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    CAE 优化 / Optimization

    最轻的重量、最佳的耐久性、最小的振动与噪音、最小的变形、最小的风阻

    随着科学技术的不断发展,产品研发在其生命周期中的地位越来越重要,不同的研发流程,对产品的开发周期及成本影响非常重要。

    下图描绘了不同研发流程对设计周期与成本的影响,横坐标代表的是设计周期,纵坐标代表了研发成本。其中红色曲线代表的是传统产品的研发流程:设计-制造样机-试验,根据试验结果调整设计方案,然后重新制造样机试验,在这个过程中,通过试 验来指导设计的修改,制造样机与实验;工程上,为了加快产品的设计周期,将有限元分 析技术大量的运用到产品的研发之中,设计完成的模型,在制造样机的同时,先根据产品 的受力状况进行有限元分析,然后根据分析的结果调整设计参数,再进行有限元计算,经 过多次计算分析并调整设计后,进行样机制造和测试,最后得到适合的设计模型,如图中 绿色曲线所示;但是前面的分析和方案调整也是人工进行干预的,与设计人员的设计经验 有很大关系,为了能够实现自动的产品设计优化,我们推荐大家在设计和分析的同时,引 进TOSCA、ISIGHT等软件进行优化,根据定义的目标函数和约束条件,自动完成模型方案的 优化,显著降低了研发成本并缩短了设计周期,如图中蓝色曲线所示。

    CAE优化解决方案

    1. 经典拓扑优化

    经典拓扑优化广泛应用于结构设计过程中,能够快速、高效的由设计空间得到初始设计方案。常见优化流程中所用到的软件工具包括:三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---TOSCA等优化平台---ABAQUS等有限元求解软件,各个环节紧密联系,实现自动驱动和控制,能够快速得到优化结果。

    下图是一个典型的零部件结构拓扑优化流程:

    1.  从CAD软件(Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等)中导入CAD模型 

    2.  利用ANSA等前后处理工具进行有限元分析前处理

            a) 几何清理,网格划分

            b) 材料设置,装配连接,设置分析步骤

            c) 设置边界条件及载荷

            d) 模型检查及输出输入文件

    3.  设置TOSCA优化前处理

            a) 设置优化算法,设计区域及响应变量

            b) 设置优化目标,约束

            c) 设置停止条件,优化设置,smooth参数

    4.  选择有限元求解器(ABAQUS,NASTRAN,ANSYS,MARC…),提交计算,优化软件自动调用有限元求解器,并自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算,并判断是否收敛或者达到停止条件,如果没有达到,继续下个循环的计算,如果满足,结束优化计算

    5.  TOSCA.Smooth和TOSCA.Post平滑网格并查看优化结果

    6.  输出验证模型到求解器中再次验证计算

    7.  输出CAD支持的IGS、STEP等文件到CAD软件中参考设计

    优化案例

    汽车摆臂的拓扑优化
    一个典型的拓扑优化案例,红色区域是加载和约束位置;绿色区域是可优化区域。左上红色位置施加固定约束;左下红色区域轴心受到...【点击详情】

    2. 疲劳非线性拓扑优化

    疲劳非线性拓扑优化相比较与经典的拓扑优化而言还需要进一步计算疲劳寿命(损伤),相当于在经典的拓扑优化中增加一个疲劳计算的环节。所用到的软件工具包括:三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---TOSCA等优化平台---ABAQUS等有限元求解软件---FE/SAFE等疲劳计算工具,各个环节紧密联系,实现自动驱动和控制,能够快速得到优化结果。
    下图是一个疲劳非线性拓扑优化流程
    1. 从CAD软件(Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等)中导入CAD模型
    2. 利用ANSA等前处理工具进行有限元分析前处理
      a)    几何清理,抽取中面,网格划分
      b)    材料设置,装配连接,设置分析步骤
      c)    设置边界条件及载荷
      d)    模型检查及输出输入文件
      e)    根据初步计算的结果,在疲劳软件中进行疲劳前处理设置
    3. 设置TOSCA优化前处理
      a)    设置优化算法,设计区域及响应变量
      b)    设置优化目标,约束
      c)    设置停止条件,优化设置,smooth参数
    4. 选择有限元求解器(ABAQUS,NASTRAN,ANSYS,MARC…),提交优化计算,优化软件自动调用有限元求解器
    5. 自动调用疲劳求解器计算疲劳破坏
    6. 自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算,并判断是否收敛或者达到停止条件,如果没有达到,返回4步骤进行有限元求解的下个循环计算,如果满足, 结束优化计算
    7. TOSCA.Smooth和TOSCA.Post平滑网格并查看优化结果
    8. 输出验证模型到求解器中再次验证计算
    9. 输出CAD支持的IGS、STEP等文件到CAD软件中参考设计

