SolidWorks 優(yōu)化

2016-11-12 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要

優(yōu)化是對(duì)重量、應(yīng)力、成本、撓度、自然頻率或溫度因素進(jìn)行計(jì)算,所有這些都以尺寸、載荷和約束、材料和/或制造要求為條件。挑戰(zhàn)在于在設(shè)計(jì)流程的初期,我們很少知道這些輸入。

本文考察了優(yōu)化過(guò)程中的一些基本概念、目前可供受“有限元分析”驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化過(guò)程使用的工具,然后將著重講述設(shè)計(jì)工程師如何在他們的日常工作中取得最好的優(yōu)化效果。

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優(yōu)化簡(jiǎn)介

十年前,設(shè)計(jì)工程師開(kāi)始學(xué)習(xí)使用有限元分析 (finite element analysis,FEA)、計(jì)算流體力學(xué) (computational fluid dynamics,CFD) 和運(yùn)動(dòng)仿真等計(jì)算機(jī)輔助工程 (computer-aided engineering,CAE) 工具,并將它們作為盡快推出更好的設(shè)計(jì)的重要手段。他們相信,借助于這類工具所設(shè)計(jì)出的零部件、裝配體和產(chǎn)品能夠經(jīng)受住有可能加諸其上的最為粗暴的使用。不過(guò),旨在滿足“最壞情況”的產(chǎn)品,對(duì)實(shí)際操作環(huán)境來(lái)說(shuō)可能并非最佳設(shè)計(jì)。

它們可能會(huì)因要滿足安全與強(qiáng)度的要求而被過(guò)分設(shè)計(jì),遠(yuǎn)超出它們使用目的的

要求;或者非常難于制造,成本高昂。如果設(shè)計(jì)工程師進(jìn)一步希望自己設(shè)計(jì)出

的產(chǎn)品就其功能而言是最好、最贏利的,則他們需要將下一個(gè) CAE 步驟帶入產(chǎn)

品開(kāi)發(fā)過(guò)程中,這就是優(yōu)化。

設(shè)計(jì)工程師眼中的優(yōu)化

設(shè)計(jì)優(yōu)化可以提高產(chǎn)品的價(jià)值,其手段有:提高產(chǎn)品在自身操作環(huán)境中的性能;或者減少用來(lái)制造產(chǎn)品的材料數(shù)量,降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

設(shè)計(jì)工程師理所當(dāng)然是處在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最前線?，F(xiàn)在,該工程師對(duì)設(shè)計(jì)分析肯

定已非常熟悉,也就是說(shuō),他或她已經(jīng)掌握了優(yōu)化過(guò)程所需的基本知識(shí),所需

要的只是采取下一步操作的優(yōu)化工具。

通過(guò)加入優(yōu)化過(guò)程,設(shè)計(jì)工程師能夠增進(jìn)對(duì)其產(chǎn)品表現(xiàn)的了解,并對(duì)設(shè)計(jì)加以

改進(jìn),同時(shí)還能不違背從前面已完成的分析中得出的數(shù)據(jù)。

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優(yōu)化的基本組件

優(yōu)化的過(guò)程有三個(gè)主要組件:

? 目標(biāo)

? 約束

? 變量

最簡(jiǎn)單的情況下,經(jīng)過(guò)優(yōu)化的設(shè)計(jì)應(yīng)該通過(guò)改變變量求得目標(biāo)的最大值或最

小值,同時(shí)確保關(guān)鍵性響應(yīng)不超出所定義的約束條件。

目標(biāo)

目標(biāo)就是執(zhí)行優(yōu)化過(guò)程的目的所在。例如,如果某家公司研究表明,生產(chǎn)重量

最輕或價(jià)格最低的產(chǎn)品將贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),那么,最大限度地減少重量或成本就

將成為優(yōu)化的目標(biāo) — 這類情況稱為單目標(biāo)優(yōu)化。

工程師經(jīng)常需要面對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化,不過(guò),這種情況下所需要的資源可能超過(guò)日

