优化是仿真的本质

仿真的本质--优化

今天，大家日常接触的产品大概还没有做到数字化设计的，已经基本没有了。随着虚拟造型的进程的扩大和深入，数字化仿真模拟变得越来越重要了。通过仿真，可以更好地评估虚拟造型，在产品开发早期做出正确选择。通过仿真降低产品开发时间和成本，提高质量的案例举不胜举。

仿真本质是什么呢，鄙人认为仿真说到底是为了优化！随着数字化部署的发展，仿真技术的应用正在改变传统的产品设计流程。传统的仿真优化通常通过少量几个模拟，评估单一的设计，那是一种简单的，原始的，初级的，作坊式的优化，今天这里一个倒角的修改，明天一个螺栓孔径的扩大，后天结构稍微的调整，大后天新的设计到了，这是一种Case By Case的优化。但是在CAE技术发展迅猛的今天，仿真技术应该能够发挥更大作用。在产品设计的每个阶段，从概念设计，到系统需求，到高级设计，到细节设计，我们能应该能够应用CAE设计。

目前的仿真优化分为两种

1、结构拓扑优化

拓扑优化可以说是对设计流程的一次变革，如下图所示，某个零件设计流程通常分为以下几种。

红色：没有任何分析技术。直接设计，加工，然后测试。这种设计流程在目前中小企业占据很大的分量，因为他们没有任何创新设计，很多设计知识对成熟产品的一点修改罢了。但是如果是新产品，那就麻烦了。一旦出现了问题，那么必须的重头开始，很多时候你可能都不知道设计的问题在哪儿，那这种设计方式的设计周期和设计更改费用是最大的。

绿色：采用了分析技术。通过设计人员设计后，交给仿真分析人员分析，零件是否在强度和刚度上是否合适，不行的话，很快可以找到原因，再设计，再分析，经过几轮后，直到CAE工程师的许可后，出图加工，上市，这种设计流程相对来说设计周期和费用可以得到控制，但是这种设计得到的并不是产品最优化的结果。

蓝色：采用拓扑优化设计技术。在产品的初级设计阶段，通过优化分析，直接给出产品外形，然后给设计人员设计，通过优化分析人员和设计组的来回沟通后，找到产品最佳外形，出图，加工。

典型的采用拓扑结构优化设计的流程如下图

在未知最有结构之前，只需要给定结构的外形，这个外形和结构本身在整个机构的空间位置和运动性能相关。通过划分网格，可以给定一个优化模型，即经过拓扑迭代优化，能够给定一个相对来说比较优化的结果，将结果的几何外形输出，然后设计工程师可以根据优化后几何外形，重新设计结构，在这个基础上，做一些细节上的具体的细节修改后，找到最终的几何构型。而这个几何外形绝对是最节省材料，而且满足结构要求的。

1、仿真是手段，优化是目的。

理想情况下，任何面世的产品都应该是最优化的，结构尺寸最合理，同时也是最节省的。说来简单，如何实现确实一个单问题。最简单的例子，比如现在需要设计一个桌子，桌子的长宽高是规定尺寸，桌子必须满足能够承载100公斤的压力载荷，那现在可以对桌子面板的厚度做一个优化设计了。厚了的话，浪费材料，薄了的话，不够出厂要求。现在问题就是一个大家最熟悉的优化问题了：

→设计变量：桌子厚度

→定义约束：满足结构强度

→定义目标：最省料，也就是在满足强度的情况下，厚度最薄

按照传统Case By Case的设计，只能是先给桌子1CM，计算，是否满足要求，不满足？加厚到2CM，满足强度，但是好像又有余量，那就用1.5CM试下把，满足强度，大概差不多了，好吧，那就1.5CM的厚度吧。这样做存在一个大问题，首先，1.5CM是否最好的结果不得而知，其次，现在只是优化了一个厚度，就要做好几轮的分析了，通常，一个产品可不仅仅只有一个变量，比如现在如果桌子高度也是一个变量的话，假设高度有3个变量可以选择，根据排列组合的算法，那么需要计算的次数就有3×3=9个可选的方案去比较。如果变量更多呢？是否每个组合都需要计算一次，如果不是，该如何选择计算参数？是否可以找到哪个参数对结构的影响最大？

好在在过去的20年计算机硬件性能发展迅猛。在2010年，天河还能以2.57PFLOPS 排名世界第一，仅仅两年过去了，IBM最新的系统浮点运算能力已经达到了16.32PFLOPS，整整是天河的6倍多。同时仿真软件厂商在高性能计算上也不落人后，在并行计算核数扩大的同时，有些一线CAE厂商也增加了GPU计算的功能，关于高性能计算请参考以前博文。

硬件和软件的发展，大大缩短了每个case的技术时间了，使得基于设计变量（例如几何形状，材料，和拓扑）仿真分析的优化设计成为可能。此外，基于统计学方法的鲁棒设计还可以考虑制造工艺、材料性能以及其他变量带来的影响。

目前这套技术已经广泛的使用在航空航天和汽车行业中。比如在整车开发过程中，无论是前期架构还是在子系统开发中，应用优化设计来提高开发质量和缩短开发周期都是必不可少的一个环节。但面对复杂的优化设计过程，如何合理的定义多目标优化设计问题，之后又如何通过合理的手段完成优化设计并给出工程指导方向，是每个工程师非常关心的话题。

基于这套流程下，整个设计的流程应该如下：