經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐證明，CAE仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用能夠切實(shí)幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)研發(fā)周期的縮短、研發(fā)成本的降低。然而在新科技浪潮下，革新性產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，對(duì)企業(yè)產(chǎn)品上市時(shí)間、成本、綜合性能等都提出更高要求。受限于傳統(tǒng)仿真方法形成的離散、單個(gè)現(xiàn)狀，想要突破現(xiàn)有研發(fā)流程，對(duì)關(guān)鍵CAE技術(shù)的應(yīng)用提出全新的需求和挑戰(zhàn)，因此，仿真流程集成與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真技術(shù)變革成為了必然趨勢(shì)。

在新形勢(shì)下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和仿真應(yīng)用中，有眾多的企業(yè)和仿真工程師都存在以下幾個(gè)方面的困擾或特定需求。本文基于Ansys optiSLang工具平臺(tái)，希望針對(duì)上述需求為大家呈現(xiàn)有效的解決思路和方案。

• 仿真置信度的困擾。由于材料數(shù)據(jù)/邊界參數(shù)缺失，導(dǎo)致仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)存在偏差；

• 仿真流程整合與自動(dòng)化的迫切需求。產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常需要多學(xué)科/多領(lǐng)域聯(lián)合仿真，而企業(yè)中采用的軟件工具來(lái)自不同的供應(yīng)商或自研軟件，又該如何實(shí)現(xiàn)？

• 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵應(yīng)用。產(chǎn)品的綜合性能設(shè)計(jì)，需要采用多目標(biāo)機(jī)制平衡學(xué)科間影響，探索整體最優(yōu)解，通過(guò)協(xié)同優(yōu)化來(lái)避免串行重復(fù)設(shè)計(jì)。

• 仿真流程標(biāo)準(zhǔn)化與專家經(jīng)驗(yàn)推廣。不論專家還是初級(jí)工程師，在面臨繁重的仿真工程任務(wù)，也能依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的仿真流程獲得可信結(jié)果，也利于企業(yè)內(nèi)專家經(jīng)驗(yàn)的留存及傳播。

Ansys optiSLang是一款先進(jìn)的仿真流程集成與設(shè)計(jì)優(yōu)化（Process Integration and Design Optimization，簡(jiǎn)稱PIDO）工具，具有非常靈活開放的仿真流程搭建平臺(tái)，可以集成100種以上的CAE和CAD工具，幫助企業(yè)構(gòu)建特定的自動(dòng)化仿真設(shè)計(jì)流程。

• 工程師通過(guò)optiSLang連接所有求解器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)重復(fù)性工作的自動(dòng)化；
  

• 在流程中可以增加條件執(zhí)行邏輯、嵌套循環(huán)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等特定流程需求；

• 提供PLM平臺(tái)接口，可以獲得更新后的CAD模型完成仿真；

• 可集成于SPDM平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流程與仿真任務(wù)流程的完美結(jié)合。

• 基于構(gòu)建的仿真流程，可以進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)化變量分析，來(lái)最終幫助用戶提升產(chǎn)品質(zhì)量，包括參數(shù)敏感性分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、魯棒性分析和可靠性分析等。在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)展開介紹。
  

PIDO流程概覽

下面為大家呈現(xiàn)一個(gè)客戶案例——某企業(yè)PET塑料瓶自動(dòng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。本案例的出發(fā)點(diǎn)是滿足瓶子性能要求的前提下，通過(guò)構(gòu)建PIDO流程，自動(dòng)探索最低成本的塑料瓶加工方案。

塑料瓶自動(dòng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)流程的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1. 以塑料甲方提出的性能指標(biāo)為輸入，通過(guò)Ansys Mechanical集成于optiSLang實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到塑料瓶的最小厚度；

2. 以最小厚度為輸入，通過(guò)Ansys Polyflow 集成于optiSLang進(jìn)行吹塑過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到模具的初始溫度；

3. 以初始溫度為輸入，通過(guò)Ansys Fluent集成于optiSLang進(jìn)行加熱環(huán)境優(yōu)化，得到加熱器的最優(yōu)功率分配；

4. 通過(guò)Excel進(jìn)行人工、電力、材料等成本計(jì)算，并通過(guò)Ansys optiSLang構(gòu)建自動(dòng)化仿真設(shè)計(jì)流程。

通過(guò)構(gòu)建塑料瓶自動(dòng)化仿真設(shè)計(jì)流程，該企業(yè)最終實(shí)現(xiàn)材料成本和電費(fèi)成本的大幅降低，18個(gè)工廠一年節(jié)省成本達(dá)到1,860萬(wàn)美金。

某企業(yè)PET塑料瓶自動(dòng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

此外，備受繁重仿真設(shè)計(jì)任務(wù)和大量重復(fù)性工作的困擾，開發(fā)企業(yè)的專用APP就愈顯重要。用戶還可以采用Ansys optiSLang的Web application功能，將復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程構(gòu)建成企業(yè)特有的APP，大幅降低仿真應(yīng)用的難度，從而實(shí)現(xiàn)非仿真專家中復(fù)用推廣。

