Isight 多学科多目标优化设计

全面深入的了解你的设计空间,获得最优的设计方案;

仿真流程自动化和设计优化解决方案——在大幅提高产品性能、质量;

可靠性的同时显著缩短设计周期、降低产品成本。

1. 业界挑战

CAE仿真分析已经在工业界得到了广泛的实施与应用,在帮助减少产品设计周期,降低产品设计成本方面起到了重要的作用。但是,简单的执行单一的CAE分析,只能起到以仿真替代实验的目的,验证设计的有效与否;而进行CAE分析最核心的目的是通过仿真分析来指导或修改产品设计,使其满足甚至超过最初的设计目标,而要实现CAE分析的此目的,多学科多目标设计空间探索与优化是一个必不可少的工具。

现代产品,尤其诸如飞机、汽车等高精尖产品,运行环境复杂,设计考虑工况众多,在产品的总体设计阶段,因此需要进行多学科优化分析以综合考虑其整体性能。而多学科分析涉及了众多分析软件,分析内容和多次分析循环,如何建立复杂的多学科仿真分析流程,并让此流程可以自动运行,可以帮助工程师自动快速的计算多种设计方案,了解设计空间,获得最优设计,这也需要一个仿真流程自动化和多学科优化工具帮助客户实现此目标。

2. Isight仿真流程自动化和多学科设计优化

Isight是一个仿真分析流程自动化和多学科多目标优化工具,它提供了一个可视化的灵活的仿真流程搭建平台,同时 提供与多种主流CAE分析工具的专用接口,利用此工具,用户可以方便的以拖拽的方式可视化的快速建立复杂的仿真分析 流程,设定和修改设计变量以及设计目标,自动进行多次分析循环。同时提供了试验设计、优化方法、近似模型和六西格 玛设计等一套完整的优化软件包,来帮助用户深入全面的了解产品的设计空间,明晰设计变量与设计目标之间的关系,进 而实现多学科多目标优化设计。

3. 成熟的第三方软件接口与开放的集成平台

提供包括CAE工具ANSAAbaqus, ADAMS, Nastran, ANSYS, Fluent 等,CAD工具Catia,UG,Pro/E,SolidWorks, 还有 Matlab, ExcelMathcad等众多工程分析中经常使用的相关工具。同时也提供通用接口Simcode与企业自有的特殊工具软 件或自编程序集成。

下图列出了部分Isight中的Component:

4. Simulia Execution Engine (SEE,Fiper)企业级多学科仿真流程集成与优化 平台

SEEIsight 在企业级的扩展应用,除了Isight客户端外,SEE还提供基于Web的轻量级客户端,用户可以方便的通过网页的形式修改仿真设计参数,提交仿真分析流程,而作为SEE核心的SEE/ACS(Application Control System) 将会统一管理整个分析中的工作流、组件库、运行环境等核心内容,流程中的CAE分析工作也会由ACS统一分配于相应的SEE Station来进行计算,人员之间可以共享不同的分析流程,或者协同工作完成复杂的分析流程。而不同企业之间则可以通过不同ACS的信息交换来实现企业级别的多学科仿真协同。

SEE (Fiper)平台体系架构

5. Isight/SEE与仿真生命周期管理系统SLM无缝集成

SEE基于高可扩展性的J2EE 多层体系架构, 具有良好的开放性和可扩展性,支持与企业的PLM/PDM系统集成,从PDM系统中提取相关的CAD设计模型。同时可与DS/SIMULIA推出的仿真生命周期管理系统SLM无缝集成,进行仿真数据的有效管理,快速查询检索相关仿真数据,实现多仿真方案结果快速对比等 。

下图为KAIKorea Aerospace Industries)利用SEE构建的企业级仿真流程与数据管理系统架构:

6. 试验设计

包括:中心复合法,全因子组合法,部分因子法,Box-Behnken法,超拉丁方法,优化拉丁方法,正交数组法和参数研究法以及用户自定义的数据文件。

帮助用户了解和评估各个设计变量对设计目标的影响,便于进行设计参数的筛选以减少优化问题规模。

7. 优化设计

包括数值优化、全局探索法、启发式优化法和多目标多准则优化算法, 具体包括包括:Hook Jeeves模式搜索法,简约下降梯度法LSGRG2,序列二次规划法NLPQL,修正可行方向法MMFD,单纯型下山法Downhill Simplex,整数规划法 MOST,满应力法 Stress Ratio Optimize,直接法DIRECT Optimization,多岛遗传算法MIGA,自适应的模拟退火法ASA,进化算法Evol,多目标遗传算法NCGA,多目标遗传算法NSGA-II,微观遗传算法AMGA,粒子群法Particle Swarm,全智能优化器 Pointer

