基于HyperStudy的COMSOL多物理场分析案例

作者：Altair公司

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 致力于增强客户创新力和决策力的全球技术和服务供应商Altair 公司与中国仿真分析软件和项目咨询解决方案的供应商中仿科技联合发布基于HyperWorks/HyperStudy 的COMSOL 多物理场分析应用案例，为广大COMSOL 用户提供用于改进设计、进行“What if”研究、试验数据的相关性研究、优化复杂的多学科设计问题以及评价设计的可靠性和鲁棒性等优化功能。经过大量的合作测试验证，双方共同认为HyperStudy+COMSOL 的优化方案将为COMSOL 用户创造极大的价值，部分创新案例如下： 案例 1 偶极天线设计优化 射频模块（RF Module）- 高频电磁 天线阻抗是一个重要的参数，决定了传输电路的性能。阻抗匹配和低电抗分量对于实际操作很重要，它们能通过合适的设计或匹配电路得到。模型中通过HyperStudy 结合COMSOL，优化了偶极天线的长度和直径，使得输入阻抗和指定值相匹配。 模型数据库>RF Module>RF and Microwave Engineering>Shape optimize dipole antenna 模型文件antenna.m 原始设计情况：偶极天线尺寸参数l 和k 决定了天线的阻抗值，参数初始值l=0.5，k=0.01，阻抗值为94Ω，与设计要求值74Ω 相差很远。 设计变量：偶极天线尺寸的长度参数l，直径参数k，其中参数变量取值范围0.4 设计约束：直径参数k 优化目标：使得阻抗值尽可能接近设计要求值 74Ω 经HyperStudy 调用COMSOL 优化，目标阻抗值最终达到73.21Ω。得到相应的天线尺寸长度和直径（l=0.4536539, k=0.0218773）。下图为阻抗迭代收敛曲线。 案例2 齿轮优化 结构力学模块（Structrural Mechanics Module） 将齿轮固定在轴上的方法之一就是过盈配合。在很多情况下，此类装配都可以保证部件安全工作。然而，在装配件高速旋转的时候，紧固应力会变得不足。本模型通过HyperStudy 结合COMSOL确定齿轮和转轴分离的临界旋转频率。 下图是1600Hz 下的结构应力和位移 模型数据库>Structural Mechanics Module> Automotive Application > spinning gear opt 模型文件gear.m 原始设计情况：旋转轴和齿轮装配件在高速旋转时，紧固应力会变得不足，为保证安全，必须确定临界旋转频率 设计变量：齿轮高速旋转频率，其中变量取值范围1000~2000Hz 优化目标：确定高速旋转时齿轮和转轴分离的临界旋转频率 经HyperStudy 调用COMSOL 优化，确定高速旋转时齿轮和转轴分离的临界旋转频率为1557.6Hz。下图为优化中临界频率的变化曲线。 案例 3 喇叭边界形状优化 声学模块（Acoustics Module） 模型对一个轴对称喇叭进行边界形状优化，以使得远场声压最大化。 下图是为最终的优化结果 模型数据库>Acoustics Module>Tutorial Models>horn shape optimization 模型文件horn.m 原始设计情况：喇叭边界由函数确定，改变初始锥形面的曲率，能改变方向和阻抗，默认取值参数下远场声压为66.4 设计变量：喇叭口形状参数Q1~Q5 五个参数，其中变量取值范围均为 -1~1 优化目标：远场声压最大 经HyperStudy 调用COMSOL 优化喇叭口形状参数，使得远场声压从初始的66.4 提高到优化后的69.1。 下图是优化迭代过程中声压的变化曲线。最终喇叭口的形状参数Q1~Q5 取值： 0.1351563 -0.6071429 -0.2029103 -0.3244886 -0.2348684 案例 4 控制参数优化 多学科（COMSOL Multiphysics，PID control） 化工生产地过程控制是很重要的。PID控制（比例-积分-微分）是过程控制的一种有效方法，但是PID控制准则中的参数优化是一个复杂的过程。本案例中给出了HyperStudy结合COMSOL，获得最佳控制参数的方法。 下图为某一时刻反应器内浓度分布和速度流线图，以及稳定曲线。 模型数据库>Comsol Multiphysics>Multidisciplinary>PID control 模型文件pid.m 原始设计情况：不同时间点的入口速度，对反应器内浓度分布及反应温度有很大影响，通过控制入口速度，使得在一定时间后测试点的浓度保持在0.5mol/m^3 设计变量：PID 控制参数，控制不同时间点的入口速度，模型中hv01~hv31 共31 个设计变量，速度初值为0.03，速度变动范围为0.0~0.1 优化目标：在化学反应最后一秒，测试点浓度保持尽可能接近特定值（0.5mol/m^3） 经HyperStudy 调用COMSOL 优化，得到各时刻入口速度值， 使得最后一秒时间内测试点浓度与0.5mol/m^3 平均差值从0.0938 降为0.0057。下图分别为31 个时间点速度迭代图和目标点浓度迭代图 优化后入口速度图 关于Altair Altair 公司通过优化对商业和工程信息的分析、管理和可视化，致力于增强客户的创新力和决策力。Altair目前为私人所有，在全球拥有有1400 多位员工，分支机构遍及美洲、欧洲及亚太地区。凭借其在产品设计、先进工程软件和网格计算技术上20 余年的经验，Altair不断为各个行业的客户创造竞争优势。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/31/2010)