通過(guò)Ansys optiSLang 構(gòu)建企業(yè)APP

optiSLang與產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)周期緊密結(jié)合，全方位提升工程師仿真設(shè)計(jì)能力。首先是模型標(biāo)定/參數(shù)識(shí)別，通過(guò)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)合，提高仿真精度；第二是參數(shù)敏感性分析，幫助工程師理解設(shè)計(jì)并生成最佳元模型，專家經(jīng)驗(yàn)快速增長(zhǎng)；第三是優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索空間最優(yōu)解；第四魯棒性設(shè)計(jì)，考慮變量的分散性進(jìn)行魯棒性和可靠性分析。

仿真置信度是每個(gè)仿真工程師都會(huì)面臨的難題，工作中常見的影響仿真置信度的不確定因素有：材料本構(gòu)及參數(shù)、邊界參數(shù)、仿真模型精度等；Ansys optiSLang提供了模型標(biāo)定功能，能夠結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合上述不確定參數(shù)，從而獲得高精度仿真模型和方式，為仿真標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。

模型標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)流程

敏感性分析是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)，一方面幫助工程師深度理解設(shè)計(jì)及參數(shù)關(guān)系；另一方面為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供最佳元模型（MOP）。

Ansys optiSLang在這個(gè)環(huán)節(jié)體現(xiàn)了三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)功能：

• 通過(guò)一個(gè)預(yù)測(cè)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)預(yù)測(cè)系數(shù)（CoP - Coefficient of Prognosis）來(lái)評(píng)估對(duì)實(shí)際模型的預(yù)測(cè)質(zhì)量，該COP采用交叉驗(yàn)證的方式保證MOP擬合質(zhì)量不受無(wú)關(guān)干擾參數(shù)的影響。

• optiSLang通過(guò)敏感性分析找到重要參數(shù)，并自動(dòng)過(guò)濾不重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)降維，減少計(jì)算量。

• 提供了具有自主學(xué)習(xí)功能的AMOP技術(shù)，可以在關(guān)鍵位置進(jìn)行自動(dòng)加密采樣；也可以通過(guò)局部精度控制進(jìn)行自主局部判斷和加密采樣處理。

敏感性分析

optiSLang擁有非常完備的優(yōu)化算法，針對(duì)不同的優(yōu)化問(wèn)題需要選擇正確的高效的優(yōu)化算法，這成為優(yōu)化設(shè)計(jì)正確應(yīng)用的難題。optiSLang提供優(yōu)化算法決策樹，根據(jù)所獲得信息自動(dòng)推薦優(yōu)化算法，讓工程問(wèn)題的解決更加高效準(zhǔn)確。

Ansys optiSLang可自動(dòng)推薦優(yōu)化算法

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有穩(wěn)健性或可靠性的要求，一個(gè)穩(wěn)健（可靠）的產(chǎn)品設(shè)計(jì)其性能不應(yīng)該受到隨機(jī)擾動(dòng)因素太大的影響，即設(shè)計(jì)參數(shù)的離散性不應(yīng)該導(dǎo)致產(chǎn)品性能過(guò)大的波動(dòng)。optiSLang的穩(wěn)健性/可靠性分析可以分析產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)，如材料、幾何、加工或者環(huán)境因素的離散性對(duì)產(chǎn)品性能的影響程度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)健性/可靠性的評(píng)估與優(yōu)化。

Ansys optiSLang 還提供了嵌套式的循環(huán)流程，實(shí)現(xiàn)基于魯棒性的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，工程師采用此流程可實(shí)現(xiàn)任何魯棒性水平的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

魯棒性分析

基于上述，我們了解到Ansys optiSLang可以實(shí)現(xiàn)仿真流程集成、設(shè)計(jì)優(yōu)化等領(lǐng)域的應(yīng)用，在新技術(shù)日新月異的當(dāng)下，針對(duì)諸多前沿科技技術(shù)，optiSLang也同樣起著關(guān)鍵作用，如數(shù)字孿生、人工智能及自動(dòng)駕駛等等...

在科技浪潮的推動(dòng)下，可以說(shuō)數(shù)字孿生技術(shù)將我們帶入了仿真模擬的新時(shí)代。而數(shù)字孿生所采用的仿真模型有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：實(shí)時(shí)仿真和高保真度。Ansys optiSLang可以為數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)提供高保真度的ROM模型，下圖展示的案例是漢莎航空針對(duì)渦輪葉片流固耦合模型所生成的ROM模型，實(shí)現(xiàn)了渦輪葉片流固耦合的實(shí)時(shí)仿真，同時(shí)保證了溫度場(chǎng)和應(yīng)力結(jié)果精度接近100%。

新版本Ansys optiSLang在現(xiàn)有機(jī)器學(xué)習(xí)的框架中集成了深度學(xué)習(xí)算法，包含Keras & Tensorflow并且向任何第三方的深度學(xué)習(xí)算法開放。基于此optiSLang可以對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行不同規(guī)律的深度學(xué)習(xí)，在面對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析需求時(shí)仍可獲得高質(zhì)量的MOP最佳元模型。為將來(lái)的數(shù)字孿生、自動(dòng)駕駛等技術(shù)的全面工程化提供技術(shù)支撐。

新版Ansys optiSLang已集成機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)

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