計算機優(yōu)化設(shè)計方法研究與應(yīng)用

高樂樂

摘要：以保證產(chǎn)品質(zhì)量和追求產(chǎn)品利潤為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計方法已經(jīng)在當(dāng)今的產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，文中就當(dāng)今優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行了概述，并結(jié)合實例就優(yōu)化設(shè)計方法在產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：流體分析;參數(shù)化;優(yōu)化設(shè)計;ANSYS WORBENCH

0 ?引言

隨著計算機科學(xué)的高速發(fā)展，當(dāng)今諸多機械設(shè)計方法已經(jīng)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計步入了計算機輔助設(shè)計的快速設(shè)計階段，由于設(shè)計軟件將各種抽象繁瑣的設(shè)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(dāng)豐富的專業(yè)知識才得以應(yīng)用的設(shè)計方法在借助軟件的條件下也變得能輕松上手，快速應(yīng)用。

產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)乎企業(yè)的生存和發(fā)展，如何在過硬的產(chǎn)品質(zhì)量前提下尋求產(chǎn)品的最佳利潤是當(dāng)今企業(yè)都在關(guān)注的問題，也使得優(yōu)化設(shè)計方法在產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計中越來越受重視?，F(xiàn)ANSYS WORBENCH已經(jīng)為優(yōu)化設(shè)計提供了一個幾乎完美的方案，可以高度自動化地實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。文中將結(jié)合實際應(yīng)用介紹如何借助ANSYS WORBENCH進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的全過程。

1 ?優(yōu)化設(shè)計方法介紹

在保證產(chǎn)品質(zhì)量即使產(chǎn)品某些性能達(dá)到目標(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)化設(shè)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(shè)計變量，使其重量最輕結(jié)構(gòu)最合理，這不但使得耗材上得到了節(jié)省，也降低了運輸成本。再如改變各散熱電器設(shè)備的安裝位置，使設(shè)備艙內(nèi)溫度峰值降到最低，也是一個典型的優(yōu)化方法應(yīng)用實例。

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，但利用上次計算的結(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。

2 ?ANSYS WORBENCH優(yōu)化過程

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

3 ?一個簡單的優(yōu)化實例

結(jié)合冷卻系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計過程詳細(xì)講述如何使用ANSYS Workbench在Design Explorer環(huán)境下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程。

動車組牽引系統(tǒng)冷卻方案是采用一臺風(fēng)機同時為一個轉(zhuǎn)向架上的兩臺電機冷卻，兩臺電機如何能得到均衡的風(fēng)量是風(fēng)道設(shè)計的難點，解決此問題的方法是在風(fēng)道中設(shè)置導(dǎo)流板控制兩支路的風(fēng)量，導(dǎo)流板的位置設(shè)置以往是根據(jù)設(shè)計師的設(shè)計經(jīng)驗并逐步嘗試后得到，由于反復(fù)修改模型和計算需要耗費大量時間，使得風(fēng)道設(shè)計成為一項枯燥的工作，現(xiàn)今的計算機優(yōu)化設(shè)計方法使得這一工作變得簡單，圖2所示是冷卻系統(tǒng)風(fēng)道去除安裝座后的簡化結(jié)構(gòu)。

要對風(fēng)道的分流比進(jìn)行計算需要用到風(fēng)道的流體模型，使用ANSYS WORBENCH中的基礎(chǔ)建模模塊中抽取的流體計算模型。

使用ANSYS WORBENCH分析系統(tǒng)中的Fluid Flow（FLUENT）進(jìn)行計算分析，將流體計算模型導(dǎo)入計算系統(tǒng)后首先設(shè)置需要優(yōu)化的變量，本例將風(fēng)道導(dǎo)流板與坐標(biāo)系之間的角度定義為可變參數(shù)，目標(biāo)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(shè)置好角度變量后，進(jìn)入網(wǎng)格劃分模塊，采用系統(tǒng)默認(rèn)的Automatic Method對流體計算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

啟動FLUENT對計算進(jìn)行設(shè)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(jìn)入FLUENT設(shè)置計算模型、邊界條件、初始化等，設(shè)置完成后保存，回到交互界面進(jìn)行計算，計算完成后，在后處理模塊設(shè)置目標(biāo)變量，如圖3所示。

對可變參數(shù)進(jìn)行定義，設(shè)置情況如表1所示。

設(shè)置完成后進(jìn)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(shè)置準(zhǔn)確，全過程無需設(shè)計人員參與。

計算完成后，每一個設(shè)計位置都會給出相應(yīng)結(jié)果，也可以導(dǎo)出使用EXCEL進(jìn)行查看和處理，本例導(dǎo)出后的數(shù)據(jù)如表2所示。

各設(shè)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(shè)計位置的計算結(jié)果很有用，通過觀察結(jié)果分布可以很容易觀察到有無需要的結(jié)果包含在里面，以此來判斷可變參數(shù)的計算范圍選取的是否恰當(dāng)。

圖5所示是各設(shè)計位置解在目標(biāo)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(nèi)。由于設(shè)計位置可以連續(xù)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(shè)計位置。

使用目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化模塊，對各實驗設(shè)計位置進(jìn)行計算后，設(shè)置目標(biāo)變量的優(yōu)化目標(biāo)等于1，進(jìn)而進(jìn)行計算以得出所需目標(biāo)所對應(yīng)的變量值。

為了確保優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，將優(yōu)化后的設(shè)計位置代入原模型進(jìn)行計算。經(jīng)計算得到分流比為0.998，滿足設(shè)計要求。圖6所示是優(yōu)化后的風(fēng)道流場。在風(fēng)道進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計時為確保風(fēng)道的強度足夠和支路內(nèi)流場平順，在風(fēng)道兩支路內(nèi)部需要設(shè)置足夠數(shù)量的導(dǎo)流板，由于內(nèi)部導(dǎo)流板對兩支路流量分配不會造成影響，所以在做優(yōu)化設(shè)計時沒有進(jìn)行考慮。

4 ?結(jié)論

文中所舉的風(fēng)道設(shè)計只是一個在ANSYS WORBENCH平臺下的簡單應(yīng)用，還有很多優(yōu)化功能沒有體現(xiàn)出來，相信隨著軟件的不斷普及和應(yīng)用的深化，會給設(shè)計和研發(fā)企業(yè)帶來越來越高的利潤。

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