面向局部特征優化的參數化設計方法

2014-05-10 11:05:58董小瑞潘翠麗毛虎平張艷崗

制造業自動化 2014年13期

劉波，董小瑞，潘翠麗，毛虎平，張艷崗

（中北大學機械與動力工程學院，太原 030051）

0 引言

在面向優化，尤其是面向結構動態響應優化的問題時，通常需要進行參數化設計。由于現有的CAD和CAE軟件大部分都集成了建模和優化分析的功能，因此，在工程實踐中，當面向結構優化問題時，通常的解決方法是單純在工程分析軟件如ANSYS等直接進行參數化建模和優化，或者單純用三維CAD軟件如Pro/ENGINEER、UG、SolidWorks等進行參數化建模和分析，并用它們都取得了良好的效果。然而，在針對面向局部特征優化的參數化設計問題時，會出現如下一些明顯的缺點：

1）CAD軟件與工程分析軟件CAE相比在建模方面具有明顯的快捷性，尤其是針對一些復雜的幾何模型，用CAE軟件直接進行建模會顯得特別困難；

2）在面向局部特征的結構動態響應優化問題時，若使用工程分析軟件（CAE）直接建模和優化會因或者因為網格數量過多或者循環很多次而浪費很多時間，甚至難以運行，或者因計算機輔助設計軟件（CAD）后處理功能不夠強大而可能造成結果出現偏差；

3）在工程分析軟件中，雖可導入三維CAD 軟件獲得三維模型，但在導入過程中會丟失模型的參數化信息，因而不能進行優化分析，而且建立模型只是有限元分析的一個步驟，還須考慮單元劃分、加載、后處理等問題，如果導入模型的實體元素編號不能控制，那么就會給后續問題的處理帶來不便[1]；

4）在進行網格劃分的過程中，如果用工程分析軟件直接進行自適應網格劃分，那么在復雜模型中，因常常存有一些引起模型出錯的部分，或者當模型參數變化后，CAD模型不能和有限元模型協同變化，從而不能劃分網格。

針對上述問題，迫切需要一種參數化設計的方法，這種方法一方面需要充分利用三維CAD軟件和三維CAE軟件各自的優勢，另一方面也需要在降低網格數量的同時,也能盡可能的保證計算精度。因此，本文提出了三種參數化設計的方法，并以APDL命令流式程序設計語言和Pro/ENGINEER為各自軟件代表進行分析，從而為后續的優化分析作準備。

1 面向局部特征優化的參數化設計方法的提出

1.1 參數化設計與優化的關系

針對面向局部特征優化的參數化設計方法的研究，本文根據圖1所示的示意圖[2]，探討了參數化與優化的關系，得知幾何模型參數化是優化的前提，幾何模型參數化是網格劃分、邊界條件參數化等參數化環節的前提。

1.2 參數化建模方法

圖1 面向優化的局部特征參數化環節研究過程的總體流程圖

針對引言中所提出的種種問題，本文提出了進行參數化建模的三種有效方法，這三種方法均以局部特征優化為目標，根據分塊思想，盡可能在保證精度的情況下減少網格數量，并引入“主體模型”和“分塊模型”來進行展開。

1.2.1 建模方法一

用Pro/ENGINEER軟件來建立不需參數化部分的“主體模型”和“分塊模型”，其中“主體模型”和“分塊模型”實質上是具有公共面的兩個體，然后再將其裝配在一起，最后，將裝配好的模型導入工程分析軟件如ANSYS、ABAQUS等環境中，并將其進行GLUE操作，此種情況可能需對布爾操作精度降低處理，待此步完成后進行網格劃分。

1.2.2 建模方法二

用Pro/ENGINEER軟件來建立不需參數化部分的主體模型，然后導入到CAE軟件中，再利用CAE軟件自帶的前處理建模工具來建立外形簡單的“分塊模型”，最后運用分析軟件的切分工具將主體模型與分塊模型切分開，從而兩者具有共同的公共面，再對分塊模型進行局部特征參數化，最后將主體模型和分塊模型分別予以網格劃分即可。

1.2.3 建模方法三

通過APDL命令流編制程序以寫硬點的形式進行操作，具體方法如圖2所示。

1.3 面向局部特征優化的參數化設計方法的分析流程

根據局部特征的設計分析要求，用參數描述其特征尺寸，并在建立有限元模型與分析時，以參數來表征其過程，從而實現可變參數的有限元分析[3]。具體步驟如下：

圖2 參數化設計方法

1）利用參數化設計思想，根據局部特征的初始幾何結構（若初始結構未知，則應該進行概念設計）、已有的研究成果抽象出模型的特征參數，并對分析模型作必要的簡化；

2）利用Pro/ENGINEER軟件建立模型主體，然后再在ANSYS環境中利用APDL命令進行局部特征參數化，并用APDL命令流進行文件編制；

3）模型參數化完成后，進行網格劃分；

4）用MATLAB編制程序對局部特征參數化（包括模型和網格劃分）環節進行測試，以確保模型參數化合理；

5) 待前面工作完成后，用APDL語言將抽象出的特征參數應用到邊界條件中，以實現邊界條件參數化；

7）根據設計分析要求，將參數賦予具體的特征值，并進行有限元分析，獲取結果；

8）獲得的有限元分析結果為后續的優化工作做準備。

其參數化設計方法流程如圖3所示。

圖3 面向優化的局部特征參數化分析流程圖

圖4 活塞主體模型圖

圖5 分塊模型一

圖6 分塊模型二

2 方法應用

本文結合方法一和方法二進行研究。其中分塊模型一和活塞主體用方法一實現，分塊模型二與活塞主體用方法二實現，方法三詳細方法見流程圖2，此處不予詳細說明。

2.1 模型導入

本文依托國家自然科學基金，以某型號活塞為例進行分析，其活塞主體模型、鑲圈模型和分塊模型如圖4～6所示。

2.2 局部特征的優化目標的確定

確定局部特征（本文指活塞油腔）的優化目標是在保證活塞良好的冷卻效果和滿足活塞強度和剛度的前提下，進一步減輕活塞重量（即輕量化設計）。

2.3 局部特征分析

由文獻[4～7]可知冷卻油腔的形狀對活塞各部位溫度、強度、剛度及其冷卻效果有影響，并且由已有分析可知，X1參數的圓心位置對活塞第一環槽影響最大，不僅溫度的變化速度有極值點，而且若位置不合理會造成第一環槽溫度過高，從而達不到冷卻效果。同時，為了參數化建模的方便，本文可以把此圓心位置保持不變。

2.4 局部特征（油腔）結構參數化

在ANSYS中利用APDL命令流形成的油腔局部特征如圖7所示。

2.5 分塊模型和主體模型網格劃分

網格劃分的質量直接影響著能否進行計算和計算結果的準確程度，對于復雜的幾何圖形，本文可在結構的不同部位，采用大小不同的網格, 以適應計算數據分布的特點。計算數據變化梯度較大的部位(如應力集中處)，為了較好反映數據變化規律，用比較密集的網格文獻[1]。而對于局部特征優化而言，活塞分塊模型是研究的重點，主體模型單元數可以控制的少點，根據此原則活塞模型最后網格劃分如圖8所示，單元總數為333712，節點數為68767個，而直接進行網格劃分網格質量不僅不高，而且單元和節點總數多。