一、背景介紹

隨著航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，船舶的性能要求日益提高，尤其是在安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方面。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往依賴于經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，效率低下且成本高昂。因此，仿真優(yōu)化在現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)中的作用越加突顯，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為一種趨勢(shì)。

01 安全性

在傳統(tǒng)船舶仿真設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取往往依賴于規(guī)范及工程師經(jīng)驗(yàn)，此方法往往會(huì)造成有些區(qū)域設(shè)計(jì)強(qiáng)度冗余偏大，有些區(qū)域設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足的情況；在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中工程師憑自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)強(qiáng)度不足的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)往往既耗時(shí)又費(fèi)力，最后仍然無法得到一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

但通過優(yōu)化仿真的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化軟件及優(yōu)化算法可以快速幫助工程師針對(duì)結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度不足的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和完善，并提供給工程師工程師一個(gè)強(qiáng)度最佳的設(shè)計(jì)方案，來滿足船舶設(shè)計(jì)安全性的需求。

02 經(jīng)濟(jì)性

在傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)方法中，面對(duì)減重設(shè)計(jì)來提高船舶建造的經(jīng)濟(jì)性，也基本依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)；對(duì)于船舶復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，再加之每個(gè)結(jié)構(gòu)又關(guān)聯(lián)多向的復(fù)雜參數(shù)，僅靠人工完成多維參數(shù)結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化，效果往往并不顯著；

但通過優(yōu)化仿真的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化軟件及優(yōu)化算法可以快速評(píng)估設(shè)計(jì)參數(shù)中影響目標(biāo)設(shè)計(jì)重量的重要參數(shù)，并在滿足設(shè)計(jì)安全性的前提下，針對(duì)重要參數(shù)及其它參數(shù)進(jìn)行多維參數(shù)優(yōu)化，最終提供給工程師一個(gè)既滿足安全性又滿足經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)方案。

二、工程描述

圖1

圖2

● 本案例船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型如圖1所示；此模型為寬25m，長(zhǎng)50米，厚15mm鋼板。鋼板右端做剛固約束，鋼板左端施加向左共計(jì)65625kn的節(jié)點(diǎn)力；

● 如圖2所示，鋼板正中間開孔6mX6m；開孔4個(gè)角上寬度方向800mm，長(zhǎng)度方向2000mm范圍為角隅的倒角范圍；

● 本案例中模型結(jié)構(gòu)為上下對(duì)稱，故選取圖2中開孔上半部分左右各一個(gè)角隅的形狀作為優(yōu)化對(duì)象；在每個(gè)角隅上，分別用5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)10個(gè)參數(shù)變量來控制角隅形狀的變形；本案例設(shè)計(jì)輸入變量共計(jì)為20個(gè)；本次優(yōu)化的目標(biāo)變量為開孔角隅處的單元應(yīng)力值達(dá)到最小化。

三、操作流程

01 結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模及網(wǎng)格劃分

本案例模型采用FEGate For Ship（以下簡(jiǎn)稱FFS）軟件作為參數(shù)化建模及網(wǎng)格劃分的仿真工具；

圖3

通過FFS軟件內(nèi)置的腳本工具，編寫本案例模型的建模腳本；

自動(dòng)實(shí)現(xiàn)：幾何點(diǎn)創(chuàng)建→幾何線創(chuàng)建→幾何面創(chuàng)建→自動(dòng)劃分面網(wǎng)格→自動(dòng)網(wǎng)格重算；如圖4所示；

圖4

02 優(yōu)化流程搭建

a. 新建優(yōu)化項(xiàng)目

啟動(dòng)AIPOD優(yōu)化軟件，新建優(yōu)化項(xiàng)目名稱，進(jìn)入AIPOD優(yōu)化流程界面，開始新建優(yōu)化流程；如圖5所示；

圖5

b. FEGate前處理節(jié)點(diǎn)配置

采用批處理的方式，添加一個(gè)FEGate執(zhí)行節(jié)點(diǎn)進(jìn)入流程，并命名為“FEGate前處理”；如圖6所示；

圖6

● 節(jié)點(diǎn)信息配置

圖7

點(diǎn)擊加入的FEGate前處理節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入節(jié)點(diǎn)配置界面；在命令一欄寫入調(diào)用FEGate軟件的批處理命令；針對(duì)本案例而言，寫入命令流為：

"C:\Program Files\SVD\FEGate\5.0\bin\FEGate50.exe" -batch "D:\WYX\FEGATE_Model\Optimization\Corner_AIFEM\auto_mesh_new.sl"；其中第一個(gè)引號(hào)部分為FEGate程序的完整路徑，第二個(gè)引號(hào)部分為FEGate參數(shù)化模型腳本文件；

● 節(jié)點(diǎn)文件配置

圖8

因?yàn)镕EGate前處理節(jié)點(diǎn)是通過FEGate腳本程序自動(dòng)完成參數(shù)化建模，固本節(jié)點(diǎn)的輸入文件為2個(gè)；一個(gè)為FEGate腳本文件auto_mesh_new.sl，一個(gè)為FEGate模型輸入文件base_fine25.inp；完成自動(dòng)化參數(shù)建模后，本節(jié)點(diǎn)的一個(gè)輸出文件為base_output.inp；點(diǎn)擊上傳文件，分別上傳以上2個(gè)輸入文件和1個(gè)輸出文件；

