计算机优化设计方法研究应用

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摘要：以保证产品质量和追求产品利润为目标的优化设计方法已经在当今的产品开发和设计领域有了广泛的应用，文中就当今优化设计方法进行了概述，并结合实例就优化设计方法在产品开发过程中的应用进行了详细介绍。

关键词：流体分析；参数化；优化设计；ANSYSWORBENCH

引言

随着计算机科学的高速发展，当今诸多机械设计方法已经从传统的经验设计步入了计算机辅助设计的快速设计阶段，由于设计软件将各种抽象繁琐的设计理论集成到软件之中，并且以直观易用的界面展示，使得原本需要具备相当丰富的专业知识才得以应用的设计方法在借助软件的条件下也变得能轻松上手，快速应用。产品质量关乎企业的生存和发展，如何在过硬的产品质量前提下寻求产品的最佳利润是当今企业都在关注的问题，也使得优化设计方法在产品开发和设计中越来越受重视。现ANSYSWORBENCH已经为优化设计提供了一个几乎完美的方案，可以高度自动化地实现优化设计。文中将结合实际应用介绍如何借助ANSYSWORBENCH进行优化设计的全过程。

1优化设计方法介绍

在保证产品质量即使产品某些性能达到目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产品的指标或性能达到最期望的目标，就是优化设计方法。例如，在保证零件强度满足要求的前提下，通过改变某些设计变量，使其重量最轻结构最合理，这不但使得耗材上得到了节省，也降低了运输成本。再如改变各散热电器设备的安装位置，使设备舱内温度峰值降到最低，也是一个典型的优化方法应用实例。优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。基于数值分析技术的CAE方法，显然不可能对我们的目标得到一个解析函数，CAE计算所求得的结果只是一个数值。然而，样条插值技术又使CAE中的优化成为可能，多个数值点可以利用插值技术形成一条连续的可用函数表达的曲线或曲面，如此便回到了数学意义上的极值优化技术上来。样条插值方法当然是种近似方法，通常不可能得到目标函数的准确曲面，但利用上次计算的结果再次插值得到一个新的曲面，相邻两次得到的曲面的距离会越来越近，当它们的距离小到一定程度时，可以认为此时的曲面可以代表目标曲面。那么，该曲面的最小值，便可以认为是目标最优值。以上就是CAE方法中的优化处理过程。

2ANSYSWORBENCH优化过程

在ANSYSWORBENCH中，一个典型的优化过程通常需要经过以下的步骤来完成（见图1）。

3一个简单的优化实例

结合冷却系统风道设计过程详细讲述如何使用ANSYSWorkbench在DesignExplorer环境下进行优化设计的过程。动车组牵引系统冷却方案是采用一台风机同时为一个转向架上的两台电机冷却，两台电机如何能得到均衡的风量是风道设计的难点，解决此问题的方法是在风道中设置导流板控制两支路的风量，导流板的位置设置以往是根据设计师的设计经验并逐步尝试后得到，由于反复修改模型和计算需要耗费大量时间，使得风道设计成为一项枯燥的工作，现今的计算机优化设计方法使得这一工作变得简单，图2所示是冷却系统风道去除安装座后的简化结构。要对风道的分流比进行计算需要用到风道的流体模型，使用ANSYSWORBENCH中的基础建模模块中抽取的流体计算模型。使用ANSYSWORBENCH分析系统中的FluidFlow（FLUENT）进行计算分析，将流体计算模型导入计算系统后首先设置需要优化的变量，本例将风道导流板与坐标系之间的角度定义为可变参数，目标便是寻求一合适大小的角度以满足分流比等于1的要求。设置好角度变量后，进入网格划分模块，采用系统默认的AutomaticMethod对流体计算模型进行网格划分。启动FLUENT对计算进行设置，如果计算机是多核的，建议采用平行计算模式，这样会加快计算。进入FLUENT设置计算模型、边界条件、初始化等，设置完成后保存，回到交互界面进行计算，计算完成后，在后处理模块设置目标变量，如图3所示。设置完成后进行计算，如果计算分割点较多，计算可能要花费较多的时间，不过计算过程是全自动的，只要设置准确，全过程无需设计人员参与。计算完成后，每一个设计位置都会给出相应结果，也可以导出使用EXCEL进行查看和处理，本例导出后的数据如表2所示。各设计位置也给出了非常直观的显示方法，如图4所示，这种显示方法对于观察非常庞大的设计位置的计算结果很有用，通过观察结果分布可以很容易观察到有无需要的结果包含在里面，以此来判断可变参数的计算范围选取的是否恰当。图5所示是各设计位置解在目标上的分布，从图中可以很直观的看到，有两个解处于0.95～1.05范围内。由于设计位置可以连续变化，有理由相信，在这两个解之间的某个位置就有使得分流比等于1的设计位置。使用目标驱动优化模块，对各实验设计位置进行计算后，设置目标变量的优化目标等于1，进而进行计算以得出所需目标所对应的变量值。为了确保优化结果的准确性，将优化后的设计位置代入原模型进行计算。经计算得到分流比为0.998，满足设计要求。图6所示是优化后的风道流场。在风道进行详细设计时为确保风道的强度足够和支路内流场平顺，在风道两支路内部需要设置足够数量的导流板，由于内部导流板对两支路流量分配不会造成影响，所以在做优化设计时没有进行考虑。

4结论

文中所举的风道设计只是一个在ANSYSWORBENCH平台下的简单应用，还有很多优化功能没有体现出来，相信随着软件的不断普及和应用的深化，会给设计和研发企业带来越来越高的利润。

参考文献：

[1]Q/SF71-017-2010，高速动车组牵引电机冷却系统主风道设计与试验准则[S].2010.

[2]陈杰.运用ANSYS_Workbench快速优化设计.2009.

[3]许京荆.ANSYS12.0软件培训.2010.

作者：高乐乐 李慧 单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司