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渦輪葉片性能流固耦合最佳化設計

Turbofan Optimization

時至今日,渦輪葉片外型最佳化設計仍然是個非常困難的問題,特別是在同時考慮氣體動力與結構力學行為時。過去已有相當多的文獻單方面由氣體動力行為探討最佳翼型設計,然而在實際應用時可以發現,當葉片效率越高時,往往其結構強度與可靠度則越低。

在此例中,我們將介紹如何使用 SmartDO 整合 ANSYS開發客制化的渦輪葉片流固耦合最佳化設計系統。藉由 SmartDO 與 ANSYS Workbench 之間的整合,SmartDO將原本設計的葉片提昇 14 % 的流量,並同時減少葉片在流體與機械運轉作用下的最大應力值。詳細內容請參考此SmartDO電子報

有效率處理大型設計問題

Optimization for large number of design varibles

對最佳化設計問題來說,設計變數的個數永遠 是重要議題。較多的設計變數可解決較複雜的問題,同時也能獲得更佳的解。但較多的設計變數也會使得最佳化數學問題更加困難;猷其對傳統求解方法來說,當設 計變數越來越多,不但可能無法求得最佳解,有時運算時間甚至會大到根本不可能將這樣的問題附諸最佳化方法。

在此案例中,設計問題有136個設計變數及132的束制條件。SmartDO成功地在可接受的時間內求解此問題,無需作任何參數調整,且大幅改善原設計。詳細內容請參考此SmartDO電子報

核電廠重型吊件安全性優化

Structure Optimization

核電廠的許多機具,不但要維持一定的強度,為了操作上的安全考量,還需要儘可能減重,並將機具跼限於一定空間範圍內。SmartDO 獨創之 Direct Global Optimization Technology,使核電廠的工程人員,得以將重型吊件在減重同時,還維持一定強度與操作空間。在此之前,工程人員嘗試過不同的方法與軟體,皆無法改進設計。

在實務上,經驗證明 SmartDO 比傳統方法求得之解更為優異。詳細內容請參考此SmartDO電子報

骨架式結構全自動化設計系統

Concurrent Sizing, Shaping and Topology Optimization
Current Sizing, Shaping and Topology Optimization

骨架式結構物運用在許多結構物上,如飛機、汽車、船舶等,骨架式結構之設計不同於一般之結構物設計,一般而言必須同時考慮以下條件:

  • 樑斷面不可訂作,需由現有材料庫中選取。
  • 結構聯結多為螺栓或卯釘,屬人力密集,必需考慮製造上之困難。
  • 強度及可靠度之判斷必需依據規範要求。

為了達到真正的高效率設計,必需同時將慮參數 (Sizing)、定型 (Shaping) 及接合模式 (拓樸,Topology) 之調整同時考慮,同時為了實用,必需同時具有穩定及快速之特性,達到"一個按鈕完成設計"之功能,傳統之試誤法及經驗法則,已明顯地無法提供客戶產品競爭力。

客戶經評估後,傳統之非線性規劃法 (Nonlinear Programming) 及均質分佈法 (Homogenization Method) 無法滿足其需求,唯有崴昊科技之 SmartDO 可以達到其嚴格之要求。

經崴昊科技與客戶溝通並為之客制化設計系統後,建立了全自動化的最佳化設計系統,該系統具有快速且強力優化的特性,實為前所未見之成果,客戶因此大舉提升了其產品競爭力,大量縮短其設計流程,並得以將人力負荷降至最低。

此成果實為劃時代之創舉,目前市面上尚無公司有能力開發類似之系統。詳細內容請參考此SmartDO電子報

渦輪轉子碟盤減重強化設計

Rotor Disk Optimization

渦輪轉子在操作條件下,承受了高溫、高壓、高轉速的條件,其強度設計通常都將材料性能推到極限,又因其在高轉速下運作,使些微的重量增加或不平衡都會造成嚴重的振動問題,故如何設計高強度、長壽命且低重量的碟盤, 變成一大挑戰。