常所能提供的量。如果設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)⑺膯?wèn)題定義細(xì)化為一個(gè)目標(biāo)(或一

次只有一個(gè)目標(biāo)),優(yōu)化過(guò)程就能變得簡(jiǎn)單。

在大多數(shù)情況下,處理結(jié)構(gòu)響應(yīng)的工程師會(huì)將重量最小化作為目標(biāo)。在流體應(yīng)

用中,最常見(jiàn)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)壓降和紊流能最小化或速度最大化。

約束

約束將現(xiàn)實(shí)帶入了優(yōu)化。圖 2 中顯示的懸臂示例就屬于這類情況。如果將優(yōu)化

問(wèn)題設(shè)置為不受約束的重量最小化問(wèn)題,優(yōu)化程序?qū)⒅苯舆x擇尺寸變量所允許

的用料最少條件。不過(guò),在現(xiàn)實(shí)世界中,絕大多數(shù)零部件都會(huì)有強(qiáng)度或剛度等

其他方面的操作要求。因此,工程師要選擇用來(lái)定義部件在其系統(tǒng)內(nèi)的可接受

行為的約束條件,這一點(diǎn)很重要。一般而言,他所選擇的約束條件是在單一的

靜態(tài)分析、頻率分析或熱分析中所允許的情況。

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設(shè)計(jì)變量

在約束研究中,如果工程師希望從幾個(gè)可能的設(shè)計(jì)配置中找到最佳配置,則他

需要更改設(shè)計(jì)參數(shù)。這些參數(shù)就是設(shè)計(jì)變量。它們可以是尺寸、陣列中的實(shí)例

數(shù)量、材料屬性、載荷或彈簧剛度 — 或者擁有可檢測(cè)的“最佳”值或需要加以

考慮的設(shè)計(jì)的任何其他方面。

變量可以是連續(xù)的,也就是說(shuō),變量能夠在指定的最小值和最大值之間選擇任

意值。絕大多數(shù)尺寸變量都屬于連續(xù)變量。

它們也可以是離散的,也就是說(shuō),變量只能取定義好的一組可能值。離散變量

的最簡(jiǎn)單形式是“開(kāi)關(guān)”或“是否”變量。例如,是否經(jīng)過(guò)了焊接或是否帶扣件就屬于離散變量類別。陣列的實(shí)例也屬于離散變量。再舉個(gè)例子,皮帶輪或轉(zhuǎn)輪的輻條數(shù)可以是任意整數(shù),但不能是 3.2 或 4.7 等小數(shù)。

鈑金規(guī)格是一種可落入兩種類別的變量。一般而言,規(guī)格厚度有預(yù)先定義的值,但通常的作法還是將厚度指定為一個(gè)連續(xù)變量,然后再上取整或下取整到最接近的規(guī)格厚度。

在優(yōu)化研究過(guò)程中,選擇變量是一個(gè)非常重要的步驟。如果工程師選擇的變量

過(guò)多或過(guò)少,分析的效果都會(huì)大打折扣。變量過(guò)多或取值范圍過(guò)大,會(huì)使程序

難以確定設(shè)計(jì)的最佳配置 — 考慮相對(duì)最小值和最大值時(shí)尤其如此。與之相反,

如果設(shè)計(jì)師提供的變量數(shù)過(guò)少或范圍過(guò)窄,將會(huì)對(duì)成功進(jìn)行研究施加不必要的

限制。

正確選擇變量的最可靠方法是面向不同的可能性執(zhí)行初始靈敏度研究,這一過(guò)

程將在后面的部分加以討論。

產(chǎn)品優(yōu)化的工具

受“有限元分析”驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化乃是工程方面一個(gè)不斷上升的研究領(lǐng)域。盡管

程序和技術(shù)都可以用來(lái)執(zhí)行這一過(guò)程,替換法研究、靈敏度研究以及形狀優(yōu)

