CAE 优化 / Optimization
最轻的重量、最佳的耐久性、最小的振动与噪音、最小的变形、最小的风阻
随着科学技术的不断发展，产品研发在其生命周期中的地位越来越重要，不同的研发流程，对产品的开发周期及成本影响非常重要。
下图描绘了不同研发流程对设计周期与成本的影响，横坐标代表的是设计周期，纵坐标代表了研发成本。其中红色曲线代表的是传统产品的研发流程：设计-制造样机-试验，根据试验结果调整设计方案，然后重新制造样机试验，在这个过程中，通过试
验来指导设计的修改，制造样机与实验；工程上，为了加快产品的设计周期，
将有限元分
析技术大量的运用到产品的研发之中，设计完成的模型，在制造样机的同时，先根据产品
的受力状况进行有限元分析，然后根据分析的结果调整设计参数，再进行有限元计算，经
过多次计算分析并调整设计后，进行样机制造和测试，最后得到适合的设计模型，如图中
绿色曲线所示；但是前面的分析和方案调整也是人工进行干预的，与设计人员的设计经验
有很大关系，为了能够实现自动的产品设计优化，我们推荐大家在设计和分析的同时，引
进TOSCA、ISIGHT等软件进行优化，根据定义的目标函数和约束条件，自动完成模型方案的
优化，显著降低了研发成本并缩短了设计周期，如图中蓝色曲线所示。
1. 经典拓扑优化
经典拓扑优化广泛应用于结构设计过程中，能够快速、高效的由设计空间得到初始设计方案。常见优化流程中所用到的软件工具包括：三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---TOSCA等优化平台---ABAQUS等有限元求解软件，各个环节紧密联系，实现自动驱动和控制，能够快速得到优化结果。
下图是一个典型的零部件结构拓扑优化流程：
1. 从CAD软件（Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等）中导入CAD模型
2. 利用ANSA等前后处理工具进行有限元分析前处理
a) 几何清理，网格划分
b) 材料设置，装配连接，设置分析步骤
c) 设置边界条件及载荷
d) 模型检查及输出输入文件
3. 设置TOSCA优化前处理
a) 设置优化算法，设计区域及响应变量
b) 设置优化目标，约束
c) 设置停止条件，优化设置，smooth参数
4. 选择有限元求解器（ABAQUS,NASTRAN,ANSYS,MARC…），提交计算，优化软件自动调用有限元求解器，并自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算，并判断是否收敛或者达到停止条件，如果没有达到，继续下个循环的计算，如果满足，结束优化计算
5. TOSCA.Smooth和TOSCA.Post平滑网格并查看优化结果
6. 输出验证模型到求解器中再次验证计算
7. 输出CAD支持的IGS、STEP等文件到CAD软件中参考设计
2. 疲劳非线性拓扑优化
- 从CAD软件（Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等）中导入CAD模型
- 利用ANSA等前处理工具进行有限元分析前处理
a) 几何清理，抽取中面，网格划分
b) 材料设置，装配连接，设置分析步骤
c) 设置边界条件及载荷
d) 模型检查及输出输入文件
e) 根据初步计算的结果，在疲劳软件中进行疲劳前处理设置 - 设置TOSCA优化前处理
a) 设置优化算法，设计区域及响应变量
b) 设置优化目标，约束
c) 设置停止条件，优化设置，smooth参数 - 选择有限元求解器（ABAQUS,NASTRAN,ANSYS,MARC…），提交优化计算，优化软件自动调用有限元求解器
- 自动调用疲劳求解器计算疲劳破坏
- 自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算，并判断是否收敛或者达到停止条件，如果没有达到，返回4步骤进行有限元求解的下个循环计算，如果满足， 结束优化计算
- TOSCA.Smooth和TOSCA.Post平滑网格并查看优化结果
- 输出验证模型到求解器中再次验证计算
- 输出CAD支持的IGS、STEP等文件到CAD软件中参考设计
3. 典型拓扑-形状拓扑优化
拓扑-形状优化最大的特点是将一个完整优化分析中会涉及的两种优化，集成到一次优化任务中实现，利用拓扑优化得到初始的构形，随后利用形状优化精细化处理局部区域，在实际产品设计中应用十分广泛。涉及的计算工具包括：三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---TOSCA等优化平台---ABAQUS等有限元求解软件，各个环节紧密联系，通过在统一的平台下进行设置，实现自动驱动和控制，能够快速得到优化结果。
下图是一个典型拓扑-形状优化流程：
- 从CAD软件（Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等）中导入CAD模型
- 利用ANSA等前处理工具进行有限元分析前处理
a) 几何清理，网格划分
b) 材料设置，装配连接，设置分析步骤
c) 设置边界条件及载荷
d) 模型检查及输出输入文件
e) 根据初步计算的结果，在疲劳软件中进行疲劳前处理设置 - 设置TOSCA优化前处理
a) 设置优化算法，设计区域及响应变量
b) 设置优化目标，约束
c) 设置停止条件，优化设置，smooth参数 - 选择有限元求解器（ABAQUS,NASTRAN,ANSYS,MARC…），提交优化计算，优化软件自动调用有限元求解器
- 自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算，并判断是否收敛或者达到停止条件，如果没有达到，返回4步骤进行有限元求解的下个循环计算，如果满足，结束优化计算
