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    重庆时时彩专家分析: 一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法.pdf

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    一种 穿戴 电子设备 系统 学科 设计 优化 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201611216059.X

    申请日:

    2016.12.26

    公开号:

    CN106777727A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20161226|||公开
    IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
    申请人: 电子科技大学
    发明人: 黎业飞; 章桀; 司超杰; 李芳宇; 韩家升; 阚宝铎; 柳秋敏
    地址: 611731 四川省成都市高新区(西区)西源大道2006号
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611216059.X

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法,用于可穿戴电子设备的概念方案设计和技术设计阶段。该方法包括柔性电子材料试验获得材料力学本构和电性能关系,在此基础上完成可穿戴电子设备系统多学科建模和优化设计?;谙低撤纸夂褪匝樯杓平锌纱┐鞯缱由璞傅牡绱偶嫒?、能耗和耐久寿命等学科的仿真分析和优化,建立起可信的可穿戴设备响应面模型?;诙嘌Э岂詈闲呕枷?,构建可穿戴电子设备系统多学科目标优化模型,进行模型特性分析,综合考虑分配权重影响和Pareto寻优的结果,获得综合满意解。本发明解决了可穿戴电子设备结构小型化、轻量化、能耗、舒适性、电磁兼容性和安全性等性能的多目标多学科设计优化问题,用于指导并有效实现可穿戴电子设备及产品的高效开发和改善设计。

    权利要求书

    1.一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法,其特征在于,包括如下步骤:
    步骤1:基于系统分解思想对可穿戴电子设备进行学科系统分解,确定出可穿戴电子设
    备设计中各个学科子系统的关注目标;
    步骤2:可穿戴柔性材料力学本构与电性能试验,以高性能试验机和电荷探测器,采用
    试验设计方法(Design of Experiments,DOE),探索高分子或有机新型柔性电子材料在拉
    伸、压缩、弯曲、扭转及综合作用下的力学性能、电性能及交互变化,分析力学性能和电性能
    的交互影响,获得高精度力学性能和电学性能基础数据;
    步骤3:可穿戴电子设备系统多学科建模,以步骤2获得的材料数据,根据可穿戴电子设
    备的设计需求和指标要求,确定的具体过程为:
    步骤31:在可穿戴电子设备的设计空间可行域内,确定生成设计方案组(设计变量组),
    对确定好的设计变量因子数和水平,按多因素变量分析制定可穿戴电子设备虚拟试验方
    案;
    步骤32:根据步骤31制定的试验方案,对步骤1分解出来的各个子系统进行分析和优
    化,以获得建立系统层面向概念设计的多学科设计优化的设计空间;
    步骤33:由于新设备和产品对系统结构特性缺乏深入了解,采用多种线性和非线性回
    归方法,基于基本及改进的径向基函数、支持向量机和Kriging等方法,构建各个子系统的
    多种响应面模型;
    步骤34:响应面代理模型验证与可信性评估,以模型显著性检验F统计量和拟合优度检
    验决定系数R2为基础构建了模型质量参数ModelV,对步骤33的各方法建立的响应面模型进
    行检验,从步骤33结果中选取精度满足要求且指标最好的响应面模型;
    步骤4:可穿戴电子设备系统多学科优化,以步骤3获得的多学科建模结果,构建可穿戴
    电子设备系统多学科优化模型,确定的具体过程为:
    步骤41:根据可穿戴电子设备的设计需求和指标要求,选择多学科子系统中的指标作
    为系统层级的优化目标;
    步骤42:根据步骤32所得可穿戴电子设备的设计空间结果,结合系统级指标要求,确定
    系统级多学科优化的边界条件;
    步骤43:基于学科分解后非关联量并行求解,关联量耦合协同寻优的思想和序列二次
    规划、遗传算法和博弈论等优化算法,对构建好的优化模型计算寻优,获得可穿戴电子设备
    系统级多目标Pareto优化解集;
    步骤44:考虑可穿戴电子设备使用中的“人-机-环境”特性,权衡多目标权重,结合步骤
    43的结果,选择满意解,如果不满足设计要求,则重新修改和调整优化模型,重复步骤43和
    步骤44;如果满足设计要求,则确定了可穿戴电子设备的最优设计方案(最优设计参数组);
    步骤5:结束。
    2.根据权利要求1所述的一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法,其特征在
    于,构建了模型质量参数ModelV,以定量评估所述步骤34的多种方法建立起的响应面模型
    验证与可信性评估结果,具体表达为:

    式中:i表示第i种响应面建模方法;w1和w2分别表示拟和优度检验和模型显著性检验的
    权重,且w1+w2=1;表示第i种响应面建模方法获得的拟合优度检验决定系数R2;Fi表示第
    i种响应面建模方法获得的模型显著性检验F统计量;
    ModelV值越大,说明该种方法建立起的响应面对该种可穿戴电子设备多学科模型越准
    确,模型质量参数最大值为ModelV-max,具体表达为:

