面向局部特征优化的参数化设计方法

2014-05-10董小瑞潘翠丽毛虎平张艳岗

制造业自动化 2014年13期

刘波，董小瑞，潘翠丽，毛虎平，张艳岗

（中北大学机械与动力工程学院，太原 030051）

0 引言

在面向优化，尤其是面向结构动态响应优化的问题时，通常需要进行参数化设计。由于现有的CAD和CAE软件大部分都集成了建模和优化分析的功能，因此，在工程实践中，当面向结构优化问题时，通常的解决方法是单纯在工程分析软件如ANSYS等直接进行参数化建模和优化，或者单纯用三维CAD软件如Pro/ENGINEER、UG、SolidWorks等进行参数化建模和分析，并用它们都取得了良好的效果。然而，在针对面向局部特征优化的参数化设计问题时，会出现如下一些明显的缺点：

1）CAD软件与工程分析软件CAE相比在建模方面具有明显的快捷性，尤其是针对一些复杂的几何模型，用CAE软件直接进行建模会显得特别困难；

2）在面向局部特征的结构动态响应优化问题时，若使用工程分析软件（CAE）直接建模和优化会因或者因为网格数量过多或者循环很多次而浪费很多时间，甚至难以运行，或者因计算机辅助设计软件（CAD）后处理功能不够强大而可能造成结果出现偏差；

3）在工程分析软件中，虽可导入三维CAD 软件获得三维模型，但在导入过程中会丢失模型的参数化信息，因而不能进行优化分析，而且建立模型只是有限元分析的一个步骤，还须考虑单元划分、加载、后处理等问题，如果导入模型的实体元素编号不能控制，那么就会给后续问题的处理带来不便[1]；

4）在进行网格划分的过程中，如果用工程分析软件直接进行自适应网格划分，那么在复杂模型中，因常常存有一些引起模型出错的部分，或者当模型参数变化后，CAD模型不能和有限元模型协同变化，从而不能划分网格。

针对上述问题，迫切需要一种参数化设计的方法，这种方法一方面需要充分利用三维CAD软件和三维CAE软件各自的优势，另一方面也需要在降低网格数量的同时,也能尽可能的保证计算精度。因此，本文提出了三种参数化设计的方法，并以APDL命令流式程序设计语言和Pro/ENGINEER为各自软件代表进行分析，从而为后续的优化分析作准备。

1 面向局部特征优化的参数化设计方法的提出

1.1 参数化设计与优化的关系

针对面向局部特征优化的参数化设计方法的研究，本文根据图1所示的示意图[2]，探讨了参数化与优化的关系，得知几何模型参数化是优化的前提，几何模型参数化是网格划分、边界条件参数化等参数化环节的前提。

1.2 参数化建模方法

图1 面向优化的局部特征参数化环节研究过程的总体流程图

针对引言中所提出的种种问题，本文提出了进行参数化建模的三种有效方法，这三种方法均以局部特征优化为目标，根据分块思想，尽可能在保证精度的情况下减少网格数量，并引入“主体模型”和“分块模型”来进行展开。

1.2.1 建模方法一

用Pro/ENGINEER软件来建立不需参数化部分的“主体模型”和“分块模型”，其中“主体模型”和“分块模型”实质上是具有公共面的两个体，然后再将其装配在一起，最后，将装配好的模型导入工程分析软件如ANSYS、ABAQUS等环境中，并将其进行GLUE操作，此种情况可能需对布尔操作精度降低处理，待此步完成后进行网格划分。

1.2.2 建模方法二

用Pro/ENGINEER软件来建立不需参数化部分的主体模型，然后导入到CAE软件中，再利用CAE软件自带的前处理建模工具来建立外形简单的“分块模型”，最后运用分析软件的切分工具将主体模型与分块模型切分开，从而两者具有共同的公共面，再对分块模型进行局部特征参数化，最后将主体模型和分块模型分别予以网格划分即可。

1.2.3 建模方法三

通过APDL命令流编制程序以写硬点的形式进行操作，具体方法如图2所示。

1.3 面向局部特征优化的参数化设计方法的分析流程

根据局部特征的设计分析要求，用参数描述其特征尺寸，并在建立有限元模型与分析时，以参数来表征其过程，从而实现可变参数的有限元分析[3]。具体步骤如下：

图2 参数化设计方法

1）利用参数化设计思想，根据局部特征的初始几何结构（若初始结构未知，则应该进行概念设计）、已有的研究成果抽象出模型的特征参数，并对分析模型作必要的简化；

2）利用Pro/ENGINEER软件建立模型主体，然后再在ANSYS环境中利用APDL命令进行局部特征参数化，并用APDL命令流进行文件编制；

3）模型参数化完成后，进行网格划分；

4）用MATLAB编制程序对局部特征参数化（包括模型和网格划分）环节进行测试，以确保模型参数化合理；

5) 待前面工作完成后，用APDL语言将抽象出的特征参数应用到边界条件中，以实现边界条件参数化；

7）根据设计分析要求，将参数赋予具体的特征值，并进行有限元分析，获取结果；

8）获得的有限元分析结果为后续的优化工作做准备。

其参数化设计方法流程如图3所示。

图3 面向优化的局部特征参数化分析流程图

图4 活塞主体模型图

图5 分块模型一

图6 分块模型二

2 方法应用

本文结合方法一和方法二进行研究。其中分块模型一和活塞主体用方法一实现，分块模型二与活塞主体用方法二实现，方法三详细方法见流程图2，此处不予详细说明。

2.1 模型导入

本文依托国家自然科学基金，以某型号活塞为例进行分析，其活塞主体模型、镶圈模型和分块模型如图4～6所示。

2.2 局部特征的优化目标的确定

确定局部特征（本文指活塞油腔）的优化目标是在保证活塞良好的冷却效果和满足活塞强度和刚度的前提下，进一步减轻活塞重量（即轻量化设计）。

2.3 局部特征分析

由文献[4～7]可知冷却油腔的形状对活塞各部位温度、强度、刚度及其冷却效果有影响，并且由已有分析可知，X1参数的圆心位置对活塞第一环槽影响最大，不仅温度的变化速度有极值点，而且若位置不合理会造成第一环槽温度过高，从而达不到冷却效果。同时，为了参数化建模的方便，本文可以把此圆心位置保持不变。

2.4 局部特征（油腔）结构参数化

在ANSYS中利用APDL命令流形成的油腔局部特征如图7所示。

2.5 分块模型和主体模型网格划分

网格划分的质量直接影响着能否进行计算和计算结果的准确程度，对于复杂的几何图形，本文可在结构的不同部位，采用大小不同的网格, 以适应计算数据分布的特点。计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好反映数据变化规律，用比较密集的网格文献[1]。而对于局部特征优化而言，活塞分块模型是研究的重点，主体模型单元数可以控制的少点，根据此原则活塞模型最后网格划分如图8所示，单元总数为333712，节点数为68767个，而直接进行网格划分网格质量不仅不高，而且单元和节点总数多。