- 输出验证模型到求解器中再次验证计算，如果结果满足要求，则直接输出IGS模型指导设计
- 如果存在局部应力集中，则跳转到形状优化步骤，设置TOSCA形状优化前处理
- 自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算，并判断是否收敛或者达到停止条件，如果没有达到，返回4步骤进行有限元求解的下个循环计算，如果满足，结束优化计算
- TOSCA.Smooth和TOSCA.Post平滑网格并查看优化结果
- 输出CAD支持的IGS、STEP等文件到CAD软件中参考设计
4. 多学科多目标参数优化
工程设计中，一般的设计优化是通过原始模型经过一系列分析后，得到若干测试是数据，根据对测试数据的分析，重新修改模型的原始尺寸，再重复分析，直至得到满意结果为止。这种设计方法从效率和数据准确率上都是比较低，采用多学科多目标优化可以提高优化效率，降低认为干预，提升产品设计质量。常见的多学科多目标优化是以ANSA/META为平台，利用ISIGHT进行的任务流程集成多学科分析任务，所涉及的软件工具主要包括：三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---ISIGHT等优化平台---ABAQUS等有限元求解软件，各个环节紧密联系，通过在统一的平台下进行设置，实现自动驱动和控制，能够快速得到优化结果。
下图是一个典型的多学科多参数优化流程：
- 从CAD软件（Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等）中导入CAD模型
- 利用ANSA等前处理工具进行有限元分析前处理
a) 几何清理，网格划分
b) 材料设置，装配连接，设置分析步骤
c) 设置边界条件及载荷
d) 模型检查及输出输入文件
e) 输出求解模型 - ANSA中设置Morphing boxes和网格变化参数
- ANSA的任务管理其中建立优化任务，并设置优化输入文件配置及变量，并设置相关参数，配置导出有限元计算模型参数
- ABAQUS、Nastran等求解软件计算求解
- 导入计算结果到META中，输出关心部分的结果响应
- 建立Isight优化仿真流程，设置相应的优化算法，并将步骤3-5的输出文件和命令设置完成
- 启动Isight任务计算，调用图中黄色部分10-6-7-8的任务流程
- 等待Isight计算完成后，得到优化的设计参数，返回到CAD设计系统修改设计模型，完成优化
5. 内流场拓扑优化
内流场拓扑优化充分利用前后处理平台以及优化软件平台和CFD软件的计算优势，将原本复杂的内流场设计问题利用成熟的平台和工具快速解决。涉及的计算工具包括：三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---TOSCA等优化平台---CFD求解软件，通过在统一的平台下进行设置，实现自动驱动和控制，能够快速得到优化结果。
下图是一个典型流场内流场优化的典型流程：
- 从CAD软件（Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等）中导入CAD模型
- 利用ANSA等前处理工具进行有限元分析前处理
a) 几何清理，抽取中面，网格划分，边界层设置
b) 材料设置，设置分析步骤
c) 设置边界条件及载荷
d) 模型检查及输出输入文件 - 设置TOSCA优化前处理
a) 设置优化算法，设计区域及响应变量
b) 设置优化目标，约束
c) 设置停止条件，优化设置，smooth参数 - 选择CFD求解器（Star CCM+,FLUENT…），提交优化计算，优化软件自动调用CFD求解器,自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算，并判断是否收敛或者达到停止条件，如果没有达到，返回继续下个循环的计算，如果满足，结束优化计算
- TOSCA.Smooth和TOSCA.Post平滑网格并查看优化结果
- 输出验证模型到求解器中再次验证计算
- 输出CAD支持的IGS、STEP等文件到CAD软件中参考设计
6. 声场拓扑优化
对于声场内部优化问题，不同于常规的结构优化，需要利用具有噪声计算功能的求解器进行计算，结构统一的优化处理平台进行声场拓扑优化。典型的声场拓扑优化计算涉及的计算工具包括：三维CAD造型软件---ANSA/meta前后处理平台---TOSCA等优化平台---噪声计算软件，通过在统一的平台下进行设置，实现自动驱动和控制，能够快速得到优化结果。
下图是一个典型声场内部优化流程：
- 从CAD软件（Pro/E, CATIA, UG, SolidWorks等）中导入CAD模型
- 利用ANSA等前处理工具进行有限元分析前处理
a) 几何清理，网格划分，边界层设置
b) 材料设置，设置分析步骤
c) 设置边界条件及载荷
d) 模型检查及输出输入文件 - 设置TOSCA优化前处理
a) 设置优化算法，设计区域及响应变量
b) 设置优化目标，约束
c) 设置停止条件，优化设置，smooth参数 - 选择噪声求解器（Nastran, Actran…），提交优化计算，优化软件自动调用噪声求解器,自动调用TOSCA优化求解器进行优化计算，并判断是否收敛或者达到停止条件，如果没有达到，返回4步骤继续下个循环的计算，如果满足，结束优化计算
- TOSCA.Smooth和TOSCA.Post平滑网格并查看优化结果
- 输出验证模型到求解器中再次验证计算
- 输出CAD支持的IGS、STEP等文件到CAD软件中参考设计
