行業：科研

    挑戰：開設一系列工程設計類課程。

    Altair 解決方案：OptiStruct 和 HyperStudy

    優點：利用先進的計算機輔助設計 (CAE)工具使學生獲得解決實際 工程問題的能力。

    背景介紹 

    西北大學坐落于美國伊利諾州埃文斯頓市，作為一所一流的研究型學府，它為 全校師生提供了學術深造、個人成長和專業發展的絕佳機會。在 Chen Wei 博士、 教授的帶領下，機械工程學院集成設計自動化實驗室 (IDEAL) 重點研究如何基于 數值優化技術和統計學方法開發合理的設計方法，從而用于解決工程設計和產品實 現等復雜問題。問題的復雜性體現在多個方面，例如大量的物理關聯單元、設計仿 真過程的復雜度和計算成本、不同抽象層間信息的非均勻性、多方原因造成的不確 定性、沖突目標的跨學科協調，以及把握社會-技術聯系的難度。為解決上述問題， 可以利用強大的拓撲和外形優化技術，事先對制造過程失準可能導致的載荷、材料 屬性或幾何形狀變化進行分析。長期以來，集成設計自動化實驗室參與開發了涵蓋 工程優化、計算分析、高級計算和統計方法等產品與流程設計方法的工程設計類課 程以及相關的高年級頂點課程。    

    挑戰 

    目前，建模、仿真和優化等計算設計方法開始在工程設計決策中發揮越來越重 要的作用。創建和分析多套設計方案是工程設計的一大特點，而從眾多設計方案中 選出優先方案則是其中的一項必做工作。如果不借助計算方法，則很難甚至是不可能選出優先方案。 

    因此，讓工程設計專業的學生認識了解計算工具是至關重要的，利用這些工具， 他們可以對所參與的設計項目做出更合理、可靠的設計決策。就工程設計課程而言， 講授如何采用設計決策方法來解決工業問題已成為當務之急。通過工業項目的實 踐，工程專業的學生可以掌握必備的實踐經驗，從而便于在日后工作中解決實際的 設計問題。另外，通過在研究生階段教授這些工具的應用，學生將可以利用高級計 算技術來解決學位論文或專題研究中的問題。     

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    “我謹代表我的學生，感謝 Altair 對我們的教學工作給予的大力支持。” 

                                                                                                               Dr. Wei Chen 

                                                                                                               Wilson-Cook 工程設計教授 

                                                                                                               機械工程教授兼集成設計自動化實驗室 (IDEAL) 主任                                                                                                                

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    解決方案

    日前，西北大學已將 HyperWorks OptiStruct 和 HyperStudy 優化軟件應用于多門工程設計課程中。其間，機械工程學 院集成設計自動化實驗室(IDEAL)參與開發了四門計算設計類課程。其中，“工程設計的計算方法”(Computational Methods  for Engineering Design)為高年級本科課程和低年級研究生課程，被列為機械工程學院和“西格設計學院”(Segal Design  Institute)的跨學科交叉課程?！爱a品設計與制造的工程優化”(Engineering Optimization for Product Design and  Manufacturing)是第二門跨學科交叉課程，專門面向低年級研究生而開設。第三門課程是“工程設計”(Engineering Design)， 為高年級頂點設計課程。第四門課程是“高級工程計算與統計方法”(Advanced Computational & Statistical Methods for  Engineering)，以研究生為授課對象，重點研究優化計算方法，要求學生在本科階段具備相關基礎。引入上述課程之前， 計算設計并未納入西北大學的工程類課程計劃。隨著上述課程的引入，由企業主辦的眾多設計項目陸續展開，并隨即推出 一系列計算設計教程。下面介紹其中兩個教程。

    教程 1：沖壓模具設計 

    在這一設計教程中，學生就汽車沖壓模具系統中壓鑄型壓邊圈部件的最優設計方案展開了探討。經研究發現，原有的 壓邊圈無法成功壓合，但采用傳統方法創建輕質設計又不足以解決問題。為創建更好的設計方案，學生采用 OptiStruct 進 行了分兩步完成的拓撲優化分析和尺寸優化分析。 

    這次教程的目標是盡可能減少體積（從而減重），同時使部件達到容許應力并符合制造約束條件。

     第一個優化步驟是，采用拓撲優化方法來最大程度地減小壓邊圈材料中某塊選定體積的柔性度。第二個優化步驟是， 最大程度地減小壓邊圈的重量，同時確保可承載最大應力并符合壓邊圈壁厚要求。經過以上兩個步驟，學生最終得到了一 個壁厚統一為 30mm 的壓邊圈設計，并盡可能做到了輕量化。   

    教程 2：卡車車架優化 在這一設計教程中，學生就包含前后橫梁和叉形桿件的部分車架前端結構進行了評估。 該教程提供了該部分結構的網格劃分幾何，并在其中施加了真實行車情況下的載荷與邊界條件。 其間，學生采用 OptiStruct 對優化后的車架結構幾何進行了計算。經過拓撲優化，叉形桿件中心附近的車架材料得以 被移除。之后，學生進行了尺寸優化，最終得到了厚度為 6mm 的叉形桿件和厚度為 7mm 的最優橫梁結構。  

    結論 

    從 2008 年起，Altair 開始面向其在美國的高?？蛻敉菩歇剬W金計劃，旨在建立專注于 HyperWorks CAE 軟件教學與科 研應用的區域性技術中心。這一獎學金計劃為優秀學生的培養提供了有力支持，并促進了 HyperWorks 在學術課程中的應 用。作為這一計劃的一部分，Altair 攜手各獲助高校聯合舉辦每半年一次的專題研討會，重點圍繞學校師生及當地企業所展 開的成功案例進行探討。作為首個獲得 Altair 獎學金贊助的高校，西北大學重點扶持集成設計自動化實驗室，面向研究生 教授計算優化領域的課程。在一次設計大賽上，這些學生的項目得以成功亮相，表現十分搶眼。賽中，每位學生都必須將 所解決的設計問題、所用的方法、最終結果以及視覺圖在一張海報大小的大型展示板上作出簡要描述和勾勒。   

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