流體拓?fù)鋬?yōu)化的案例
CFD專欄丨Altair AcuSolve 流體拓?fù)?/em>優(yōu)化案例分享
Altair? OptiStruct? 的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)已經(jīng)廣泛用于航空航天，車輛等結(jié)構(gòu)部件的減重項目。在2021.2版本中，通用計算流體力學(xué)模塊AcuSolve 新增了CFD的拓?fù)鋬?yōu)化功能。
OptiStruct的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化
AcuSolve的流體拓?fù)鋬?yōu)化
CFD拓?fù)鋬?yōu)化方法需要先創(chuàng)建一個設(shè)計空間，在此空間內(nèi)軟件算法自動尋優(yōu)，逐步去除多余的空間體積，找出最佳的流道形狀。
【今晚】ANSYS官方Fluent直播培訓(xùn)：Fluent高效智能流體優(yōu)化及最佳實踐介紹
本期研討會：《Fluent Adjoint Solver高效智能流體優(yōu)化及最佳實踐介紹》將于11月19日 20:00-21:00舉辦。
直播主題
Fluent Adjoint Solver高效智能流體優(yōu)化及最佳實踐介紹
日期/時間
2019年11月19日
20:00 – 21:00
課程受眾
ANSYS Fluent Adjoint Solver是一個高效智能流體優(yōu)化模塊，根據(jù)給定的目標(biāo)（氣動載荷、壓降、效率、溫度等）對流體分析系統(tǒng)進(jìn)行智能的設(shè)計改進(jìn)，得到最優(yōu)解。Fluent Adjoint Solver高效流體拓?fù)鋬?yōu)化可用于各行業(yè)場景相關(guān)的流體優(yōu)化，如飛行器氣動外形優(yōu)化、內(nèi)流管路設(shè)計優(yōu)化、旋轉(zhuǎn)設(shè)備效率設(shè)計優(yōu)化、散熱裝置散熱特效優(yōu)化等。
講師簡介
張理想
流體仿真軟件專家，對流體仿真相關(guān)軟件及多學(xué)科優(yōu)化有系統(tǒng)性了解和研究，現(xiàn)任ANSYS中國流體高級工程師，負(fù)責(zé)ANSYS流體及相關(guān)軟件的售前推廣，對ANSYS流體產(chǎn)品、多學(xué)科優(yōu)化、飛行結(jié)冰、多物理場耦合、ANSYS平臺方案等有關(guān)產(chǎn)品及方案應(yīng)用有全面的了解和經(jīng)驗。
展開 抽華為MATE30：Fluent Adjoint Solver高效智能流體優(yōu)化及最佳實踐介紹
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張理想
流體仿真軟件專家，對流體仿真相關(guān)軟件及多學(xué)科優(yōu)化有系統(tǒng)性了解和研究，現(xiàn)任ANSYS中國流體高級工程師，負(fù)責(zé)ANSYS流體及相關(guān)軟件的售前推廣，對ANSYS流體產(chǎn)品、多學(xué)科優(yōu)化、飛行結(jié)冰、多物理場耦合、ANSYS平臺方案等有關(guān)產(chǎn)品及方案應(yīng)用有全面的了解和經(jīng)驗。
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ANSYS Fluent Adjoint Solver是一個高效智能流體優(yōu)化模塊，根據(jù)給定的目標(biāo)（氣動載荷、壓降、效率、溫度等）對流體分析系統(tǒng)進(jìn)行智能的設(shè)計改進(jìn)，得到最優(yōu)解。Fluent Adjoint Solver高效流體拓?fù)鋬?yōu)化可用于各行業(yè)場景相關(guān)的流體優(yōu)化，如飛行器氣動外形優(yōu)化、內(nèi)流管路設(shè)計優(yōu)化、旋轉(zhuǎn)設(shè)備效率設(shè)計優(yōu)化、散熱裝置散熱特效優(yōu)化等。
講師簡介
張理想
流體仿真軟件專家，對流體仿真相關(guān)軟件及多學(xué)科優(yōu)化有系統(tǒng)性了解和研究，現(xiàn)任ANSYS中國流體高級工程師，負(fù)責(zé)ANSYS流體及相關(guān)軟件的售前推廣，對ANSYS流體產(chǎn)品、多學(xué)科優(yōu)化、飛行結(jié)冰、多物理場耦合、ANSYS平臺方案等有關(guān)產(chǎn)品及方案應(yīng)用有全面的了解和經(jīng)驗。
展開 
金屬3D打印如何優(yōu)化流體歧管？
流體歧管是連接兩個或多個流體管道或通道的部件。雖然概念上很簡單，但此類部件在所屬系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。您可以采用提高流體歧管性能的方式來提升整個系統(tǒng)的性能。由于存在局限性，傳統(tǒng)制造工藝經(jīng)常無法對流體歧管進(jìn)行優(yōu)化。重量和體積過大、尖角、滯流區(qū)和多個易漏連接點等問題很常見。
