结构优化与可靠性设计方法

Posted 2021-03-28 正脉科工 CAE

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1、引言

对于结构优化设计， ANSYS 提供了两种设计分析方案，即基于ANSYS经典环境和ANSYS Workbench 中的 DesignExploration 模块进行结构设计。现在ANSYS经典环境GUI操作模块已经不再使用，在ANSYS经典环境已经找不到优化模块的GUI操作窗口，但基于APDL语言的优化设计在ANSYS经典环境中依然可用。本培训会对基于APDL语言的结构优化设计作简单介绍，但主要讲授ANSYS Workbench的 Design Exploration 模块使用方法。同样对于工程可靠性设计， ANSYS 也提供了两种设计分析方案，即基于ANSYS经典环境和 Design Exploration模块中的SixSigma方法。本培训会同时对基于APDL语言的工程结构可靠性分析和SixSigma方法的可靠性分析进行介绍。

2、 Design Exploration简介

ANSYS Workbench 中的 Design Exploration 主要用于在工程结构设计之前分析不确定因素对结构性能的影响，从而尽可能的对结构进行优化，提高结构性能。在 Exploration 当中，设计者使用的参数是其基本语言，主要包括 Design Modeler 或其他 CAD 系统中的设计参数以及Mechanical 中的求解结果参数。Design Exploration 中 的 优 化 设 计 是 使 用 试 验 数 据法 （Design of Experiments,DOE）和响应面（线）方法来实现的。DOE 方法根据设计者提供的设计变量的数目来产生设计点的样本，随后计算每个样本点的 CAE结果，由于所生成的设计点是有限的，因此，在Design exploration 中，采用二次插值函数来构造设计空间的响应面或响应线，以直观发现结构当中的各个设计参数对结构性能的影响程度。采用灵敏度分析方法对结构当中的设计参数进行灵敏度分析，以合理的选择优化设计参数，联合优化设计算法，最终完成结构的优化任务。

2.1 Design Exploration 特点

Design Exploration 作为快速优化工具，具有如下特点：

（1）可对线性、非线性、热、模态、流体、多物理场等多种类型进行优化设计；

（2）支持多种CAD 系统参数，方便使用其他CAD系统进行建模；

（3）支持 Mechanical 中的参数，ANSYS Workbench中的仿真分析大多都是在Mechanical中完成的，而DesignExploration 可调用Mechanical 中的参数；

（ 4 ） 采用目标驱动优化技术（ G o a l D r i v e nOptimization,GDO），可观察响应面和响应线，并进行灵敏度分析，最终获得最佳的设计点。

（5）可进行 6σ 设计，支持 APDL 语言定义的相关参数。

2.2 Design Exploration 参数类型

优化设计的首要任务是优化参数的确定。在ANSYSWorkbench的esign Exploration模块当中，共有3种参数，它们是输入参数、输出参数和导出参数，含义如下:

(1)输入参数(Input parameters): ANSYS Workbench仿真系统内的所有设计变量都可以作为Exploration的输入参数(亦即设计变量)，包括几何模型、材料属性和载荷等。

(2)输出参数(Output parameters ) : ANSYS Workbench计算得到的参数都可以作为Exploration的输出参数(亦即目标函数)，典型的输出参数主要有模型质量、体积、固有频率、各类变形、各类应力、速度和热流等。

(3)导出参数(Derived parameters:导出参数是不能直接得到的参数，是设计变量和目标函数的组合值，也可是各种参数的函数表达式等。

3、直接优化模块

Direct Optimization ：目前书上一般介绍为GoalDriven Optimization；轻量化优化采用该模块。

优化

• 定义目标函数、约束条件、输入参数的关系

• 响应面优化

– Explore thousands of configurations in a few seconds

• 直接优化

– Follow algorithm convergence

4、参数相关性分析模块

Parameters Correlation（相关参数）:用于得到参数的敏感性。

敏感性/ 关联性分析的作用

• 识别非重要参数

• 识别参数之间的关系：线性或二次

5、响应面分析模块

Response Surface（响应曲面）：主要用于观察输入参数对输出参数的影响，构建响应曲面。

响应面

• 生成代理模型

• 最值搜索

• 2D/3D表示法

• 局部灵敏

• 响应面的质量评价

6、响应面优化模块

Response SurfaceOptimization（响应曲面优化）：在响应面分析的基础上进行响应面优化设计。

响应面优化

7、结构拓扑优化模块

Shape Optimization ：结构拓扑或形状优化。

8、可靠性分析模块

Six Sigma Analysis：主要用于产品的可靠性

Six Sigma 分析

• 了解你的设计，随设计公差的变异性

•  确定哪些部件或部分会发生失效

•  了解哪些参数需要重点关注

9、设计参数

设计参数可以来自于：

Geometry

DesignModeler

SpaceClaim

Catia V5

UG NX

SolidWorks

Creo Parametric

Solid Edge

Autodesk

Inventor

…

Structural

Engineering data

Meshing

Mechanical

Mechanical APDL

ExplicitSTR

Vista TF, CCD…

Icepak

nCode

…

CFD

CFX

Fluent

CFD Post

Polyflow

AQWA

ICEM CFD

Electromagnetics

Ansoft Products:

Designer

HFSS

Maxwell

Q3D Extractor

Simplorer

甚至用户自定义参数:

Excel, External Connection

• 使用前后缀过滤CAD 参数

• 默认的过滤参数名称为 “DS”

• 将过滤项设置为空白，则允许所有的参数都传入到Workbench

参数化在DM和Mechanical进行设置

还可以在 CFX, Fluent 和 CFD Post中进行设置

• 派生参数:

– 基于输入和输出参数的函数建立参数.

– 派生参数可以使用各种内置运算，三角函数和统计函数.

– 例如:

• 成本函数 (i.e., the product of mass and cost per mass)

• 归一化应力 (i.e., stress response divided by an applied stress)

• 网格尺寸 (setting a mesh parameter as a function of a geometric parameter)

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