是目前最常用的方法。形狀優(yōu)化的兩種最常用方法是梯度搜索和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(design of experiments,DoE)。后者是以響應(yīng)面計(jì)算為基礎(chǔ),能夠獲得

“健壯的”解決方案 — 也就是說(shuō),能夠在產(chǎn)品的生命周期中,有效應(yīng)對(duì)范

圍最廣的工作條件。

替換式研究

替換式研究是用迭代方法來(lái)考察各種可選的設(shè)計(jì)配置。例如,設(shè)計(jì)工程師可以

通過(guò)增減筋的方式來(lái)了解這樣做對(duì)性能產(chǎn)生的影響。

替換式研究對(duì)于快速評(píng)估多個(gè)選項(xiàng)很有價(jià)值,它可以確定哪一個(gè)可能的變化

(如果有的話)會(huì)對(duì)零部件產(chǎn)生最大的影響。因?yàn)樘卣鞯慕M合數(shù)可以是無(wú)限的,所以對(duì)每次迭代及其相應(yīng)的響應(yīng)進(jìn)行記錄,這一點(diǎn)很重要 — 可以避免重復(fù)或遺漏。SolidWorks® 的用戶可以使用“配置” (Configurations) 這一優(yōu)秀的實(shí)用

工具來(lái)管理替換式研究迭代。

限定了可能的更改之后,如果覺(jué)得某些更改值得做進(jìn)一步的研究,設(shè)計(jì)師可以

利用靈敏度研究來(lái)考察相關(guān)尺寸或設(shè)計(jì)特征的變化情況。

靈敏度研究

靈敏度研究會(huì)系統(tǒng)地評(píng)估對(duì)輸入變化做出響應(yīng)的變化情況。通常是采用圖解或

圖表方式來(lái)顯示這類研究的結(jié)果:在 X 軸指定參數(shù)的改變量,在 Y 軸指定對(duì)這

一改變的響應(yīng)。圖 3 即顯示了這一輸出的一個(gè)示例。在給定輸入范圍的情況下,如果響應(yīng)的變化范圍很大,即意味著靈敏度較高;響應(yīng)的變化范圍很小,即表示不靈敏。這類研究有助于向工程師說(shuō)明那些值得做進(jìn)一步研究的特征。

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另外,靈敏度研究可以向工程師指出意義最為重大的參數(shù)以及對(duì)目標(biāo)有最大

影響的數(shù)值的范圍?；凇坝邢拊治觥钡膬?yōu)化程序可以完善這一研究過(guò)程,

其方法是根據(jù)某一具體參數(shù)的一系列數(shù)值求出問(wèn)題的解,然后再描繪出目標(biāo)以

及受約束的響應(yīng)。

圖4 顯示了采用 SolidWorks Simulation 程序中的“設(shè)計(jì)情形” (Design Scenarios)

功能設(shè)置這樣一個(gè)靈敏度研究的輸入表。這一自動(dòng)化方法通過(guò)指明待研究的維

度值,將每一個(gè)待考察的參數(shù)范圍均分為幾段。在解出每一維度的模型之后,

程序?qū)⑸身憫?yīng)圖解,如圖 4 所示。

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使用SolidWorks 進(jìn)行優(yōu)化

SolidWorks Simulation 使用了基于“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”的優(yōu)化方式。要求解某一問(wèn)題,

工程師會(huì)提供其維度設(shè)計(jì)變量的最大值和最小值,然后選擇“標(biāo)準(zhǔn)” (Standard)

或“高質(zhì)量” (High Quality) 優(yōu)化方式?！皹?biāo)準(zhǔn)”方式假設(shè)限制值之間的目標(biāo)響

應(yīng)曲線是線性的,只計(jì)算這些值處的響應(yīng)?！案哔|(zhì)量”優(yōu)化會(huì)考慮到在限制值之

間存在二階響應(yīng)的可能性,除了極大、極小值之外還會(huì)求一個(gè)中間值。圖 7 顯示了隨三圓角的尺寸變化而自動(dòng)執(zhí)行的汽車懸架設(shè)計(jì)迭代過(guò)程。這一情況下,設(shè)計(jì)約束是不超出材料在靜態(tài)載荷下的屈服強(qiáng)度。

