижимо при последовательном решении первых двух задач по отдельности. Результаты показывают, что каждый переход к более полной постановке задачи — от исходного проекта к оптимальному неуправляемому, затем к оптимальному управляемому — даёт измеримый прирост КПД компрессора.
