熱拓?fù)鋬?yōu)化仿真的案例
基于COMSOL的熱拓?fù)?/em>優(yōu)化仿真 ￥500
<p>拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimization）是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。</p><p>本案例采用COMSOL軟件，基于移動(dòng)漸近線優(yōu)化法對(duì)一初始設(shè)計(jì)域?yàn)檎叫蔚慕Y(jié)構(gòu)，中心有一圓形熱源區(qū)域，進(jìn)行了熱拓?fù)鋬?yōu)化模擬，仿真結(jié)果如下視頻所示：</p><p> <img src="/images/content/youku-case.png"> </p><p><br></p><p>感興趣的朋友可下載模型詳細(xì)了解情況，歡迎交流</p>
展開 Comsol熱拓?fù)?/em>優(yōu)化
拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimization）是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。結(jié)構(gòu)優(yōu)化可分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。
為 LED 和計(jì)算機(jī)芯片等小型電子設(shè)備設(shè)計(jì)散熱器需要在設(shè)計(jì)要求之間實(shí)現(xiàn)微妙的平衡：它們需要盡可能小巧輕便，同時(shí)還要提供極其強(qiáng)大的散熱性能。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的散熱器太重，我們可以使用拓?fù)鋬?yōu)化來減少質(zhì)量，同時(shí)盡可能少地犧牲冷卻功率。
COMSOL 支持任意目標(biāo)函數(shù)靈敏度的高效自動(dòng)計(jì)算，這對(duì)于基于梯度的優(yōu)化以及所有拓?fù)鋬?yōu)化都至關(guān)重要。其中亥姆霍茲濾波，其中包含一個(gè)過濾半徑，可用于明確控制最小特征尺寸。
控制不同的亥姆霍茲濾波半徑，獲得不同粗細(xì)程度的分叉。
簡(jiǎn)單的一個(gè)熱拓?fù)鋬?yōu)化示例圖，降低了最高溫度60度。
展開 COMSOL 助力聲學(xué)拓?fù)?/em>優(yōu)化：如何引入熱粘性損耗？
今天，來自丹麥 GN Hearing 公司的特邀作者 René Christensen 與我們一起討論如何在微型聲學(xué)設(shè)備的拓?fù)鋬?yōu)化中加入熱粘性損耗。
拓?fù)鋬?yōu)化有助于工程中在特定先驗(yàn) 目標(biāo)的指導(dǎo)下，以更優(yōu)的方式進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，拓?fù)鋬?yōu)化主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，在熱學(xué)、電磁學(xué)和聲學(xué)領(lǐng)域亦有所應(yīng)用。直到去年，微觀聲學(xué)才出現(xiàn)在這個(gè)名單中。本篇文章介紹了一種包含熱粘性損耗的微觀聲學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化新方法。
標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化
之前一篇關(guān)于聲學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化的文章概述了相關(guān)的基礎(chǔ)理論，并列舉了數(shù)個(gè)案例。聲學(xué)描述采用亥姆霍茲波動(dòng)方程。借此方程，我們可以對(duì)各種不同應(yīng)用進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，比如揚(yáng)聲器箱體、波導(dǎo)、室內(nèi)裝飾、反射器布置和類似的大型幾何結(jié)構(gòu)。
控制方程是標(biāo)準(zhǔn)的波動(dòng)方程，材料參數(shù)通過密度 和體積模量 K 來指定。在拓?fù)鋬?yōu)化中，密度和體積模量通過變量 進(jìn)行插值。理想情況下，此插值變量采用二進(jìn)制值：0 代表空氣，1 代表固體。不過，在優(yōu)化過程中，它的值遵循插值公式，例如圖 1 的固體各向同性材料罰函數(shù)（solid isotropic material with penalization，簡(jiǎn)稱 SIMP）模型。
圖 1：標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化的密度和體積模量插值。為了在同一張繪圖中顯示兩個(gè)值，我們省略了單位。
