CN111444557A - 基于ansys与matlab数据接口的cfd数值模拟优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于ANSYS与MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法，该CFD数值模拟优化设计平台包括结构参数化、CFD数值模拟分析和优化设计目标三个部分。其中结构参数化是该平台的运行基础，利用参数化模型能快速实现几何参数修改；CFD数值模拟分析是优化设计的前提，应用MATLAB主程序调用ANSYS软件进行CFD数值模拟，将输出结果导入优化设计模块分析；MATLAB主程序调用MATLAB软件的优化算法模块对数值模拟计算结果进行优化筛选。本发明利用MATLAB的优化算法模块和ANSYS的数值模拟能力，巧妙的利用脚本文件，实现优化设计的自动化运行，为复杂系统自动化优化设计提供实现途径。

Description

基于ANSYS与MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法

技术领域

本发明涉及参数化设计技术领域，特别涉及一种基于ANSYS与MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法。

背景技术

参数化设计是指从功能分析到创建参数化模型的整个过程。其中参数化建模是参数化设计的重要过程，是一种重要的计算机辅助设计方法。参数化设计利用系统所提供的基本特征来进行建模操作，可以通过修改几何参数快速修改几何模型.

数值模拟也叫计算机模拟，是通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。计算机模拟最初被作为其他的方面研究的补充，但当人们发现它的重要性之后，它便作为一门单独的课题应用范围相当广泛。计算机模拟运行时间从运行数分钟到数小时到数天不等，并且通过计算机模拟求解的事件范围越来越广泛。

在数值模拟中，优化往往是指通过算法得到要求问题的更优解，而这就意味着在CFD数值模拟优化过程中需要计算多个模型且需要重复计算多次，才能根据优化方向得到比较好的优化结果。但是每计算一个解时都需要绘制三维模型，如果手动绘制三维模型那么工作量将会极其庞大且工作效率极其低下。

发明内容

为解决上述CFD数值模拟优化过程中需要计算多个模型效率低的技术问题，本发明公开了一种基于ANSYS和MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法，包括以下步骤：

S101.结构参数化：通过三维制图软件UG进行参数化建模，将几何参数保存为.exp文件，通过MATLAB读取修改.exp文件，并调用UG批处理文件，以实现模型结构的参数化修改；

S103.CFD数值模拟分析：通过MATLAB调用ICEM CFD软件，调用录制网格划分的脚本文件并自动划分模型网格，执行完毕后再通过MATLAB调用FLUENT软件，调用录制的脚本文件并读取网格文件进行CFD数值模拟，同时设置检测点便于获得后处理数据，将检测点结果写入result.txt文本文件作为结果输出保存，再通过MATLAB读取result.txt文件作为优化目标结果；

S105.优化设计目标：在MATLAB主程序运行过程中，调用MATLAB的优化算法程序模块来进行优化求解，求解过程中每当优化算法程序迭代完毕后，MATLAB主程序都需要将求解结果写入.exp文件，UG模块再根据优化结果修改几何参数。

进一步地，所述步骤S101中调用UG批处理文件，以实现模型结构的参数化修改具体为，在MATLAB主程序运行过程中根据提前录制的UG宏文件，不断的调用UG模块修改参数化模型的几何参数。

进一步地，所述步骤S101中，在MATLAB主程序运行过程中根据提前录制的UG宏文件，不断的调用UG模块修改几何参数：

①调用UG软件修改几何参数的批处理命令如下：

！”E:\Program Files(x86)\UGNX10.0 software\UGII\ugraf.exe”-batch-key:”HONG.macro”