    步骤4中可穿戴电子设备多学科优化模型基于ModelV-max值最大的响应面模型而建立。
    3.根据权利要求1所述的一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法,其特征在
    于,所述步骤4对可穿戴电子设备最优设计参数组的确定上,不单纯依赖各种优化算法自动
    求解的Pareto优化解集,通过增加新设备系统特性分析和“人-机-环境”的评估,权衡系统
    多目标权重,实现优化的多学科协调和综合权衡,减少新产品开发中因漏掉重要因素对设
    备和产品性能偏离的影响。

    说明书

    一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法

    技术领域

    本发明涉及一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法,特别涉及一种可穿
    戴电子设备在概念方案设计和技术设计阶段进行多学科设计优化的方法。

    背景技术

    可穿戴电子设备已由医疗救生设备演变为时尚及日常消费产品,这些产品的市场
    需求量十分巨大,设计开发要求日趋苛刻,未来市场竞争激烈。新柔性电子材料的发现,为
    小型轻量化可穿戴电子设备的研发提供了新的尝试和设计思路。这种从材料到设备应用环
    境都与传统机电产品开发相比,发生深刻变化的现实导致了可穿戴电子设备系统开发是一
    种复杂多学科交互的综合设计,多学科设计优化(Multidisciplinary Design
    Optimization,MDO)是解决此类问题的有效方法。目前,可穿戴电子设备多学科设计优化方
    面存在对新型柔性电子材料力学和电性能数据掌握不足,设计、分析与组织开发各种可穿
    戴电子产品的方法落后等问题。随着人们对小型化轻量化和人-机-环境和谐共处的要求进
    一步提高,可穿戴电子设备概念方案设计和技术设计阶段,应掌握柔性电子材料力学本构
    和电性能关系数据,全面评估轻量化、能耗、舒适性、安全性等性能要求,对可穿戴电子设备
    进行多学科设计优化,从而满足可穿戴电子设备高精度性能、低成本的应用需求。

    发明内容:

    本发明的目的是针对可穿戴电子设备目前缺乏高效率设计开发方法,提出了一种
    可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法。

    为了实现上述目的,本方面的技术方案是:一种可穿戴电子设备系统多学科设计
    优化的方法,包括如下步骤:

    步骤1:基于系统分解思想对可穿戴电子设备进行学科系统分解,确定出可穿戴电
    子设备设计中各个学科子系统的关注目标,分为:小型轻量化子学科、电磁兼容子学科、能
    量消耗子学科和耐久性等子学科;其中,小型轻量化子学科关注尺度小型化和结构轻量化
    两个目标;电磁兼容子学科关注可穿戴电子设备本身电磁兼容、人-设备-系统耦合电磁兼
    容两部分目标;耐久性子学科关注柔性基底寿命和传感结构寿命;

    步骤2:可穿戴柔性材料力学本构与电性能试验。以高性能试验机和电荷探测器,
    采用试验设计方法(Design of Experiments,DOE),探索高分子或有机新型柔性电子材料
    在拉伸、压缩、弯曲、扭转及综合作用下的力学性能、电性能及交互变化,分析力学性能和电
    性能的交互影响,获得高精度力学性能和电学性能基础数据。

    步骤3:可穿戴电子设备系统多学科建模。以步骤2获得的材料数据,根据可穿戴电
    子设备的设计需求和小型化、轻量化、电磁兼容和耐久性等指标要求,确定可穿戴电子设备
    结构设计变量和水平数,确定的具体过程为:

    步骤31:在可穿戴电子设备的设计空间可行域内,确定生成设计方案组(设计变量
    组),对确定好的设计变量因子数和水平,按多因素变量分析制定可穿戴电子设备虚拟试验
    方案;

    步骤32:根据步骤31制定的试验方案,对步骤1分解出来的各个子系统进行分析和
    优化,以获得建立系统层面向概念设计的多学科设计优化的设计空间。

    步骤33:由于新设备和产品对系统结构特性缺乏深入了解,采用多种线性和非线
    性回归方法,基于基本及改进的径向基函数、支持向量机和Kriging等方法,构建各个子系
    统的多种响应面模型;

    步骤34:响应面代理模型验证与可信性评估。以模型显著性检验F统计量和拟合优
    度检验决定系数R2为基础构建模型质量参数ModelV,对步骤33的各方法建立的响应面模型
    进行检验,从步骤33结果中选取精度满足要求且指标最好的响应面模型;