● 節(jié)點(diǎn)變量配置

本案例需要對(duì)腳本文件中的參數(shù)進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)；點(diǎn)擊auto_mesh_new.sl 文件一行的寫入按鈕，進(jìn)入腳本文件；選中所需要的分隔符，對(duì)腳本中涉及的參數(shù)進(jìn)行分割提取；如圖9所示；

圖9

右鍵點(diǎn)擊文本中需要關(guān)聯(lián)變量的參數(shù)，選擇[關(guān)聯(lián)輸入變量]>[新建并關(guān)聯(lián)]，依次填寫該變量的各項(xiàng)參數(shù)并完成創(chuàng)建；如圖10所示；依此方法，完成案例中所有20個(gè)輸入變量的創(chuàng)建；

圖10

03 AIFEM求解配置

在工具箱CAE組件中，找到AIFEM工具，點(diǎn)擊加入到流程中；如圖11所示；

圖11

● 節(jié)點(diǎn)文件配置

圖12

選擇FEGate輸出的模型文件base_output.inp作為此AIFEM節(jié)點(diǎn)的工程文件上傳，選擇AIFEM的計(jì)算結(jié)果文件base_output.h5作為結(jié)果文件上傳；

● 節(jié)點(diǎn)變量配置

如上圖12所示，在結(jié)果文件一行，點(diǎn)擊變量解析，提取結(jié)果中的最大應(yīng)力值并關(guān)聯(lián)輸出變量；依次點(diǎn)擊[Field Output]>[static_analysis]>[Frame-1]>[S]>[MISES]>[MAX]找到最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的解析值，右鍵新建并關(guān)聯(lián)輸出變量；如圖13所示；

圖13

04 連線設(shè)置

依次創(chuàng)建連接：輸入?yún)?shù)→FEGate前處理→AIFEM→輸出參數(shù)；點(diǎn)擊FEGate前處理與AIFEM之間的連線，創(chuàng)建由FEGate前處理至AIFEM節(jié)點(diǎn)間的文件傳遞，如圖14所示；

圖14

05 新建優(yōu)化問題

計(jì)算流程配置完成后，點(diǎn)擊[新建優(yōu)化問題]，輸入問題名稱點(diǎn)擊確定；如圖15所示；

圖15

創(chuàng)建優(yōu)化問題后會(huì)自動(dòng)調(diào)至優(yōu)化問題界面，在此界面中需要添加目標(biāo)變量及約束條件；本案例中不包含約束條件，在此我們將Max_stress設(shè)置為目標(biāo)變量，優(yōu)化類型為最小化；如圖16所示；

圖16

06 提交任務(wù)優(yōu)化

優(yōu)化問題創(chuàng)建完成后，點(diǎn)擊[新建優(yōu)化任務(wù)]，開始優(yōu)化任務(wù)的創(chuàng)建；本案例中選用SilverBulllet算法進(jìn)行優(yōu)化，評(píng)估次數(shù)選擇300次，啟用初始設(shè)計(jì)，打開忽略錯(cuò)誤算例，關(guān)閉邊界突破；如圖17所示；

圖17

四、優(yōu)化效果

如圖18所示，展示了本次優(yōu)化案例中的部分過程案例；從圖中可以直觀的看到，AIPOD軟件自研的SilverBullet算法在尋找優(yōu)化方向中的演進(jìn)過程；因?yàn)镾ilverBullet算法本身在小樣本集上快速尋優(yōu)的特性，在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化上可大大縮短優(yōu)化時(shí)間，提高優(yōu)化效率，避免計(jì)算資源的浪費(fèi)；

圖18

如圖19所示，本次案例初始設(shè)計(jì)的最大應(yīng)力為328Mpa，最終優(yōu)化方案的應(yīng)力值為199Mpa，優(yōu)化提升約40%。

圖19

圖20

五、軟件介紹

01 AIPOD

AIPOD是天洑軟件自主研發(fā)的一款智能優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，專為解決工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的能耗更少、成本更低、重量更輕、散熱更好、速度更快等優(yōu)化問題而生。針對(duì)設(shè)計(jì)仿真流程自動(dòng)化程度不足及數(shù)值模擬成本高昂的痛點(diǎn)，軟件巧妙融合了人工智能技術(shù)，運(yùn)用自研的智能代理學(xué)習(xí)和智能優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)優(yōu)化的高效與精準(zhǔn)。軟件簡(jiǎn)單易用的操作界面和出色的優(yōu)化效果，讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)得以從繁重的數(shù)值模擬中解脫出來，更加聚焦于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，助力設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)迅速探索出更加卓越的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

02 FEGate For Ship

FEGate是由韓國(guó)RaonX開發(fā)的船舶海工領(lǐng)域?qū)Ｓ玫挠邢拊昂筇幚碥浖会槍?duì)船舶行業(yè)特點(diǎn)于行業(yè)規(guī)范，內(nèi)置船舶海工專用有限元處理工具。可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬網(wǎng)格的輕松控制，通過各類自動(dòng)化、行業(yè)定制化工具與功能，很大的提高有限元前后處理效率。

03 AIFEM

AIFEM是天洑軟件自主研發(fā)的一款通用且智能結(jié)構(gòu)仿真軟件，集成“結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力、傳熱、拓?fù)鋬?yōu)化”等多個(gè)學(xué)科的求解功能。通過高效的前后處理工具與高精度的自研有限元求解器，AIFEM幫助用戶迅速評(píng)估結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代。