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SmartDO 電子報 2013/02/26 : SmartDO 串連 ANSYS Workbench/CFD 進行最佳化設計

前言

本期電子報將介紹如何利用 SmartDO 的 SmartLink 功能,直接串連 ANSYS Workbench/CFD 進行最佳化,針對 ANSYS 各種物理現象的模擬,包含結構、熱流、電磁 ... 等,任何在 ANSYS Workbench 內所建立的參數,都可以藉由 SmartLink 連結進行最佳化,透過 SmartDO 智慧型直接搜尋求解器,無須再經過實驗設計與統計模型擬合。

我們將利用一個三維流道的最佳化問題,一步一步的展示 SmartLink GUI 介面操作上的方便性,電子報中主要以 Fluent 來作說明,但其建模的概念同樣適用在 CFX。

問題描述

考慮一個變管徑的三維流道,如圖 1 所示,流體必須由大管徑的流道進入、並由小管徑的流道流出,中間連接位置是需要設計的地方,然而流體在流進與流出之間會有功率上的損耗,本次的最佳化便是要利用連接位置的幾何設計來讓功率的損耗降到最低。

根據設計上的考量,我們讓整體模型的總長度與入口壓力有所限制,而整個最佳化的數學模型如下表示:

Find :
{H1, H2, R1}
To Minimize :
Power Loss
Subjected To :
H1 + H2 < 3
Inlet Pressure < 1 Pa
Schema of the 3D Flowpath
圖 1 變管徑三維流道示意圖

Step 1 : 幾何參數模型建立

利用 DesignModeler 建立幾何模型,如圖 2。在模型建立後,可以根據使用者的需求,點擊尺寸特徵欄位的方格來建立 ANSYS Workbench 參數,如圖 3,建立成功後會在方格欄位看到一個大寫的英文字母 "D",任何在 Workbench 內被定義為 Input Parameter 的參數都可以被 SmartDO 連結成設計變數。

關於建模的詳細步驟可參考 ANSYS 使用手冊與教學文件。

Build The Geometry Model in DesignModeler
圖 2 利用 DesignModeler 建立幾何模型

nything Marked with "D" Here Can Be Linked As Design Variables in SmartDO
圖 3 所有 Workbench 的參數 (標示 "D" ) 都可以被 SmartDO 連結成設計變數

Step 2 : 定義邊界條件、求解設定、CFD-Post 輸出結果

如圖 4,在建立好參數模型後,便可在 ANSYS Fluent 或是 CFX 建立邊界條件與求解設定,在求解完成後,我們利用 CFD-Post 輸出求解結果以及所需的參數,如圖五,任何在 Workbench 內被定義為 Output Parameter 的參數都可以被 SmartDO 連結成目標函數或是拘束條件。

Set Up BC and Solution in ANSYS CFD
圖 4 在 ANSYS CFD 設定邊界條件與求解設定

Anything Calculated as Output Parameter  Can Be Linked As Objective Function and Constraints in SmartDO
圖 5 任何 Workbench 的輸出參數都可以被 SmartDO 連結成目標函數或拘束條件

Step 3 : 檢查參數表

如圖 6,所有輸入與輸出參數都會在 Workbench 參數表中列出,SmartDO 會根據此參數表的內容進行連結與最佳化。

Parameter Table in Workbench
圖 6 Workbench 參數表

Step 4 : 開啟 SmartDO 進行設定

如圖 7,在開啟 SmartDO 後主要可以看到三個視窗 (Main Menu、Command Cosole、Control Panel),透過選單 (Main Menu > SmartLink > ANSYS Workbench > Optimizaer Control),開啟最佳化問題設定頁面,如圖 8,在大部分的情形下,使用者無須再自己選擇求解器與求解方法,SmartDO 的預設設定已能解決大多數的問題。

SmartDO Interface
圖 7 SmartDO 程式介面

Setting Up Controlling Parameters in SmartDO
圖 8 在 SmartDO 設定最佳化問題

Step 5 : 連結 Workbench 分析專案

如圖 9,點選選單 (Main Menu > SmartLink > ANSYS Workbench > Link Workbench Model),開啟 SmartLink 連結頁面,在設定好 Workbench 程式與分析專案的位置後,按下 [Update Project] 與 [Import Parameter] 按鈕,即可將 Workbench 的參數匯入 SmartDO,如圖 10。

Pick Workbench Project to Link With SmartDO
圖 9 連結 SmartDO 與 Workbench 分析專案

Setting Up Controlling Parameters in SmartDO
圖 10 將 Workbench 參數匯入 SmartDO

Step 6 : 連結設計變數、目標函數與拘束條件

在上一步驟我們已將 Workbench 的參數匯入 SmartDO,現在我們可以利用下拉式選單將 SmartDO 的設計變數與 Workbench 的 Input Parameter 參數進行連結,如圖 11,同時輸入設計變數的上下限與起始值,如圖 12。

同樣的概念,利用下拉式選單將 Workbench 的 Output Parameter 參數連結至 SmartDO 的拘束條件與目標函數,並定義拘束條件的限制式,如圖 13。

現在我們已經完成最佳化問題的設定,所有 SmartDO 與 Workbench 所需要的參數都已經建立連結,如圖 14。

Link SmartDO DVs with Workbench Input Parameters
圖 11 下拉選單連結 SmartDO 設計變數與 Workbench Input Parameter

Define Lower Bound, Upper Bound and Initial Value for Design Optimization in SmartDO
圖 12 定義設計變數的上下限與起始值

Link the Objective Function and Constraints in SmartDO, and Define the Limitation of the Constraints
圖 13 連結拘束條件與目標函數並定義限制式

All Necessary Linkage Between SmartDO and Workbench Established
圖 14 所有 SmartDO 與 Workbench 所需要的參數都已經建立連結

Step 7 : 寫出 SmartDO 文件,執行最佳化

在上一步驟完成後,點選 SmartLink 選單最下方的 [Write SmartDO Model] 按鈕,如圖 15,便可回到 SmartDO Control Panel 頁面,可以看到 SmartDO 文件與求解流程已經自動建立完成,如圖 16,直接點選 [Full Optimization] 按鈕即可執行最佳化。

由於 SmartDO 使用全域直接搜尋法,使用者無需再用統計模型來探討參數關係,在經過幾次的演算迭代後,SmartDO 便能自動找到最佳設計點,在此三維流道最佳化問題中,我們成功的將起始設計減少 74 % 的功率損耗,如圖 17、18。


Write SmartDO Mode
圖 15 寫出 SmartDO 文件

Run Optimization in SmartDO
圖 16 開始執行最佳化

Initial (Top) vs Optimal (Bottom) Design by SmartDO
圖 17 起始設計(上)與 SmartDO 最佳化設計(下)

Initial (Left) vs Optimal (Right) Design by SmartDO
圖 17 起始設計(左)與 SmartDO 最佳化設計(右)

結論

在本次 SmartDO 電子報中,我們展示了如何利用 SmartDO 的 SmartLink 介面來連結 ANSYS Workbench 進行 CFD 最佳化,藉由 SmartDO 智慧型與穩定的求解器,我們可以輕易的達到最佳化設計的目的。

如您希望得到更多的 SmartDO 資料,請光臨我們的網站 http://www.SmatDO.co


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