    步骤4:可穿戴电子设备系统多学科优化。以步骤3获得的多学科建模结果,构建可
    穿戴电子设备系统多学科优化模型,确定的具体过程为:

    步骤41:根据可穿戴电子设备的设计需求和指标要求,选择多学科子系统中的指
    标作为系统层级的优化目标;

    步骤42:根据步骤32所得可穿戴电子设备的设计空间结果,结合系统级指标要求,
    确定系统级多学科优化的边界条件;

    步骤43:基于学科分解后非关联量并行求解,关联量耦合协同寻优的思想和序列
    二次规划、遗传算法和博弈论等优化算法,对构建好的优化模型计算寻优,获得可穿戴电子
    设备系统级多目标Pareto优化解集;

    步骤44:考虑可穿戴电子设备使用中的“人-机-环境”特性,权衡多目标权重,结合
    步骤43的结果,选择满意解。如果不满足设计要求,则重新修改和调整优化模型,重复步骤
    43和步骤44;如果满足设计要求,则确定了可穿戴电子设备的最优设计方案(最优设计参数
    组);

    步骤5:结束。

    本发明用于可穿戴电子设备的概念方案设计和技术设计阶段。该方法包括柔性电
    子材料试验获得材料力学本构和电性能关系,在此基础上完成可穿戴电子设备系统多学科
    建模和优化设计?;谙低撤纸夂褪匝樯杓平锌纱┐鞯缱由璞傅牡绱偶嫒?、能耗和耐久
    寿命等学科的仿真分析和优化,建立起可信的可穿戴设备响应面模型?;诙嘌Э岂詈闲?br />同优化思想,构建可穿戴电子设备系统多学科目标优化模型,进行模型特性分析,综合考虑
    分配权重影响和Pareto寻优的结果,获得综合满意解。本发明解决了可穿戴电子设备结构
    小型化、轻量化、能耗、舒适性、电磁兼容性和安全性等性能的多目标多学科设计优化问题,
    用于指导并有效实现可穿戴电子设备及产品的高效开发和改善设计。

    本发明的有益效果在于:开发了一种新的可穿戴电子设备系统设计方法,在产品
    开发系统概念方案设计和技术设计阶段,从柔性电子材料力学本构和电性能关系出发,考
    虑可穿戴设备小型化轻量化、电磁兼容、能耗、舒适性、安全等性能要求,完成多学科建模,
    提出了模型质量参数ModelV检验响应面模型质量。实现非关联量并行计算,关联量耦合协
    同的设计优化求解过程,提高了计算效率;基于系统特性分析,综合考虑分配权重影响和
    Pareto寻优的结果,获得综合满意解。多学科设计优化降低减少设计周期,提高产品性能,
    降低成本。

    附图说明:

    图1为本发明的可穿戴电子设备多学科系统分解图;

    图2为本发明的可穿戴电子设备系统多学科设计优化流程图。

    具体实施方式:

    现结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

    如图1、图2所示,本发明提供了一种可穿戴电子设备系统多学科设计优化的方法,
    该方法包括如下步骤:

    步骤1:基于系统分解思想对可穿戴电子设备进行学科系统分解,确定出可穿戴电
    子设备设计中各个学科子系统的关注目标,分为:小型轻量化子学科、电磁兼容子学科、能
    量消耗子学科和耐久性等子学科;其中,小型轻量化子学科关注尺度小型化和结构轻量化
    两个目标;电磁兼容子学科关注可穿戴电子设备本身电磁兼容、人-设备-系统耦合电磁兼
    容两部分目标;耐久性子学科关注柔性基底寿命和传感结构寿命;

    步骤2:可穿戴柔性材料力学本构与电性能试验。以高性能试验机和电荷探测器,
    采用试验设计方法中的方差分析法ANOVA,探索新型有机柔性电子材料在拉伸、压缩、弯曲、
    扭转及综合作用下的力学性能、电性能及交互变化,分析得到力学性能和电性能的交互影
    响,获得可穿戴设备柔性电子基底高精度力学性能和电学性能基础数据。

    步骤3:可穿戴电子设备系统多学科建模。以步骤2获得的材料数据,根据可穿戴电
    子设备的设计需求和小型化、轻量化、电磁兼容和耐久性等指标要求,确定可穿戴电子设备
    结构设计变量和水平数,确定的具体过程为:

    步骤31:在可穿戴电子设备的设计空间可行域内,确定生成设计方案组(设计变量
    组),对确定好的设计变量因子数和水平,按多因素变量分析制定可穿戴电子设备虚拟试验
    方案;