金屬增材制造(AM)能夠以傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)的方法優(yōu)化流體歧管。經(jīng)增材制造優(yōu)化后的部件采用整體設(shè)計，無需組裝操作，能夠生產(chǎn)有機(jī)的薄壁形狀，還減少了最終組件的重量和體積。這些優(yōu)勢在半導(dǎo)體設(shè)備等應(yīng)用中尤其有益，半導(dǎo)體設(shè)備的特點是在潔凈環(huán)境中封裝密實、快速運動的組件，其包含許多流體管道。增材制造組件旨在提供更好的性能，在一些應(yīng)用中，測得的干擾力最高降低了90%。
由于對流體歧管傳統(tǒng)制造的現(xiàn)有設(shè)計均是針對這些工藝的局限性而打造，因此通常效率較低。出于此原因，我們建議從頭開始設(shè)計優(yōu)化的增材制造歧管。不過，好消息是，通常只需要一到兩次設(shè)計迭代就可以得到可用于增材制造的歧管設(shè)計。
增材制造流體歧管的示例
增材制造流體歧管用于各個行業(yè)中所用的快速運動組件的流體連接。在這些以性能為主的環(huán)境中，增材制造優(yōu)化所帶來的優(yōu)勢是關(guān)鍵。增材制造可以減輕重量來獲得更好的慣性結(jié)果，消除尖角以更好地控制壓力下降和干擾，并通過最大程度減少連接點來降低泄漏風(fēng)險。
推動流體歧管應(yīng)用采用增材制造的關(guān)鍵因素
使用增材制造的好處通常是相互關(guān)聯(lián)的。無論項目的主要目標(biāo)是什么，例如因空間有限而進(jìn)行包裝，都可以通過巧妙的設(shè)計策略來實現(xiàn)所有這些好處，令產(chǎn)品的表現(xiàn)超越主要目標(biāo)（例如，減輕重量和改善流動性）。
展開 優(yōu)化設(shè)計之拓?fù)?/em>優(yōu)化
換句話說，對稱條件優(yōu)先鑄造方向
設(shè)計組/非設(shè)計組
非設(shè)計組
1)邊界條件或與其他部分的連接方式已經(jīng)明確的受載荷部分，或已設(shè)計好而不需要優(yōu)化的部分
2)盡管設(shè)計組和非設(shè)計組都包括在相關(guān)的分析中，非設(shè)計組中的單元密度始終為1
3)不受制造條件影響，因為它被排除在優(yōu)化之外并被固定
小貼士：
非2D或3D單元將自動被考慮為非設(shè)計組，即使它們被包含在設(shè)計組。
當(dāng)在優(yōu)化設(shè)計的后處理中創(chuàng)建分析模型時，它們將不會被作為非設(shè)計組并可能不包含在已自動重新生成的模型當(dāng)中
拓?fù)鋬?yōu)化問題的類型組成
midas NFX拓?fù)鋬?yōu)化支持線性靜力、模態(tài)、頻率響應(yīng)
分析流程
應(yīng)用案例：
NFX拓?fù)鋬?yōu)化支持3D單元和2D單元拓?fù)鋬?yōu)化
吊鉤是起重機(jī)中常用的取物裝置，試通過拓?fù)鋬?yōu)化分析，獲得能夠降低材料成本的最佳設(shè)計
前處理：
第一步：幾何導(dǎo)入（此處忽略）
第二步：材料定義（此處忽略）
第三步：單元特性定義（此處忽略）
第四步：網(wǎng)格劃分
第五步：邊界條件定義
第六步：荷載定義
分析工況定義
運行分析
后處理（結(jié)果查看）
展開 拓?fù)?/em>優(yōu)化實例-輪轂的優(yōu)化 ￥19.89
拓?fù)鋬?yōu)化實例-輪轂的優(yōu)化
ANSYS Workbench的新版本集成了topology optimization模塊，為用戶的拓?fù)鋬?yōu)化提供的很好的應(yīng)用。
通過拓?fù)鋬?yōu)化topology optimization模塊的使用可以對拓?fù)?/em>有較好的理解，該模塊拓?fù)鋬?yōu)化可以簡單概括為一句話：如何在合適的位置去除確定的材料使用量，而相應(yīng)的剛度變化影響最小。
本例以汽車輪轂為例，來確定輪轂的輻條形狀。
1.建立模型
DM中可以建立1/5的輪轂?zāi)Ｐ停⒁粋€簡單的三角形，由于優(yōu)化主要是去除材料，故一般建立實體模型，如圖所示
2.劃分網(wǎng)格
該模型劃分簡單，直接劃分成為相應(yīng)的六面體，最好設(shè)置為單層網(wǎng)格，否則在厚度方向也會設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)化
3.設(shè)置求解
拓?fù)鋬?yōu)化分析需要有結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，將結(jié)果讀取到拓?fù)鋬?yōu)化，進(jìn)而設(shè)定相應(yīng)的材料去除百分比，進(jìn)行優(yōu)化。
該分析先進(jìn)行靜力學(xué)分析，采用對稱設(shè)置，內(nèi)圓固定，外圓施加載荷1Mpa。靜力學(xué)結(jié)果如果所示
后面設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化，主要設(shè)置為優(yōu)化的物體、優(yōu)化的目標(biāo)、優(yōu)化約束，設(shè)置材料保留的百分比，計算即可
4. 結(jié)果