該方法適用于那些可以忽略的熱粘性損耗（靠近壁面的聲學(xué)邊界層中）的應(yīng)用。優(yōu)化域可耦合到狹窄區(qū)域中，例如利用均質(zhì)模型來描述的狹窄區(qū)域（這是壓力聲學(xué)、頻域 接口中的狹窄區(qū)域聲學(xué) 特征）。不過，如果發(fā)生熱粘性損耗的狹窄區(qū)域自身的形狀產(chǎn)生了變化，此優(yōu)化算法便不再有效，波導(dǎo)橫截面變形便屬于此類情況。
熱粘性聲學(xué)（微觀聲學(xué)）
對(duì)于諸如助聽器、移動(dòng)電話、特定超材料幾何結(jié)構(gòu)等微觀聲學(xué)應(yīng)用，聲學(xué)方程一般需要顯式添加熱粘性損耗，這是因?yàn)橹饕獡p耗發(fā)生在靠近壁的聲學(xué)邊界層中。
展開 基于ANSYS的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)?/em>優(yōu)化仿真分析
摘 要：本研究基于ANSYS軟件，針對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的拓?fù)?/em>結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開了仿真分析。首先，針對(duì)不同的工藝約束，建立了多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過比較不同拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的區(qū)別和優(yōu)劣勢(shì)，選取了最優(yōu)的拓?fù)鋬?yōu)化建模方法。隨后，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，建立了工程化結(jié)構(gòu)數(shù)模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在所建立的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)下，得到了一種在工藝約束下最優(yōu)的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)?/em>結(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)具有較好的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，可為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞：ANSYS;汽車轉(zhuǎn)向節(jié);拓?fù)鋬?yōu)化;工藝約束;多目標(biāo)優(yōu)化;力學(xué)性能;
1 引言
汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要部件，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響著汽車的操控性和安全性。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)通常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和試錯(cuò)方法，存在設(shè)計(jì)時(shí)間長、成本高、效率低等問題，同時(shí)難以滿足不同工況下的需求。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，基于拓?fù)鋬?yōu)化的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。在不同的工藝約束下，通過建立多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可以快速高效地得到優(yōu)化結(jié)果，有效提高轉(zhuǎn)向節(jié)的性能和質(zhì)量。此外，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)還可以大幅減少設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，提高設(shè)計(jì)效率和可靠性，同時(shí)降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化
2.1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)和功能
汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中非常重要的部件之一，主要起到連接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪轂的作用。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向操作傳遞到車輪，控制車輛的方向和行駛狀態(tài)。傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)通常采用鑄造或鍛造的方式制造，形狀比較固定，存在一些設(shè)計(jì)上的局限性。而拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)則可以通過對(duì)結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的得到，進(jìn)一步提高汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的性能和質(zhì)量[1]。