     

    优化案例

    发动机支架
    优化目标:疲劳破坏最小,加载为1个单位的应力【点击详情】

    3. 典型拓扑-形状拓扑优化

     拓扑-形状优化最大的特点是将一个完整优化分析中会涉及的两种优化,集成到一次优化任务中实现,利用拓扑优化得到初始的构形,随后利用形状优化精细化处理局部区域,在实际产品设计中应用十分广泛。涉及的计算工具包括:三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---TOSCA等优化平台---ABAQUS等有限元求解软件,各个环节紧密联系,通过在统一的平台下进行设置,实现自动驱动和控制,能够快速得到优化结果。

    下图是一个典型拓扑-形状优化流程:

    1. 从CAD软件(Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等)中导入CAD模型
    2. 利用ANSA等前处理工具进行有限元分析前处理
      a)  几何清理,网格划分
      b)  材料设置,装配连接,设置分析步骤
      c)  设置边界条件及载荷
      d)  模型检查及输出输入文件
      e)  根据初步计算的结果,在疲劳软件中进行疲劳前处理设置
    3. 设置TOSCA优化前处理
      a)  设置优化算法,设计区域及响应变量
      b)  设置优化目标,约束
      c)  设置停止条件,优化设置,smooth参数
    4. 选择有限元求解器(ABAQUS,NASTRAN,ANSYS,MARC…),提交优化计算,优化软件自动调用有限元求解器
    5. 自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算,并判断是否收敛或者达到停止条件,如果没有达到,返回4步骤进行有限元求解的下个循环计算,如果满足,结束优化计算
    6. 输出验证模型到求解器中再次验证计算,如果结果满足要求,则直接输出IGS模型指导设计
    7. 如果存在局部应力集中,则跳转到形状优化步骤,设置TOSCA形状优化前处理
    8. 自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算,并判断是否收敛或者达到停止条件,如果没有达到,返回4步骤进行有限元求解的下个循环计算,如果满足,结束优化计算
    9. TOSCA.Smooth和TOSCA.Post平滑网格并查看优化结果
    10. 输出CAD支持的IGS、STEP等文件到CAD软件中参考设计

    优化案例

    优化案例-连杆优化
    典型拓扑-形状拓扑优化案例【点击详情】

    4. 多学科多目标参数优化

     工程设计中,一般的设计优化是通过原始模型经过一系列分析后,得到若干测试是数据,根据对测试数据的分析,重新修改模型的原始尺寸,再重复分析,直至得到满意结果为止。这种设计方法从效率和数据准确率上都是比较低,采用多学科多目标优化可以提高优化效率,降低认为干预,提升产品设计质量。常见的多学科多目标优化是以ANSA/META为平台,利用ISIGHT进行的任务流程集成多学科分析任务,所涉及的软件工具主要包括:三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---ISIGHT等优化平台---ABAQUS等有限元求解软件,各个环节紧密联系,通过在统一的平台下进行设置,实现自动驱动和控制,能够快速得到优化结果。

    下图是一个典型的多学科多参数优化流程:

