ISIGHT工程优化案例.doc
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第一章认识iSIGHT
iSIGHT工程优化实例分
III
前言
随着设备向大型化、高速化等方向的发展,我们的工业设备(如高速列出、战斗机等)的复杂程度已远超乎平常人的想象,装备设计不单要用到大量的人力,甚至已牵涉到了数十门学科。
例如,高速车辆设计就涉及通信、控制、计算机、电子、电气、液压、多体动力学、空气动力学、结构力学、接触力学、疲劳、可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性等若干学科。
随着时代的进步,如今每个学科领域都形成了自己特有研究方法与发展思路,因此在设计中如何增加各学科间的沟通与联系,形成一个统一各学科的综合设计方法(或平台),成为工程和学术界所关注的重点。
多年来,国外已在该领域做了许多著有成效的研究工作,并开始了多学科优化设计方面的研究。
就国外的研究现状而言,目前已经实现了部分学科的综合优化设计,并开发出了如iSIGHT、Optimus等多学科商业优化软件。
iSIGHT是一个通过软件协同驱动产品设计优化的多学科优化平台,它可以将数字技术、推理技术和设计搜索技术有效融合,并把大量需要人工完成的工作由软件实现自动化处理。
iSIGHT软件可以集成仿真代码并提供智能设计支持,对多个设计方案进行评估和研究,从而大大缩短了产品的设计周期,显著地提高了产品质量和可靠性。
目前市面上还没有关于iSIGHT的指导书籍,而查阅软件自带的英文帮助文档,对许多国内用户而言尚有一定的难度。
基于以上现状,作者根据利用iSIGHT做工程项目的经验编写了这本《iSIGHT工程优化实例》。
本书分为优化基础、工程实例和答疑解惑三个部分,其中工程实例中给出了涉及铁路、航空方面多个工程案例,以真实的工程背景使作者在最短的时间内掌握这款优化的软件。
本书在编写的过程中,从互联网上引用了部分资料,在此对原作者表示衷心地感谢!
我要真诚地感谢大连交通大学(原大连铁道学院)和王生武教授,是他们给了我学习、接触和使用iSIGHT软件机会!
仅以本书献给所有关心我的人!
赵怀瑞
2007年08月于西南交通大学
目录
第一章认识iSIGHT 1
1.1iSIGHT软件简介 1
1.2iSIGHT工作原理简介 5
1.3iSIGHT结构层次 6
第二章结构优化设计理论基础 8
2.1优化设计与数值分析的关系 8
2.2优化设计基本概念 8
2.3优化模型分类 10
2.4常用优化算法 11
2.5大型结构优化策略与方法 26
第三章iSIGHT软件界面与菜单介绍 33
3.1iSIGHT软件的启动 33
3.2iSIGHT软件图形界面总论 33
3.3任务管理界面 37
3.4过程集成界面 44
3.5文件分析界面 47
3.6过程监控界面 51
3.4多学一招—C语言的格式化输入/输出 55
第四章iSIGHT优化入门 56
4.1iSIGHT优化基本问题 56
4.2iSIGHT集成优化的一般步骤 56
4.3iSIGHT优化入门—水杯优化 58
第五章模压强化工艺优化 79
5.1工程背景与概述 79
5.2优化问题描述 79
5.3集成软件的选择 80
5.4有限元计算模型介绍 81
5.5模压强化优化模型 81
5.8iSIGHT集成优化 84
5.9优化结果及其分析 91
5.10工程优化点评与提高 92
第六章单梁起重机结构优化设计 93
6.1工程与概述 93
6.2优化问题描述 93
6.3集成软件的选择 94
6.4起重机主梁校核有限元计算模型介绍 95
6.5主梁优化模型 95
6.8iSIGHT集成优化 98
6.9优化结果及其分析 103
6.10工程优化点评与提高 103
6.11多学一招—ANSYS中结果输出方法 103
第七章涡轮增压器压气机叶片优化设 105
7.1工程背景与概述 105
7.2集成软件的选择 105
7.3限元计算模型介绍 107
7.5优化模型 108
7.6输入、输出文件格式及其分析 109
7.7iSIGHT集成优化 110
7.8优化结果及其分析 117
7.9工程优化点评与提高 122
第八章飞机风挡防撞设计优化 123
8.1工程背景 123
8.2工程概述 123
8.3集成软件的选择 124
8.4限元计算模型介绍 125
8.5优化模型 126
8.7iSIGHT集成优化 129
8.8优化结果及其分析 132
8.9工程优化点评与提高 134
8.10多学一招—LS—DYNA结果输出方法 135
第九章桥式起重机吊架优化设计 137
9.1工程背景 137
9.2工程概述 137
9.3集成软件的选择 137
9.4限元计算模型介绍 138
9.5优化模型 138
9.7iSIGHT集成优化 140
9.9优化结果及其分析 145
9.9工程优化点评与提高 147
9.10多学一招—ABAQUS输入、输出文件方法 148
第十章CRH5轮轴材料参数匹配优化设计 149
10.1工程与概述 149
10.2优化问题描述 149
10.3集成软件的选择 149
10.4限元计算模型介绍 149
10.8优化模型 149
10.7iSIGHT集成优化 151
10.8优化结果及其分析 155
10.9工程优化点评与提高 155
10.11多学一招—MSC.Mac中结果输出方法 155
第十一章车体实验设计 156
11.1工程与概述 156
11.2优化问题描述 156
11.3集成软件的选择 156
11.4限元计算模型介绍 156
11.9模压强化优化模型 156
