基于代理模型的工程設(shè)計(jì):實(shí)用指南
定 價(jià):98 元
叢書名:高超聲速技術(shù)譯叢
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- 作者:[英] 亞歷山大·I.福瑞斯特(Alexander I.J.Forrester) 著,韓忠華,張科施 譯
- 出版時(shí)間:2018/11/1
- ISBN:9787516515952
- 出 版 社:航空工業(yè)出版社
- 中圖法分類:TB21
- 頁(yè)碼:191
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:16開
代理模型技術(shù)在基于高可信度數(shù)值模擬的下程優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。代理模型技術(shù)不僅可以提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率,而且可降低優(yōu)化難度,有利于濾除數(shù)值噪聲和實(shí)現(xiàn)并行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
《基于代理模型的工程設(shè)計(jì):實(shí)用指南》從實(shí)用的角度,對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、代理模型建模、在代理模型基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)空間探索與發(fā)掘等基礎(chǔ)知識(shí),以及設(shè)計(jì)空間可視化、約束處理、噪聲濾除、梯度信息運(yùn)用、多可信度分析和多目標(biāo)優(yōu)化等高級(jí)概念進(jìn)行了介紹。除了為讀者提供代理模型的使用經(jīng)驗(yàn)外,《基于代理模型的工程設(shè)計(jì):實(shí)用指南》一個(gè)重要的特點(diǎn)是給出了其中大部分算法的Matlab程序,為讀者重復(fù)《基于代理模型的工程設(shè)計(jì):實(shí)用指南》算例和解決他們所關(guān)心的特定問題提供了極大便利。
《基于代理模型的工程設(shè)計(jì):實(shí)用指南》內(nèi)容豐富,實(shí)用性強(qiáng),既有完整的理論和算法,也有大量可直接參考使用的程序。作為一本實(shí)用手冊(cè),《基于代理模型的工程設(shè)計(jì):實(shí)用指南》可供那些為解決工程問題而需要快速入門的設(shè)計(jì)人員使用,也可作為科研院所的研究人員和高等院校大學(xué)生、研究生的參考用書。
工程設(shè)計(jì)是一個(gè)基于分析的決策過程,它直接影響著所設(shè)計(jì)產(chǎn)品或服務(wù)的性能。為了給出合理的設(shè)計(jì)方案,工程師們通常需要進(jìn)行大量的分析來給他們的決策提供足夠的背景信息。即便是從事產(chǎn)品分析工作的專業(yè)團(tuán)隊(duì),往往也需要數(shù)月的時(shí)間才能給出產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方案。譬如說,在現(xiàn)代航空航天設(shè)計(jì)部門中,雖然用于支撐先進(jìn)設(shè)計(jì)決策的計(jì)算能力已經(jīng)達(dá)到十分驚人的地步,但是,即使擁有最新的、最先進(jìn)的計(jì)算機(jī),設(shè)計(jì)者仍然非常希望在采用一些熟悉的分析工具(如計(jì)算流體力學(xué)或計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué))的基礎(chǔ)上,獲得對(duì)所涉及的問題更加深入的認(rèn)識(shí)。作者正是在這樣的背景下撰寫了此書。
為了使設(shè)計(jì)者獲得所期望的對(duì)所研究問題的更深入認(rèn)識(shí),一種有效的方法便是使用代理(或元)模型。發(fā)展代理模型的主要目的是,解決工程設(shè)計(jì)中所需的計(jì)算量過大與現(xiàn)有計(jì)算資源的計(jì)算能力不能滿足需要的問題。此外,代理模型也可用來將不同復(fù)雜度和精度的數(shù)值模擬程序有機(jī)結(jié)合起來,或?qū)崿F(xiàn)計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效融合。代理模型的作用是充分利用已有的每一條分析數(shù)據(jù),提升理解和協(xié)助決策,從而使這些數(shù)據(jù)發(fā)揮最大的效用。本書旨在通過航空航天研究和工業(yè)領(lǐng)域的一些最新成果,概述代理模型的最新應(yīng)用進(jìn)展情況。為此,我們將從代理模型在工程設(shè)計(jì)中的典型實(shí)例概述開始進(jìn)行介紹。
