搜索軟件案例|SolidWorks Simulation優化分析
2016-11-06 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
優化軟件有很多,各有各的特長。今天小編帶大家了解一下solidworks的優化模塊。
在具競爭相當激烈的工業界,產品開發及降低成本已嚴然成為各企業主所最關心的事項。產品開發需要在功能性、安全、便利及外觀等各方面考慮下,方能謂之優化的產品。有了優化的產品后進一步要去思考如何降低成本,這往往都是工程師最頭痛的一個議題。
例如設計主管看到分析結果發現,減少板材長度可以降低采購成本,除了一些富有相當經驗的設計者會依據經驗法則設計(try and error);到底要減少多少才是一個優化的數據,筆者猜想設計工程師一定會相當的困擾,甚至不知該如何回答這個問題。
常常有人在問道,何謂優化設計(Optimization Design)?
優化系指在產品開發過程中透過計算機的數值計算,協助設計者在許多限制和條件相互沖突的環境下,自動化搜尋最佳求解的作業。例如,您可能決定哪些尺寸數據組合,優化設計會利用CAD 軟件的尺寸參數為基礎,以尋求在應力不會超過限制范圍內的最低材料用量,亦為降低制造成本的可靠方法。
本次主題將介紹設計工程師在進行此類測試時的操作流程及結果判讀與運用。
優化設計的流程
優化專題的操作步驟:
a、定義并執行初始專題
b、評估初始分析專題的結果
c、定義優化專題目標
d、定義設計變量
e、定義限制條件
f、執行分析
g、檢視優化結果
在執行優化專題前必需先進行初始專題的設定及求解,在每個優化循環過程中,優化專題會依照修改后的尺寸執行初始專題。初始專題的類型包含了靜態分析、頻率分析、挫曲分析、熱分析等,至于所需的初始專題為何種分析類型,這個需要依照目標函數及限制條件為何而定。例如,用來將體積或重量最小化的目標函數不限于使用特定類型的初始專題,但是用來將頻率最小化的目標函數則必須使用初始頻率專題。
2評估初始分析專題的結果
檢視此初始專題的受力狀況及安全系數值為何,由此結構來看安全系數為6.5倍,亦指此產品的設計還能有改善的空間;假如公司規范為2倍以上的安全系數,在結構用料上可減輕產品的重量來降低成本,因此可藉由COSMSOWorks的優化分析的工具,來達到即符合成本觀的最佳設計。
3 定義優化目標
在優化過程中,目標系定義優化程序所追求的目標。定義種類包括使用者指定質量或體積最小化、頻率最小化或最大化、挫曲負載系數最大化等類型。
很多使用者會認定質量最小化一定等于體積最小化,那是在相同材質底下分析才適當;不過大多組合件的分析,因各個零件是以不同密度的材料構成,則體積最小化未必等于質量最小化。
4定義設計變量
工程師設計產品過程當中有許多的設計想法,卻不知如何設計才是最佳的數值參數;如肋材厚度、物件長度、圓角大小等。用戶可透過SolidWorks內模型尺寸大小,取合理的上限、下限的數值來當作設計的變量,計算機程序會根據指定范圍來執行所有的初始專題。在優化專題設定時,軟件系根據質量等級和設計變量的數量來執行一連串的迭代運算,每個優化的專題最多可指定20個設計變數。
5限制條件
在求解過程中軟件會依據目標來決定設計變量,軟件在決定設計變量時需先加入限制條件,這樣子軟件計算出來的數值才是最優化的數據。如允許應力、應變、位移、挫曲負載系數、頻率、溫度等的上下限之間的值。一個優化專題中最多可定義60 項限制條件,與初始專題所互相對應的限制條件如下:
適用于靜態專題:節點或元素應力、應變或位移
適用于挫曲專題:1~10 的挫曲負載系數
適用于頻率專題:1~10 的共振頻率
適用于熱專題:溫度、溫度梯度或熱通量
其定義限制條件如圖6所示,需依序定義:
定義回應的分析類型(如:靜態、頻率、挫曲、熱)。
定義結果類型的選擇(如:應力、位移、頻率等)。
定義結果類型的細目(等效應力、合位移、第一個模態頻率等)。
定義結果類型細目上、下限值。
設定好目標、設計變量及限制條件后便可執行分析,在每次分析的循環過程中,程序會擷取相對應的變量尺寸,利用參數、特征化的塑模方式以及自動化重新生成能力進行分析試驗,直到判斷達到收斂或達到設定的最大迭代次數為止。
7繪制優化分析結果
執行優化專題后,軟件會根據默認選項或現有的結果模板,自動在COSMOS AnalysisManager 樹狀結構中建立下列三種結果圖示:
(1)定義設計周期結構
可藉由此選項檢視每次迭代計算時所對應到的尺寸大小,亦可配合SolidWizard的物質特性工具查看模型的體積或重量經過優化后的差異。查看圖10所示,最初設計質量為10.363lb,最佳設計質量為8.655lb,減輕了16.48%的質量。若要觀察優化后所求的應力、位移、安全系數分布圖可回到初始專題,初始專題內的結果圖表會亦同步更新。
(2)定義設計歷程圖表
在圖表中標明目標函數、設計變量或設計限制對設計周期(優化循環)在迭化運算過程中的收斂狀況(圖12)。如圖表13所示,x軸代表優化設計次數,y軸代表設計組對各設計變量求得結果,曲線代表著在設計周期內各設計變量的變化。
(3)定義局部趨勢圖表
在圖表中標明設計變量對目標函數或限制條件之間的關系(圖14)。如圖表x軸代表設計變量,y軸代表目標函數(質量),曲線代表者不同尺寸大小對質量的變化。(圖15)
由優化專題所產生的尺寸,在實際制造上未必可行。您可能需要舍入設計變量以符合制造標準,并檢查最終模型以確認所有的限制是否還在要求的范圍內。藉由此篇文章幫助您在使用軟件時能更得心應手,設計出富有優越功能亦獲得最佳經濟效益的產品。
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