SmartDO

前言

本期之電子報，介紹結合 SmartDO 與 ANSYS 進行波浪發電機 (Wave Energy Converter) 之結構最佳化設計。在本例中，原始設計之最大應力遠大於容許應力，重量約為三噸，經 SmartDO 最佳化設計後，其應力降至容許應力以下，其波浪能量轉換能力不受影響，而其重量減少約 19%。

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問題描述

本研究之對象，波浪發電機 (Wave Energy Converter)，波浪發電機為一尺寸龐大之結構物，高度約可達 7 公尺，其外型如圖1所示，大致分為浮體 (Buoy) 及壓波板 (Wave Press Board)，其中壓波板用鋼索固定於海底，浮體因受波浪之作用，產生與壓波板之上下相對運動，發電之機制即為將此上下相對運動之動能轉換成電能，圖2所示為波浪發電機 (Wave Energy Converter) 之內部結構分解。

圖1 波浪發電機 (Wave Energy Converter) 之基本構造

圖2 波浪發電機 (Wave Energy Converter) 之內部結構分解

由於波浪發電機承受反覆之波浪衝擊，固其結構體容易受損，為確保結構體之可靠度，須以 CAE 做波浪浮體及應力分析，本研究採用 ANSYS AQWA 計算特定波浪條件下之浮體運動行為，再利用 ANSYS Workbench 將 AQWA 計算之結果傳遞至 ANSYS Mechnical 以進行結構應力分析，如圖3所示。

圖3 使用 ANSYS Workbench 結合 AQWA 及 Mechanical

完成 AQWA/Mechanical 之整合分析後，使用 SmartDO，針對設計變數作聯結與參數化，再進一步結構之最佳化設計，進行波浪發電機之結構設計時，須同時考慮以下因素：

• 不可過度改變發電機之流體動力特性，例如：結構體重心位置不可過度改變，且整體重量應該更輕或至少不會更重 (較輕之結構物可使發電機制分配到更多之波浪浮力) 。
• 應力必需低於容許值。
• 所使用鋼板厚度種類最好不要太多種，以降低材料及製造成本。

最佳化模型建立 (Design Optimization Modeling)

將上述之有限元素法模型參數化，並在 ANSYS MADPL 中以作成 batch 執行檔，即可快速地與 SmartDO 進行整合，在此研究中，綜合上述之設計要求，將此最佳化設計之數學模式定義為：

Find : DV1, DV2, DV3, DV4, DV5, DV6, DV7, DV8 (8組鋼板厚度)
To Minimize :  結構總重
Subjected To:  -10 cm < 結構重心位置改變 < 10 cm
                            最大應力 < 260 MPa

最佳化設計結果經 SmartDO 與 ANSYS 優化計算後，設計結果如下：

• 結構總重：降低約 19%
• 最大應力：由 507MPa 降低至 260MPa
• 重心高度：升高約 7cm

圖4所示為 SmartDO 在進行最佳化過程中，目標函數 (Weight，此處為結構總重) 及正規化最大束制值 (VMAX，此處為最大應力及重心高度改變) 之設計疊歷程 (Design Iteration History) 圖，由圖中可見，在約第 27~28 次疊代時，SmartDO 跳出 local minimum，找到更低的 minimum，且在疊代過程，SmartDO 在降低結構重量的同時，也快速地將設計改進以符合所有束制條件，之後在減重的同時，SmartDO 的設計點依然符合所有束制條件，這在工程設計之應用上是相當重要的特性。

圖4 目標函數及正規化最大束制值之疊代歷程圖

結論

由上述的案例中，我們發現 SmartDO 不但可以穩定地快速地進行波浪發電機/大型結構物 的減重，並可同時保持相當性能，該產品目前以進入實體生產階段，很快地就會正試投入實地運作，未來我們會持續為 SmartDO 開發更多的 Smart Global Optimization 技術，也會持續在電子報裏為您介紹更多的訊息。