在現(xiàn)有計(jì)算資源所能承受的范圍內(nèi),分析人員通常只能通過進(jìn)行有限且必要次數(shù)的分析工作來獲得分析結(jié)果,而使用代理模型則是希望能獲得這些設(shè)計(jì)方案之外所有可能方案的分析結(jié)果?紤]到在實(shí)際應(yīng)用中,不同可信度的物理仿真程序能承受的問題復(fù)雜程度不同,因此代理模型還可作為這些程序之間的接口。同理,代理模型也能用來消除計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果之間的差異。在上述過程中,代理模型都能最大限度地利用設(shè)計(jì)人員獲得的每一條可用信息,并使這些來源于分析工作或是已有數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)發(fā)揮更大的作用。在此基礎(chǔ)上,代理模型便能起到提升理解和協(xié)助決策的作用。近年來,代理模型方法在學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用方面都引起了廣泛關(guān)注,涌現(xiàn)出了一大批前沿研究成果。本書的目的就在于討論代理模型方法和這些實(shí)際應(yīng)用的最新進(jìn)展。我們?cè)谡闹袑?huì)逐一介紹這些方法與思路,而這里我們首先將簡(jiǎn)要介紹一下代理模型在工程中的典型應(yīng)用。
亞歷山大·I.福瑞斯特,博士,英國(guó)南安普頓大學(xué)工程設(shè)計(jì)講師。他的研究主要圍繞如何提高基于非常費(fèi)時(shí)的數(shù)值模擬(如計(jì)算流體力學(xué)(CFD))的工程設(shè)計(jì)效率。研究成果應(yīng)用于機(jī)翼空氣動(dòng)力學(xué)、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)、一級(jí)方程式賽車設(shè)計(jì)等。
安德瑞斯·索比斯特博士是英國(guó)南安普頓大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院的講師、英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)/皇家工程研究院研究員。研究方向包括飛機(jī)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)外形參數(shù)化與優(yōu)化設(shè)計(jì),以及針對(duì)通用用途的工程設(shè)計(jì)方法。
安迪·J.肯尼,教授,南安普頓大學(xué)計(jì)算工程學(xué)會(huì)主席。他是大學(xué)計(jì)算工程學(xué)會(huì)和設(shè)計(jì)研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人,同時(shí)也是羅羅計(jì)算工程技術(shù)中心的主任。他的研究興趣集中在航空航天科學(xué)領(lǐng)域,主要方向?yàn)榛谟?jì)算方法的航空航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)。他在該領(lǐng)域發(fā)表了200多篇論文和3本專著,其中有相當(dāng)一部分是關(guān)于代理模型的。
第一部分 基礎(chǔ)知識(shí)
第1章 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.1 “維度災(zāi)難”及如何避免
1.2 物理試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)試驗(yàn)
1.3 設(shè)計(jì)初步試驗(yàn)(變量篩選)
1.3.1 估計(jì)初等效應(yīng)的分布
1.4 設(shè)計(jì)抽樣方案
1.4.1 分層法
1.4.2 拉丁方陣和拉丁超立方體
1.4.3 空間填充的拉丁超立方體
1.4.4 空間填充子集
1.5 關(guān)于對(duì)類似諧波響應(yīng)問題的說明
1.6 對(duì)更深入閱讀的提示
參考文獻(xiàn)
第2章 建立代理模型
2.1 建模過程
2.1.1 第一階段:準(zhǔn)備數(shù)據(jù)并選擇建模方法