11.7iSIGHT集成优化 156
11.9优化结果及其分析 160
11.9工程优化点评与提高 160
第六章单梁起重机结构优化设计
第一章认识iSIGHT
1.1iSIGHT软件简介
iSIGHT是美国Engineous公司出品的过程集成、优化设计和稳健性设计的软件,可以将数字技术、推理技术和设计探索技术有效融合,并把大量的需要人工完成的工作由软件实现自动化处理,在多学科优化类软件中市场知名度和占有率均居第一位,占有55%的市场份额。
iSIGHT软件可以集成仿真代码并提供设计智能支持,从而对多个设计可选方案进行评估,研究,大大缩短了产品的设计周期,显著提高。
iSIGHT软件由SiuS.Tong博士首创,做为Engineous公司创始人和董事长他于1979-1983年在MIT攻读博士期间,首次提出了“软件机器人”概念。
1982年Tong博士加入通用电气公司进一步实现这个构想。
他组织并领导一个小组,致力于开发第一代“软件机器人”技术,并获得通用电气和美国政府1200万美元投资。
经过十余年时间发展,“软件机器人”工程化、实用化不断加强。
当意识到工业界对iSIGHT设计开发环境的普遍认同和巨大需求后,1994年SiuS.Tong成立Engious公司开始将iSIGHT软件商业化。
目标是为大量使用计算机仿真模型的工业界提供先进工程设计和管理软件,并同时提供相关服务。
1995年iSIGHT第一个商业版本发布。
该版本拓展了早期iSIGHT软件的许多功能。
1996年和1997年iSIGHT新版本相继发布,在集成各类仿真软件的灵活性和易用性方面获得极大提高。
经过最初三个版本的发布,iSIGHT软件商业化达到了很高程度,这意味着更好的用户界面、更强的可用性、更直观的求解监视、以及对多学科综合设计更有力的支持。
2004年初,Engineous收购了Synaps,一家地处亚特兰大的基于过程集成和设计优化(PIDO)的软件供应商。
这次收购行为提供了一个非常好的契机,Engineous将Synaps产品的先进技术融合到iSIGHT软件当中。
2004年秋,iSIGHT9.0发布,除了从Synaps产品中提取出的几个特别著名的功能外(如,Pointer优化器,仿真云图,自动生成EXCEL格式报表等),最新版本中包含的最主要的先进技术还有:
selectabletermsforresponsesurfacemethods,径向基函数(RBF)神经网络近似模型,动态稳健设计方法。
iSIGHT在缩短产品设计周期、降低产品成本、提高产品质量等方面,每天都在取得令人瞩目的突破。
据美国权威市场调查公司Daratech统计,iSIGHT在过程集成和设计优化领域的全球市场占有率超过一半,已成为航空、航天、汽车、兵器、船舶、电子、动力、机械、教育研究等领域首选的过程集成、设计优化和可靠性稳健设计的综合解决方案。
总的来说,iSIGHT软件有集成自动化、结果数据综合分析以及网络运算三大优势。
1.1.1集成自动化
一个典型的工程需要不断进行“设计-评估-改进”的循环。
CAD/CAE的引入提高了这一过程的效率。
CAD加快了造型、装配、出图的设计过程,而CAE则减少了大量的试验,提供了有效的分析和评估工具。
但是在这种设计过程中,80%的工作量是没有创造性的重复性工作,中间环节繁杂易错。
iSIGHT通过一种搭积木的方式快速继承和耦合各种仿真软件,将所有设计流程组织到一个统一、有机和逻辑的框架中,自动运行仿真软件,并自动重启设计流程,从而消除了传统设计流程中的“瓶颈”,使整个设计流程实现全数字化和全自动化。
一个典型的集成过程主要包括以下四个步骤:
软件集成(集成一个或多个仿真软件)
问题定义(定义设计变量、约束和目标函数,也称建模)
设计自动化(选择优化设计方案)
数据分析和可视化(实时监控设计分析过程)
对于优化设计的研究不断证实,没有任何单一的优化技术可以适用于所有设计问题。
iSIGHT就此问题提供了两种解决方案:
其一,iSIGHT提供完备优化工具集,用户可交互式选用并可针对特定问题进行定制;其二,iSIGHT提供一种多学科优化操作,以便把所有的优化算法有机组合起来,解决复杂的优化设计问题。
iSIGHT包含的设计方法可以分为优化设计、试验设计、逼近计算和质量工程四大类,如图1.1.1所示。
1.优化设计
优化的目的是通过设计搜索,寻找满足约束条件和目标函数的最佳设计方案。
iSIGHT提供了多种优化算法,主要有如下几种:
●数值方法
●全局探索法
●启发式搜索
●多目标多准则优化算法
2、试验设计
在进行设计的时候,对于设计目标影响的因素有时候比较多,可是由于计算资源或时间的因素不可能考虑所有的因素,所以iSIGHT提供了试验设计功能。
通过试验设计分析,发现对目标函数影响较大的关键参数,而对于那些影响轻微的参数在后续的设计就可以忽略,在资源有限的情况下提高了计算效率,又保证结果的可靠性。
iSIGHT软件中常用的试验设计有:
●正交试验
●中心复合试验
●数据文件
●全因子/单因子组合实验
●超拉丁方抽样实验
●优化的超拉丁方抽样实验
3、近似模拟
近似模型就是用近似模型代替原来运行时间较长的分析模型,以快速获得解答。
iSIGHT所提供的近似模型与方法主要有如下几种:
●高阶响应面模型
●泰勒级数近似法
●变复杂度模型
●Kriging近似模型
●径向基数函数神经网络模型(RBF)
●面向西格玛的可靠性、稳健性设计(DFSS)
图1.1.1iSIGHT优化设计结构框图
4.质量工程
考虑设计中的不确定性因素,寻找成功概率高并且对
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