2.2 拓?fù)鋬?yōu)化在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
拓?fù)鋬?yōu)化作為一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用。
展開 
Abaqus拓?fù)?/em>優(yōu)化仿真案例講解
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Abaqus拓?fù)?/em>優(yōu)化（C 型）仿真案例講解
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Abaqus拓?fù)?/em>優(yōu)化（類扳手零件）仿真案例講解
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6_APDL基礎(chǔ)及仿真理論-多工況下的拓?fù)?/em>優(yōu)化
多工況下的拓?fù)鋬?yōu)化
!學(xué)習(xí)重點(diǎn)：
!1、 何為拓?fù)鋬?yōu)化
!區(qū)分尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是形狀優(yōu)化的一種特殊形式。網(wǎng)上資料和ansys help文件都有詳細(xì)說明。
!2、單一工況載荷下的拓?fù)鋬?yōu)化。單一工況拓?fù)?/em>操作流程很簡(jiǎn)單，APDL命令也很簡(jiǎn)單。Workbench也可以輕松實(shí)現(xiàn)。
!3、多工況下的拓?fù)鋬?yōu)化。需要apdl用到lswrite 命令。目前不清楚如何完全由workbench完成多工況的拓?fù)鋬?yōu)化。有可能在workbench中借助APDL命令來實(shí)現(xiàn)，按下不表，后期再做學(xué)習(xí)。(更新，這是以前寫的了。貌似workbench做多工況也毫無鴨梨了，感興趣的可以試試)
!案例如下：
! 平面應(yīng)力問題。一個(gè)100*100的平面。左邊固定，分別承受兩種工況載荷情況。兩種載荷并不是同時(shí)作用，所以要進(jìn)行多工況下的拓?fù)鋬?yōu)化分析。
首先，對(duì)只有向上作用力fy=100時(shí)，或者只有向下作用力fy = -100時(shí)進(jìn)行topo分析，結(jié)果如下圖
然后，對(duì)fy=100和fy=-100作為同一工況下加載，進(jìn)行topo分析，結(jié)果如下圖
然后，對(duì)多工況進(jìn)行topo分析，結(jié)果如下圖
上述結(jié)果可以證明，下列程序確實(shí)可以滿足多工況的拓?fù)鋬?yōu)化。但是處理起來復(fù)雜模型，還是多有不便，所以如何將其應(yīng)用到workbench，是下一次考慮的重點(diǎn)。
!APDL命令：
finish
/clear
/prep7 !進(jìn)入前處理
et,1,plane82 !定義能進(jìn)行topo分析的單元，將其編號(hào)為1，其他編號(hào)則不參與優(yōu)化。
展開 熱仿真和熱特性優(yōu)化 在汽車LED車燈上的應(yīng)用
圍繞LED的自身特點(diǎn)，光與熱的設(shè)計(jì)以及其他圍繞核心問題而衍生的其他流動(dòng)傳熱問題是整燈開發(fā)中尤為重要的部分， LED燈的設(shè)計(jì)研發(fā)，需要考慮與之相關(guān)的一系列問題：
整燈熱設(shè)計(jì)
模組熱仿真與設(shè)計(jì)
散熱器的選擇與設(shè)計(jì)
LED與PCB的熱設(shè)計(jì)與仿真
LED生命周期預(yù)測(cè)
LED光熱特性校核
風(fēng)扇型號(hào)選擇與位置優(yōu)化
熱界面材料的測(cè)試與仿真
太陽輻射仿真
水膜與內(nèi)部通風(fēng)情況預(yù)測(cè)
做為車燈研發(fā)中的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在整燈的設(shè)計(jì)與研發(fā)中具有功能與優(yōu)勢(shì)，對(duì)于LED來說，僅有仿真技術(shù)還很難達(dá)到精益研發(fā)的需求。研究開發(fā)階段仿真和測(cè)試結(jié)合將是新一代LED光熱一體化設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)之一。
以下，我們將提供在整燈研發(fā)過程中熱設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分的解決方案，用以完成如下工作：LED熱仿真與測(cè)試、車燈結(jié)構(gòu)件的溫度預(yù)測(cè)、太陽輻射問題的研究、冷凝仿真與水膜厚度預(yù)測(cè)。
