運(yùn)用ANSYS Workbench快速優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、運(yùn)用ANSYS Workbench快速優(yōu)化設(shè)計(jì) 編輯條目12.1560次1人1個字 號:大 中 小 我來說兩句 (0) 摘 要：從易用性和高效性來說AWE下的DesignXplorer/VT模塊為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個幾乎完美的方案，CAD模型需改進(jìn)的設(shè)計(jì)變量可以傳遞到AWE環(huán)境下，并且在DesignXplorer/VT下設(shè)定好約束條件及設(shè)計(jì)目標(biāo)后，可以高度自動化的實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)并返回相關(guān)圖表。本文將結(jié)合實(shí)際應(yīng)用介紹如何使用Pro/E和ANSYS軟件在AWE環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。 關(guān)鍵詞：有限元分析、集成、ANSYS Workbench 1 前言 ANSYS系列軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電

2、磁、聲于一體的大型通用多物理場有限元分析軟件，在我國廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車、土木工程、機(jī)械制造等行業(yè)。ANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS公司開發(fā)的新一代前后處理環(huán)境，并且定為于一個CAE協(xié)同平臺，該環(huán)境提供了與CAD軟件及設(shè)計(jì)流程高度的集成性，并且新版本增加了ANSYS很多軟件模塊并實(shí)現(xiàn)了很多常用功能，使產(chǎn)品開發(fā)中能快速應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行分析，從而減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品附加價值。 現(xiàn)今，對于一個制造商，產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)乎聲譽(yù)、產(chǎn)品利潤關(guān)乎發(fā)展，所以優(yōu)化設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)中越來越受重視，并且方法手段也越來越多。從易用性和高效性來說AWE下的Design

3、Xplorer/VT模塊為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個幾乎完美的方案，CAD模型需改進(jìn)的設(shè)計(jì)變量可以傳遞到AWE環(huán)境下，并且在DesignXplorer/VT下設(shè)定好約束條件及設(shè)計(jì)目標(biāo)后，可以高度自動化的實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)并返回相關(guān)圖表，本文將結(jié)合實(shí)際應(yīng)用介紹如何使用Pro/E和ANSYS軟件在AWE環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。 2 優(yōu)化方法與CAE 在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)并滿足一定約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設(shè)計(jì)變量，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能達(dá)到最期望的目標(biāo)，就是優(yōu)化方法。例如，在保證結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度滿足要求的前提下，通過改變某些設(shè)計(jì)變量，使結(jié)構(gòu)的重量最輕最合理，這不但使得結(jié)構(gòu)耗材上得到了節(jié)省，在運(yùn)

4、輸安裝方面也提供了方便，降低運(yùn)輸成本。再如改變電器設(shè)備各發(fā)熱部件的安裝位置，使設(shè)備箱體內(nèi)部溫度峰值降到最低，是一個典型的自然對流散熱問題的優(yōu)化實(shí)例。在實(shí)際設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，類似這樣的實(shí)例不勝枚舉。 優(yōu)化作為一種數(shù)學(xué)方法，通常是利用對解析函數(shù)求極值的方法來達(dá)到尋求最優(yōu)值的目的?；跀?shù)值分析技術(shù)的CAE方法，顯然不可能對我們的目標(biāo)得到一個解析函數(shù)，CAE計(jì)算所求得的結(jié)果只是一個數(shù)值。然而，樣條插值技術(shù)又使CAE中的優(yōu)化成為可能，多個數(shù)值點(diǎn)可以利用插值技術(shù)形成一條連續(xù)的可用函數(shù)表達(dá)的曲線或曲面，如此便回到了數(shù)學(xué)意義上的極值優(yōu)化技術(shù)上來。樣條插值方法當(dāng)然是種近似方法，通常不可能得到目標(biāo)函數(shù)的準(zhǔn)確曲面，但利