2.1.2 第二階段:參數(shù)估計(jì)與訓(xùn)練
2.1.3 第三階段:模型測(cè)試
2.2 多項(xiàng)式模型
2.2.1 例一:翼型阻力
2.2.2 例二:多峰測(cè)試算例
2.2.3 k個(gè)變量的情況
2.3 徑向基函數(shù)模型
2.3.1 擬合無噪聲數(shù)據(jù)
2.3.2 帶噪聲數(shù)據(jù)的徑向基函數(shù)模型
2.4 Kriging模型
2.4.1 建立Kriging模型
2.4.2 Kriging預(yù)測(cè)
2.5 支持向量回歸
2.5.1 支持向量預(yù)測(cè)
2.5.2 核技巧
2.5.3 尋找支持向量
2.5.4 尋找ì
2.5.5 選擇C和g
2.5.6 計(jì)算澹喉-svR方法
2.6 回顧與總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第3章 代理模型的局部發(fā)掘與全局探索
3.1 搜索代理模型上的最優(yōu)值
3.2 加點(diǎn)準(zhǔn)則
3.2.1 基于預(yù)測(cè)的局部發(fā)掘
3.2.2 基于誤差的全局探索
3.2.3 局部發(fā)掘與全局探索的結(jié)合
3.2.4 條件似然方法
3.2.5 其他方法
3.3 管理代理優(yōu)化過程
3.3.1 如何選擇代理模型
3.3.2 如何確定初始樣本與新增樣本的數(shù)目
3.3.3 收斂標(biāo)準(zhǔn)
3.4 使用Kriging目標(biāo)搜尋實(shí)現(xiàn)對(duì)隔振器幾何可行性的優(yōu)化
參考文獻(xiàn)
第二部分 高級(jí)概念
第4章 可視化
4.1 云圖矩陣
4.2 嵌套維度
參考文獻(xiàn)
第5章 約束處理
5.1 通過構(gòu)造的方法使約束條件得到滿足
5.2 罰函數(shù)
5.3 約束優(yōu)化問題示例
5.3.1 對(duì)約束函數(shù)建立Kriging代理模型
5.3.2 建立目標(biāo)函數(shù)的Kriging模型
5.4 基于改善期望的方法
5.4.1 采用簡(jiǎn)單罰函數(shù)的改善期望
5.4.2 約束改善期望方法
5.5 缺失的數(shù)據(jù)
5.5.1 為不可行設(shè)計(jì)點(diǎn)插補(bǔ)數(shù)據(jù)
5.6 基于約束改善期望方法的螺旋壓縮彈簧設(shè)計(jì)
5.7 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第6章 針對(duì)帶噪聲數(shù)據(jù)的加點(diǎn)準(zhǔn)則
6.1 回歸型Kriging模型
6.2 對(duì)回歸模型的搜索
6.2.1 重插值模型
6.2.2 條件似然方法的重插值
6.3 關(guān)于病態(tài)矩陣
6.4 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第7章 運(yùn)用梯度信息
7.1 獲取梯度信息的方法
7.1.1 有限差分法
7.1.2 復(fù)變量法
7.1.3 Adjoint方法與算術(shù)微分
7.2 梯度增強(qiáng)代理模型
7.3 Hessian增強(qiáng)代理模型
7.4 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第8章 多可信度分析
8.1 Co-Kriging模型
8.2 單變量算例展示
8.3 選擇Xc和Xe
8.4 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第9章 多設(shè)計(jì)目標(biāo)
9.1 Pareto優(yōu)化
9.2 多目標(biāo)改善期望方法
9.3 基于約束改善期望的Nowacki懸臂梁多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
9.4 基于約束改善期望準(zhǔn)則的螺旋壓縮彈簧多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
9.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
附錄 測(cè)試算例
A.1 單變量測(cè)試函數(shù)
A.2 Branin測(cè)試函數(shù)
A.3 翼型設(shè)計(jì)算例
A.4 Nowacki懸臂梁
A.5 螺旋壓縮彈簧多目標(biāo)約束優(yōu)化設(shè)計(jì)
A.6 新型被動(dòng)隔振器的可行性設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)