運(yùn)用ANSYSWorkbench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(gè)字號(hào):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(gè) 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(dòng)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 Workbench1前言ANSYS系列軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲于一體

2、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)。ANSYSWorkbench 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(gè)CAE協(xié)同平臺(tái)，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(jià)值?，F(xiàn)今，對(duì)于一個(gè)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DesignX

3、plorer/VT 模塊為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)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(dòng)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)

4、省，在運(yùn)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)備箱體部溫度峰值降到最低，是一個(gè)典型的自然對(duì)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(duì)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(duì)我們的目標(biāo)得到一個(gè)解析函數(shù)，CAE計(jì)算所求得的結(jié)果只是一個(gè)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(gè)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

5、，但利用上次計(jì)算的結(jié)果再次插值得到一個(gè)新的曲面，相鄰兩次得到的曲面的距離會(huì)越來越近，當(dāng)它們的距離小到一定程度時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)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(gè)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(duì)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(píng) 價(jià)。4、優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)：優(yōu)化處理器根據(jù)本次循環(huán)提供

6、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CAD7-燈1,；田間把傳逢汁汁變蠹圖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(tái)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DesignXplorer/VT 完成。3.1 目前ANSYS

7、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(gè)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(gè)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(shí)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)化實(shí)際工程需要多個(gè)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(gè)部件，重

8、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(hào)決定，各型號(hào)尺寸不連續(xù)；?設(shè)計(jì)變量集合化：如型鋼按照型號(hào)選用，無連續(xù)性可言。型號(hào)一旦確定，所有的細(xì)部 尺寸完全確定。相同的實(shí)例還有材料牌號(hào)。3.3 結(jié)果顯不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

9、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(duì)離散變量 有特殊的顯式方式。?便覽曲線（Handbook Curves ）:當(dāng)某一個(gè)設(shè)計(jì)變量取不同的值時(shí)，另一個(gè)設(shè)計(jì)變 量在其整個(gè)變化圍對(duì)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(gè)優(yōu)化的候選設(shè)計(jì)，星號(hào)”的數(shù)量指示了目標(biāo)達(dá)成的程度。同時(shí)，結(jié)果可以以動(dòng)畫、云圖等形式輸出。?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(gè)設(shè) 計(jì)變量在其整個(gè)變化圍對(duì)設(shè)計(jì)變量的影響程度。?蛛狀圖：即時(shí)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

10、比較多個(gè) 結(jié)果參數(shù)。4 一個(gè)簡單的優(yōu)化實(shí)例對(duì)于很多新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)在初始條件下，對(duì)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(duì)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(gè)簡單的水下空腔，空腔要求在水下壓力5.4e+007 Pa至6.6e+007 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(shí)變形量最小，設(shè)計(jì)變量為圖2所示4個(gè)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

11、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。Word文檔圖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 Pa6.6e+007 Pa6.e+007 PaSurface LoadP2DS_L31.8 mm2.2 mm2 mmLengthP3DS_L1115.5 mm124.5 mm120 mmLengthP4DS_L24.6406 mm5.3594 mm5 mmLengthP5DS_D135 mm165 mm150 mmRadiusBetels of TK-Cill P立:at arcp 口5 JP DS_L1叵嘰1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變量名稱RatingDS_LS1. S02 3IMDS.L1115. 55 imDS_L34. 6442 ocIfi盤6, 3001 電用大我