01

需求分析

在管路系統設計中，優化管路幾何結構以獲得最佳性能是一項重要的挑戰。一般情況下，管道的性能主要有壓降、流量、換熱量、出口旋流和表面速度均勻性等參數。在現代化的設計優化過程中，通常需要借助CAE工具來定義形狀和運行參數變化，并評估其性能。針對該業務需求，CAE工具應該滿足以下功能要求：

? 自動生成流道；

? 自動優化流道；

? 對拓撲優化得到的模型平順化；

? 優化后的精細仿真功能，可以獲取壓力、流阻、液動力、熱流等。

02

STAR-CCM+流道拓撲優化

技術方案應用

2.1

伴隨拓撲優化自動生成流道

伴隨法是用于預測許多設計參數和物理輸入對某些相關工程量（即，模擬的工程目標）的影響的有效方法。換言之，它根據設計變量（輸入）提供目標（輸出）的靈敏度。Simcenter STAR-CCM+ 提供了一種伴隨拓撲優化方法，在用戶指定的設計空間內，軟件在此空間自動尋優，逐步去除或增加空間固體材料體積，自動生成最佳的流道形狀。因此，在伴隨拓撲優化中，求解材料分布過程非常關鍵，期間將創建新流體域，以反映流體域相對于成本函數的最佳設計。Simcenter STAR-CCM+基于伴隨的靈敏度與水平集方程結合使用，以根據工程目標衍生最佳材料分布。工程目標根據用戶自定義成本函數進行描述，并且可以進行約束以防設計無效。

自適應網格細化是在確保準確性和穩定性的同時加快仿真速度的關鍵技術。基于流動的拓撲優化允許您生成完全新穎和創新的設計。在Simcenter STAR-CCM+2210中，我們利用內置AMR標準（Topology Physics Mesh Adaption）更好地解決流體-固體界面，將工作量降至最低。在拓撲優化過程中使用AMR可產生更好的流體/固體界面分辨率，提高精度，并提供更光滑的表面作為后續增材制造的起點。

STAR-CCM+內置的拓撲優化相關模型

拓撲優化只需一個伴隨成本函數（如壓降）來表示目標。除了此目標之外，還可以將更多成本函數定義為用戶自定義優化約束。例如，可以將出口速度均勻性、液動力、流量等指定為約束，約束數量不受限制。拓撲優化求解器還具有內置約束：“體積比約束”，用于指定固相的體積比約束。

對于多目標優化，應將優先級最高的目標視為拓撲優化中的目標。其他目標應視為約束。要確定不同目標之間的權衡關系，可使用不同的約束值運行優化。也可以創建單一加權目標，然后使用不同的加權執行多個優化。

STAR-CCM+拓撲優化前后對比案例

2.2

內置幾何模塊實現模型平順化

通過拓撲優化可以自動生成最佳的流道形狀，STAR-CCM+通過創建材料指示器等值面，輕松從拓撲優化研究中導出生成的設計。但是生成的流道形狀是通過材料指示器值來標記網格形成的，這就意味著初始的流道邊界是臺階狀（與網格解析度相關）的，需要對流道模型進行平順化。STAR-CCM+的前處理模塊可以進行表面修復、平順化處理，然后生成平順的幾何模型以進行更精細的仿真。也可以將幾何輸出，然后導入到專業的CAD（如NX）軟件進行結構設計。

通過STAR-CCM+拓撲優化并平順化的某流道模型

2.3

豐富的優化模式實現管路優化

STAR-CCM+的拓撲優化功能實現了流道從無到有的優化設計。而對于已經有的流道模型，STAR-CCM+也提供多種優化方法，幫助設計人員實現產品的更優設計。對于已有設計，STAR-CCM+還提供以下兩種優化方法：

? 通過內置的Design Manager在 Simcenter STAR-CCM+ 中自動運行設計探索研究。設計探索涵蓋了性能評估和優化。

? 通過伴隨求解器Adjoint Solver來設計洞察與優化。伴隨求解器與Mopher聯合使用進行幾何敏感度分析與變形優化。

2.4

先進全面的多物理場功能

實現管路性能預測

Simcenter STAR-CCM+ 軟件是一款先進的CAE解決方案，在單一的集成用戶界面中提供全球最全面的工程物理模擬模型。Simcenter STAR-CCM+ 不僅僅是 CFD 求解器，可以用于管路的流量、流速、壓力、液動力等求解，還是一個集成式的多物理場仿真平臺，用于解決涉及（流體或固體的）流、熱傳遞和應力等多學科耦合問題。

通過STAR-CCM+、NX進行零部件輕量化設計

03

一個來自用戶的工程實踐

下面視頻展示的是EDAG（總部位于瑞士的工程服務提供商）利用Simcenter STAR-CCM+仿真模擬助力產品創新的故事。這里展示的是新能源汽車電池組中的冷卻管道仿真與設計。冷卻系統需要確保電池在特定的工作溫度范圍內，并保持電池組內的溫差最小化。EDAG作為移動工程專家，在西門子的幫助下，成功利用增材制造和拓撲優化設計了更優的電池組水冷系統。此模擬是采用Simcenter STAR-CCM+中的拓撲優化工作流完成的，優化結果使進氣管的質量流量增加了6.4%（意味著更好的冷卻效率），出口管的壓降降低了46.9%（更低的能耗），整個仿真模擬在Simcenter STAR-CCM+中兩天完成。同時，他們還將該產品的典型開發時間縮短了50%。

當然，這種產品性能提升，工程創新不僅針對電池包，也可適用于其他的工業、行業應用。通過Simcenter STAR-CCM+這款多物理場仿真軟件，使客戶將更多的設計目標變成現實。

文章來源：STAR CCM online