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借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状

日期: 2018-09-20
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来源: Walter Frei COMSOL

功能介绍 COMSOL Multiphysics 是一个理想的建模仿真工具,能够精确地再现您的产品设计思路中的重要特点,为您提供一个简单、集成的解决方案,满足您的应用需求。

设计新的结构时,你是否曾经对如何获得最优形状感到迷茫?如果是这样,那么你一定会乐意学习一种非常有用的称为“形状优化”的技术,拥有了这项技术,你的 COMSOL Multiphysics 建模技能就又提高了一步。今天我们将探讨形状优化的概念,并借助一个典型案例来演示其用法。

形状优化的背景

工程师、研究人员和科研人员们一直在努力改进设计。优化是指这样一种理念,即改变零件尺寸和材料属性等模型输入数据,实现某些指标的提升,同时还满足一组约束条件。COMSOL Multiphysics 中的优化模块是处理此类问题的得力工具。

尺寸优化是其中一种比较常见的优化技巧。这个方法要求直接更改 CAD 尺寸,实现质量最小化,可参考我们的支架的优化教程。在这个支架示例中,我们利用所谓的无梯度技术调整尺寸,同时还考虑了以下约束:尺寸间关系、峰值应力以及最低固有特征频率。这些技术会根据不同的目标函数和约束类型采用不同的处理方法,因此相当灵活。不过,这些技术有一个缺点:必须不断地对零件重新剖分网格,从而使设计变量从数值上逼近目标函数和约束的灵敏度。

如我们在以前的一篇文章中讨论的,在使用变形几何接口时,如果几何发生变化,那么也可以通过分析计算设计灵敏度。进一步来讲,基于梯度的求解器无需重新剖分网格,即利用灵敏度优化零件的尺寸,这是我们在设计电容器一文中重点讨论的内容。回顾以上两篇文章有助于理解我们今天要使用的功能。

形状优化是对以前讨论的相关概念的一个延伸,其中不仅考虑了简单的尺寸更改,还涉及到形状的总体改变。结构的形状受控于一组设计参数,这些参数使用了一组能描述任意形状的基函数。在下文中,我们将结合具体案例进行探讨。

形状优化问题:梁的厚度

调整悬臂梁的厚度是一个典型的形状优化问题,我们以此入手来进行探讨:调整悬臂厚度并使其质量最小化,同时满足自由端上挠度峰值的约束。梁的初始厚度均匀,但顶部表面上分布的载荷不均匀,请参考下图。


借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状

 

载荷不均匀的悬臂梁,点 A 的挠度不应超过指定值。图中还显示了网格。

我们先选择设计变量。在悬臂端,梁的长度和厚度固定,长度方向上梁的厚度可以改变。根据初始配置改变厚度会稍微更简单些。不过,我们引入了函数 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状,它在长度方向上的初始值为零。

 

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优化问题研究梁的厚度变化。

在这里,我们选择用一组四阶伯恩斯坦多项式表示厚度变化:

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用归一化尺寸表示:借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状。请注意,此函数已按比例缩小了,这样多项式系数的数量级接近 1。这样做也是为了实现缩放的目的。

因为 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状 时梁的厚度已指定,因此在固定 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状 时,借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状,所以这一项可略去。在远端,我们添加了一个约束条件:梁不能太薄,即 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状

至于中间区域,我们也希望添加一些约束,进一步限制设计空间。可以添加约束 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状。不过,这一约束有个缺陷:梁的厚度会忽薄忽厚。但是根据基本原理,我们知道这种情况不合常理,在长度方向增加梁的厚度毫无益处。我们就对其导数添加约束:借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状。这个约束迫使梁的厚度沿长度单调增加,随之还带来的好处是很自然地满足了约束条件:借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状

还要考虑另一个约束:梁一端上点的位移。我们希望点 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状 的位移量不超过指定值 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状。根据以上信息,我们现在的优化问题就比较完整了:


 

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目标函数针对梁的初始质量 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状 所作的归一化已完成,目标函数已缩放,其阶次为 1。类似地,梁端部的位移量 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状 针对容许的最大位移 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状 进行归一化,它应当小于 1。现在我们来看一看如何在 COMSOL Multiphysics 中使用“优化模块”实现此类问题。

COMSOL Multiphysics 中实现这个问题

我们先从初步设计开始,即一个长度固定、厚度均匀的梁。梁一端设计为悬臂式,顶部表面的载荷不均匀,其变化遵循 借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状。我们希望先引入厚度变化的函数。之前描述的多项式函数是变量 DT,如下方截图所示。表达式 Xg 指最初未变形几何的 x 维度。此函数在归一化的 x 方向上的导数是变量 dDTdX。两个全局参数 L0 和 T0 定义长度和最大厚度。


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屏幕截图显示厚度变化的函数及其导数。

有关厚度变化的变量用在变形几何接口中,定义梁的总体积如何随厚度变化而变化。因为只有厚度变化,所以可以使用简单的线性映射,如下图所示。


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梁内的位移就指定完毕。

现在通过优化接口建立优化问题,其中可以很轻松地创建比较复杂的含多个约束的优化问题。相关设置显示在下方的屏幕截图中,先设置目标函数。积分目标特征对材料密度在建模域进行积分,并针对初始零件质量进行归一化。


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优化的目标是质量最小化。

全局控制变量特征的设置如下所示。四个变量 C1、C2、C3 和 C4 的初始值为零,相当于梁的初始形状。对 C4 的约束是施加了一个上界,所有变量的缩放比例均为 1。

 

借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状

 

 



借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状

 

通过逐点不等式约束对沿梁长度的导数施加约束。

最后,对梁远端点的峰值位移施加约束,使其小于最大指定值。可通过点求和不等式约束特征设置该值。

 

借助 COMSOL “优化模块”获取工程设计的最优形状

 

对归一化的峰值位移施加约束。

至此,我们的优化问题基本创建完毕。最后一步是将优化特征添加到研究序列,选择基于梯度的 SNOPT 求解器,经证实该求解器能最快速地处理我们的问题。所有其他设置保留默认值。目标函数和约束自动取自优化接口。

 

 

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相关的优化求解器设置

下图绘制了结果。其中已显示根据上述步骤得到的最优形状。端部的位移最大,厚度沿长度单调增加。我们预计几何会变形,因此使用了映射网格。

 

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