摘要 

流體與結構仿真中往往需要對復雜幾何體進行參數化定義，并進行一定的模型預處理，這其實是十分困難的。然而也正是因為這一原因，在過去的十年時間里，CAESES獲得了很大程度的發展。

CAESES是由FRIENDSHIP SYSTEM公司開發的一款CAE軟件平臺，其內置的參數化CAD內核面向用于仿真的幾何體，該軟件可以保證簡單且高魯棒性地進行幾何變形。不論CAD模型是由外部導入，還是完全由CAESES設計生成，CAESES都能夠以多種格式文件進行輸出。

目前，通過使用CAESES ACT擴展功能，用戶可以在ANSYS Workbench的不同場景中靈活地應用參數化建模功能，從而實現一鍵式評估參數化幾何模型的功能。

下文將對機載光學傳感器的鏡坯（玻璃陶瓷）進行優化，以使重量最小化以及在動態操作中保持變形量最小化。使用CAESES對鏡坯建立全參數化幾何模型，之后通過兩個軟件包之間的耦合連接，實現模型在ANSYS Workbench中分析及優化。

關鍵詞：優化，參數化CAD，ACT擴展，靜力結構，模態

1、介紹

如今，仿真工具不僅用于評估產品的性能，更多的是作為設計軟件來使用。比如，對于流程自動化而言，工作過程中需要完全自動地處理一些其他任務，如：優化過程的控制、變量和數據的管理、幾何變量的生成、以及仿真輸入參數的產生，這時就需要額外的CAE工具。

1.1 傳統CAD工具的瓶頸

傳統的CAD軟件具有很多強大的功能，它們不僅能完成完整的設計過程，也能夠處理許多不同的任務，例如生成可制造的幾何模型，創建復雜的組件、生成BOM、繪制圖紙以及管理PLM數據。但是，它們往往是以細節為中心的，其幾何模型包含所有的產品細節，而這些細節卻不一定適用于數值模擬。在對模型進行預處理生成網格時，這些幾何細節就必須被去除（例如，使其滿足水密性要求）。更重要的是，這些CAD軟件在設計模型之初通常并沒有考慮日后對復雜的幾何模型進行快速變形，所以如果以后想改變幾何形狀就可能需要大量的人工操作，這些操作較為復雜，而且不一定能保證模型的魯棒性，容易產生失敗的變體。

傳統CAD軟件的另一個典型特點是只針對特定的用戶群。通常，企業中的CAD部門負責操作CAD軟件系統，他們處理好幾何模型之后提交給仿真部門。當仿真部門的人員想要嘗試幾何模型的某些變化對產品性能造成的影響時，他們往往還需要求助于CAD部門對模型進行修改，這一情況經常會導致低效的工作甚至延誤項目進程。顯然，流程自動化幾乎不可能在這種情況下實現。

1.2 CAD變形及仿真的專業實例

從某種角度來說，專業的CAD工具（如CAESES）是致力于對幾何體建立可以準確表征其特征并可被直接仿真的建模軟件。它尤其注重幾何變形，因此，一旦模型被參數化定義，無論是手動修改還是自動修改，都可以通過簡單地改變模型參數來得到高魯棒性的幾何變體。

這類CAD工具對于變形和仿真能夠滿足的要求可歸納為以下幾點：

● 幾何形狀應由盡可能少的參數來確定，從而減小自由度。優化效果以自由變量的數量衡量，因此，應該盡可能減少自由變量個數。用戶可以通過控制先前定義的參數值來簡單快速地改變幾何形狀，參數之間需要相互獨立，而不是通過協調多個參數值來實現特定的形狀變化。

● 生成的幾何體應該具有較強的魯棒性，盡量減少失敗的變形。

● 生成的幾何體應該能以特定格式輸出，以滿足在特定仿真軟件中使用。

● 應該能夠防止無效變形體的生成，或者至少減小其生成的可能性。

與傳統的CAD軟件相反，CAESES作為仿真工程師的工具，即使在CAD部門設計還未完成設計工作時，仿真工程師們也能夠以自己的意愿來生成幾何形狀并進行變形。

2、CAESES的ACT擴展

上述問題在CAESES的ACT擴展包中已經完全得到了解決， ANSYS用戶可以在ANSYS Workbench中調用CAESES進行參數化建模以及幾何變形。用戶可以在ANSYS應用商店中下載CAESES的ACT擴展包，并在ANSYS Workbench進行安裝。