提取結(jié)果，可以查看最后的優(yōu)化形狀
5.將結(jié)果提取到spaceclaim，然后整理后重新結(jié)算結(jié)構(gòu)來驗證結(jié)果，擴(kuò)展顯示如下所示，和實際輪轂圖片對比可見拓?fù)?/em>相似性很高
另外，網(wǎng)格劃分的密度影響結(jié)果，邊界條件的施加同樣影響結(jié)果，所以需要綜合考慮網(wǎng)格密度，施加受力位置等因素
以下為workbench 的計算源文件，包含三個分析，供參考
展開 結(jié)構(gòu)優(yōu)化從入門到精通-拓?fù)?/em>優(yōu)化簡介
</p><p>以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題是一種通俗說明，如何從優(yōu)化專業(yè)的角度來說明這個問題呢？</p><h2>推薦大家使用<strong>DRCO</strong>的方法：</h2><p><strong>D</strong>(Design Variables)-設(shè)計變量，也就是意圖改變的結(jié)構(gòu)區(qū)域或者參數(shù)等。</p><p><strong>R</strong>(Responses)-優(yōu)化響應(yīng)，關(guān)注的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，如重量，體積，載荷工況下的位移和應(yīng)力，疲勞壽命，振動頻率等。</p><p><strong>C</strong>(Constraints)-優(yōu)化約束，約束是對優(yōu)化響應(yīng)的約束，即控制關(guān)注的某些結(jié)構(gòu)性能參數(shù)在設(shè)計要求范圍內(nèi)，例如位移小于0.7mm。</p><p><strong>O</strong>(Objective)-優(yōu)化目標(biāo)，即最大化（最小化）關(guān)注的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，例如重量最小。</p><p>下面演示C型夾結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化DRCO在HyperWorks最新版本中的定義流程。模型導(dǎo)入到HyperWorks中后，需要熟悉有限元模型，首先檢查模型的載荷邊界條件，其次查看優(yōu)化區(qū)域的單元類型。本案例是一個用2D單元（PShell屬性）建立的有限元靜力學(xué)模型。</p><p>拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的查看在HyperView中進(jìn)行，HyperView中有專門針對仿真優(yōu)化結(jié)果展示和可視化的模塊，對于強(qiáng)度耐久分析結(jié)果，該模塊將提供豐富的結(jié)果展示功能，包括圖表、動畫、云圖等，幫助用戶更好地理解和解釋疲勞分析的結(jié)果，并支持結(jié)果的導(dǎo)出和共享。對于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，該模塊提供針對性的拓?fù)鋬?yōu)化動圖展示，并支持拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的導(dǎo)出，便于設(shè)計工程師結(jié)構(gòu)重構(gòu)。
展開 拓?fù)?/em>優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化算例
拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化算例
基于拓?fù)?/em>優(yōu)化方法的支柱布局優(yōu)化設(shè)計 ￥10
如何在確保安全的前提下盡可能布置較少的支柱以提高甲板間空間的利用率，需要通過一種有效的優(yōu)化策略，應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法來確定其優(yōu)化位置。該問題屬于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題。
目前，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空航天、建筑工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而目前大部分關(guān)于拓?fù)鋬?yōu)化的研究，多是將精力集中在對結(jié)構(gòu)材料布局的優(yōu)化設(shè)計上，即在給定的邊界條件及工況下，設(shè)計出能達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的結(jié)構(gòu)型式。而將拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化問題的研究尚不多見，盡管如此，現(xiàn)有的些許研究已經(jīng)表明其具備一定的可行性。因此，本文擬采用拓?fù)鋬?yōu)化方法，開展支柱布局優(yōu)化設(shè)計的研究工作，為船舶支柱的前期設(shè)計工作提供技術(shù)支撐。
