ANSYS网格随移技术与优化设计

linlin820

    在数值化的今天，新产品的开发周期越来越短，产品的成本需要大幅降低，而产品的外延性以及拓展空间又需要极大的扩展，这就需要广泛地采用优化技术进行产品设计。
    由于产品形式的复杂性和多样性，特别是在工业领域，不仅仅对产品的应用功能有特定的要求，对产品的其他性能指标也有要求，在设计阶段要求产品满足各项性能指标，最为有效的方法就是进行计算机仿真。优化设计也是建立在这种仿真分析的基础上的。
    传统的优化概念是在某些指标满足一定要求的前提下，调整设计变量，使某项指标达到最优。由于每一次设计参数的变化都需要进行一次完整的有限元分析，并且要根据所使用的优化算法、分析对象的复杂程度和优化变量的多少等因素，整个优化进程可能需要数十次甚至数百次完整的有限元分析过程才能获得一个可能的优化结果。对于大型分析模型而言，这种优化设计的实用性是很差的。这些优化过程是建立在参数化几何模型的基础上的，如果我们建立的CAD模型没有进行参数化，那么实施起来就非常困难；另外如果我们需要对以前的设计（可能没有CAD模型，只有FE档案模型）进行利用，并在此基础上进行改型设计，那么传统的优化设计方法就无能为力了。针对现代优化设计的需要和各种资源的充分利用，ANSYS推出了应用于优化设计的采用网格随移技术的网格处理工具ParaMesh以及基于此项技术和变分技术的优化设计工具ANSYS DesignXplorer VT 。
    一、ParaMesh的网格处理技术
    1．ParaMesh简介
    ParaMesh是一个参数化的网格修改工具。它通过直接修改已经存在的有限元网格来完成几何形状的改变。它适用于各种仿真类型（如结构、流体、电磁、多物理场分析等），可以处理各种类型的实体单元（如四面体、六面体、棱柱、金字塔、契形单元）、壳单元（四边形和三角形）和实体与壳单元的混合模型。
     采用ParaMesh，可以在读入的网格模型中，对模型进行收缩、拉伸、移动、切割、加厚或减薄，完成您想对网格进行的任何操作，操作次数没有限制。
    2．ParaMesh的单元输入文件
    输入到ParaMesh的是包含节点和单元的文件，其支持的文件格式包含ANSYS、NASTRAN、PATRAN等结构分析求解器的输入文件，以及 CFX、StarCD、Fluent、CGNS等CFD求解器的输入文件，还有通用的文本文件格式等。
    某些单位以前使用某种仿真软件平台，并在这个平台上建立了产品的仿真模型、载荷和边界条件，现在如果仿真平台发生变化，如何合理利用以前的仿真模型，改进和优化产品设计呢？ParaMesh也为这样的模型转化和参数化的模型改变提供了强有力的工具。
    3．ParaMesh的网格随移算法
    我们知道，不从几何模型进行处理，不对改变的模型进行网格重划，而仅仅改变节点坐标，这种网格的改变极有可能导致模型中单元的奇异、计算精度得不到保障等问题。ParaMesh通过先进的网格随移算法和整体优化算法，通过大量的、有效的运算，可同时处理所有的单元来保证模型大的改变。
    节点移动和网格随移过程是优化的基础。ParaMesh网格随移算法是基于总体光顺技术的，允许网格有大的移动而仍然能够保持求解精度。
    这个光顺运算法则就是在保证网格品质最好的情况下搜寻新的节点位置，如：

                               
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    其中C是当前单元的积分点上品质度量，C0是初始网格上的品质度量。
    4．主要特点
    (1) ParaMesh仅仅修改节点坐标，而不改变其他内容。在修改了节点坐标之后，输入文件即可进行求解，材料特性、物理性质和求解控制等保持不变。用 ParaMesh进行参数化网格后，即可方便、有效地执行实验设计（DOE）和优化研究。
    (2) ParaMesh不需要几何，因此不需要CAD授权以及CAD经验。
    (3) 任何修改均在原始网格上进行，没有新的CAD模型，不需要进行几何修复，不需要进行网格重划，也不需要重新施加边界条件。在ParaMesh的直接界面上，采用它的强大的网格处理工具，大多数形状的修正只需要几分钟就能够完成。ParaMesh也可以很容易地改变那些CAD模型不能处理的模型。
    (4) 对于FE模型，改变的量转化为参数，应用于优化设计，参数的数量没有限制。

