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2016-11-12 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
摘要
優(yōu)化是對重量、應(yīng)力、成本、撓度、自然頻率或溫度因素進行計算,所有這些都以尺寸、載荷和約束、材料和/或制造要求為條件。挑戰(zhàn)在于在設(shè)計流程的初期,我們很少知道這些輸入。
本文考察了優(yōu)化過程中的一些基本概念、目前可供受“有限元分析”驅(qū)動的優(yōu)化過程使用的工具,然后將著重講述設(shè)計工程師如何在他們的日常工作中取得最好的優(yōu)化效果。
優(yōu)化簡介
十年前,設(shè)計工程師開始學(xué)習(xí)使用有限元分析 (finite element analysis,FEA)、計算流體力學(xué) (computational fluid dynamics,CFD) 和運動仿真等計算機輔助工程 (computer-aided engineering,CAE) 工具,并將它們作為盡快推出更好的設(shè)計的重要手段。他們相信,借助于這類工具所設(shè)計出的零部件、裝配體和產(chǎn)品能夠經(jīng)受住有可能加諸其上的最為粗暴的使用。不過,旨在滿足“最壞情況”的產(chǎn)品,對實際操作環(huán)境來說可能并非最佳設(shè)計。
它們可能會因要滿足安全與強度的要求而被過分設(shè)計,遠超出它們使用目的的
要求;或者非常難于制造,成本高昂。如果設(shè)計工程師進一步希望自己設(shè)計出
的產(chǎn)品就其功能而言是最好、最贏利的,則他們需要將下一個 CAE 步驟帶入產(chǎn)
品開發(fā)過程中,這就是優(yōu)化。
設(shè)計工程師眼中的優(yōu)化
設(shè)計優(yōu)化可以提高產(chǎn)品的價值,其手段有:提高產(chǎn)品在自身操作環(huán)境中的性能;或者減少用來制造產(chǎn)品的材料數(shù)量,降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
設(shè)計工程師理所當然是處在產(chǎn)品開發(fā)的最前線。現(xiàn)在,該工程師對設(shè)計分析肯
定已非常熟悉,也就是說,他或她已經(jīng)掌握了優(yōu)化過程所需的基本知識,所需
要的只是采取下一步操作的優(yōu)化工具。
通過加入優(yōu)化過程,設(shè)計工程師能夠增進對其產(chǎn)品表現(xiàn)的了解,并對設(shè)計加以
改進,同時還能不違背從前面已完成的分析中得出的數(shù)據(jù)。
優(yōu)化的基本組件
優(yōu)化的過程有三個主要組件:
? 目標
? 約束
? 變量
最簡單的情況下,經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計應(yīng)該通過改變變量求得目標的最大值或最
小值,同時確保關(guān)鍵性響應(yīng)不超出所定義的約束條件。
目標
目標就是執(zhí)行優(yōu)化過程的目的所在。例如,如果某家公司研究表明,生產(chǎn)重量
最輕或價格最低的產(chǎn)品將贏得競爭優(yōu)勢,那么,最大限度地減少重量或成本就
將成為優(yōu)化的目標 — 這類情況稱為單目標優(yōu)化。
工程師經(jīng)常需要面對多目標優(yōu)化,不過,這種情況下所需要的資源可能超過日
常所能提供的量。如果設(shè)計工程師能夠?qū)⑺膯栴}定義細化為一個目標(或一
次只有一個目標),優(yōu)化過程就能變得簡單。
在大多數(shù)情況下,處理結(jié)構(gòu)響應(yīng)的工程師會將重量最小化作為目標。在流體應(yīng)
用中,最常見的目標是實現(xiàn)壓降和紊流能最小化或速度最大化。
約束
約束將現(xiàn)實帶入了優(yōu)化。圖 2 中顯示的懸臂示例就屬于這類情況。如果將優(yōu)化
問題設(shè)置為不受約束的重量最小化問題,優(yōu)化程序?qū)⒅苯舆x擇尺寸變量所允許
的用料最少條件。不過,在現(xiàn)實世界中,絕大多數(shù)零部件都會有強度或剛度等
