运用ANSYS Workbench 快速优化设计

2006年用户年会论文

运用ANSYS Workbench快速优化设计

陈杰

[中国船舶重工集团第七一○研究所，443003]

[ 摘要 ] 从易用性和高效性来说AWE下的DesignXplorer/VT模块为优化设计提供了一个几乎完美的方案，CAD模型需改进的设计变量可以传递到AWE环境下，并且在DesignXplorer/VT下设

定好约束条件及设计目标后，可以高度自动化的实现优化设计并返回相关图表。本文将结合实

际应用介绍如何使用Pro/E和ANSYS软件在AWE环境下如何实现快速优化设计过程。

[ 关键词 ] 有限元分析、集成、ANSYS Workbench

[Abstract:] DesignXplorer/VT module in AWE provides an user-friendly and highly efficient method to optimize the design. Design variables in CAD models can be directly handled in AWE. After

goals in DesignXplorer/VT are defined by user, the optimization can be completed

automatically and relevant data and charts can be delivered to user. This paper introduce

how to use Pro/E and ANSYS in AWE to achieve rapid design optimization by a practical

case.

1前言

ANSYS系列软件是融合结构、热、流体、电磁、声于一体的大型通用多物理场有限元分析软件，在我国广泛应用于航空航天、船舶、汽车、土木工程、机械制造等行业。ANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS公司开发的新一代前后处理环境，并且定为于一个CAE协同平台，该环境提供了与CAD软件及设计流程高度的集成性，并且新版本增加了ANSYS很多软件模块并实现了很多常用功能，使产品开发中能快速应用CAE技术进行分析，从而减少产品设计周期、提高产品附加价值。

现今，对于一个制造商，产品质量关乎声誉、产品利润关乎发展，所以优化设计在产品开发中越来越受重视，并且方法手段也越来越多。从易用性和高效性来说AWE下的

DesignXplorer/VT模块为优化设计提供了一个几乎完美的方案，CAD模型需改进的设计变量可以传递到AWE环境下，并且在DesignXplorer/VT下设定好约束条件及设计目标后，可以高度自动化的实现优化设计并返回相关图表，本文将结合实际应用介绍如何使用Pro/E 和ANSYS软件在AWE环境下如何实现快速优化设计过程。

2006年用户年会论文2优化方法与CAE

在保证产品达到某些性能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，就是优化方法。例如，在保证结构刚强度满足要求的前提下，通过改变某些设计变量，使结构的重量最轻最合理，这不但使得结构耗材上得到了节省，在运输安装方面也提供了方便，降低运输成本。再如改变电器设备各发热部件的安装位置，使设备箱体内部温度峰值降到最低，是一个典型的自然对流散热问题的优化实例。在实际设计与生产中，类似这样的实例不胜枚举。

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。

一个典型的CAD与CAE联合优化过程通常需要经过以下的步骤来完成：

1、参数化建模：利用CAD软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据（设计变量）

定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。

2、CAE求解：对参数化CAD模型进行加载与求解

3、后处理：约束条件和目标函数（优化目标）提取出来供优化处理器进行优化参数评

价。

4、优化参数评价：优化处理器根据本次循环提供的优化参数（设计变量、约束条件、

状态变量及目标函数）与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者说结构是否达到了最优，如果最优，完成迭代，退出优化循环圈，否则，进行下步。

5、根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环。

下图是AWE环境下数值优化的过程框图

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直接传递设计变量

图1 AWE环境下数值优化的过程框图

3AWE环境下优化的特点

DesignXplorer/VT是基于WorkBench平台的设计变量研究及多目标优化工具，优化设计的主要数据处理工作由DesignXplorer/VT完成。

3.1目前ANSYS的多目标优化技术包括：DOE方法和VT技术。

A）DOE方法

DOE：Design Of Experiments，实验设计。根据输入参数的数目，利用蒙特卡罗抽样技术，采集设计参数样点，计算每个样点的响应结果，利用二次插值函数构造设计空间的响应面或设计曲线。

B）VT技术