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SolidWorks Simulation 優(yōu)化研究會(huì)為每一變量生成表征最佳配置的單一值。為了在采用此方法時(shí)獲得最高的準(zhǔn)確度,工程師應(yīng)該細(xì)化每一變量的取值范圍,并進(jìn)行二次優(yōu)化或靈敏度研究。由此,他可以借助優(yōu)化程序快速、有效地了解如何改善自己的產(chǎn)品,并且實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

進(jìn)行優(yōu)化的最佳時(shí)機(jī)

負(fù)責(zé)優(yōu)化的工程師如果能在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段執(zhí)行優(yōu)化過(guò)程,將能最大限度

地提高技術(shù)利用價(jià)值。隨著設(shè)計(jì)過(guò)程的進(jìn)展,設(shè)計(jì)的復(fù)雜性會(huì)越來(lái)越高,更改

也將越來(lái)越難于評(píng)估和實(shí)施。

在設(shè)計(jì)的概念階段,工程師能夠借助于優(yōu)化,確保為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的材料、壁厚、硬化特征和扣緊方式等等。研究表明,產(chǎn)品成本的 80% 是在設(shè)計(jì)過(guò)程的最初 20% 階段確定的。為了確保參與競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)品發(fā)揮出最佳效果,很值得在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最早期階段考察一下理想配置。

除了在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段執(zhí)行優(yōu)化過(guò)程這一點(diǎn)很重要之外,優(yōu)化在設(shè)計(jì)過(guò)程

的后期也有自己的用武之地,工程師能夠借助于這一手段解決問(wèn)題或改善某個(gè)

特征。

優(yōu)化中 CAD 與分析之間的聯(lián)系

上述所有內(nèi)容涉及的都是受“有限元分析”驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化,而“有限元分析”通常

與生成設(shè)計(jì)的 CAD 程序密切相關(guān)。CAD 系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化同樣非常重要,原因在于

生成模型、尺寸標(biāo)注方案以及嵌入關(guān)系的方法會(huì)影響設(shè)計(jì)師對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的

考察能力。

在創(chuàng)建自己的模型時(shí),工程師所考慮的尺寸應(yīng)能允許修改那些以前經(jīng)過(guò)優(yōu)化的

特征,同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致任何模型重建錯(cuò)誤。

規(guī)劃過(guò)程對(duì)優(yōu)化至關(guān)重要。設(shè)計(jì)師最好能先完全圍繞優(yōu)化目的生成 CAD 模型,

然后再借助于這一過(guò)程所收集的信息來(lái)完成對(duì) CAD 模型的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。

零部件和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性應(yīng)該是他在選擇要研究的特征時(shí)所考慮的問(wèn)題。

最大限度地利用優(yōu)化過(guò)程

那些打算將優(yōu)化過(guò)程作為設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的改善手段的工程師需要清除他們頭腦中

任何先入為主的有關(guān)“最優(yōu)化”的概念。要實(shí)現(xiàn)這一目的,很大程度上可以先

由優(yōu)化程序提供相關(guān)信息,然后再由他們來(lái)了解各種數(shù)據(jù)的不同含義。

針對(duì)同一問(wèn)題,思想開(kāi)放的設(shè)計(jì)師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工具提供了幾個(gè)不同的解決

方案 — 對(duì)這些解決方案,需要參照最終獲得質(zhì)量最好、最贏利的產(chǎn)品的制造要

求和效率來(lái)加以考慮。

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優(yōu)化方面的成功故事

Alliance Space Systems

位于加州 Pasadena 的 Alliance Space Systems, Inc. (ASI) 為航天器和科學(xué)儀器設(shè)計(jì)與制造機(jī)械系統(tǒng)、機(jī)器人、機(jī)械結(jié)構(gòu)與裝置。最為著名的是,ASI 為 NASA面向火星探險(xiǎn)漫游車 (Mars Exploration Rover,MER) 任務(wù)所開(kāi)發(fā)的大獲成