由于帖子中公式、圖片等編輯不是很方便，因此具體內(nèi)容可見附件文檔。該文章為本人于2018年參加Altair技術(shù)大會的演講論文，在此和大家進(jìn)行分享與交流。
基于拓?fù)鋬?yōu)化方法的支柱布局優(yōu)化設(shè)計.pdf
歡迎大家就此問題開展交流探討。以下收費內(nèi)容為文章中懸臂梁算例與支柱布局模型的計算結(jié)果文件，有需要的童鞋可自行獲取，謝謝！
展開 雙向漸進(jìn)優(yōu)化拓?fù)?/em>優(yōu)化方法（BESO） ￥1.99
目前已知的拓?fù)鋬?yōu)化方法主要包括均勻化方法、變密度法、水平集法和進(jìn)化算法。其中以變密度法應(yīng)用最多，是目前主流的商業(yè)軟件使用的方法。今天主要介紹進(jìn)化算法，進(jìn)化算法是謝億民教授提出的優(yōu)化算法，該方法的思想在于剔除結(jié)構(gòu)中的低效單元，保留對結(jié)構(gòu)有益的單元，這種優(yōu)化方法具有方法簡單，可直接借用商用有限元軟件實現(xiàn)等優(yōu)點，這種方法不產(chǎn)生中間密度單元，經(jīng)過改進(jìn)也能避免拓?fù)鋬?yōu)化中常見的數(shù)值不穩(wěn)定，如棋盤格、多孔和網(wǎng)格依賴性等問題，具有良好的應(yīng)用前景。
圖1 是一個簡單的進(jìn)化方法優(yōu)化的例子，通過逐漸刪除受重力作用下物體內(nèi)的低應(yīng)力單元，此物體最終進(jìn)化為一個蘋果的形狀。優(yōu)化開始時，原始模型中全部為實體單元，在迭代過程中，將部分低效單元替換為空單元，賦予其低彈性模量，使得其對結(jié)構(gòu)影響不大。如果在接下來的迭代過程中，某些空單元被發(fā)現(xiàn)可對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有益的作用，則將其轉(zhuǎn)化為實體單元，這也是這種方法被稱為雙向的原因，即單元可根據(jù)需要實現(xiàn)增加和刪除。
展開 
基于Abaqus優(yōu)化模塊的汽車擺臂的拓?fù)?/em>優(yōu)化 ￥8
概述
目前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計大多靠經(jīng)驗，規(guī)劃幾種設(shè)計方案，結(jié)合CAE 分析擇優(yōu)選取，但規(guī)劃的設(shè)計方案并不一定是最優(yōu)方案，故本文講解應(yīng)用Abaqus 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。
2. 優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)
2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一種對有限元模型進(jìn)行多次修改的迭代求解過程，此迭代基于一系列約束條件向設(shè)定目標(biāo)逼近，Abaqus 優(yōu)化程序就是基于約束條件， 通過更新設(shè)計變量修改有限元模型，應(yīng)用Abaqus進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，讀取特定求解結(jié)果并判定優(yōu)化方向。
Abaqus提供了兩種基于不同優(yōu)化方法的用于自動修改有限元模型的優(yōu)化程序：拓?fù)鋬?yōu)化（Topology optimization）和形狀優(yōu)化（Shape optimization）。兩種方法均遵從一系列優(yōu)化目標(biāo)和約束。
2.2 拓?fù)鋬?yōu)化
拓?fù)鋬?yōu)化是在優(yōu)化迭代循環(huán)中，以最初模型為基礎(chǔ)，在滿足優(yōu)化約束（比如最小體積或最大位移）的前提下，不斷修改指定優(yōu)化區(qū)域單元的材料屬性（單元密度和剛度），有效地從分析模型中移走單元從而獲得最優(yōu)設(shè)計。其主體思想是把尋求結(jié)構(gòu)最優(yōu)的拓?fù)?/em>問題轉(zhuǎn)化為對給定設(shè)計區(qū)域?qū)で笞顑?yōu)材料的分布問題。
Abaqus拓?fù)鋬?yōu)化提供了兩種算法：通用算法（General Algorithm）和基于條件的算法（Condition-based Algorithm ）。
通用拓?fù)鋬?yōu)化算法是通過調(diào)整設(shè)計變量的密度和剛度以滿足目標(biāo)函數(shù)和約束，其較為靈活，可以應(yīng)用到大多數(shù)問題中。相反，基于條件的算法則使用節(jié)點應(yīng)變能和應(yīng)力作為輸入數(shù)據(jù)，不需要計算設(shè)計變量的局部剛度，其更為有效，但能力有限。兩種算法達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的途徑不同，Abaqus 默認(rèn)采用的是通用算法。
3.
