定制应用开发案例之结构形状优化APP
目录
什么是结构优化设计?
1.结构尺寸优化
2.结构形状优化
3.结构拓扑优化
ccxShapeOpt结构形状优化APP
形状优化APP功能介绍
前处理页面
计算监控页面
后处理页面
如何访问结构优化应用
背景
01
02
传统仿真设计流程存在的问题
神工坊解决方案
参考文献
什么是结构优化设计?
结构优化设计 (optimumstructural design)在给定约束条件下（如结构体积、固有频率），按某种目标函数(如结构刚度最大、质量最低)求出最好的设计方案，如以结构的重量最小为目标，则称为最小重量设计。
结构优化按照改变结构原始状态的程度分为：结构尺寸优化、结构形状优化、结构拓扑优化。
1.结构尺寸优化
根据给定的设计目标和约束，确定结构参数的具体值的优化设计方法。例如，在给定的固有频率和最大位移的条件下，优化车门的厚度这一结构参数达到重量最轻的目标。
2.结构形状优化
根据给定的性能指标和约束条件，确定产品结构的边界形状或者内部几何形状的设计方法。
3.结构拓扑优化
在固定的优化设计空间内，找到满足各种性能条件的最佳材料分布。一般用于产品概念设计阶段。
图1 结构优化分类【1】
本文关注结构的形状优化。形状优化一般用于产品设计的中后期，即产品大体轮廓已经确定，只需进行较小的改动【2】。本文采用的自由形状优化技术是一种基于网格节点自由变形的技术，该技术基于目标函数对设计域网格节点坐标的灵敏度分析以及每次迭代的移动控制策略，能够自动地改变设计域的网格坐标，省去了设计人员手动对单元网格进行变形的步骤，设计人员只需要在结构上选择节点集合再设定好移动控制参数即可等待优化结果报告。
ccxShapeOpt结构形状优化APP
CalculiX是一个对标著名非线性结构分析商软ABAQUS的免费、开源的3D结构非线性分析程序【3】。基于我们现有的定制应用开发框架，ccxShapeOpt APP的前处理页面中集成了CalculiX-cae【4】，目的是快速、准确无误地生成求解器输入文件，其以树形结构的形式展现了CalculiX的求解器输入文件，如下图所示。用户可以右击进行属性改变或增减操作。基于CalculiX的网格节点坐标灵敏度分析结果，我们开发了自由形状优化的迭代控制程序【5】。我们的算例是在设计域体积不变的情况下，改变设计域网格坐标，使得结构在某载荷约束下，最大mises应力最小。
形状优化APP功能介绍
前处理页面
前处理界面左侧为网格显示区，右侧为前处理功能区。包括工程路径的设置、求解模型的读取以及修改后输入文件的保存等。
图2 前处理页面
计算监控页面
计算监控界面包含四个区域。左上角为计算控制区域；左下角为优化进程显示，包括迭代步数和目标函数值等；右侧两个显示区分别显示仿真求解标准输出以及优化计算标准输出。用户可以根据输出内容及下方进度条掌握求解进程。
图3 计算控制页面
后处理页面
后处理界面分为两个视图，分别为优化前的仿真结果和优化后的仿真结果。在优化迭代计算过程中，用户可以随时查看当前迭代步的结果。从下图可以看出，形状优化后的连杆最大mises应力降低了14%。从应力云图可以看出，初始结构应力分布不均匀，连杆上部分应力较大，下部分应力较小。在体积不变的情况下，通过自由形状优化，减小了小应力部分的直径，增大了大应力部分的直径（见图5局部放大图），使得最大应力减小，应力分布更加均匀。
图4 后处理页面
图5 局部放大图
图6 优化迭代历史
如何访问结构优化应用
背景
基于国产的“神威·太湖之光”，国家超级计算无锡中心发布了“无锡超算云平台”，致力于打造世界一流的超算技术与产业发展深度融合的高性能计算应用生态圈。现已升级为“神工坊”2.0平台，并于2022年7月进行公测。在此基础上，向有需求的用户提供进一步的高性能仿真APP定制化服务。
01
登录网址
https://studio.hpc.simforge.cn/进行账号注册
02
图7 神工坊2.0页面
传统仿真设计流程存在的问题
- 仿真过程需要用到外国的商业前后处理软件、流固耦合求解器软件、数据管理软件，需要支付高昂的License费用。
- 仿真过程需要用到高性能计算硬件平台，自行部署同样需要高昂的成本。
- 仿真过程要求工程师掌握大量的理论知识并具有工程经验的积累，具有较高的门槛，提高了人力成本。
神工坊解决方案
针对以上问题，国家超级计算无锡中心先进制造部基于一系列开源代码进行了二次开发和自主研发，以开展定制化应用开发。以上，就是我们的定制应用开发平台深度集成开源结构仿真程序CalculiX后形成的结构形状优化APP的详细介绍。
参考文献
1.Copyright https://www.researchgate.net
2.ABAQUS EXAMPLE PROBLEM GUIDE
3.https://en.wikipedia.org/wiki/Calculix
4.https://github.com/calculix/cae
5.CalculiX CrunchiX USER’S MANUAL version 2.18
END
“神工坊”高性能仿真平台是以“国家超级计算无锡中心”超算集群为支撑，集成了多个仿真求解和前后处理软件，面向企业和个人提供高保真、高性价比、定制化的仿真云服务的平台。免费使用请添加客服微信。
神工坊
撰稿丨项阳刚
修订丨周捍珑 项阳刚 钱刘佳
编辑丨罗玉
审核丨任虎