安裝后，應用程序將作為一個單獨的組件系統出現在ANSYS Workbench的工具箱中。它包括CAESES幾何、ANSYS幾何和ANSYS網格組件等。

作為輸入文件，CAESES ACT應用程序需要在CAESES的batch文件（.fsc文件）中輸入項目中需要的所有信息，如：幾何設計變量、輸出格式、項目文件位置、命名選項等。用戶如果有需要，也可以靈活地使用其他版本的CAESES。

在確定必需的輸入條件后，CAESES ACT應用程序就可以在ANSYS Workbench中作為參數化幾何建模軟件來使用了。根據具體的項目場景，所創建的參數化幾何模型可以連接到其他組件中。

作為約束條件，生成的CAESES batch文件包含計算機指定的CAESES二進制位置信息。如果沒有對位置進行特殊設定，其通常與CAESES項目文件位于同一目錄，所以當在另一臺計算機上運行的時候，最好重新生成batch文件。

3、案例：機載光學傳感器鏡坯的優化

下述案例中的光學傳感器的鏡坯由陶瓷制成，其具有極低的熱膨脹性以及動態可操作性。在工作條件下，要求其幾何形狀變化及位移必須維持在極小的限度以內。此外，在本案例中，還需要盡可能減小鏡坯的重量。這兩個要求——工作過程中變形量的最小化以及鏡坯重量最小化——是產品的主要設計標準。本案例的目的是以CAESES建立鏡坯的全參數化模型，通過耦合連接ANSYS Workbench和CAESES，在ANSYS Workbench中進行分析和優化。CAESES中定義的參數化模型可以由Workbench連接到模態和靜力結構系統。優化結果表明，上述方法可以用來獲得最佳的鏡坯設計方案。

3.1 研究對象

鏡坯由微晶玻璃組成。材料的性能如表所示，仿真中材料的物性參數參考此表。

3.2 參數化幾何體

本案例中共選擇了7個參數作為研究對象

（1） 孔數

參數，定義了鏡坯內圈孔數（其他圈的孔數為N*2）

（2） 凸度

參數，定義輪廓的凸度，用于抵消旋轉時的撓曲。

（3） 剖面中心速度

（4） 剖面外側速度

參數，進一步定義鏡坯的斷面形狀（見上圖）

（5） 孔壁徑向厚度參數

參數，定義徑向孔之間的壁厚

（6） 孔壁周向厚度

參數，定義周向孔之間的壁厚

（7） 孔剖面圓角半徑

參數，定義了孔圓角的半徑（與內孔尺寸相同）

3.3 有限元模型和邊界條件

采用高階三維實體單元Solid 186來生成網格，單元數大約150,000，節點數大約250,000：

頂面法線與穿過物體重心的旋轉軸有3度偏差。該物體的轉速為1200 rpm。定義了一個與環支撐相連的遠程點，用于遠程位移定義。

3.4 Workbench工作流

在工作流中，通過CAESES ACT應用程序生成參數化幾何體，之后轉化為有限元模型，然后定義材料類型，并創建遠端點、局部坐標系和網格。上述所的到的數據可直接用于靜態結構分析和模態分析，從而得到固有頻率，之后通過模態分析得到坎貝爾圖，以獲得臨界轉速。

3.5 結果

以上述參數為變量，進行了共計220個變形鏡坯的DOE設計。雖然從這點來看，沒有進行任何形式的優化，但從設計點云的計算結果中可以識別出一個稀疏的“帕雷托邊界”。此外，明顯可以看出，有很多設計出的幾何體的兩個優化目標都較原模型有所改善。

從這個“帕雷托邊界”中，我們選擇了三種不同的設計：

1. 變形量最小，它的質量稍微增加，

2. 質量最小，也有明顯的低變形，

3. 最后是一種折中設計，它的變形非常小，但質量也稍微低一些。

以上DOE結果說明，從生成的數據庫中選擇效果不同的設計是可行的。