水力優化設計的案例
優化技術在水泵水力設計的應用
但是初步設計的產品如果通過CFD仿真得到的性能曲線不能滿足使用要求，往往需要不斷地修改流道形狀、進出口角度、幾何參數等，再通過仿真計算獲得結果。每改變一個參數都要重新在CFD中計算，如此往復，直到產品的性能能夠滿足設計要求，這樣設計者會花費很大的精力在上面。
基于葉輪機械設計-仿真-優化的一體化思路，在ANSYS Workbench平臺上可實現葉輪機械參數化設計、數值分析和優化設計的所有功能，其中一款專業分析軟件——OptiSLang是一款多學科優化、隨機分析、穩健與可靠性優化設計軟件，在真正意義上地進行葉輪機械的快速優化，幫助工程師更高效便捷地進行產品研發設計。
下面對ANSYS軟件水泵水力設計及優化流程做個詳細講解。
ANSYS水泵水力設計流程
1、傳統一維設計流程
傳統的離心泵葉片設計是基于一元設計理論設計方法，通過給定外特性參數以及介質屬性，利用相似換算或者速度系數的理論方法，確定葉輪的主要尺寸b2、D2、β2等參數，做幾次的經驗值修正，然后對葉片進行繪制，葉片繪型方法為方格網保角變換法。
方格網保角變換法的缺陷:
該方法一元設計理論流動是軸對稱的，即每個軸面上的流動均相同。
展開 優化技術在水泵水力設計的應用（下篇）
《優化技術在水泵水力設計的應用（上篇）》我們講到，ANSYS水泵設計流程中的三維設計。這次我們接下去講三維設計模塊中的具體操作以及TurboGrid網格劃分工具、三維CFD分析和ANSYS水泵優化流程詳解。
三維設計
BladeGen
在Vista cpd下面右鍵create new創建一個新的bladeGen文件，進入到三維設計的模塊。bladeGen是基于S1和S2兩流面理論，在這里可以對軸面流道進行調整，對不同span下的角度分布和厚度進行調整，得到一個比較好的流動狀態下的葉片形狀。
Vista TF
Vista TF是二維通流截面分析，通過快速的二維無粘計算，得到一個速度分布較均勻的軸面流道。
BladeEditor 參數化設計
BladeEditor是嵌入在DesignModeler中的模塊，在Workbench平臺下新建Geometry中啟動,對幾何模型進行參數化設置，可以看到在Blade _Camberline1的屬性中，所有參數化的點前面方框里都出現了D。點擊parameter set，可以看到設置了16個參數。
TurboGrid網格劃分
TurboGrid是一款專門針對葉輪機械的高度自動化六面體網格劃分工具，可以生成高質量的邊界層網格，其中ATM自動劃分方法，提高了計算效率，非常方便。
Workbench窗口中，拖拽TurboGrid組件連接到Geometry中，或鼠標右鍵點擊Geometry選擇Transfer Data To New TurboGrid。
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▲點擊可查看大圖
三維設計
BladeGen
在Vista cpd下面右鍵create new創建一個新的bladeGen文件，進入到三維設計的模塊。
三維設計模塊中具體操作要如何進行？
TurboGrid網格劃分工具如何使用？
三維CFD分析的詳細步驟是怎樣的？
ANSYS水泵優化流程包括哪幾步？
……
更多步驟分解和實操教程，敬請關注下期內容
優化技術在水泵水力設計的應用（下篇）
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展開 優化技術在水泵水力設計的應用（上篇）
1、OptiSLang的功能
- 參數敏感性分析
■ 確定影響產品性能或工程特性的最重要參數
- 設計優化
■ 多參數、多目標的優化
■ 確定性優化
■ 穩健性優化
■ 可靠性優化
■ 參數反演與反分析
- 穩健性分析
■ 產品性能的穩定性
- 可靠性分析
■ 產品的可靠度與失效概率分析
2、OptiSLang集成方式
n 過程集成
n 參數化模型是優化設計的基礎
用戶定義的優化設計變量空間
隨機生成的穩健性/可靠性分析空間
優化工具需要與求解器集成，求解器基于輸入參數對響應進行求解
n 求解器集成方式-直接集成模式
n OptiSLang被直接集成于ANSYS Workbench環境中
n 但推薦優先采用OptiSLang環境中的Workbench集成節點，因為采用這種方式可以更加靈活地選用OptiSLang環境中提供的所有求解節點搭建所需要的分析流程
通過以上對OptiSLang軟件簡單的介紹，大家對OptiSLang軟件有了初步的了解，下面對基于OptiSLang軟件的水泵水力設計及優化流程做個詳細講解。
ANSYS水泵水力設計流程
1、傳統一維設計流程
傳統的離心泵葉片設計是基于一元設計理論設計方法，通過給定外特性參數以及介質屬性，利用相似換算或者速度系數的理論方法，確定葉輪的主要尺寸b2、D2、β2等參數，做幾次的經驗值修正，然后對葉片進行繪制，葉片繪型方法為方格網保角變換法。
方格網保角變換法的缺陷
該方法一元設計理論流動是軸對稱的，即每個軸面上的流動均相同。
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優化技術在水泵水力設計的應用（下）
ANSYS水泵優化流程
基于后處理結果對水力設計進行優化、迭代，以滿足客戶使用要求。最終得到滿足要求的高性能葉輪水力。
OptiSLang敏感性分析
在Workbench的Toolbox中，雙擊OptiSLang下的Sensitivity。
進入參數化設計，在DOE里選擇拉丁超立方抽樣，樣本點先取100個（后續根據情況可繼續加點）。
通過CFD模擬改進離心泵水力設計
CFD模擬使離心泵內部的流動狀態可視化成為可能，并提供了有關泵的水力設計的寶貴信息。模擬結果用于計算和預測離心泵的性能，取代了過去漫長而昂貴的物理實驗。除了縮短整個設計周期外，還節省了大量的工作。
項目概況
在我們的案例研究中，我們將使用這個模擬項目作為模板：通過CFD模擬對離心泵設計進行優化。
該項目使用穩態多參考系（MRF）方法和k-ω SST湍流模型模擬了一臺典型的離心水泵。通過SIMPLE算法實現了壓力-速度耦合。MRF區域的旋轉速度為157.08 rad/s（1,500 rpm）。本項目研究了：1）出口葉片角和2）葉片數量對離心水泵性能的影響。使用SimScale對具有三個不同出口葉片角（即13、23和33度）和三個不同葉片數量（即6、8和10片）的葉輪的性能特性曲線以及局部和全局流量變量進行了數值預測。
所考慮的離心泵設計入口直徑為150 mm，出口直徑為151.5 mm，葉輪直徑為340 mm。域是使用SimScale平臺上的“快速十六進制網格”進行網格劃分的幾何體。生成的網格由大約450萬個單元組成，如下圖所示。
1.
