基于ISIGHT的脚轮支架结构优化设计

2013-10-17李会超孙宝福

制造业自动化 2013年20期

李会超，孙宝福，彭伟，张帅

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

（桂林理工大学机械与控制工程学院，桂林 541004）

1 ISIGHT概述

ISIGHT是国际上最先进的基于参数的多学科设计优化软件之一，能够帮助设计人员、仿真人员完成从简单的零部件优化到复杂系统的多学科优化（MDO，Multi-Disciplinary Design Optimization）。ISIGHT将四大数学算法（试验设计、近似建模、探索优化和6 Sigma质量设计）融为有机整体，让计算机自动化地驱动CAE设计/仿真流程，从而更快、更好、更省地改进产品性能、降低能源消耗，并有效降低成本[1]。

目前，ISIGHT优化软件已经在航空、汽车、电子、机械、化工等产业得到广泛的应用。每天都有很多用户在使用ISIGHT，从而在缩短设计周期、降低产品成本和提升产品品质等方面获得突破。自2002年以来，ISIGHT已经在清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等学校以及汽车（包括一汽、大众、东风、泛亚）、航空、航天、船舶、军工、动力等相关行业得到广泛应用，并取得较好的社会效益和经济效益。

由于ISIGHT所倡导的多学科优化设计（MDO）和基于质量工程设计方法在国内刚刚起步，所以，ISIGHT的应用无疑会大大提升国内制造业数字化、信息化和现代化水平[2]。同时在市场竞争日益加剧“中国制造”向“中国创造”转型之际，以ISIGHT为代表的优化技术必将助力中国的广大制造企业创造新的辉煌。由于单学科是多学科的基础，本文应用ISIGHT软件里自带的优化算法，对脚轮支架优化设计进行探究。

2 问题描述

图1所示某产品脚轮支架，主要用途是安装在物体下面方便物体的移动。支架材料Q235，最大屈服应力（σb）340～450Mp[3]，上端面受分布载荷作用其受力大小为5000N，下端面约束没有位移，优化目标是在满足实用条件下(最大应力不超规定的许用应力)使其体积最小。该优化设计涉及结构优化和性能优化2个方面，如图1所示。

图1 脚轮支架产品图

优化目标：Min Volume

设计变量：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。

约束：SEQV＜400Mp，USUM＜5mm 其中SEQV为等效应力，USUM为变形量。

3 集成过程

3.1 UG集成

UG软件具有强大的参数化建模优势，为ISIGHT的方便应用奠定基础。通过UG建模软件并将支架参数化导出zhijia.exp和zhijia.prt文件，通过VC编译支架自动更新UGupdat.exe程序文件，此程序文件用来驱动zhijia.exp和zhijia.prt文件生成zhijia.x_t文件，因为zhijia.x_t文件导入ANSYS分析中能过保证数据的完整性；此程序也能够保证每次优化循环中支架尺寸自动更新，而且每次优化循环得到的文件自动保存，方便查看每次优化循环得到参数模型。

ISIGHT集成UG需要建立后台运行批处理zhijiaUG.bat文件，此文件能够让UG启动并在后台自动运行，文件内容是UGupdate.exe zhijia.prt zhijia.exp F:zhijiazhijia.x_t。

3.2 ANSYS集成

ANSYS软件是大型通用有限元分析软件具有强大的分析优势，本文主要用到ANSYS对某产品脚轮支架静力分析，取其弹性模量为2.11E11，泊松比为0.27，然后加载求解，通过后处理求解外载荷引起的位移和应力变化。通过人机交互方式（GUI）将UG软件生成的zhijia.x_t文件导入ANSYS，经过分析将命令流保存成LGW文件，将命令流文件后缀LGW修改成zhijiainput.txt文件格式，作为ISIGHT优化软件的输入文件。通过ANSYS分析将分析结果保存到在zhijiaoutput.txt.文件中。

ISIGHT通过集成ANSYS需要建立批处理文件ANSYS.bat，文件的内容是cmd/c "C:Program FilesAnsys Incv100ANSYSinintelansys100.exe"-b -p ansys -i zhijiainput.txt -o temp.txt。

通过ANSYS软件静力分析，结果如图2所示。

4 ISIGHT集成优化

图2 为ANSYS静力分析结果

ISIGHT作为一个多学科优化软件具备广泛的CAD/CAE乃至自编程序接口，可以快速建立复杂的仿真分析流程，设定和修改设计变量以及目标，自动进行多次分析循环。结构优化流程图如图3所示。

图3 结构优化流程图

4.1 集成封装过程

ISIGHT优化软件具有强大的集成能力，能够将多种商业软件集成到一起，以实现各个软件的主要优势。本文主要应用UG软件强大的建模功能优化和ANSYS强大的分析优势，利用ISIGHT强大的集成优化优势将UG和ANSYS集成在一起。在ISIGHT优化平台上总体集成框架图如图4所示。

图4 集成框架图

集成系统主要有UG、ANSYS和OPT三个组建构成，UG建模软件建立模型将模型参数化，提供zhijia.exp、zhijia.prt、zhijia.x_t、UGupdate.exe和UG.bat五个文件方便ISIGHT软件使用；ANSYS分析软件对模型静态分析提供zhijiainput.txt、zhijiaoutput.txt和ANSYS.bat三个文件方便ISIGHT软件使用。

ISIGHT封装过程应用运行路径，这样保证每次运行结束后，结果将会自动保存在一个对应的文件里面，这样可以方便查看每次优化循环结果。

4.2 优化算法的选择

ISIGHT优化软件自身提供了比较完备的优化算法，包括梯度优化算法(Gradient Optimization)、直接搜索方法(Direct Search)、全局优化算法(Global Optimization)。本文对每一种算法进行分析和对比研究得出梯度优化算法中的NLPQL算法具有优秀的短时寻优能力，运行时间短，具有较高的精度，得出的目标函数值准确。虽然Hookejeeves优化出来的结果值更小但是产品的结构不能满足实用要求。通过对比分析，本文选用ISIGHT提供的梯度优化算法中的NLPQL优化算法作为优化算法，在满足状态变量的限制情况下对目标函数进行优化。表1是对几种优化算法结果的比较。