5、用上次計(jì)算的結(jié)果再次插值得到一個新的曲面，相鄰兩次得到的曲面的距離會越來越近，當(dāng)它們的距離小到一定程度時，可以認(rèn)為此時的曲面可以代表目標(biāo)曲面。那么，該曲面的最小值，便可以認(rèn)為是目標(biāo)最優(yōu)值。以上就是CAE方法中的優(yōu)化處理過程。一個典型的CAD與CAE聯(lián)合優(yōu)化過程通常需要經(jīng)過以下的步驟來完成： 1、參數(shù)化建模：利用CAD軟件的參數(shù)化建模功能把將要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)（設(shè)計(jì)變量）定義為模型參數(shù)，為以后軟件修正模型提供可能。 2、CAE求解：對參數(shù)化CAD模型進(jìn)行加載與求解 3、后處理：約束條件和目標(biāo)函數(shù)（優(yōu)化目標(biāo)）提取出來供優(yōu)化處理器進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)評價。 4、優(yōu)化參數(shù)

6、評價：優(yōu)化處理器根據(jù)本次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)（設(shè)計(jì)變量、約束條件、狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù)）與上次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)作比較之后確定該次循環(huán)目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到了最小，或者說結(jié)構(gòu)是否達(dá)到了最優(yōu)，如果最優(yōu)，完成迭代，退出優(yōu)化循環(huán)圈，否則，進(jìn)行下步。 5、根據(jù)已完成的優(yōu)化循環(huán)和當(dāng)前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設(shè)計(jì)變量，重新投入循環(huán)。 下圖是AWE環(huán)境下數(shù)值優(yōu)化的過程框圖圖1 AWE環(huán)境下數(shù)值優(yōu)化的過程框圖3 AWE環(huán)境下優(yōu)化的特點(diǎn) DesignXplorer/VT是基于WorkBench平臺的設(shè)計(jì)變量研究及多目標(biāo)優(yōu)化工具，優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要數(shù)據(jù)處理工作由DesignXplor

7、er/VT完成。 3.1 目前ANSYS的多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)包括：DOE方法和VT技術(shù)。 A） DOE方法 DOE：Design Of Experiments，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)輸入?yún)?shù)的數(shù)目，利用蒙特卡羅抽樣技術(shù)，采集設(shè)計(jì)參數(shù)樣點(diǎn)，計(jì)算每個樣點(diǎn)的響應(yīng)結(jié)果，利用二次插值函數(shù)構(gòu)造設(shè)計(jì)空間的響應(yīng)面或設(shè)計(jì)曲線。 B）VT技術(shù) VT技術(shù)：完全基于單個單元解，采用泰勒展開以及網(wǎng)格變形技術(shù)得到響應(yīng)面，因此，計(jì)算時間大大減少。 3.2 DesignXplorer/VT實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化方式 A）多目標(biāo)優(yōu)化

8、 實(shí)際工程需要多個優(yōu)化目標(biāo)，工程中需要產(chǎn)品的總體性能較好，而不是某一項(xiàng)指標(biāo)最好。產(chǎn)品多項(xiàng)指標(biāo)皆趨向于最好，而不能某項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最好而無視其它需要。比如一個部件，重量要輕，強(qiáng)度又要高，加固螺栓要少，我們需要這三項(xiàng)優(yōu)化指標(biāo)的折衷與平衡。比如我們只關(guān)心螺栓數(shù)X最少，但變形尺寸D不大于允許值，重量G不大于一定值，在DesignXplorer/VT中我們可以定義好設(shè)計(jì)變量X，設(shè)計(jì)目標(biāo)即是變形尺寸D、重量G的要求。 B）離散變量 離散設(shè)計(jì)變量：如孔的直徑由鉆頭的型號決定，各型號尺寸不連續(xù)； 設(shè)計(jì)變量集合化：如型鋼按照型號選用，無連續(xù)性可言。型號一旦確定，所有的細(xì)部尺寸完全確定。相同的實(shí)例