功的勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)漫游車制作了機(jī)械臂。

ASI 使用集成的 SolidWorks Simulation 軟件來(lái)測(cè)試并優(yōu)化零部件和裝配體的

設(shè)計(jì)?！拔覀儗?duì)每一克的重量、每一毫米的空間都斤斤計(jì)較,” ASI 的工程總監(jiān)

Brett Lindenfeld 說(shuō)?！耙?yàn)槲覀兊姆治鋈藛T使用 SolidWorks Simulation 進(jìn)行

應(yīng)力分析和熱分析,他們能夠?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)人員提供支持,并與設(shè)計(jì)人員展

開(kāi)有效的協(xié)作,以便對(duì)設(shè)計(jì)加以優(yōu)化。我們的團(tuán)隊(duì)將機(jī)械臂的體積減少了 20%,這相當(dāng)于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置所需要的空間;同時(shí)將返工工作量保持在 1%之內(nèi)。雖然時(shí)間很緊,但我們?nèi)匀煌瞥隽速|(zhì)量更高、更具創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)?！?/span>

Kadant Johnson

位于密歇根州 Three Rivers 的 Kadant Johnson(前身是The JohnsonCorporation)為流程工業(yè)所用的流體和熱交換設(shè)備設(shè)計(jì)與制造先進(jìn)的流程控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)

接頭、彎管和加熱系統(tǒng)以及相關(guān)的零部件。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)總監(jiān) Alan Ives 及其團(tuán)隊(duì)需

要優(yōu)化高速造紙機(jī)干燥部分所用的旋轉(zhuǎn)接頭和彎管裝配體的設(shè)計(jì)。采用手工計(jì)

算和現(xiàn)有“有限元分析”軟件對(duì)已經(jīng)成型的設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化,這會(huì)非常浪費(fèi)時(shí)間,

他們無(wú)法承擔(dān)這樣做的成本。該團(tuán)隊(duì)需要新的工程解決方案,以便實(shí)現(xiàn)節(jié)約時(shí)

間與提高設(shè)計(jì)投資回報(bào)率的目的。

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該公司使用 SolidWorks Simulation 來(lái)分析和優(yōu)化每一個(gè)零部件,用合理的時(shí)間

與較少的設(shè)計(jì)迭代次數(shù)跟蹤了更多的設(shè)計(jì)。結(jié)果,他們得到了更堅(jiān)固、更耐用

而質(zhì)量更輕的裝配體,其開(kāi)發(fā)時(shí)間卻只占正常開(kāi)發(fā)時(shí)間的一小部分?！拔覀儼l(fā)

現(xiàn) SolidWorks Simulation 是一個(gè)非常健壯的軟件包,它幫助我們按期實(shí)現(xiàn)了所

有的設(shè)計(jì)目標(biāo),”Ives 說(shuō)。他們?cè)谌齻€(gè)項(xiàng)目上各自減少了 40% 到 50% 的重量,

并且能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測(cè)響應(yīng)與實(shí)際測(cè)試的關(guān)聯(lián)。減少重量這一結(jié)果直接來(lái)自于使用

SolidWorks 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,”他補(bǔ)充到。

結(jié)論

設(shè)計(jì)優(yōu)化可以提高產(chǎn)品的價(jià)值,其手段有:提高產(chǎn)品在自身操作環(huán)境中的性能;或者減少用來(lái)制造產(chǎn)品的材料數(shù)量,降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。通過(guò)加入優(yōu)化過(guò)程,設(shè)計(jì)工程師能夠增進(jìn)對(duì)其產(chǎn)品表現(xiàn)的了解,并對(duì)設(shè)計(jì)加以改進(jìn)。

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