其他方面的操作要求。因此,工程師要選擇用來定義部件在其系統(tǒng)內(nèi)的可接受
行為的約束條件,這一點很重要。一般而言,他所選擇的約束條件是在單一的
靜態(tài)分析、頻率分析或熱分析中所允許的情況。
設(shè)計變量
在約束研究中,如果工程師希望從幾個可能的設(shè)計配置中找到最佳配置,則他
需要更改設(shè)計參數(shù)。這些參數(shù)就是設(shè)計變量。它們可以是尺寸、陣列中的實例
數(shù)量、材料屬性、載荷或彈簧剛度 — 或者擁有可檢測的“最佳”值或需要加以
考慮的設(shè)計的任何其他方面。
變量可以是連續(xù)的,也就是說,變量能夠在指定的最小值和最大值之間選擇任
意值。絕大多數(shù)尺寸變量都屬于連續(xù)變量。
它們也可以是離散的,也就是說,變量只能取定義好的一組可能值。離散變量
的最簡單形式是“開關(guān)”或“是否”變量。例如,是否經(jīng)過了焊接或是否帶扣件就屬于離散變量類別。陣列的實例也屬于離散變量。再舉個例子,皮帶輪或轉(zhuǎn)輪的輻條數(shù)可以是任意整數(shù),但不能是 3.2 或 4.7 等小數(shù)。
鈑金規(guī)格是一種可落入兩種類別的變量。一般而言,規(guī)格厚度有預(yù)先定義的值,但通常的作法還是將厚度指定為一個連續(xù)變量,然后再上取整或下取整到最接近的規(guī)格厚度。
在優(yōu)化研究過程中,選擇變量是一個非常重要的步驟。如果工程師選擇的變量
過多或過少,分析的效果都會大打折扣。變量過多或取值范圍過大,會使程序
難以確定設(shè)計的最佳配置 — 考慮相對最小值和最大值時尤其如此。與之相反,
如果設(shè)計師提供的變量數(shù)過少或范圍過窄,將會對成功進行研究施加不必要的
限制。
正確選擇變量的最可靠方法是面向不同的可能性執(zhí)行初始靈敏度研究,這一過
程將在后面的部分加以討論。
產(chǎn)品優(yōu)化的工具
受“有限元分析”驅(qū)動的優(yōu)化乃是工程方面一個不斷上升的研究領(lǐng)域。盡管
程序和技術(shù)都可以用來執(zhí)行這一過程,替換法研究、靈敏度研究以及形狀優(yōu)
是目前最常用的方法。形狀優(yōu)化的兩種最常用方法是梯度搜索和實驗設(shè)計
(design of experiments,DoE)。后者是以響應(yīng)面計算為基礎(chǔ),能夠獲得
“健壯的”解決方案 — 也就是說,能夠在產(chǎn)品的生命周期中,有效應(yīng)對范
圍最廣的工作條件。
替換式研究
替換式研究是用迭代方法來考察各種可選的設(shè)計配置。例如,設(shè)計工程師可以
通過增減筋的方式來了解這樣做對性能產(chǎn)生的影響。
替換式研究對于快速評估多個選項很有價值,它可以確定哪一個可能的變化
(如果有的話)會對零部件產(chǎn)生最大的影響。因為特征的組合數(shù)可以是無限的,所以對每次迭代及其相應(yīng)的響應(yīng)進行記錄,這一點很重要 — 可以避免重復(fù)或遺漏。SolidWorks® 的用戶可以使用“配置” (Configurations) 這一優(yōu)秀的實用
工具來管理替換式研究迭代。
限定了可能的更改之后,如果覺得某些更改值得做進一步的研究,設(shè)計師可以
利用靈敏度研究來考察相關(guān)尺寸或設(shè)計特征的變化情況。
靈敏度研究
靈敏度研究會系統(tǒng)地評估對輸入變化做出響應(yīng)的變化情況。通常是采用圖解或
圖表方式來顯示這類研究的結(jié)果:在 X 軸指定參數(shù)的改變量,在 Y 軸指定對這
一改變的響應(yīng)。圖 3 即顯示了這一輸出的一個示例。在給定輸入范圍的情況下,如果響應(yīng)的變化范圍很大,即意味著靈敏度較高;響應(yīng)的變化范圍很小,即表示不靈敏。這類研究有助于向工程師說明那些值得做進一步研究的特征。
另外,靈敏度研究可以向工程師指出意義最為重大的參數(shù)以及對目標有最大
影響的數(shù)值的范圍?；凇坝邢拊治觥钡膬?yōu)化程序可以完善這一研究過程,
其方法是根據(jù)某一具體參數(shù)的一系列數(shù)值求出問題的解,然后再描繪出目標以
