DfAM專欄 | DfAM底層通用技術之參數優化

安世亞太

2021年5月6日 16:32

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概述

增材制造設計（Design for Additive Manufacturing，DfAM，簡稱增材設計），是應用于增材制造工藝的可制造性設計，可實現對增材制造過程中的零件、組件甚至系統進行重新設計，已然成為基于增材思維的先進設計與智能制造新一代造物革命下的全新設計范式。

增材設計的核心技術是 仿真驅動的優化設計 ，包括創成式設計技術、后拓撲結構設計技術、點陣設計技術、參數優化技術、仿真分析技術等。其中， 參數優化應用于詳細設計階段，進行設計定型或者設計改進， 如確定最優尺寸、形狀等。

參數優化

詳細設計階段的設計定型，利用參數優化技術進行參數化建模和模型參數驅動分析是關鍵。參數優化基于CAD/CAE雙向驅動參數化CAD模型，CAE軟件驅動CAD參數更新并通過CAE軟件進行設計方案的性能分析，結合特定的優化算法獲取滿足優化目標的最佳設計方案。 參數優化技術通常包括：

（1）參數敏感性分析： 通過量化指標確定設計參數對產品性能的重要性程度，完成重要參數識別和過濾。并應用擬合算法建立輸入輸出響應面，進行快速優化。

（2）多學科多目標優化： 應用優化算法，搜索滿足優化目標的最佳設計變量值，實際客戶需求往往要求的優化目標可以是針對不同物理場或者學科的多個目標，故稱多學科多目標優化。

（3）穩健性可靠性評估與優化： 評估設計參數的波動對產品性能的影響，預測產品的失效概率并進行優化。

參數優化是詳細設計階段進行設計定型的重要技術，為了克服多學科非線性優化中遇到的大量設計參數的困難，參數優化可以進行參數敏感度分析、穩健性評估、可靠性分析、多學科優化、穩健與可靠性優化等等。

通過參數敏感性分析，在眾多參數中識別出影響性能的重要參數，過濾掉不重要的參數，建立響應面；通過多學科優化，輸出滿足設計需求的最佳設計參數；通過穩健性、可靠性分析及優化，評估離散參數對產品性能的影響程度，從而實現參數優化，對產品設計改進、定型，完成最終的詳細設計。

圖1 參數優化技術

參數優化的一般流程包括以下步驟：

（1）參數化建模：包括參數化CAD模型（如尺寸參數）以及參數化有限元模型（如載荷工況條件參數化）。

（2）參數敏感性分析：識別重要性參數，過濾無關參數，并建立高質量響應面，為后續快速優化做準備。

（3）優化分析：定義優化目標、約束條件，設定優化算法進行優化計算。

（4）設計驗證：對最終的優化設計進行驗證性分析。

（5）穩健性可靠性評估：若對可靠性有要求，則進行穩健性可靠性分析與優化。

圖2 參數優化流程

應用案例

3.1 吞沫機螺旋葉片管道優化設計

吞沫機是依據流體力學、等速螺線、空吸作用以及射流原理設計而成。當具有一定壓強的氣流通過螺旋葉片管道后按特定的方向流動并通過吞沫機的噴腔裝置時，在吞沫機周圍形成一個負壓區，大量擠壓在吞沫機周圍的泡沫，在負壓所形成的空吸作用下，通過各環形吸沫口被吸入該機管腔，在空氣動力的作用下將泡沫擊碎霧化。液體沿著射流方向與罐內原料液溶為一體，氣體則沿著排氣管道排出罐外。

針對自動吞沫機的核心部件螺旋葉片管道作為優化分析對象，通過流體仿真分析，獲得氣體通過螺旋葉片管道后的流場分布和壓力分布，并通過優化螺旋葉片管道的幾何結構來優化流場分布和壓力分布，提高吸沫和碎沫能力。具體如下：

（1）參數化建模： 對螺旋葉片管道進行幾何建模并參數化，幾何特征的建模及參數化模型進入到后續仿真流程中；

圖3 螺旋葉片管道的幾何結構

（2）流場分析： 通過流體仿真軟件ANSYS Fluent分析一定壓強的氣流在螺旋葉片管道內的流動情況，確定其流場分布和壓力分布；

（3）優化設計： 以螺旋葉片管道幾何參數為設計參數，以吸沫和碎沫效果最大化為優化目標，并以流體動力學量化指標來衡量吸沫和碎沫能力，基于optiSLang進行多目標參數優化：通過參數敏感性分析尋找對設計目標和約束最敏感（即最重要）的設計參數，并對設計目標和約束進行響應面的擬合，生成高質量的響應面，并基于此進行優化分析。

圖4 螺旋葉片管道的優化設計流程

通過對比螺旋葉片管道優化前后的空氣的流速和壓力分布發現，優化后空氣進入螺旋葉片管道的流量增加22%，而優化后吸沫口內外壓力差增大了5倍，同時，吸沫效果得到了顯著提高。

圖5 優化結果

3.2 振動臺動圈骨架優化設計

電動振動臺可以模擬產品在制造、組裝運輸以及使用執行階段所遭遇的各種環境，用以鑒定產品是否具有忍受環境振動的能力，被廣泛應用于國防、航空、航天、通訊、電子、汽車以及家電等行業。 動圈骨架是電動振動臺的關鍵部件，其動力學特性的優劣將直接影響振動臺系統的一階豎向共振頻率的高低， 從而影響振動臺工作頻率的上限和非線性失真大小，因此一階豎向共振頻率是設計振動臺的技術關鍵。

鋁合金振動臺動圈骨架的工作狀態為振動環境，其原始設計工作頻率偏低，不能達到預期，希望通過優化設計來 提升性能：

質量不增加；
豎向一階共振頻率盡量提升；
其余性能指標與原設計相當于或優于原設計（強度、Q值、橫向振動、臺面振動均勻度）。

圖6 振動臺動圈骨架原始結構

基于優化目標，采用拓撲優化與參數優化相結合的優化技術對其進行 優化：

（1）拓撲形貌優化： 利用拓撲優化軟件GENESIS對動圈骨架原設計結構進行拓撲形貌優化，以獲得具有最佳材料分布和最佳傳力路徑的動圈骨架結構的概念設計，骨架的腹板中央和面板和外圍環板區域應該減薄；腹板外側和骨架底部環板區域應該加厚。具體減薄、加厚的范圍以及板材尺寸則需要通過參數優化獲得；

（2）參數化建模： 基于拓撲優化的結果建立參數化CAD模型；

（3）參數優化： 利用參數優化軟件optiSLang對拓撲優化后的參數化進行敏感性分析，獲得了對響應（即：骨架質量和豎向一階共振頻率）影響較大的參數，而過濾掉那些對響應影響很小的參數，從而實現參數空間降維；然后，利用影響較大的參數進行多目標參數優化，獲得即滿足骨架質量最小，又滿足豎向一階共振頻率最大的最佳參數組合及其模型，完成最終的詳細設計；

（4）性能驗證： 對優化設計的最終模型進行了性能驗證并與原始結構的性能指標進行對比，相對于原設計，最終優化結果在質量降低1.3kg的情況下頻率提升270Hz，其他性能指標也全面提升表明動圈骨架結構的最終優化設計全面優于原設計。