計算機優化設計方法研究應用

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摘要：以保證產品質量和追求產品利潤為目標的優化設計方法已經在當今的產品開發和設計領域有了廣泛的應用，文中就當今優化設計方法進行了概述，并結合實例就優化設計方法在產品開發過程中的應用進行了詳細介紹。

關鍵詞：流體分析；參數化；優化設計；ANSYSWORBENCH

引言

隨著計算機科學的高速發展，當今諸多機械設計方法已經從傳統的經驗設計步入了計算機輔助設計的快速設計階段，由于設計軟件將各種抽象繁瑣的設計理論集成到軟件之中，并且以直觀易用的界面展示，使得原本需要具備相當豐富的專業知識才得以應用的設計方法在借助軟件的條件下也變得能輕松上手，快速應用。產品質量關乎企業的生存和發展，如何在過硬的產品質量前提下尋求產品的最佳利潤是當今企業都在關注的問題，也使得優化設計方法在產品開發和設計中越來越受重視。現ANSYSWORBENCH已經為優化設計提供了一個幾乎完美的方案，可以高度自動化地實現優化設計。文中將結合實際應用介紹如何借助ANSYSWORBENCH進行優化設計的全過程。

1優化設計方法介紹

在保證產品質量即使產品某些性能達到目標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計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化設計方法。例如，在保證零件強度滿足要求的前提下，通過改變某些設計變量，使其重量最輕結構最合理，這不但使得耗材上得到了節省，也降低了運輸成本。再如改變各散熱電器設備的安裝位置，使設備艙內溫度峰值降到最低，也是一個典型的優化方法應用實例。優化作為一種數學方法，通常是利用對解析函數求極值的方法來達到尋求最優值的目的。基于數值分析技術的CAE方法，顯然不可能對我們的目標得到一個解析函數，CAE計算所求得的結果只是一個數值。然而，樣條插值技術又使CAE中的優化成為可能，多個數值點可以利用插值技術形成一條連續的可用函數表達的曲線或曲面，如此便回到了數學意義上的極值優化技術上來。樣條插值方法當然是種近似方法，通常不可能得到目標函數的準確曲面，但利用上次計算的結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，當它們的距離小到一定程度時，可以認為此時的曲面可以代表目標曲面。那么，該曲面的最小值，便可以認為是目標最優值。以上就是CAE方法中的優化處理過程。

2ANSYSWORBENCH優化過程

在ANSYSWORBENCH中，一個典型的優化過程通常需要經過以下的步驟來完成（見圖1）。

3一個簡單的優化實例

結合冷卻系統風道設計過程詳細講述如何使用ANSYSWorkbench在DesignExplorer環境下進行優化設計的過程。動車組牽引系統冷卻方案是采用一臺風機同時為一個轉向架上的兩臺電機冷卻，兩臺電機如何能得到均衡的風量是風道設計的難點，解決此問題的方法是在風道中設置導流板控制兩支路的風量，導流板的位置設置以往是根據設計師的設計經驗并逐步嘗試后得到，由于反復修改模型和計算需要耗費大量時間，使得風道設計成為一項枯燥的工作，現今的計算機優化設計方法使得這一工作變得簡單，圖2所示是冷卻系統風道去除安裝座后的簡化結構。要對風道的分流比進行計算需要用到風道的流體模型，使用ANSYSWORBENCH中的基礎建模模塊中抽取的流體計算模型。使用ANSYSWORBENCH分析系統中的FluidFlow（FLUENT）進行計算分析，將流體計算模型導入計算系統后首先設置需要優化的變量，本例將風道導流板與坐標系之間的角度定義為可變參數，目標便是尋求一合適大小的角度以滿足分流比等于1的要求。設置好角度變量后，進入網格劃分模塊，采用系統默認的AutomaticMethod對流體計算模型進行網格劃分。啟動FLUENT對計算進行設置，如果計算機是多核的，建議采用平行計算模式，這樣會加快計算。進入FLUENT設置計算模型、邊界條件、初始化等，設置完成后保存，回到交互界面進行計算，計算完成后，在后處理模塊設置目標變量，如圖3所示。設置完成后進行計算，如果計算分割點較多，計算可能要花費較多的時間，不過計算過程是全自動的，只要設置準確，全過程無需設計人員參與。計算完成后，每一個設計位置都會給出相應結果，也可以導出使用EXCEL進行查看和處理，本例導出后的數據如表2所示。各設計位置也給出了非常直觀的顯示方法，如圖4所示，這種顯示方法對于觀察非常龐大的設計位置的計算結果很有用，通過觀察結果分布可以很容易觀察到有無需要的結果包含在里面，以此來判斷可變參數的計算范圍選取的是否恰當。圖5所示是各設計位置解在目標上的分布，從圖中可以很直觀的看到，有兩個解處于0.95～1.05范圍內。由于設計位置可以連續變化，有理由相信，在這兩個解之間的某個位置就有使得分流比等于1的設計位置。使用目標驅動優化模塊，對各實驗設計位置進行計算后，設置目標變量的優化目標等于1，進而進行計算以得出所需目標所對應的變量值。為了確保優化結果的準確性，將優化后的設計位置代入原模型進行計算。經計算得到分流比為0.998，滿足設計要求。圖6所示是優化后的風道流場。在風道進行詳細設計時為確保風道的強度足夠和支路內流場平順，在風道兩支路內部需要設置足夠數量的導流板，由于內部導流板對兩支路流量分配不會造成影響，所以在做優化設計時沒有進行考慮。

4結論

文中所舉的風道設計只是一個在ANSYSWORBENCH平臺下的簡單應用，還有很多優化功能沒有體現出來，相信隨著軟件的不斷普及和應用的深化，會給設計和研發企業帶來越來越高的利潤。

參考文獻：

[1]Q/SF71-017-2010，高速動車組牽引電機冷卻系統主風道設計與試驗準則[S].2010.

[2]陳杰.運用ANSYS_Workbench快速優化設計.2009.

[3]許京荊.ANSYS12.0軟件培訓.2010.

作者：高樂樂 李慧 單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司