專欄 l DfAM（增材設計）底層通用技術之引數最佳化

DfAM（Design for Additive Manufacturing， 簡稱增材設計），是應用於增材製造工藝的可製造性設計，可實現對增材製造過程中的零件、元件甚至系統進行重新設計，已經成為基於

增材製造思維的先進設計與智慧製造

的全新設計正規化。

DfAM的核心技術是

模擬驅動的最佳化設計技術

，包括創成式設計技術、拓撲最佳化設計技術、點陣設計技術、引數最佳化技術、模擬分析技術等。

其中，引數最佳化應用於

詳細設計階段，進行設計定型或者設計改進，如確定最優尺寸、形狀等

。本期谷。專欄文章將要分享的即為DfAM 的底層通用技術-引數最佳化。

引數最佳化

詳細設計階段的設計定型，利用引數最佳化技術進行引數化建模和模型引數驅動分析是關鍵。

引數最佳化基於CAD/CAE雙向驅動引數化CAD模型，CAE軟體驅動CAD引數更新並透過CAE軟體進行設計方案的效能分析，結合特定的最佳化演算法獲取滿足最佳化目標的最佳設計方案。

引數最佳化技術通常包括：

引數敏感性分析：透過量化指標確定設計引數對產品效能的重要性程度，完成重要引數識別和過濾。並應用擬合算法建立輸入輸出響應面，進行快速最佳化。

多學科多目標最佳化：應用最佳化演算法，搜尋滿足最佳化目標的最佳設計變數值，實際客戶需求往往要求的最佳化目標可以是針對不同物理場或者學科的多個目標，故稱多學科多目標最佳化。

穩健性可靠性評估與最佳化：評估設計引數的波動對產品效能的影響，預測產品的失效機率並進行最佳化。

引數最佳化是詳細設計階段進行設計定型的重要技術，為了克服多學科非線性最佳化中遇到的大量設計引數的困難，引數最佳化可以進行引數敏感度分析、穩健性評估、可靠性分析、多學科最佳化、穩健與可靠性最佳化等等。

圖1 引數最佳化技術 安世亞太

透過引數敏感性分析，在眾多引數中識別出影響效能的重要引數，過濾掉不重要的引數，建立響應面；透過多學科最佳化，輸出滿足設計需求的最佳設計引數；透過穩健性、可靠性分析及最佳化，評估離散引數對產品效能的影響程度，從而實現引數最佳化，對產品設計改進、定型，完成最終的詳細設計。

引數最佳化的一般流程包括以下步驟：

引數化建模：包括引數化CAD模型（如尺寸引數）以及引數化有限元模型（如載荷工況條件引數化）。

引數敏感性分析：識別重要性引數，過濾無關引數，並建立高質量響應面，為後續快速最佳化做準備。

最佳化分析：定義最佳化目標、約束條件，設定最佳化演算法進行最佳化計算。

設計驗證：對最終的最佳化設計進行驗證性分析。

穩健性可靠性評估：若對可靠性有要求，則進行穩健性可靠性分析與最佳化。

圖2 引數最佳化流程 安世亞太

應用案例

l 吞沫機螺旋葉片管道最佳化設計

吞沫機是依據流體力學、等速螺線、空吸作用以及射流原理設計而成。當具有一定壓強的氣流透過螺旋葉片管道後按特定的方向流動並透過吞沫機的噴腔裝置時，在吞沫機周圍形成一個負壓區，大量擠壓在吞沫機周圍的泡沫，在負壓所形成的空吸作用下，透過各環形吸沫口被吸入該機管腔，在空氣動力的作用下將泡沫擊碎霧化。液體沿著射流方向與罐內原料液溶為一體，氣體則沿著排氣管道排出罐外。

針對自動吞沫機的核心部件螺旋葉片管道作為最佳化分析物件，透過流體模擬分析，獲得氣體透過螺旋葉片管道後的流場分佈和壓力分佈，並透過最佳化螺旋葉片管道的幾何結構來最佳化流場分佈和壓力分佈，提高吸沫和碎沫能力。具體如下：

