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CAE/模拟仿真 |
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优化驱动的产品设计流程 |
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作者：洪清泉 叶洎沅 |
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摘要：产品设计流程已经从传统的人工反复过程，发展到大量采用CAE技术对产品性能进行虚拟测试和校核。但是，现有的CAE技术并不能在设计自由度最大的概念设计阶段把产品的所有性能考虑进来，并给出创新设计，因此没有带来产品设计流程的革命。CAE技术的最新发展——结构优化技术已经日渐成熟并成功地被用于产品的设计，以其天生的优势正在改变现有的设计流程，成为产品设计的驱动者。本文详细描述了优化驱动的产品设计流程，并介绍了以Altair公司OptiStruct为代表的结构优化技术如何帮助Eurocopter公司为Fairchild Dornier 728飞机开发一种具有创新意义的舱门支撑臂。
关键词：产品设计流程、结构优化、OptiStruct、自主创新
1．产品设计流程的变化
传统的产品设计流程是一个人工反复的过程，工程师借助CAD工具进行产品的设计，然后提交到工厂进行加工制造，接着对产品进行实物试验，如果产品不能满足功能要求或者失效，就需要对产品设计进行修改，甚至重新设计，如此反复，直到产品在实物试验中满足全部要求。这是一个周期长，耗费高的过程，已经完全不能满足现代产品设计的要求。
随着计算机软硬件技术的发展，CAE技术日趋成熟，各种数值仿真方法，如有限元、多体动力学、计算流体力学等技术在产品设计中得到大量的应用。产品在初步设计完成后，可以基于CAD模型进行产品性能的虚拟试验，初步考察其工作应力、运动过程、产品寿命等。如果产品不能满足要求，可以立即返回设计人员进行修改或重新设计，从而大大减少实物试验的周期和费用。
图1 CAE技术改进了传统的设计流程
2．优化驱动的产品设计过程
然而，今天被众多企业所广泛应用的CAE技术仍然有其局限性，其表现在于CAE技术仍然仅被用作在产品设计后期对设计方案的校核。不幸的是，如果在这一阶段发现了问题，设计者已经没有足够的自由度对结构做出全面的改进，我们所能做的仅仅是局部的调整并祈祷这种调整不会造成别的问题。根本问题在于，在设计的早期——即我们拥有最大的设计自由度的概念设计阶段——我们所能凭借的完全是经验和想象力，很难同时把产品的所有性能精确的考虑进来，并且往往由于经验所限，不能给出创新的设计。我们最有效的CAE技术似乎从来无法在这个阶段帮助我们。
今天，CAE技术中一个非常重要的组成部分——结构优化技术已经发展成熟并成功地被用于产品的设计，它以其天生的优势正在改变传统的设计流程。在概念设计阶段，优化技术可以把产品所需性能全部考虑进来，在给定的设计空间下找到最佳的产品设计思路；在虚拟试验阶段发现问题后，优化技术可以直接给出产品改进的方案，而不仅仅是对产品进行校核，从而真正帮助设计工程师设计出创新和可靠的产品。这种全新的产品设计过程，就是优化驱动的产品设计过程（ODDP）。
图2 优化驱动的产品设计流程
可见，优化驱动的产品设计过程给了产品设计工程师最有效的设计帮助，在概念设计这个决定80％最终产品成本的关键阶段，在产品改进这个耗时费力的重复阶段，提供了革命性的解决方案，从而大大节省了时间和费用，提高产品性能和投放市场的速度。
图3 优化设计在产品设计过程中的作用
3．Altair OptiStruct结构优化技术
目前，世界上已经有多个商用结构优化求解器，其中Altair OptiStruct是公认的技术最成熟、最全面的结构优化求解器，已经被广泛应用在各行各业的产品设计实践中。
OptiStruct提供了拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化技术，通过在产品设计的各个阶段灵活运用各种结构优化技术，OptiStruct成为创新产品设计的驱动者。