為達到以上目標,必需使用有限元素法的精密分析來預測強度.又因建模上的整合因素,必需直接使用 CAD 的參數化模型,且克服因網格重建所產生的數值擾動 (Numerical Noise)。

崴昊科技的 SmartDO求解器,以其全球獨步之 Response Smoothing Technology (RST),加上快速穩定的 Conjugate Feasible Direction Method (CFDM) 求解法,始得客戶成功克服多年來懸而未決之設計問題,快速且自動達到高強度低重量的設計目標。且由於此系統之開發,使客戶可以進一步捨棄高單價合金,而嘗試以非傳統性材料進行設計與製造。

此專案之成功,有賴於崴昊科技的高精密度分析能力,對產品的 Domain Knowledge 及領先的自動最佳化設計技術,不管是那一方面,都遠遠超前其他所有之廠商。

噴射式真空混合器自動最佳化設計系統

Ejector Optimization

噴射式真空混合器,是所有的化學工廠都不可或缺的設施,它的效能直接影響其產能,品質及成本。

現今業界之噴射式真空混合器性能分析,多半都還停留在經驗法則或是不完全之數學模式.而其設計,則多半都還停留在試誤法的範圍內。

崴昊科技基於豐富的實務經驗及精確的 CFD 分析能力,為客戶快速解析建構出參數模型,並配合領先的最佳化設計開發能力,為客戶開發出快速的自動最佳化設計系統。此系統與其他崴昊科技開發之系統一樣,在用戶輸入制式之參數及條件後,一個按鈕 (push-button) 即可達到設計目標。

此系統經實務驗證,證明可靠、穩定且具有突破性的發展,在其中一個設計例子中,可將原模組之總長及外徑維持不變,而提高 50% 之抽吸比及 25% 之抽取量。

耐撞及防摔性能最佳化設計

Crash Tube Optimization

高速衝擊、碰撞模擬向來都被視為耗時、大變形、高度非線性以及具有許多雜訊之數值模擬,但我們已成功應用 SmartDO 在防撞、衝擊、吸震方面之最佳化設計。

如左圖的防撞管,利用 SmartDO 裡的穩健基因演算法,在只有 63 次有限元素模擬的情形下,我們成功地減少 20% 的受力、並維持相同的變形量與能量吸收,找到最佳的設計。

高壓鋼瓶氣密性強化設計

波浪發電機 (Wave Energy Converter)之結構輕量化設計

SmartLink提供與ANSYS Workbench Mechanical及CFD直接聯結界面

SmartLink for ANSYS Workbench Mechanical

SmartLink for ANSYS Workbench CFD

其他成功案例

SmartDO電子報案例

SmartDO 在產品設計上的應用,可以追朔到 1992 年,它已被成功地應用在以下領域:

  • 結構 (Structure)
  • 計算流體力學 (CFD)
  • 熱流 (Heat Flow)
  • 熱傳 (Heat Transfer)
  • Structural/Thermal/Electronic Coupled.
  • 耐撞 (Crashworthiness)
  • 結構/熱/電耦合 (Structural/Thermal/Electronic Coupled)
  • 自動控制 (Automatic Control)


  • 半導體元件使用壽命延長優化
  • 眼球外科手術療程及成功率優化
  • 土木結構及廠房結構強度及建造成本優化 (尺寸,外形,拓樸同步優化)
  • 噴射引擎零件強度及壽命優化
  • 渦輪轉子強度優化
  • 防爆結構物強度及重量優化
  • 流體元件性能優化
  • 核安重型吊具減重及強度優化
  • 緩衝防撞結構物性能優化
  • 航運載具底板減重及強度優化
  • 電熱發電器性能優化
  • 裝甲車避震系統下擺臂減重及強度優化
  • 電腦鍵盤 Rubber Dome 性能曲線優化
  • 聯接器 (Connector) 插拔力曲線優化
  • 抽水幫浦葉片強度優化
  • 波浪發電機結構性能優化
  • 複材 (Composite) 結構優化
  • 冷氣空調即時線上控制