引數化建模：對螺旋葉片管道進行幾何建模並引數化，幾何特徵的建模及引數化模型進入到後續模擬流程中；

流場分析：透過流體模擬軟體ANSYS Fluent分析一定壓強的氣流在螺旋葉片管道內的流動情況，確定其流場分佈和壓力分佈；

最佳化設計：以螺旋葉片管道幾何引數為設計引數，以吸沫和碎沫效果最大化為最佳化目標，並以流體動力學量化指標來衡量吸沫和碎沫能力，基於optiSLang進行多目標引數最佳化：透過引數敏感性分析尋找對設計目標和約束最敏感（即最重要）的設計引數，並對設計目標和約束進行響應面的擬合，生成高質量的響應面，並基於此進行最佳化分析。

圖3 螺旋葉片管道的幾何結構 安世亞太

圖4 螺旋葉片管道的最佳化設計流程 安世亞太

透過對比螺旋葉片管道最佳化前後的空氣的流速和壓力分佈發現，最佳化後空氣進入螺旋葉片管道的流量增加22%，而最佳化後吸沫口內外壓力差增大了5倍，同時，吸沫效果得到了顯著提高。

圖5 最佳化結果 安世亞太

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振動臺動圈骨架最佳化設計

電動振動臺可以模擬產品在製造、組裝運輸以及使用執行階段所遭遇的各種環境，用以鑑定產品是否具有忍受環境振動的能力，被廣泛應用於國防、航空、航天、通訊、電子、汽車以及家電等行業。動圈骨架是電動振動臺的關鍵部件，其動力學特性的優劣將直接影響振動臺系統的一階豎向共振頻率的高低，從而影響振動臺工作頻率的上限和非線性失真大小，因此一階豎向共振頻率是設計振動臺的技術關鍵。

鋁合金振動臺動圈骨架的工作狀態為振動環境，其原始設計工作頻率偏低，不能達到預期，希望透過最佳化設計來提升效能：

質量不增加；

豎向一階共振頻率儘量提升；

其餘效能指標與原設計相當於或優於原設計（強度、Q值、橫向振動、檯面振動均勻度）。

圖6 振動臺動圈骨架原始結構 安世亞太

基於最佳化目標，採用拓撲最佳化與引數最佳化相結合的最佳化技術對其進行最佳化：

拓撲形貌最佳化：利用拓撲最佳化軟體GENESIS對動圈骨架原設計結構進行拓撲形貌最佳化，以獲得具有最佳材料分佈和最佳傳力路徑的動圈骨架結構的概念設計，骨架的腹板中央和麵板和外圍環板區域應該減薄；腹板外側和骨架底部環板區域應該加厚。具體減薄、加厚的範圍以及板材尺寸則需要透過引數最佳化獲得；

引數化建模：基於拓撲最佳化的結果建立引數化CAD模型；

引數最佳化：利用引數最佳化軟體optiSLang對拓撲最佳化後的引數化進行敏感性分析，獲得了對響應（即：骨架質量和豎向一階共振頻率）影響較大的引數，而過濾掉那些對響應影響很小的引數，從而實現引數空間降維；然後，利用影響較大的引數進行多目標引數最佳化，獲得即滿足骨架質量最小，又滿足豎向一階共振頻率最大的最佳引數組合及其模型，完成最終的詳細設計；

效能驗證：對最佳化設計的最終模型進行了效能驗證並與原始結構的效能指標進行對比，相對於原設計，最終最佳化結果在質量降低1。3kg的情況下頻率提升270Hz，其他效能指標也全面提升表明動圈骨架結構的最終最佳化設計全面優於原設計。

圖7 振動臺動圈骨架最佳化設計 安世亞太

總結

本文簡要介紹了引數最佳化技術以及引數最佳化設計流程，並透過兩個例項驗證了引數最佳化在產品設計中的重要作用。隨著DfAM（增材設計）在增材製造產業的廣泛應用，引數最佳化勢必會在其中發揮更大的作用。

l 文章來源：安世亞太

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