及受約束的響應(yīng)。
圖4 顯示了采用 SolidWorks Simulation 程序中的“設(shè)計情形” (Design Scenarios)
功能設(shè)置這樣一個靈敏度研究的輸入表。這一自動化方法通過指明待研究的維
度值,將每一個待考察的參數(shù)范圍均分為幾段。在解出每一維度的模型之后,
程序?qū)⑸身憫?yīng)圖解,如圖 4 所示。
使用SolidWorks 進行優(yōu)化
SolidWorks Simulation 使用了基于“實驗設(shè)計”的優(yōu)化方式。要求解某一問題,
工程師會提供其維度設(shè)計變量的最大值和最小值,然后選擇“標準” (Standard)
或“高質(zhì)量” (High Quality) 優(yōu)化方式。“標準”方式假設(shè)限制值之間的目標響
應(yīng)曲線是線性的,只計算這些值處的響應(yīng)?！案哔|(zhì)量”優(yōu)化會考慮到在限制值之
間存在二階響應(yīng)的可能性,除了極大、極小值之外還會求一個中間值。圖 7 顯示了隨三圓角的尺寸變化而自動執(zhí)行的汽車懸架設(shè)計迭代過程。這一情況下,設(shè)計約束是不超出材料在靜態(tài)載荷下的屈服強度。
SolidWorks Simulation 優(yōu)化研究會為每一變量生成表征最佳配置的單一值。為了在采用此方法時獲得最高的準確度,工程師應(yīng)該細化每一變量的取值范圍,并進行二次優(yōu)化或靈敏度研究。由此,他可以借助優(yōu)化程序快速、有效地了解如何改善自己的產(chǎn)品,并且實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計。
進行優(yōu)化的最佳時機
負責(zé)優(yōu)化的工程師如果能在設(shè)計過程的早期階段執(zhí)行優(yōu)化過程,將能最大限度
地提高技術(shù)利用價值。隨著設(shè)計過程的進展,設(shè)計的復(fù)雜性會越來越高,更改
也將越來越難于評估和實施。
在設(shè)計的概念階段,工程師能夠借助于優(yōu)化,確保為基礎(chǔ)設(shè)計提供準確的材料、壁厚、硬化特征和扣緊方式等等。研究表明,產(chǎn)品成本的 80% 是在設(shè)計過程的最初 20% 階段確定的。為了確保參與競爭的產(chǎn)品發(fā)揮出最佳效果,很值得在產(chǎn)品開發(fā)的最早期階段考察一下理想配置。
除了在設(shè)計過程的早期階段執(zhí)行優(yōu)化過程這一點很重要之外,優(yōu)化在設(shè)計過程
的后期也有自己的用武之地,工程師能夠借助于這一手段解決問題或改善某個
特征。
優(yōu)化中 CAD 與分析之間的聯(lián)系
上述所有內(nèi)容涉及的都是受“有限元分析”驅(qū)動的優(yōu)化,而“有限元分析”通常
與生成設(shè)計的 CAD 程序密切相關(guān)。CAD 系統(tǒng)對優(yōu)化同樣非常重要,原因在于
生成模型、尺寸標注方案以及嵌入關(guān)系的方法會影響設(shè)計師對不同設(shè)計方案的
考察能力。
在創(chuàng)建自己的模型時,工程師所考慮的尺寸應(yīng)能允許修改那些以前經(jīng)過優(yōu)化的
特征,同時不會導(dǎo)致任何模型重建錯誤。
規(guī)劃過程對優(yōu)化至關(guān)重要。設(shè)計師最好能先完全圍繞優(yōu)化目的生成 CAD 模型,
然后再借助于這一過程所收集的信息來完成對 CAD 模型的細節(jié)設(shè)計與生產(chǎn)。
零部件和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性應(yīng)該是他在選擇要研究的特征時所考慮的問題。
最大限度地利用優(yōu)化過程
那些打算將優(yōu)化過程作為設(shè)計與產(chǎn)品的改善手段的工程師需要清除他們頭腦中
任何先入為主的有關(guān)“最優(yōu)化”的概念。要實現(xiàn)這一目的,很大程度上可以先
由優(yōu)化程序提供相關(guān)信息,然后再由他們來了解各種數(shù)據(jù)的不同含義。
