基于ISIGHT的腳輪支架結構優化設計

李會超，孫寶福，彭 偉，張 帥

LI Hui-chao，SUN Bao-fu，PENG Wei，ZHANG Shuai

（桂林理工大學 機械與控制工程學院，桂林 541004）

1 ISIGHT概述

ISIGHT是國際上最先進的基于參數的多學科設計優化軟件之一，能夠幫助設計人員、仿真人員完成從簡單的零部件優化到復雜系統的多學科優化（MDO，Multi-Disciplinary Design Optimization）。ISIGHT將四大數學算法（試驗設計、近似建模、探索優化和6 Sigma質量設計）融為有機整體，讓計算機自動化地驅動CAE設計/仿真流程，從而更快、更好、更省地改進產品性能、降低能源消耗，并有效降低成本[1]。

目前，ISIGHT優化軟件已經在航空、汽車、電子、機械、化工等產業得到廣泛的應用。每天都有很多用戶在使用ISIGHT，從而在縮短設計周期、降低產品成本和提升產品品質等方面獲得突破。自2002年以來，ISIGHT已經在清華大學、上海交通大學、北京航空航天大學等學校以及汽車（包括一汽、大眾、東風、泛亞）、航空、航天、船舶、軍工、動力等相關行業得到廣泛應用，并取得較好的社會效益和經濟效益。

由于ISIGHT所倡導的多學科優化設計（MDO）和基于質量工程設計方法在國內剛剛起步，所以，ISIGHT的應用無疑會大大提升國內制造業數字化、信息化和現代化水平[2]。同時在市場競爭日益加劇“中國制造”向“中國創造”轉型之際，以ISIGHT為代表的優化技術必將助力中國的廣大制造企業創造新的輝煌。由于單學科是多學科的基礎，本文應用ISIGHT軟件里自帶的優化算法，對腳輪支架優化設計進行探究。

2 問題描述

圖1所示某產品腳輪支架，主要用途是安裝在物體下面方便物體的移動。支架材料Q235，最大屈服應力（σb）340～450Mp[3]，上端面受分布載荷作用其受力大小為5000N，下端面約束沒有位移，優化目標是在滿足實用條件下(最大應力不超規定的許用應力)使其體積最小。該優化設計涉及結構優化和性能優化2個方面，如圖1所示。

圖1 腳輪支架產品圖

優化目標：Min Volume

設計變量：X={x1，x2,...,x11} 式中：

x1—dichang ，50.0＜x1＜60.0初始值56.0；

x2—dikuang ，5.0＜x2＜12.0 初始值8.0；

x3—dineiyuan，10.0＜x3＜20.0 初始值16.0；

x4—diqieyuan，35.0＜x4＜45.0 初始值40.8459；

x5—diwaiyuan，10.0＜x5＜18.0 初始值18.0；

x6—ergao，35.0＜x6＜45.0 初始值40.0；

x7—erhou，4.0＜x7＜12.0 初始值8.0；

x8—erneiyuan，45.0＜x8＜55.0 初始值50.0；

x9—erwaiyuan，85.0＜x9＜95.0 初始值90.0；

x10—eryuan，15.0＜x10＜25.0 初始值20.1409；

x11—erzhengyuan 8.0＜x11＜18.0 初始值12.0。

約束：SEQV＜400Mp，USUM＜5mm 其中SEQV為等效應力，USUM為變形量。

3 集成過程

3.1 UG集成

UG軟件具有強大的參數化建模優勢，為ISIGHT的方便應用奠定基礎。通過UG建模軟件并將支架參數化導出zhijia.exp和zhijia.prt文件，通過VC編譯支架自動更新UGupdat.exe程序文件，此程序文件用來驅動zhijia.exp和zhijia.prt文件生成zhijia.x_t文件，因為zhijia.x_t文件導入ANSYS分析中能過保證數據的完整性；此程序也能夠保證每次優化循環中支架尺寸自動更新，而且每次優化循環得到的文件自動保存，方便查看每次優化循環得到參數模型。

ISIGHT集成UG需要建立后臺運行批處理zhijiaUG.bat文件，此文件能夠讓UG啟動并在后臺自動運行，文件內容是UGupdate.exe zhijia.prt zhijia.exp F:zhijiazhijia.x_t。