9、還有材料牌號。 3.3 結(jié)果顯示 DesignXplore提供了包括設(shè)計(jì)空間圖、便覽曲線、多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果、靈敏度以及蛛狀圖在內(nèi)的多種結(jié)果顯示。這些結(jié)果從不同角度反映了設(shè)計(jì)變量與產(chǎn)品性能的關(guān)系,為充分了解設(shè)計(jì)提供了有效手段 。 設(shè)計(jì)空間圖：設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，形成響應(yīng)面或設(shè)計(jì)曲線，對離散變量有特殊的顯式方式。 便覽曲線（Handbook Curves） ：當(dāng)某一個設(shè)計(jì)變量取不同的值時，另一個設(shè)計(jì)變量在其整個變化范圍內(nèi)對設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響，該曲線反應(yīng)設(shè)計(jì)變量之間的“相關(guān)性”。 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果：給出三個優(yōu)化的候選設(shè)計(jì)，“星號”的數(shù)量指示了目標(biāo)達(dá)成的程度。 同時，結(jié)果可以以動畫、云圖等形式輸出。

10、 靈敏度：正則化的靈敏度圖表，以直方圖、餅圖、靈敏度曲線等方式直觀顯示每個設(shè)計(jì)變量在其整個變化范圍內(nèi)對設(shè)計(jì)變量的影響程度。 蛛狀圖：即時反映所有的設(shè)計(jì)變量在其當(dāng)前值的響應(yīng)，可以容易地、形象地比較多個結(jié)果參數(shù)。 4 一個簡單的優(yōu)化實(shí)例 對于很多新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)在初始條件下，對于尺寸沒有很多設(shè)計(jì)依據(jù)，為了達(dá)到一些技術(shù)要求不得不在對很多參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析和計(jì)算，而在AWE環(huán)境下，我們可以很輕松快速的把參數(shù)化的CAD模型導(dǎo)入到CAE環(huán)境下進(jìn)行分析，從而由分析結(jié)果得到優(yōu)化后的尺寸方案。下圖是一個簡單的水下空腔，空腔要求在水下壓力5.4e+007 Pa至6.6e+007&

11、#160;Pa環(huán)境下工作，設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了使其達(dá)到質(zhì)量最輕同時變形量最小，設(shè)計(jì)變量為圖2所示4個尺寸參數(shù)。首先我們按照表1定義好CAD模型變量，并按初始大小在Pro/E下建模（見圖3），然后再在AWE環(huán)境下點(diǎn)選所需的輸入?yún)?shù)（圖4）。劃分網(wǎng)格、設(shè)置約束條件和求解結(jié)果后，到DesignXplorer/VT環(huán)境下設(shè)置連續(xù)的輸入變量，按默認(rèn)10%變化。圖2 水下空腔尺寸圖3 Pro/E下的CAD模型圖4 網(wǎng)格劃分圖5 計(jì)算結(jié)果 表1 參數(shù)定義 ID 名稱 最小值 最大值 初始值 類型 P1 壓力 5.4e+007 Pa 6.6e+007 Pa 6.e+

12、007 Pa Surface Load P2 DS_L3 1.8 mm 2.2 mm 2 mm Length P3 DS_L1 115.5 mm 124.5 mm 120 mm Length P4 DS_L2 4.6406 mm 5.3594 mm 5 mm Length P5 DS_D 135 mm 165 mm 150 mm Radius圖6 AWE下得到CAD模型參數(shù) 變量設(shè)置完畢，再運(yùn)行Ansys Solusion后，可以開始定義設(shè)計(jì)目標(biāo)，如下表所示：表2 設(shè)計(jì)目標(biāo)定義參數(shù) 目標(biāo)要求 零件質(zhì)量 小于6.5kg 最大變形量 越小越好最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果比較得到最優(yōu)方案為表3表3 最