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产品设计优化创新

      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修改,制造样机与试验;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,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,能够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。

    

    一般来讲,优化可分为如下几类:

    1.经典拓扑优化

    2.接触非线性拓扑优化

    3.疲劳非线性拓扑优化

    4.典型形状优化

    5.非线性动力分析形状优化

    6.疲劳形状优化

    7.条纹优化

    8.内流场拓扑优化

    9.声场拓扑优化

    等等,优化流程思路类似,以下从topo、疲劳优化以及形状优化的方面进行概述。



一、经典topo优化方案

    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。常见优化流程如下:

    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

    下图为某汽车零件优化案例: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一个45°方向1000KN的拉力作用;右侧红色区域连接橡胶轴承。整个结构关于XY平面对称,模型的加工方式为铸造。优化目标为体积减小30%,结构刚度最大。


二、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。
    以下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,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,返回步骤4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

    下图为某型发动机零件优化结果:



 三、形状优化

    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。
    以下是一个典型拓扑-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     案例优化的是一个连杆,一端固定,另外一端承受两个方向的载荷,初始定义的分析及结果如下:



    拓扑优化步骤,目标为刚度最大,质量为原来的70%




    拓扑优化的结果如下:

    形状优化,对于上面输出的验证模型进行计算求解,然后重新定义形状优化,定义设计区域的最大应力最小为优化目标,结果如下: