CN105243183A - 产品结构参数化设计的优化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产品结构参数化设计的优化方法和系统。所述方法包括：S1、定义产品结构设计需要优化的参数和优化目标；S2、建立产品结构的三维参数化模型，该模型中包括需要优化的参数；S3、根据需要优化的参数，建立产品结构的优化组合空间；S4、利用三维参数化模型生成优化组合空间中的所有三维设计模型；S5、编写计算流体力学分析的批处理命令集，以批处理方式建立与所有三维设计模型相对应的计算流体力学分析模型；S6、利用高性能计算机对各个计算流体力学分析模型逐一进行分析计算，输出所有的优化目标计算结果；S7、比对所有的优化目标计算结果，筛选出最佳的三维设计模型。本发明能够快速完成产品设计参数的优化。

Description

产品结构参数化设计的优化方法和系统

技术领域

本发明涉及计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering，CAE)分析，更具体地说，涉及一种产品结构参数化设计的优化方法和系统。

背景技术

CAE分析是机械产品设计过程中的一个重要环节，运用CAE分析可以对产品进行动静态分析、过程模拟及优化设计。通过分析可以及早发现产品设计中的缺陷，减少设计的盲目性，使产品结构设计由经验设计向优化设计转变，从而提高产品的竞争力。因而，CAE分析已经被广泛用于帮助工程师执行诸如分析、仿真、设计、制造等任务。

以轴流风扇为例，轴流风扇具有非常广泛的应用范围，它被广泛应用于电子产品的散热、发动机的冷却、建筑物的通风换气等场合。轴流风扇性能的好坏将直接影响产品的性能和可靠性，是产品设计中一个非常重要的部件。在传统的轴流风扇的设计优化中，工程师根据设计要求(风量、风压等)，对轴流风扇先凭经验进行设计，经过性能分析或测试之后，根据结果对轴流风扇的设计进行修改，工程师需要不断的重复修改设计、建模和进行性能分析，直到满足设计要求。但是，这种优化方法效率比较低，开发周期长，无法满足当前产品开发中对市场快速响应的要求。

因而，期望有一种对产品结构的设计参数进行快速优化的方法，满足产品对市场的快速响应的要求，提高产品的竞争力。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述需求，提供一种能够快速完成设计参数优化的产品结构参数化设计的优化方法和系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种产品结构参数化设计的优化方法，包括如下步骤：

S1、定义产品结构设计需要优化的参数和优化目标；

S2、建立产品结构的三维参数化模型，所述三维参数化模型中包括所述需要优化的参数；

S3、根据所述需要优化的参数，建立产品结构的优化组合空间；

S4、利用所述三维参数化模型生成所述产品结构的优化组合空间中的所有三维设计模型；

S5、编写计算流体力学分析的批处理命令集，以批处理方式建立与优化组合空间中的所有三维设计模型相对应的计算流体力学分析模型；

S6、利用高性能计算机对各个计算流体力学分析模型逐一进行分析计算，输出所有三维设计模型的优化目标计算结果；

S7、比对所有三维设计模型的优化目标计算结果，筛选出最佳的三维设计模型。

一个实施例中，所述步骤S5进一步包括：利用流体力学分析软件的文本命令操作模式，针对所有三维设计模型和所要建立的计算流体力学分析模型的几何结构特点编写所述批处理命令集。

一个实施例中，所述步骤S5进一步包括：

针对具有均匀分布的相似几何特征的产品结构，编写批处理命令集实现所述几何特征的建模，然后通过阵列复制得到整个产品结构的计算流体力学分析模型。

一个实施例中，所述步骤S6进一步包括：通过LSF作业调度系统自动向高性能计算机提交分析计算各个计算流体力学分析模型的计算任务，获得相应的计算结果。

一个实施例中，所述产品结构包括轴流风扇，所述需要优化的参数包括风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量，所述优化目标包括风扇的最大风量值。

本发明为解决其技术问题还提出一种产品结构参数化设计的优化系统，包括：

定义单元，用于定义产品结构设计需要优化的参数和优化目标；

参数化模型创建单元，用于建立产品结构的三维参数化模型，所述三维参数化模型中包括所述需要优化的参数；

优化组合创建单元，用于根据所述需要优化的参数，建立产品结构的优化组合空间；

设计模型创建单元，用于利用所述三维参数化模型生成所述产品结构的优化组合空间中的所有三维设计模型；

流体分析模型创建单元，用于编写计算流体力学分析的批处理命令集，以批处理方式建立与优化组合空间中的所有三维设计模型相对应的计算流体力学分析模型；

计算单元，用于利用高性能计算机对各个计算流体力学分析模型逐一进行分析计算，输出所有三维设计模型的优化目标计算结果；

比对单元，用于比对所有三维设计模型的优化目标计算结果，筛选出最佳的三维设计模型。

一个实施例中，所述流体分析模型创建单元利用流体力学分析软件的文本命令操作模式，针对所有三维设计模型和所要建立的计算流体力学分析模型的几何结构特点编写所述批处理命令集。

一个实施例中，所述流体分析模型创建单元针对具有均匀分布的相似几何特征的产品结构，编写批处理命令集实现所述几何特征的建模，然后通过阵列复制得到整个产品结构的计算流体力学分析模型。

一个实施例中，所述计算单元通过LSF作业调度系统自动向高性能计算机提交分析计算各个计算流体力学分析模型的计算任务，获得相应的计算结果。

一个实施例中，所述产品结构包括轴流风扇，所述需要优化的参数包括风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量，所述优化目标包括风扇的最大风量值。

本发明的产品结构参数化设计的优化方法和系统，通过编写批处理命令集实现对建立计算流体力学分析模型的批处理，同时结合高性能计算机对大规模计算的快速处理能力，实现了对产品结构参数优化设计的快速计算。因而本发明可以明显的提高产品结构参数化设计优化的效率，快速得到优化组合空间中最优设计，从而大大的缩短产品的设计开发周期，满足产品对市场的快速响应的要求，提高产品的竞争力。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个实施例的产品结构参数化设计的优化方法的流程图；

图2是本发明一个实施例中轴流风扇的风扇叶片设计参数前倾角的示意图；

图3是本发明一个实施例中轴流风扇的优化组合空间内的所有三维设计模型的示意图；

图4是本发明一个实施例中轴流风扇的单个叶片的几何结构示意图；

图5是本发明一个实施例中轴流风扇的单个叶片的计算流体力学分析模型的示意图；

图6是本发明一个实施例中轴流风扇的所有叶片的计算流体力学分析模型的示意图；

图7是本发明一个实施例中轴流风扇的计算流体力学分析模型的示意图；

图8是本发明一个实施例的产品结构参数化设计的优化系统的逻辑框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明一个实施例的产品结构参数化设计的优化方法100的流程图。该实施例以轴流风扇作为产品结构参数化设计优化的一个具体示例，但是很显然这不是对本发明的具体限定。具体如图1所示，该产品结构参数化设计的方法100包括如下步骤：

步骤S101中，定义产品结构设计需要优化的参数和优化目标。以轴流风扇为例，需要优化的参数包括风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量，优化目标即风扇的最大风量值。通过本方法优化风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量，从而实现轴流风扇风量的最大化。风扇叶片的前倾角是以轴流风扇中心为起点，分别通过风扇叶片内截面和外截面中点的两条射线的夹角，如图2所示。

随后步骤S102中，建立产品结构的三维参数化模型，所述三维参数化模型中包括所述需要优化的参数。本步骤中，可通过三维的参数化建模的方法，以已有的轴流风扇设计为基础建立轴流风扇的三维参数化模型。该三维参数化模型包括两个可调的参数，即风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量。

随后步骤S103中，根据需要优化的参数，建立产品结构的优化组合空间。对于风扇叶片的前倾角，在本实施例中，可选定四个值：15°、18°、23°和30°；对于风扇叶片的数量，也选定四个值：4、5、6、7。这样就可建立一个4×4共16个设计方案的优化组合空间。

随后步骤S104中，利用步骤S102中建立的三维参数化模型生成产品结构的优化组合空间中的所有三维设计模型。基于本实施例的轴流风扇的优化组合空间生成的所有16个三维设计模型如图3所示。

随后步骤S105中，编写计算流体力学分析的批处理命令集，以批处理方式建立与优化组合空间中的所有三维设计模型相对应的计算流体力学分析模型。具体实施例中，该方法可利用流体力学分析软件已有的文本命令操作模式，针对所有三维设计模型和所要建立的计算流体力学分析模型的几何结构特点编写批处理命令集，实现对建立计算流体力学分析模型的批处理。

由于在流体力学分析软件的文本命令操作模式中，只能通过模型中的点、线、面和体的编号来对模型进行操作，所以三维设计模型需要有相似的几何特征才能通过批处理命令集来实现批处理建模。在本实施例中，如果只改变风扇叶片的前倾角，风扇叶片的三维设计模型仍然具有相似的几何特征，在把整个风扇叶片的三维设计模型导进流体力学分析软件中后，三维设计模型具有相同点、线、面和体的数量和编号，可以通过批处理命令集来实现批处理建模。但在改变风扇叶片的数量后，再把整个风扇叶片的三维设计模型导进流体力学分析软件中后，模型中的点、线、面和体的数量和编号就会改变，这就无法通过批处理命令集来实现批处理建模了。为了解决这个问题，本发明进一步针对具有均匀分布的相似几何特征的产品结构，编写批处理命令集实现单个几何特征的建模，然后通过阵列复制得到整个产品结构的计算流体力学分析模型。以轴流风扇为例，由于风扇叶片在旋转的方向上是均匀分布的，而且每个叶片的几何结构都是一样的，所以可以先在流体力学分析软件中对风扇的单个叶片进行建模，然后将单个叶片模型沿旋转轴进行阵列复制，从而得到整个风扇叶片的计算流体力学分析模型。具体操作流程如下：

(1)把风扇的单个叶片的三维设计模型导入流体力学分析软件中，如图4所示。在改变风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量后，单个叶片的几何特征是相似的，把单个叶片的三维设计模型导进流体力学分析软件中后，具有相同的点、线、面和体的数量和编号。

(2)针对单个叶片的几何特征，通过编写批处理命令集来实现单个叶片的建模，并在叶片的前后建立流体内部交界面以实现不同叶片的计算流体力学分析模型之间的气体交换。假设风扇叶片的数量为N，单个叶片模型的规模就是整个风扇叶片模型的1/N，如图5所示。

(3)沿着旋转轴对单个叶片模型进行阵列复制，不同叶片的计算流体力学分析模型之间通过之前建立的流体内部交界面来连接并实现不同叶片的计算流体力学分析模型之间的气体交换，得到整个风扇叶片的计算流体力学分析模型，如图6所示。

(4)在整个风扇叶片的计算流体力学分析模型的前后加上进出口的导流区，得到轴流风扇的计算流体力学分析模型，如图7所示。

随后该方法100在步骤S106中，利用高性能计算机对各个计算流体力学分析模型逐一进行分析计算，输出所有三维设计模型的优化目标计算结果。

建立了各个设计方案的计算流体力学分析模型以后，需要对各个设计方案的计算流体力学分析模型逐一进行计算。由于设计方案比较多，特别是在多个参数同时优化的情况下，计算量会非常大，需要的计算时间也非常长。为了减少计算的时间，本方法利用高性能计算机来提高计算速度。由于在流体力学分析软件中一次只能提交一个计算任务进行计算，计算任务完成后并不能自动开始下一个计算任务，这会降低高性能计算机的使用效率，增加计算时间。为了解决这个问题，本发明的一个具体实施例中，本发明在高性能计算机中安装LSF(LoadSharingFacility)作业调度系统。所有设计方案的计算任务可以同时提交给LSF作业调度系统，LSF作业调度系统接收计算任务后，会根据每个任务提交的先后顺序自动向高性能计算机提交计算任务，当完成一个计算任务后，就会自动向高性能计算机提交下一个计算任务，从而保证可以充分的利用高性能计算机快速完成对各个设计方案的计算分析，并输出各个设计方案的风量最大值，如表格1所示。

表1：优化组合空间中各个设计方案的风量最大值

随后步骤S107中，比对所有三维设计模型的优化目标计算结果，筛选出最佳的三维设计模型。以上表1为例，通过比对各个设计方案的风量最大值，筛选出最优的设计结果为5个叶片、前倾角为15°的设计方案。

本发明的上述产品结构参数化设计的优化方法100中，针对利用流体力学分析软件对轴流风扇进行参数优化设计所需要的大量的重复工作和大规模的计算量，该方法100针对需要优化的设计参数建立参数化设计模型，利用流体力学分析软件中的文本命令操作模式编写批处理命令集实现对建立计算流体力学分析模型的批处理，同时结合高性能计算机对大规模计算的快速处理能力，实现了对轴流风扇参数优化设计的快速优化。结果表明，此方法可以明显的提高轴流风扇参数化设计优化的效率，快速得到优化组合空间中最优的设计。

基于以上所描述的产品结构参数化设计的优化方法，本发明还提出一种产品结构参数化设计的优化系统。图8示出了本发明一个实施例的产品结构参数化设计的优化系统200的逻辑框图。如图8所示，该系统200包括定义单元201、参数化模型创建单元202、优化组合创建单元203、设计模型创建单元204、流体分析模型创建单元205、计算单元206和比对单元207。其中，定义单元201用于定义产品结构设计需要优化的参数和优化目标。以轴流风扇为例，需要优化的参数包括风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量，优化目标即风扇的最大风量值，通过优化风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量，可以实现轴流风扇风量的最大化。参数化模型创建单元202用于建立产品结构的三维参数化模型，所述三维参数化模型中包括需要优化的参数，即风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量。优化组合创建单元203用于根据需要优化的参数，建立产品结构的优化组合空间。若对于风扇叶片的前倾角，选定四个值：15°、18°、23°和30°，对于风扇叶片的数量，也选定四个值：4、5、6、7，这样就可建立一个4×4共16个设计方案的优化组合空间。设计模型创建单元204用于利用三维参数化模型生成该产品结构的优化组合空间中的所有三维设计模型。流体分析模型创建单元205用于编写计算流体力学分析的批处理命令集，以批处理方式建立与优化组合空间中的所有三维设计模型相对应的计算流体力学分析模型。具体实施例中，流体分析模型创建单元205可利用流体力学分析软件的文本命令操作模式，针对所有三维设计模型和所要建立的计算流体力学分析模型的几何结构特点编写批处理命令集，以实现对建立计算流体力学分析模型的批处理。针对具有均匀分布的相似几何特征的产品结构，流体分析模型创建单元205还可编写批处理命令集实现单个几何特征的建模，然后通过阵列复制得到整个产品结构的计算流体力学分析模型。计算单元206用于利用高性能计算机对各个计算流体力学分析模型逐一进行分析计算，输出所有三维设计模型的优化目标计算结果。进一步，计算单元206可通过LSF作业调度系统自动向高性能计算机提交分析计算各个计算流体力学分析模型的计算任务，获得相应的计算结果。比对单元207用于比对计算单元206输出的所有三维设计模型的优化目标计算结果，筛选出最佳的三维设计模型。系统200的各个单元分别用于实现前述的方法100的各个步骤，其具体操作可参见方法100，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种产品结构参数化设计的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、定义产品结构设计需要优化的参数和优化目标；

S2、建立产品结构的三维参数化模型，所述三维参数化模型中包括所述需要优化的参数；

S3、根据所述需要优化的参数，建立产品结构的优化组合空间；

S4、利用所述三维参数化模型生成所述产品结构的优化组合空间中的所有三维设计模型；

S5、编写计算流体力学分析的批处理命令集，以批处理方式建立与优化组合空间中的所有三维设计模型相对应的计算流体力学分析模型；

S6、利用高性能计算机对各个计算流体力学分析模型逐一进行分析计算，输出所有三维设计模型的优化目标计算结果；

S7、比对所有三维设计模型的优化目标计算结果，筛选出最佳的三维设计模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：利用流体力学分析软件的文本命令操作模式，针对所有三维设计模型和所要建立的计算流体力学分析模型的几何结构特点编写所述批处理命令集。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：

针对具有均匀分布的相似几何特征的产品结构，编写批处理命令集实现所述几何特征的建模，然后通过阵列复制得到整个产品结构的计算流体力学分析模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：通过LSF作业调度系统自动向高性能计算机提交分析计算各个计算流体力学分析模型的计算任务，获得相应的计算结果。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产品结构包括轴流风扇，所述需要优化的参数包括风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量，所述优化目标包括风扇的最大风量值。

6.一种产品结构参数化设计的优化系统，其特征在于，包括：

定义单元，用于定义产品结构设计需要优化的参数和优化目标；

参数化模型创建单元，用于建立产品结构的三维参数化模型，所述三维参数化模型中包括所述需要优化的参数；

优化组合创建单元，用于根据所述需要优化的参数，建立产品结构的优化组合空间；

设计模型创建单元，用于利用所述三维参数化模型生成所述产品结构的优化组合空间中的所有三维设计模型；

流体分析模型创建单元，用于编写计算流体力学分析的批处理命令集，以批处理方式建立与优化组合空间中的所有三维设计模型相对应的计算流体力学分析模型；

计算单元，用于利用高性能计算机对各个计算流体力学分析模型逐一进行分析计算，输出所有三维设计模型的优化目标计算结果；

比对单元，用于比对所有三维设计模型的优化目标计算结果，筛选出最佳的三维设计模型。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述流体分析模型创建单元利用流体力学分析软件的文本命令操作模式，针对所有三维设计模型和所要建立的计算流体力学分析模型的几何结构特点编写所述批处理命令集。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述流体分析模型创建单元针对具有均匀分布的相似几何特征的产品结构，编写批处理命令集实现所述几何特征的建模，然后通过阵列复制得到整个产品结构的计算流体力学分析模型。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述计算单元通过LSF作业调度系统自动向高性能计算机提交分析计算各个计算流体力学分析模型的计算任务，获得相应的计算结果。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述产品结构包括轴流风扇，所述需要优化的参数包括风扇叶片的前倾角和风扇叶片的数量，所述优化目标包括风扇的最大风量值。