展開 優化設計分析系列（一）:靜力學優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 離心/混流泵水力設計
以提升效率為目標進行尋優計算，智能實現葉輪的優化設計，達到更高的水力效率。
結構優化設計分析系列（三）：APDL在Workbench中的優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 結構優化設計分析系列（二）：熱固耦合優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 低頻水力脈沖延時先導閥設計計算及仿真
為產生低頻脈沖采油技術中的低頻脈沖波,設計了一種延時先導閥。闡述了延時先導閥的工
作原理,并根據延時先導閥的工作過程,建立了其開啟階段的特性方程。分析了影響先導閥工作頻
率的相關因素。以控制流量輸入進行了實例仿真,并對仿真結果進行了分析。
018-低頻水力脈沖延時先導閥設計計算及仿真.rar
018-低頻水力脈沖延時先導閥設計計算及仿真.rar
結構優化設計分析系列（四）：模態分析優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 優化設計之拓撲優化
優化設計又叫輕量化設計，稱之為結構優化設計，是指在給定約束條件下，按某種目標(如重量最輕、成本最低、剛度最大等)求出最好的設計方案，曾稱為結構最佳設計或結構最優設計。相對于“結構分析”而言，又稱“結構綜合”；如以結構的重量最小為目標，則稱為最小重量設計。-來源【結構優化設計_百度百科】
優化
設計的思路改變了傳統的"沉就是好，粗就是強”的誤區。
輕量化設計的設計思路是“砍結構為主，減材料為輔”的方式，通過改變實現方式省去冗余結構的方式進行主要的減重，并以對個體零件的鏤空、更換低密度材料等方式進行輔助。
拓撲優化
Topology Optimization
拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，是結構優化的一種。是在給定的3D幾何設計空間內對設計人員設置的定義規則集優化材料的布局及結構的過程。目標是通過對設計范圍內的外力、荷載條件、邊界條件、約束以及材料屬性等因素進行數學建模和優化，從而最大限度的提高零件的性能。
展開 【機械設計】機械結構優化設計之裝配工藝設計注意事項，總結的夠全夠專！
裝配工藝設計注意事項：
注意事項
不好的設計
改進后的設計
1.盡可能使裝配操作分開
(1)便于分解為組件，以便實現包括預裝配和終了裝配的裝配分級
(2)分解成若干裝配單元，便于平行作業，縮短裝配周期，又便于維修
圖示電動絞車，將減速器輸出軸與卷筒軸分開，用聯軸器聯接，二者就可各自單獨組裝，簡化了裝配，避免了長軸加工，并便于減速器的標準化、系列化
改進前軸承孔徑小于齒輪外徑，必須在箱內裝配齒輪；改進后，軸上各零件可先行組裝，后裝入箱內，既提高了工效，又便于維修
(3)轉塔車床加速行程軸一端安裝在機身上的箱體內，不便裝配；改進后將加速行程軸用聯軸器聯接，箱體成為單獨的裝配單元
(4)將傳動齒輪預先組成單獨的齒輪箱，然后裝入箱體，便于調整和裝配（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）
(5)裝配組可分開進行試驗，首先在變型設計時應如此
在整個機器中進行動平衡
轉子單獨進行動平衡
(6)力求不進行單個零件試驗而對裝配組件或產品進行功能試驗
展開 優化軟件OPTIMUS案例—車輛前部結構優化設計(PAMCRASH、MADYMO)
在汽車碰撞性能設計中，碰撞導致假人身上產生的載荷必須要盡可能小使得結構能符合政府規定的安全標準。在本案例演示了如何使用OPTIMUS通過改變車輛前部結構（圖1）的剛度特性使得在90度側碰過程中假人身上產生的總載荷最小。OPTIMUS集成了碰撞分析的仿真工作流、驅動碰撞分析軟件、探索設計空間并優化剛度特性。
優化軟件OPTIMUS案例—車輛前部結構優化設計(PAMCRASH、MADYMO).pdf