展開 ANSYS 拓?fù)?/em>優(yōu)化 無法查看優(yōu)化結(jié)果
請大師給看一下：
在workbench平臺上做拓?fù)鋬?yōu)化，載荷和受力設(shè)置正常，后處理正常，但是無法查看拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果
完全掌握workbench結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化（形狀優(yōu)化） ￥5
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workbench結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以分為兩類：拓?fù)鋬?yōu)化（形狀優(yōu)化）和參數(shù)優(yōu)化。
本文內(nèi)容：
workbench拓?fù)鋬?yōu)化實例詳解
下文目錄：
一：建模
二：加載
三：拓?fù)鋬?yōu)化
四：總結(jié)
多模型優(yōu)化MMO在整車拓?fù)?/em>優(yōu)化分析中的應(yīng)用
整個碰撞過程可以等效為4個靜態(tài)載荷點，在整車碰撞工況拓?fù)?/em>分析時，需要提取這四個點對應(yīng)位置的截面力載荷，并施加在對應(yīng)的位置，分析時考察4個線性靜態(tài)工況。
?
1點對應(yīng)吸能盒屈曲失效點，取此時吸能盒截面力；2點對應(yīng)前縱梁前端屈曲點，取此時前縱梁前端截面力；3點對應(yīng)前縱梁中段屈曲點，取此時前縱梁和shotgun截面力；4點對應(yīng)前縱梁后端屈曲點，取此時前縱梁、shotgun門檻梁、中通道、A柱截面力；5點對應(yīng)車身開始回彈點。
這里在介紹一下截面力提取的方法，正常處理過程是需要提前在模型中定義好截面，然后將截面力輸出才可以在后處理軟件中完成截面力的提取。這里介紹一下基于META后處理截面力的提取，不需要在模型中事先定義，只需要在后處理時即可完成任意截面的截面力的提取。即通過Meta-Calculate-Section Forces插件完成。
以上便完成了結(jié)構(gòu)正碰分析下靜態(tài)載荷工況分解以及對應(yīng)工況下截面力。在整車結(jié)構(gòu)碰撞工況對應(yīng)的柔度計算和結(jié)構(gòu)碰撞拓?fù)?/em>分析優(yōu)化時，分別應(yīng)用上述載荷創(chuàng)建對應(yīng)的工況以及在對應(yīng)的位置進(jìn)行加載即可。
三.多模型優(yōu)化
多模型優(yōu)化同時對多個模型進(jìn)行協(xié)同拓?fù)鋬?yōu)化，本例中包括車身剛度拓?fù)鋬?yōu)化和整車結(jié)構(gòu)碰撞拓?fù)鋬?yōu)化兩個模型。多模型優(yōu)化不需要太多的額外設(shè)置，只需要設(shè)置一個計算文件即可，提交計算時提交該文件即可。本例的MMO求解文件如下：
最后根據(jù)單模型拓?fù)鋬?yōu)化和多模型拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的解讀。完成概念階段整車拓?fù)鋬?yōu)化傳力路徑優(yōu)化。
以上簡單介紹了多模型優(yōu)化MMO在整車拓?fù)鋬?yōu)化分析中的應(yīng)用。后續(xù)還會介紹多模型優(yōu)化在參數(shù)優(yōu)化尺寸優(yōu)化中的應(yīng)用。
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