并支持任意组合组合优化策略,取长补短。

8. 近似模型

提供响应面模型(RSM, 正交多项式拟合,Kringing近似模型,和径向基函数(RBS)神经网络等近似模型。

帮助用户快速拟合生成数学代理模型,从而避免在需要多次迭代计算的优化工程中运行大规模的CAE分析模型。

9. 六西格玛设计

提供蒙特卡洛分析,可靠性分析,基于可靠性的优化设计,(动态、静态)田口(Taguchi) 稳健性设计,以及六西格玛设计等多种质量控制方法。

帮助设计人员搜寻不仅理论上可行,而且实际上(存在随机波动)也同样可行的设计方案。

10. 客户案例

通过IsightDOE分析,丰田汽车在白车身减重中可以了解哪些设计变量是影响设计目标的主要因素,以及变量与目标之间的变化关系。

罗-罗发动机公司,利用Isight在欧盟的VIVACE项目中进行航空发动机叶片的多学科优化分析。

波音军机事业部(Boeing Military,利用Isight/Fiper构建自己的飞机总体设计平台CAVSIM(Conceptual Air Vehicle SIMulation), 通过集成三维设计软件CATIA,飞机总体设计软件AVID ACS,快速构建仿真分析流程,结合Isight优化工具,快速做出设计决策。如利用此平台,可以将翼型优化的设计周期从两个月减少到四天,大幅提高设计效率,拓展设计空间,迅速获得最优设计方案,并直接给出三维设计CAD模型。

VIVACEValue Improvement through a Virtual Aeronautical Collaborative Enterprise),是欧盟资助的研究计划,其目的是通过开发虚拟的合作工程环境以改善飞机和发动机设计流程。

Vivace计划中的虚拟飞机设计和虚拟发动机设计均采用Isight/Fiper多学科多目标优化解决方案。通过Vivace项目的成功实施,飞机研制总费用(从新飞机设计到市场销售)降低5%,减少飞机最后研制阶段成本(final development phase costs5%,缩短飞机研制周期30%,新型发动机研制费用降低50%。充分体现了多学科多目标优化和跨部门跨区域协同仿真的优势。

一汽技术中心发动机进排气系统外形CFD优化设计:

发动机进排气系统的气体流动特性复杂,影响发动 机的充气效率和换气损失,对发动机的动力性和经济性有 重要影响。一汽技术中心发动机部以某汽油发动机进气道 为优化对象,基于Sculptor 高阶体网格变形和Isight 集成 优化平台,自动驱动两个气门升程工况下的气道稳态CFD 流程,通过Pointer      混合优化策略获得合理的气道截面尺 寸参数,在满足流量系数和加工约束前提下实现滚流比最 大化。

 

设计变量为Sculptor 定义的14 个网格变形参数, STARCCM+多面体网格,k-ε    双方程湍流模型,两个升 程各计算161 个算例,在满足约束的前提下,气门升程 8mm 模型滚流比提高7.0%,流量系数提高0.6%,气门 升程2mm 模型滚流比提高4.9%,流量系数提高1.4%。 优化前后变形区域主要集中在气门座圈上方处。

唐山轨道客车采用Isight进行受电弓导流罩多学科优化设计:

针对高速动车的受电弓、导流罩进行气动性能,结构强度多学科优化设计,实现满足强度刚度要求下得最小气动阻力,最小质量的导流罩外形。

通过Isight集成网格参数化工具Scupltor,气动仿真软件Star-ccm+, 强度分析软件Abauqs,建立分布式多学科调用流程。通过试验设计,近似建模,多目标优化,最终实现气动阻力降低3.9%,导流罩质量减少13.3%,同时满足刚度与强度设计规范要求。

丰田汽车需要优化某款车型车身9个部件厚度以提高整车碰撞性能指标,减少B柱加速度,降低地板插入位移,同时希望不增加汽车质量。利用Isight集成PamCrash(整车模型规模超过5万个单元,计算时间为80毫秒),进行一系列的优化后,整车性能(B柱加速度,地板插入位移)有近8%的提高,而整车的质量降低了10kg. 成功完成最初的优化设计目标。

泛亚汽车利用Isight对某车型白车身进行多学科多目标优化分析。设计变量涉及了结构梁位置、角度、截面尺寸、板厚、材料等58个参数,以满足包括白车身刚度、模态、100%刚性墙碰撞、40%偏置碰撞、侧撞等在内的多个设计目标。通过分析可以找出对各项性能有较大的影响的白车身设计参数,同时发现各性能指标随工程更改可能出现的变化趋势,这对项目后期针对工程问题做出正确的决定非常重要。同时了解白车身满足各设计目标的最大减重可能以及保持设计成本时的最大产品设计潜能,并可以在多个目标值之间进行权衡分析,以对整个设计空间进行全面深入的了解。

 

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