图1所示ParaMesh应用实例，其中，a)是厚度、孔的直径和端面形状同时改变时的情形，b）是支架刚度增大而质量不增加的情形。

              

                               
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                                    a）                                     b）

                            图1 ParaMesh应用实例
    二、基于变分技术的优化设计方法
    ANSYS DesignXplorer VT是一个基于变分技术的优化设计工具，内置ParaMesh的网格随移技术以，快速完成CAD参数的变分计算。它通过建立设计空间，使设计人员可对产品性能进行深入的研究，并提供了直观的工具，以迅速选择到优化的设计方案：只需一个参数化的几何模型或者FE模型、一次网格划分、一次有限元求解就可得到设计空间和优化方案，如图2所示。
    1．基本原理
    变分技术（VT）的基本原理是：在有限元分析矩阵（如刚度阵、质量阵）级别上利用级数展开的方法建立他们与设计变量之间的关系，计算出来的结果与设计变量之间也是类似的关系。因此，通过一次有限元计算就可以建立设计空间的响应面/曲线，然后查询得到优化设计方案。

                        

                               
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                                 图2 VT优化设计过程
    VT优化技术深入到有限元程序设计的内核，而不是一个简单的附加程序。由于需要计算高阶导数，虽然整个优化过程仅需一次有限元计算，但这“一次有限元计算”的时间会比常规的一次有限元计算时间稍长30％～100％不等（由问题的复杂程度决定）。
    2． 主要功能
    ANSYS DesignXplorer VT不但提供了基于变分技术的优化方法，同时也提供了基于DOE（Design Of Experiments）技术的优化方法，在最大程度上满足了ANSYS用户对优化设计的需求。ANSYS在DOE分析中利用了自动采样技术，在满足给定的计算精度下，只需很少次数的计算即可获得整个设计空间。另外，与CAD软件的双向参数传递功能使VT和DOE技术能与CAD软件协同进行设计尺寸优化，对于产品设计而言，这是非常重要的。
    除了满足常规的优化设计要求外，ANSYS的VT技术和DOE技术还提供了一些非常独特的优化设计能力，诸如：
    ☆多目标优化；
    ☆离散变量优化；
    ☆集合变量优化；
    ☆高频电磁扫描。
    DesignXplorer VT对优化计算结果提供了丰富的交互式后处理工具，包括：
    ☆设计空间图；
    ☆灵敏度；
    ☆蛛状图；
    ☆多目标优化的输出；
    ☆“便览”曲线（Handbook Curves）。
    三、 ANSYS优化设计系统化
    以优化产品研发过程为目的的ANSYS软件，其优化技术包括传统的参数设计优化（Design Optimization）、基于产品几何形状的拓扑优化(Topological Optimization)、多目标优化设计(DesignXplorer)、基于变分技术的优化设计(DesignXplorer VT)和优化设计中的网格随移技术(ParaMesh)等，形成了系统化的优化体系。
    这些优化技术可以应用于结构、流体、热、电磁、多物理场等多学科，可以与CAD建立双向参数互动的优化设计；可以完全不依赖于CAD模型、不依赖于前期的参数，直接从FE模型开始，进行参数化网格随移，生成新的参数化FE模型进行优化设计；可以充分利用早期的设计资源进行新方案设计和新的优化设计。总之，ANSYS的优化技术，可以满足各个行业各种类型的设计、优化产品的需要。

xiven2008

好资料呀!

[ 本帖最后由 xinyuxf 于 2006-12-19 08:58 编辑 ]

mjhzhjg

讲得不错，好像见过，图片很熟悉，是不是转贴，请楼主给出链接

xinyuxf

帖子发得比较早了，可能是转贴。
若不是原创，楼主应该给出链接或者作出说明

menyueqi

想知道ansys的普通软件中带有这种功能么？还是附加的？

menyueqi

在ansys10.0的进入界面中，右上角有需要添加的模块，点击添加后，进入ansys，ansys help中没有出现这里说明，请问楼主能否说得详细些，即有相关的资料可以介绍应用么？

沟永平

楼主怎么把图片都删啦
讲得详细些好吗
最好来个完整的

未来的你

要是有详细的资料就更完美了，谢谢分享