    1. 从CAD软件(Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等)中导入CAD模型
    2. 利用ANSA等前处理工具进行有限元分析前处理
      a)  几何清理,网格划分
      b)  材料设置,装配连接,设置分析步骤
      c)  设置边界条件及载荷
      d)  模型检查及输出输入文件
      e)  输出求解模型
    3. ANSA中设置Morphing boxes和网格变化参数
    4. ANSA的任务管理其中建立优化任务,并设置优化输入文件配置及变量,并设置相关参数,配置导出有限元计算模型参数
    5. ABAQUS、Nastran等求解软件计算求解
    6. 导入计算结果到META中,输出关心部分的结果响应
    7. 建立Isight优化仿真流程,设置相应的优化算法,并将步骤3-5的输出文件和命令设置完成
    8. 启动Isight任务计算,调用图中黄色部分10-6-7-8的任务流程
    9. 等待Isight计算完成后,得到优化的设计参数,返回到CAD设计系统修改设计模型,完成优化

    优化案例

    白车身防撞梁参数优化
    常见的多学科多目标优化是以ANSA/META为平台,利用ISIGHT进行的任务流程集成多学科分析任务,所涉及的软件工具主要包括:三维C...【点击详情】

    5. 内流场拓扑优化

     内流场拓扑优化充分利用前后处理平台以及优化软件平台和CFD软件的计算优势,将原本复杂的内流场设计问题利用成熟的平台和工具快速解决。涉及的计算工具包括:三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---TOSCA等优化平台---CFD求解软件,通过在统一的平台下进行设置,实现自动驱动和控制,能够快速得到优化结果。

    下图是一个典型流场内流场优化的典型流程:

    1. 从CAD软件(Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等)中导入CAD模型
    2. 利用ANSA等前处理工具进行有限元分析前处理
      a)  几何清理,抽取中面,网格划分,边界层设置
      b)  材料设置,设置分析步骤
      c)  设置边界条件及载荷
      d)  模型检查及输出输入文件
    3. 设置TOSCA优化前处理
      a)  设置优化算法,设计区域及响应变量
      b)  设置优化目标,约束
      c)  设置停止条件,优化设置,smooth参数
    4. 选择CFD求解器(Star CCM+,FLUENT…),提交优化计算,优化软件自动调用CFD求解器,自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算,并判断是否收敛或者达到停止条件,如果没有达到,返回继续下个循环的计算,如果满足,结束优化计算
    5. TOSCA.Smooth和TOSCA.Post平滑网格并查看优化结果
    6. 输出验证模型到求解器中再次验证计算
    7. 输出CAD支持的IGS、STEP等文件到CAD软件中参考设计

    优化案例

    流道拓扑优化
    内流场拓扑优化充分利用前后处理平台以及优化软件平台和CFD软件的计算优势,将原本复杂的内流场设计问题利用成熟的平台和工具...【点击详情】

    6. 声场拓扑优化

     对于声场内部优化问题,不同于常规的结构优化,需要利用具有噪声计算功能的求解器进行计算,结构统一的优化处理平台进行声场拓扑优化。典型的声场拓扑优化计算涉及的计算工具包括:三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---TOSCA等优化平台---噪声计算软件,通过在统一的平台下进行设置,实现自动驱动和控制,能够快速得到优化结果。

    下图是一个典型声场内部优化流程:

    1. 从CAD软件(Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等)中导入CAD模型
    2. 利用ANSA等前处理工具进行有限元分析前处理
      a)  几何清理,网格划分,边界层设置
      b)  材料设置,设置分析步骤
      c)  设置边界条件及载荷
      d)  模型检查及输出输入文件
    3. 设置TOSCA优化前处理
      a)  设置优化算法,设计区域及响应变量
      b)  设置优化目标,约束
      c)  设置停止条件,优化设置,smooth参数
    4. 选择噪声求解器(Nastran, Actran…),提交优化计算,优化软件自动调用噪声求解器,自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算,并判断是否收敛或者达到停止条件,如果没有达到,返回4步骤继续下个循环的计算,如果满足,结束优化计算
    5. TOSCA.Smooth和TOSCA.Post平滑网格并查看优化结果
    6. 输出验证模型到求解器中再次验证计算
    7. 输出CAD支持的IGS、STEP等文件到CAD软件中参考设计

    优化案例

    声场声压最小化优化
    对于声场内部优化问题,不同于常规的结构优化,需要利用具有噪声计算功能的求解器进行计算,结构统一的优化处理平台进行声场拓...【点击详情】
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