设计探索优化：您的CAD工具真的能胜任吗？

天洑软件

                               
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如果浏览过我们网站信息，您应该已经注意到CAESES软件包含了三大模块： CAD建模、自动化流程、设计探索优化。这些模块当中，CAD建模是我们实现仿真驱动设计的关键。您和您的工程师可能会想：“我真的需要一个额外的CAD工具吗？”很显然，我们认为这是非常必要的。至于为什么，且听我们道来。



CFD渐渐成为设计工具



由于近几十年来计算机技术的飞速发展，无论是计算能力还是承载能力上都不断提升，导致CFD的使用率显著增加。CFD不仅体现在使用程度上，在产品开发过程中也被更早地使用到。以前使用CFD只用于验证已完成的设计方案，以及为后期更改提供指导，而现在则是尽早地使用CFD使之成为一个真正的设计工具。在严格要求产品性能的情况下，CFD可以迅速地获得产品行为特性，并由关键决策引导产品设计朝着正确的方向发展。

                               
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除了计算资源的拓展，另一个提升CFD使用率的是仿真软件的易用性不断提升。作为一个工具，以往它只是被仿真专家所使用，现在则是推广至设计师或工程师都在使用。特别是鲁棒性良好的网格自动化生成流程也推动了这一发展。






自动优化流程



早期就应用CFD并利用其结果来指导产品的开发，按逻辑来讲，下一步很快便会利用自动化过程来对设计变量进行系统性分析——设计探索优化。在许多流体行业中，例如汽车、船舶、航空航天和电力工业等，系统部件的形状优化正在成为标准程序。所有这些产品的共同点：形状上的变化都会导致性能的显著改善。此外，即便是微小的改进，如果能减少能源消耗和排放，也往往会对生产者、消费者和环境带来重大好处。








如上所述，分析流程的自动化建立，除了CFD分析工具之外，还需要额外的CAE辅助工具。CAE辅助工具负责完成整个自动化过程所需的其他任务，包括：优化过程的控制、变量和数据管理、生成待估的几何变量、提供模拟输入等。虽然市场上有多款通用的优化工具可以满足前者需求，但是专用于形状变化的工具依然稀少。传统的CAD工具通常不能满足既定的变形要求，至少是在处理这种复合曲率形状，描述与流动相关的几何图形特征等复杂问题时，需要专门的CAD方法来替代。



传统CAD软件的瓶颈



传统的CAD软件无疑是非常强大的系统，涵盖了产品的整个设计过程，可以完成许多不同的任务，比如设计加工模型、出BOM和制造图纸、管理PLM数据等。然而，因为它们很精细，几何模型包含了与最终产品相关的许多细节，往往不一定适用于模拟。在CFD网格生成时需要对模型进行预处理，需要去除特征，提取表面并做封闭处理。



此外，这些CAD软件往往不易实现复杂几何的快速变化。改变形状参数可能需要花费大量的人工，而得到的模型鲁棒性较差，导致参数在自动变化时，会生成许多不可行的变体。

                               
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复杂几何形状的自动生成对于传统CAD工具来说是一个挑战



传统CAD软件另一个特点是会把用户分类。通常，一个专门的CAD部门负责操作CAD建模，他们将建好的几何模型交给CFD部门进行分析。当CFD部门的人员想要尝试调整几何或提出一些改变意见时，必须从CAD部门得到一个新的几何模型，如此便成了延迟和低效的流程。显然，在这种情况下基本不可能建立自动化流程。

                               
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高效的自动化解决方案需要建立鲁棒性良好的待评估模型库



设计探索优化：CFD专用的CAD实例



CAESES一款专业的CAD软件，另一方面则是面向CFD进行曲面建模，生成的模型可直接用于模拟分析。它非常注重几何变化，因此一旦生成参数化模型，它就可以简单的通过参数操作实现模型鲁棒性变化，手动或自动调整都可以。

                               
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周期性计算域的涡轮增压参数化模型



这种CFD自动分析对于CAD软件的要求可以概括如下：

● 几何形状应由尽可能少的参数来定义和控制，从而降低自由度。优化方案数和自变量的数量通常是二次方的关系，因此非常有必要控制自变量数量。

● 通过控制定义参数即可方便快捷地改变几何模型。这些参数应该是互相独立的，不需要为了获得特定的形状而用相同的方式改变多个参数。

● 几何模型的生成应该具有良好的鲁棒性，从而生成最少的失败模型。

● 所生成的几何模型应以相同状态和格式输出，以便直接用在仿真工具的特定过程中。

● 需要对约束条件进行管理，甚至将它们直接建立在模型当中，从而防止创建不可行的方案或是把可能性降到最低。



与传统的CAD软件不同，意味着即便还未到CAD部门交付几何模型的阶段，该软件也能够让CFD工程师有能力自己去生成几何形状和变体方案。

                               
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周期性计算域的静子参数化模型



变形工具方面



优化过程中使用CAD软件进行设计探索优化的一种典型替代方法是使用变形工具。这种工具通常是在CFD计算域通过改变计算网格来发挥作用。这样优势在于免去了网格的重新生成，但也会导致后续其他问题。它优化的几何形状只存在于CFD计算域中，而要重新回到CAD软件中则需要进行重构。这个重构过程，往往会导致模型与优化形状之间有偏差，对性能可能产生负面影响。

                               
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在CAESES中做径向变形：变形的汽车模型可以是STEP或IGES格式



CAESES也能对已有模型实现强大变形，从而避免了重新建立参数化模型。与市场上大多数变形工具不同的是，它是在CAD模型基础上做变形，直接应用于原始几何曲面。优化之后，这种几何形状可以很容易地输出为任意标准格式，并回归到生产CAD系统中做进一步发展。



传统CAD软件的瓶颈



如果您在使用传统CAD软件做设计探索优化过程中，遇到了这边提到的瓶颈甚至不止一个，请与我们取得联系，您会发现CAESES是一个正确的解决方案。