摘 要：复杂机械系统设计涉及相互作用的多个学科和领域，传统的串行设计模式采用在不同的设计阶段，选择不同的重点学科进行优化和设计，人为割裂了学科间相互耦合可能产生的协同效应。多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）方法论得到了极大重视，MDO是将单个学科的分析与优化同整个系统中互为耦合的其他学科的分析与优化结合起来，将并行工程的基本思想贯穿于整个设计阶段，达到在比较短的设计周期内获取系统整体最优解或可行解。
　　关键词：复杂机械系统；多学科；复杂机电
　　一、前言
　　随着科学技术水平的不断发展，现代机械系统已发展成为由机、电、液、光等多物理过程耦合于载体的复杂物理系统，同时也是将多种单元技术集成于几点载体，形成整体功能的复杂装备。在完成高度复杂的多物理过程中，系统及其内部的各子系统与环境间进行着能量、物质与信息流的多种传递、转换和演变。
　　二、现代机电系统及其特征
　　现代各种高效的生产设备、航空航天运载工具、高速列车、盾构是掘进机等无一不是高度耦合、功能复杂、运动控制能力强大的复杂机械系统。与传统机械相比，可以认为，现代机电系统是将机械工程、材料工程、电气工程、控制工程、信息技术等通过信息流融合与信息驱动，按照复杂规律运行的机械系统，其共有特征主要体现在：（1）系统由多个相同和不相同层次的子系统组成，各个系统之间通过耦合关系构成结构复杂的有机整体。复杂机电系统耦合关系见图1.1所示。（2）系统具有动态性与开放性。系统内部及系统与外部环境之间，通过耦合与协同进行能量、物质及信息流的传递、交互及转换，实现多个复杂的物理过程并形成系统的基本功能。
　　三、关于复杂机械系统的研究
　　复杂机械系统具有复杂系统的特征，设计属于复杂机械产品的设计范畴，其设计过程是包括数十门学科交叉的系统工程问题，虽然已经在每门学科以及领域积累的丰富的理论及相关技术，比如精密轨道、减速箱。连杆机构的运动学、动力学、摩擦学等等。而复杂机电系统的整体行为不能通过独立分析其各部分的行为来确定，需要建立基于物理耦合与多异域技术协同的系统研究方法，以寻求复杂机械产品的整体最优。
　　传统复杂机械产品设计一般流程为：方案设计——详细设计——生产设计。其中方案设计所占比重较小，处于产品全生命周期的初始阶段，统计数据表明，产品方案设计的费用只占产品开发总成本的5%，但产品总成本的70%～80%由方案设计阶段决定。方案设计是为了获取满足产品设计要求，详细表达方案的功能原理、原理结构的相互关系以及功能载体的关键参数，其设计质量依赖于设计师的经验，对其进行优化设计非常有用。一旦方案确定下来，就限制了后续设计的优化空间，详细设计与生产设计相对于方案设计的自由度小，所以方案设计是产品设计的关键所在，其设计结果将直接影响后续详细设计、制造等环节，而且这一阶段所造成的设计失误很难为详细设计阶段弥补，正是基于以上原因，设计人员逐渐意识到应该大力提高方案设计阶段的质量，其中，一个很重要的手段就是采用各种优化技术。
　　基于计算机辅助的方案设计方法符合当今产品数字化设计的需求，在设计方法上融合了各种现代设计方法，如有限元设计原理、可靠性设计理论、优化设计理论、系统建模理论、评价决策等，使得设计过程更具创新性，寻求新的方案。
　　现有的设计方法——传统的串行设计模式，在不同的设计阶段，选择不同的重点学科进行产品设计和优化，实质上忽视了学科之间的联系，人为割裂了学科间的相互耦合可能产生的协同效应，结果极有可能失去系统的整体最优解，降低了产品的总体性能，并且设计周期长。这就导致得到产品整体最优解的困难不仅仅在于优化算法本身，而是需要新的优化理论与方法。多学科设计优化（MDO）就是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂产品及其子系统的方法论，其思想顺应了复杂机械产品设计的需求，其宗旨与并行工程的思想不谋而合，用优化原理为产品的全生命周期设计提供了理论基础与实施方法，所以已经提出，就被认为是“能够帮助设计师解决困惑的重要途径”，目前已广泛应用于航天、汽车、交通运输、机械等行业。可以认为各个学科设计理论、设计经验是研究复杂机电系统（由学科组成）的基石，而直接研究复杂机电系统整体规律已是社会发展的急切需求。而MDO为此提供了可行理论和方法。
　　参考文献：
　　[1] 白晓涛，李为吉.利用协同优化方法实现复杂机械系统的设计优化[J].机械设计，2006，（19）：211-213.
　　[2] 王玉明等.基于拓扑动力系统的复杂机械系统故障信息特征提取[J].中国机械工程，2012，（8）： 17-20.
　　作者简介：宁言军（1982—）男， 山东人， 湖北广播电视大学助教，研究方向：机械制造及自动化 。