ANSYS DX VT--飞机设计的优化大师 - 文章

ANSYS DX VT--飞机设计的优化大师

作者：安世亚太李兵

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在航空工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是两个非常突出的问题，传统的飞机设计思路已经无法满足这种需求，这就需要将先进的计算机优化方法集成到全部部件的设计过程中。大多数计算机辅助工程（CAE）软件都提供优化设计功能以满足这样的需求。程序自动根据分析结果和设计要求、在特定的优化算法的帮助下自动修正设计，经过多次循环而获得优化的设计结果。这种技术称为实验设计技术。ANSYS软件除了提供基于试验设计技术的优化技术DesignXplorer （DX）外，还提供变分技术优化方法DesignXplorer VT。这种技术深入到CAE 程序内核，只需一次求解就可以得到整个设计空间的响应结果，并且快速获得最优设计。不论设计自变量有多少，这样一次求解时间都是普通有限元求解的3~5 倍。ANSYS DX VT 凭借这一突破性的优化变分技术，获得了波音、空客等众多飞机公司的青睐，被称为是飞机设计舞台上的优化大师。

多目标优化模块：DesignXplorer

优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量，面积，体积，应力，费用等）最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说：尺寸（如厚度），形状（如过渡圆角的大小），支撑位置，制造费用，自震频率，材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS 选项都可以作优化设计。ANSYS DesignXplorer 是功能强大而方便易用的多目标优化模块。实际工程需要多个优化目标，工程中需要产品的总体性能较好，而不是某一项指标最好。产品多项指标皆趋向于最好，而不能某项指标达到最好而无视其它需要。针对飞机设计中轻型重载的特点，飞机的尺寸、重量以及强度等常常同时作为优化变量。针对这一个典型的多目标优化问题，ANSYS DesignXplorer 可以对飞机CAE 计算结果进行参数化处理，绘制设计空间，快速得到多项指标皆趋向于最好的设计方案。

图1 为ANSYS DesignXplorer 飞机优化设计流程。设计人员首先可以在ANSYS/DM 中建立飞机零部件、甚至飞机整体的三维实体CAD 模型，接下来无需切换软件即可把模型数据传到隶属于同一平台下的ANSYS/DS 中进行有限元仿真分析，如计算飞机的强度或振动特性等。最后，基于DM 中的实体模型和DS中的仿真结果，在ANSYS/DX 中设置设计变量和优化目标，即可在同一平台下完成从绘图、仿真到优化的一体化飞机设计流程。

图1 ANSYS DesignXplorer 飞机优化设计流程
（DM： ANSYSCAD 建模；DS：ANSYS 有限元分析；DX：ANSYS 优化）

变分优化模块：ANSYS DX VT为飞机设计人员度身定制的变分优化工具DesignXplorer VT。更深入更迅速的进行优化设计，参数灵敏度分析，鲁棒性分析，可行性分析，六西格玛设计，与参数化CAD 软件无缝连接。DesignXplorer VT 将CAD 系统的设计参数集成到分析过程中，通过建立设计空间，使设计人员可对产品性能进行深入的研究，并提供了直观的工具迅速选择到优化的设计方案。软件提出新颖的优化概念，提供了创新性的优化技术，使她在设计优化领域脱颖而出。

革命性地变分技术（Variational Technology）在有限元分析矩阵（如刚度阵、质量阵）级别上利用级数展开方法建立他们与设计变量之间的关系，计算出来的结果与设计变量之间也是类似的关系。因此，可以通过一次有限元计算就可以建立设计空间的响应面/曲线，然后查询得到优化设计方案。

图2 ANSYS DX VT

图3 为Honeywell 航空发动机优化设计。Honeywell 在设计航空发动机的过程中，有200 个优化参数，采用DOE 方法需要 2 Weeks。采用DX VT，优化时间缩短为2 hours，大大缩短设计周期。

图3 Honeywell 航空发动机优化设计

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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/27/2006)


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