針對同一問題,思想開放的設(shè)計師可能會發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工具提供了幾個不同的解決
方案 — 對這些解決方案,需要參照最終獲得質(zhì)量最好、最贏利的產(chǎn)品的制造要
求和效率來加以考慮。
優(yōu)化方面的成功故事
Alliance Space Systems
位于加州 Pasadena 的 Alliance Space Systems, Inc. (ASI) 為航天器和科學(xué)儀器設(shè)計與制造機械系統(tǒng)、機器人、機械結(jié)構(gòu)與裝置。最為著名的是,ASI 為 NASA面向火星探險漫游車 (Mars Exploration Rover,MER) 任務(wù)所開發(fā)的大獲成
功的勇氣號和機遇號漫游車制作了機械臂。
ASI 使用集成的 SolidWorks Simulation 軟件來測試并優(yōu)化零部件和裝配體的
設(shè)計。“我們對每一克的重量、每一毫米的空間都斤斤計較,” ASI 的工程總監(jiān)
Brett Lindenfeld 說。“因為我們的分析人員使用 SolidWorks Simulation 進行
應(yīng)力分析和熱分析,他們能夠為我們的設(shè)計人員提供支持,并與設(shè)計人員展
開有效的協(xié)作,以便對設(shè)計加以優(yōu)化。我們的團隊將機械臂的體積減少了 20%,這相當于汽車的發(fā)動機和傳動裝置所需要的空間;同時將返工工作量保持在 1%之內(nèi)。雖然時間很緊,但我們?nèi)匀煌瞥隽速|(zhì)量更高、更具創(chuàng)新性的設(shè)計。”
Kadant Johnson
位于密歇根州 Three Rivers 的 Kadant Johnson(前身是The JohnsonCorporation)為流程工業(yè)所用的流體和熱交換設(shè)備設(shè)計與制造先進的流程控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)
接頭、彎管和加熱系統(tǒng)以及相關(guān)的零部件。產(chǎn)品開發(fā)總監(jiān) Alan Ives 及其團隊需
要優(yōu)化高速造紙機干燥部分所用的旋轉(zhuǎn)接頭和彎管裝配體的設(shè)計。采用手工計
算和現(xiàn)有“有限元分析”軟件對已經(jīng)成型的設(shè)計進行細化,這會非常浪費時間,
他們無法承擔這樣做的成本。該團隊需要新的工程解決方案,以便實現(xiàn)節(jié)約時
間與提高設(shè)計投資回報率的目的。
該公司使用 SolidWorks Simulation 來分析和優(yōu)化每一個零部件,用合理的時間
與較少的設(shè)計迭代次數(shù)跟蹤了更多的設(shè)計。結(jié)果,他們得到了更堅固、更耐用
而質(zhì)量更輕的裝配體,其開發(fā)時間卻只占正常開發(fā)時間的一小部分?！拔覀儼l(fā)
現(xiàn) SolidWorks Simulation 是一個非常健壯的軟件包,它幫助我們按期實現(xiàn)了所
有的設(shè)計目標,”Ives 說。他們在三個項目上各自減少了 40% 到 50% 的重量,
并且能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測響應(yīng)與實際測試的關(guān)聯(lián)。減少重量這一結(jié)果直接來自于使用
SolidWorks 對設(shè)計進行優(yōu)化,”他補充到。
結(jié)論
設(shè)計優(yōu)化可以提高產(chǎn)品的價值,其手段有:提高產(chǎn)品在自身操作環(huán)境中的性能;或者減少用來制造產(chǎn)品的材料數(shù)量,降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。通過加入優(yōu)化過程,設(shè)計工程師能夠增進對其產(chǎn)品表現(xiàn)的了解,并對設(shè)計加以改進。
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