1.LED熱仿真與測(cè)試
就LED前大燈研制成本而言，大體分為遠(yuǎn)近光燈模組，日行，轉(zhuǎn)向模塊，塑料件，傳動(dòng)裝置，位置傳感器，電控及光學(xué)系統(tǒng)等、在防霧處理這樣一個(gè)重要成本單元中，又有很大比例是模組設(shè)計(jì)，所以從模組研發(fā)著手，在縮短研發(fā)周期的前提下，降低余量和成本，對(duì)于車燈研發(fā)有很大的意義。
展開 基于Altair Inspire的方程式賽車懸架吊耳結(jié)構(gòu)仿真及拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)
本篇文章主要使用Altair Inspire對(duì)于方程式賽車的懸架吊耳進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真并通過多次迭代拓?fù)鋬?yōu)化的方式對(duì)其進(jìn)行輕量化處理。由最終優(yōu)化之后的仿真數(shù)據(jù)可看出在保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下吊耳經(jīng)過優(yōu)化后重量降低了39.77%，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)。
工況說明：
根據(jù)今年車隊(duì)賽車車重以及懸架設(shè)計(jì)，設(shè)定吊耳的安全載荷約為588N，同時(shí)吊耳以螺栓連接的方式固定在車身上，在仿真中可將吊耳與車身的連接以及所受載荷簡(jiǎn)化為螺栓連接以及作用于孔的分布力。同時(shí)參考懸架的設(shè)計(jì)通過計(jì)算可得力的方向與豎直方向夾角為15°斜向下。
設(shè)計(jì)過程：
首先根據(jù)賽車懸架以及車身的工況確定吊耳的尺寸以及孔位，并在catia上完成吊耳的初代模型的構(gòu)建，如圖1所示。需要注意的是由于是初代模型所以此時(shí)可以稍微將模型的體積設(shè)置得大一點(diǎn)。
圖1 吊耳初代模型
之后將初代模型導(dǎo)入inspire當(dāng)中，在分割好區(qū)域以及設(shè)置好工況之后進(jìn)行第一次的結(jié)構(gòu)仿真，第一次結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖2。
圖2 第一次仿真結(jié)果
然后便進(jìn)行第一次拓?fù)鋬?yōu)化，由于我們只打算進(jìn)行2次迭代優(yōu)化，所以需要盡可能地提高優(yōu)化效率，故在設(shè)置厚度約束時(shí)我們的最小厚度從1mm開始設(shè)置，每次增長1mm直到不再出現(xiàn)運(yùn)行將超過15min的提示，此時(shí)我們?cè)O(shè)置的最小厚度為5mm，同時(shí)相應(yīng)的最大厚度約束為15mm，同時(shí)優(yōu)化目標(biāo)選擇最大化剛度，如圖3所示。
圖3 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置
在拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算完成之后得到了第一代優(yōu)化結(jié)果，如圖4所示。以此結(jié)果為參考在inspire中構(gòu)建第一代優(yōu)化模型如圖5所示。需要指出的是可以利用模型的對(duì)稱性簡(jiǎn)化該建模過程。
展開 聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)芯片熱仿真分析流程迭代優(yōu)化應(yīng)用
與目前常用的遺傳算法和模擬退火算法等優(yōu)化算法相比，改進(jìn)Taguchi優(yōu)化算法表現(xiàn)出了以下優(yōu)點(diǎn)：
應(yīng)用簡(jiǎn)單
有效降低實(shí)驗(yàn)次數(shù)
快速的收斂速率
解的全局最優(yōu)性
最優(yōu)解與優(yōu)化的初始參數(shù)高度非相關(guān)
引入隨機(jī)機(jī)制，較高程度避免陷入局部最優(yōu)
引入充分的內(nèi)循環(huán)搜索機(jī)制提高最優(yōu)解可信度
Ackley 函數(shù)，Ackley函數(shù)是峰、谷相互交替函數(shù)， 但函數(shù)值變化不劇烈，整體朝全局最小值方向下降趨勢(shì)明顯，較易于收斂。此測(cè)試函數(shù)的 2D 視圖和等高線如下圖。
四
優(yōu)化算法應(yīng)用
應(yīng)用安世亞太自主開發(fā)的Hysim聯(lián)合仿真分析平臺(tái)，通過封裝集成優(yōu)化算法，對(duì)芯片熱仿真分析流程進(jìn)行迭代優(yōu)化，最終找到最佳PCB設(shè)計(jì)。
智能算法應(yīng)用介紹
利用智能化算法可以協(xié)助設(shè)計(jì)工程師快速、智能的尋找出最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，深度剖析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)算法、代理模型算法、優(yōu)化算法等算法的原理，并深入探討各類智能算法在產(chǎn)品敏感性分析、置信度評(píng)估、模型修正、迭代優(yōu)化等方面的應(yīng)用。