3．1 拓扑优化技术（topology optimization）
拓扑优化是一种具有创新性的概念设计技术，在产品设计的最初阶段，设计人员确定设计空间、设计目标、设计约束和制造工艺约束等，OptiStruct可以自动寻找出最佳的材料布局，从而为设计人员提供非常关键的概念设计方案。
图4 挂钩的拓扑优化设计（红色为材料保留部分）
3．2 形貌优化技术（topography optimization）
形貌优化是一种面向薄壁结构和钣金件的概念设计技术。设计人员可以确定设计区域、筋的最大高度和起筋的角度等参数，OptiStruct可以寻找出最佳的加强筋布局。
图5 安全带扣的加强筋布局（红色为起筋部分）
3．3 形状优化技术（shape optimization）
形状优化是一种对现有零部件的形状和位置进行优化的技术，适合于详细设计阶段。OptiStruct可以直接改变零件的有限元网格，而不需要反复修改CAD数据即可获得全新的产品设计性能，从而大大减少优化设计所需要的时间。OptiStruct支持自由形状优化，无需再手工建立形状变化变量即可对选定边界进行优化。
图6 形状优化降低最大应力，红色为可优化的边界
3．4 尺寸优化技术（size optimization）
尺寸优化是一种参数优化技术，用来寻找最优的设计参数组合，例如材料参数、横截面尺寸和厚度等，是一种最为普遍也最为简单的优化。
对于板壳结构，OptiStruct支持自由尺寸优化，自动定义板壳的每个区域（单元）的厚度为设计变量并给出最佳值。
图7 尺寸优化可以优化工字梁的截面尺寸
4．案例——飞机舱门支撑臂设计
4．1 背景－飞机结构轻量化设计
EADS（欧洲航空防务及航天公司）是全球三个最大的航天集团之一。Eurocopter是EADS下属的全资子公司，主要设计开发商用和军用直升机，同时参与空中客车所有机型的舱门和整流罩的开发。
由于来自强势客户和业界本身竞争的压力，飞机制造商们正在积极地寻求方法来降低飞机的结构重量，Eurocopter公司也不例外。为了满足项目工期和复杂的、甚至苛刻的产品设计目标，Eurocopter公司在产品开发过程中积极采用基于Altair OptiStruct结构优化技术的设计流程。本案例着重讲述这个流程的一个成功应用——重新开发一种质量更轻的舱门支撑臂。下图所示是支撑臂在舱门中的位置和初始设计。 
图8 支撑臂在仓门中的位置 图9 支撑臂的初始设计
4．2 过程
设计过程分为概念设计和详细设计共两个阶段：
《一》、概念设计阶段的主要目的是得到舱门支撑臂的全新设计思路，这可以通过OptiStruct的拓扑优化技术实现。首先根据支撑臂的安装位置、运动轨迹和连接关系确定设计空间，然后建立主要工况，包括舱门关闭、紧急打开和气阀撞击三种工况，将这些工况下的结构刚度指标作为设计约束。设计目标为重量最小。同时，在优化过程中考虑了拔模方向，以满足铸造工艺要求。根据OptiStuct给出的设计思路，设计工程师就可以初步设计出支撑臂的结构。 
图10 支撑臂的设计空间（褐色部分） 图11 OptiStuct的优化设计结果
《二》、在详细设计阶段可以对初步设计模型进行进一步的优化，在满足所有工况条件和最大许用应力水平的情况下，通过形状和尺寸优化方法来优化加强筋的尺寸和形状，以达到进一步优化结构、降低质量的目的。优化设计的最终结果减重达到了20%，设计周期从原来的三个月缩短到现在的三个星期。
图12 尺寸和形状优化后的最终结果及带来的收益
5. 小结
优化驱动的产品设计流程是一种革命性的设计理念，以Altair OptiStruct为代表的结构优化技术给了工程师真正的帮助，是整个设计过程的灵魂和驱动者。这一全新的设计流程由于在设计一开始就实现了优化设计，避免了在设计后期阶段过多的反复，从而大大缩短了产品的设计周期。此外更重要的是，优化设计本身可以帮助寻找到更轻、同时性能更好的设计方案，在产品结构减重和自主创新领域都有非常重要的意义。(end)
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(5/11/2007) |
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