3.2 ANSYS集成

ANSYS軟件是大型通用有限元分析軟件具有強大的分析優勢，本文主要用到ANSYS對某產品腳輪支架靜力分析，取其彈性模量為2.11E11，泊松比為0.27，然后加載求解，通過后處理求解外載荷引起的位移和應力變化。通過人機交互方式（GUI）將UG軟件生成的zhijia.x_t文件導入ANSYS，經過分析將命令流保存成LGW文件，將命令流文件后綴LGW修改成zhijiainput.txt文件格式，作為ISIGHT優化軟件的輸入文件。通過ANSYS分析將分析結果保存到在zhijiaoutput.txt.文件中。

ISIGHT通過集成ANSYS需要建立批處理文件ANSYS.bat，文件的內容是cmd/c "C:Program FilesAnsys Incv100ANSYSinintelansys100.exe"-b -p ansys -i zhijiainput.txt -o temp.txt。

通過ANSYS軟件靜力分析，結果如圖2所示。

4 ISIGHT集成優化

圖2 為ANSYS靜力分析結果

ISIGHT作為一個多學科優化軟件具備廣泛的CAD/CAE乃至自編程序接口，可以快速建立復雜的仿真分析流程，設定和修改設計變量以及目標，自動進行多次分析循環。結構優化流程圖如圖3所示。

圖3 結構優化流程圖

4.1 集成封裝過程

ISIGHT優化軟件具有強大的集成能力，能夠將多種商業軟件集成到一起，以實現各個軟件的主要優勢。本文主要應用UG軟件強大的建模功能優化和ANSYS強大的分析優勢，利用ISIGHT強大的集成優化優勢將UG和ANSYS集成在一起。在ISIGHT優化平臺上總體集成框架圖如圖4所示。

圖4 集成框架圖

集成系統主要有UG、ANSYS和OPT三個組建構成，UG建模軟件建立模型將模型參數化，提供zhijia.exp、zhijia.prt、zhijia.x_t、UGupdate.exe和UG.bat五個文件方便ISIGHT軟件使用；ANSYS分析軟件對模型靜態分析提供zhijiainput.txt、zhijiaoutput.txt和ANSYS.bat三個文件方便ISIGHT軟件使用。

ISIGHT封裝過程應用運行路徑，這樣保證每次運行結束后，結果將會自動保存在一個對應的文件里面， 這樣可以方便查看每次優化循環結果。

4.2 優化算法的選擇

ISIGHT優化軟件自身提供了比較完備的優化算法，包括梯度優化算法(Gradient Optimization)、直接搜索方法(Direct Search)、全局優化算法(Global Optimization)。本文對每一種算法進行分析和對比研究得出梯度優化算法中的NLPQL算法具有優秀的短時尋優能力，運行時間短，具有較高的精度，得出的目標函數值準確。雖然Hookejeeves優化出來的結果值更小但是產品的結構不能滿足實用要求。通過對比分析，本文選用ISIGHT提供的梯度優化算法中的NLPQL優化算法作為優化算法，在滿足狀態變量的限制情況下對目標函數進行優化。表1是對幾種優化算法結果的比較。

表1 幾種優化算法結果對比

4.3 優化結果

本文選擇NLPQL優化算法進行優化，經過27次優化循環優化，最合理的設計循環點在第9次循環；從優化前后的結果對比分析，優化后參數上有調整，在滿足使用的情況之下，腳輪支架的體積由原來的104853 mm3縮減到92674mm3體積減少11.61%達到優化目的。

優化前后圖形對比如圖5、圖6所示。

表2 支架優化前后參數對比

圖5 優化前支架模型

圖6 優化后支架模型

5 結束語

通過在多學科設計優化集成平臺ISIGHT上，搭建支架優化集成平臺，集成建模軟件UG和分析軟件ANSYS的過程，并選擇NLPQL優化算法，經過優化循環得出合理的優化結果。利用ISIGHT軟件集成其他學科軟件，利用各個軟件的優勢，進行仿真，從而縮短產品研制周期，降低研發成本，提高市場競爭。

[1] 賴宇陽.Isight參數化理論與實例詳解[M].北京:北京航空航天大學出版社,2012,10:1-2.

[2] 任利,邵園園,韓虎.基于Isight的多學科設計優化研究與應用[J].起重運輸機械,2008(5):45-48.

[3] 機械工程材料數據手冊編委會,機械工程材料性能數據手冊[M].北京:機械工業出版社1994,12:42-43.

[4] 盧健釗,殷國富,米良,孫明楠.基于ISIGHT的主軸動靜態性能優化設計[J].組合機床與自動化加工技術,2012,(5):36-38,44.