展開 
電池熱失控的仿真和優(yōu)化
圖3 熱失控以后噴發(fā)氣體造成的危害
熱失控過程中釋放出來的氣體包含H2，CO，CH4，DMC和其他（在某些情況下為有毒的）成分，這樣的混合氣體高度易燃。 在整包仿真中的意義是考核煙氣隔離蓋、泄壓閥數(shù)量&位置和排氣通道的設(shè)計(jì)優(yōu)化。
圖4氣體在環(huán)境下是否會(huì)自燃也是影響整個(gè)反應(yīng)的過程
2）泄壓閥的設(shè)計(jì)
目前電池包內(nèi)設(shè)計(jì)的泄壓閥，是確保電池系統(tǒng)內(nèi)可燃?xì)怏w在可控狀態(tài)下排出的最主要的設(shè)計(jì)手段，通過對(duì)泄壓閥的建模對(duì)于確定選擇泄壓閥的數(shù)量、位置和壓力釋放特性比較關(guān)鍵。
圖5 Etron、ES8和Model 3的泄壓閥設(shè)計(jì)
3）模組內(nèi)電芯熱傳遞的時(shí)間優(yōu)化
模組內(nèi)隔絕電芯熱傳播的手段主要是通過增加電芯的間距，間隔的隔熱材料，端板的絕緣防護(hù)和頂部絕緣煙氣蓋的設(shè)計(jì)。
圖6 在端板附近電芯引發(fā)熱失控的傳遞時(shí)間
4）煙氣隔離
有效的煙氣隔離設(shè)計(jì)主要是能夠影響模組內(nèi)的熱失控傳播時(shí)間，另一方面也有助于防止氣體對(duì)于模組上蓋的快速融化。
展開 【熱管理】某純電動(dòng)汽車空調(diào)采暖系統(tǒng)的仿真優(yōu)化
2)該模型優(yōu)化后達(dá)到了降低能耗的目的。針對(duì)于制熱系統(tǒng)相關(guān)部件的能耗分析，在控制策略以及余熱利用結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，能夠使PTC制熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性大幅提升。
3)該低溫制熱仿真模型有以下特點(diǎn):環(huán)境溫度的升高降低了系統(tǒng)制熱負(fù)荷;合理地選擇控制策略可顯著降低系統(tǒng)制熱過程的能耗;車輛工況會(huì)影響低溫制熱，從制熱系統(tǒng)來講車輛運(yùn)行速度越高，溫升越快，能耗越低。
文章來源:慧鏈汽車Link Auto
Flotherm熱仿真-網(wǎng)格優(yōu)化Tip-3
當(dāng)兩個(gè)塊之間出現(xiàn)微小的網(wǎng)格時(shí)（縱橫比過大，質(zhì)量太差），除了常規(guī)調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)外，可以嘗試微調(diào)模塊位置，在熱仿真中，物體極微小的移動(dòng)和尺寸變化不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，但對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量和求解計(jì)算的效率有很大改善。另外善于使用smoothing功能，能降低網(wǎng)格之間的比值，提升網(wǎng)格質(zhì)量。
基于參數(shù)優(yōu)化的 LED 驅(qū)動(dòng)電路 PCB 熱仿真分析
摘要
為提升車規(guī)級(jí)氛圍燈LED驅(qū)動(dòng)電路板(PCB)熱設(shè)計(jì)問題,該文提出了一種參數(shù)優(yōu)化仿真的分析方法?該方法基于熱傳導(dǎo)?熱輻射和熱對(duì)流原理,使用ANSYSICEPAK軟件,從PCB尺寸?過孔設(shè)置和材質(zhì)3個(gè)方面對(duì)參數(shù)進(jìn)行了熱仿真優(yōu)化實(shí)驗(yàn),分析了相同設(shè)計(jì)原理情況下,不同PCB布局和尺寸設(shè)計(jì)時(shí)熱仿真結(jié)果的差異性,并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電路熱性能的改善,滿足了車規(guī)級(jí)溫度的仿真要求?
關(guān)鍵詞：LED；熱仿真；ANSYS ICEPAK；印制電路板
作者：張開峰 1，安世龍 1，付 康 2，謝亞明 1，高 燕 1，萬國春 1
1. 同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 ；
2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，上海
隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展，汽車級(jí)電子元件的性能越來越優(yōu)越，以集成電路及芯片為主的微電子系統(tǒng)在信息、汽車電子等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。
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