    步骤32:根据步骤31制定的试验方案,对步骤1分解出来的各个子系统进行分析和
    优化,以获得建立系统层面向概念设计的多学科设计优化的设计空间。

    步骤33:由于新设备和产品对系统结构特性缺乏深入了解,采用多种线性和非线
    性回归方法,基于基本及改进的径向基函数、支持向量机和Kriging等方法,构建各个子系
    统的多种响应面模型;

    步骤34:响应面代理模型验证与可信性评估。以模型显著性检验F统计量和拟合优
    度检验决定系数R2为基础构建模型质量参数ModelV,对步骤33的各方法建立的响应面模型
    进行检验,从步骤33结果中选取精度满足要求且指标最好的响应面模型;

    步骤4:可穿戴电子设备系统多学科优化。以步骤3获得的多学科建模结果,构建可
    穿戴电子设备系统多学科优化模型,确定的具体过程为:

    步骤41:根据可穿戴电子设备的设计需求和指标要求,选择多学科子系统中的指
    标作为系统层级的优化目标;

    步骤42:根据步骤32所得可穿戴电子设备的设计空间结果,结合系统级指标要求,
    确定系统级多学科优化的边界条件;

    步骤43:基于学科分解后非关联量并行求解,关联量耦合协同寻优的思想和序列
    二次规划、遗传算法和博弈论等优化算法,对构建好的优化模型计算寻优,获得可穿戴电子
    设备系统级多目标Pareto优化解集;

    步骤44:考虑可穿戴电子设备使用中的“人-机-环境”特性,权衡多目标权重,结合
    步骤43的结果,选择满意解。如果不满足设计要求,则重新修改和调整优化模型,重复步骤
    43和步骤44;如果满足设计要求,则确定了可穿戴电子设备的最优设计方案(最优设计参数
    组);

    步骤5:结束。

    以试验设计方法进行柔性电子基底材料试验时,考虑拉伸、压缩、扭转、弯曲和组
    合效应下的力学机械性能和电导率、介电系数等电学性能特性,对可穿戴电子设备系统仿
    真,为设备系统有限元(FEM)、时域有限差分法(FDTD)元仿真分析和优化设计(OPT)提供基
    础。

    在构建可穿戴电子设备的学科子系统后,分别进行小型轻量化子学科、电磁兼容
    子学科、能量消耗子学科和耐久性等子学科的优化计算求解,得到的子系统最优解对应的
    设计变量在可行域内作为系统级优化的初值。

    采用基本及改进的径向基函数、支持向量机和Kriging等方法,构建各个子系统的
    多种响应面模型Modeli,其中i=1,2,…,n,定义模型质量参数ModelV为:


    式中:i表示第i种响应面建模方法;w1和w2分别表示拟和优度检验和模型显著性检
    验的权重,且w1+w2=1;表示第i种响应面建模方法获得的拟合优度检验决定系数R2;Fi表
    示第i种响应面建模方法获得的模型显著性检验F统计量。

    ModelV值越大,说明该种方法建立起的响应面对该种可穿戴电子设备多学科模型
    越准确,模型质量参数最大值为ModelV-max,具体表达为:


    步骤4中可穿戴电子设备多学科优化模型基于ModelV-max值最大的响应面模型而建
    立。

    对可穿戴电子设备系统进行多学科优化设计,其优化模型为:


    式中:xi为可穿戴电子设备设计变量;xiL和xiU为设计变量上下区间极限值;f(x)为
    目标函数;n为目标个数;gi(x)为不等式约束,hi(x)为等式约束;fi(x)为子学科优化目标,
    实施例中可分别代表可穿戴电子设备的长宽高乘机、设备质量、设备电磁兼容辐射敏感度、
    人-机-环境电磁兼容辐射敏感度、设备柔性基底寿命、设备传感结构寿命等指标响应值。

    本发明提出基于多学科耦合协同优化思想,构建可穿戴电子设备系统多学科目标
    优化模型,实现非关联量并行计算,关联量耦合协同的设计优化求解过程,该过程提高了计
    算效率。由于序列二次规划、遗传算法、博弈论和协同优化等优化算法为现有技术,因此不
    再详细描述。

    考虑到新材料及新设备设计可能在试验阶段漏掉某些因素,从而影响试验建模的
    可能,本发明提出进行模型特性分析,综合考虑分配权重影响和Pareto寻优的结果,评估系
    统级优化结果的方法,获得综合满意解。为在新产品开发中能实际使用本发明提高设计效
    率和改进设计,做出尝试。这种多学科设计优化方法降低了可穿戴电子设备开发设计周期,
    提高产品性能,降低产品成本。

    本发明可解决可穿戴电子设备结构小型化、轻量化、能耗、舒适性、电磁兼容性和
    安全性等性能的多目标多学科设计优化问题,用于指导并有效实现可穿戴电子设备及产品
    的高效开发和改善设计。

    以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和
    原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的?;し段?。

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