其中-batch是指定以batch模式运行UG；HONG.macro是宏文件

②UG模块需要根据优化结果不断的在list.exp文件中修改几何参数，修改几何参数程序如下：

进一步地，所述步骤S103中MATLAB的主程序运行中，需根据脚本文件调用ICEMCFD网格划分模块和FLUENT的数值求解模块，实现自动化数值求解：

S201.在MATLAB主程序运行过程中，需要根据参数化模型和脚本文件来调用ICEMCFD网格划分模块，实现自动化网格划分：

①录制脚本文件是属于对ICEM CFD的二次开发，其中脚本录制时需要设置好脚本录制菜单，录制完毕后保存后.rpl脚本文件；

②在MATLAB主程序调用ICEM CFD模块时，网格划分采用批处理流程，采用dos函数调用start.bat文件来查看批处理流程：

dos('start.bat')；

S202.在MATLAB主程序运行过程中，需要根据脚本文件来读取网格文件，并自动设置CFD数学求解模型和边界条件等参数，实现自动化数值求解：

①录制FLUENT脚本时，需要将录制文件保存为.journal文件，同时在录制时需要设置检测点便于获得后处理数据，数值求解采用批处理流程并通过dos函数调用批处理流程文件；

②在MATLAB主程序调用FLUENT进行数值求解时，避免Fluent触发后直接进入下一个程序模块，因此需要设置一个等待时间让Fluent计算完毕后再执行下一个程序，等待程序如下：

while exist('fluent.dat')＝＝0

pause(10)

end。

进一步地，步骤105中所述优化求解具体采用粒子群优化算法作为案例进行优化求解，在MATLAB中编程实现粒子群算法的函数为PSO函数，其调用格式如下：

[x_m,f_v]＝PSO(fitness,N,c₁,c₂,w,M,D)

其中，fitness为待优化目标函数，N是粒子数目，c₁、c₂分别是学习因子1、学习因子2，w是惯性权重，M是最大迭代数，D是自变量个数，x_m是目标函数取最小值时的自变量，f_v是目标函数的最小值。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

通过编程调用MATLAB强大的优化工具，与ANSYS相结合实现数值模拟优化问题。对于目标优化，ANSYS自身携带的优化模块与MATLAB的优化函数库相比就显得薄弱不少，但是MATLAB自身的数值模拟能力又是比较优秀的，因此在基于ANSYS与MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法中可以将二者优势相结合起来，通过MATLAB主程序调用脚本文件实现优化设计的自动化运行，从而为复杂系统的自动化优化设计提供了一种实现途径，使得数值模拟优化设计可以自动化计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于ANSYS与MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计平台操作流程图；

图2为初始二维翼型结构图；

图3为二维翼型网格划分；

图4为初始二维翼型与优化结果结构对比：初始翼型为NACA4412；

图5为初始二维翼型的表面压力分布；

图6为优化后二维翼型的表面压力分布；

图5与图6中数值标注的线为等压线，其单位为Pa。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种基于ANSYS和MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法，包括以下步骤：

S101.结构参数化：通过三维制图软件UG进行参数化建模，将几何参数保存为.exp文件，通过MATLAB读取修改.exp文件，并调用UG批处理文件，以实现模型结构的参数化修改；

S103.CFD数值模拟分析：通过MATLAB调用ICEM CFD软件，调用录制网格划分的脚本文件并自动划分模型网格，执行完毕后再通过MATLAB调用FLUENT软件，调用录制的脚本文件并读取网格文件进行CFD数值模拟，同时设置检测点便于获得后处理数据，将检测点结果写入result.txt文本文件作为结果输出保存，再通过MATLAB读取result.txt文件作为优化目标结果；

S105.优化设计目标：在MATLAB主程序运行过程中，调用MATLAB的优化算法程序模块来进行优化求解，求解过程中每当优化算法程序迭代完毕后，MATLAB主程序都需要将求解结果写入.exp文件，UG模块再根据优化结果修改几何参数。

在一些实施例中，所述步骤S101中，调用UG批处理文件，以实现模型结构的参数化修改具体为：在MATLAB主程序运行过程中根据提前录制的UG宏文件，不断的调用UG模块修改参数化模型的几何参数。

在一些实施例中，所述步骤S101中，在MATLAB主程序运行过程中根据提前录制的UG宏文件，不断的调用UG模块修改几何参数：

①调用UG软件修改几何参数的批处理命令如下：

！”E:\Program Files(x86)\UGNX10.0 software\UGII\ugraf.exe”-batch-key:”HONG.macro”

其中-batch是指定以batch模式运行UG；HONG.macro是宏文件

②UG模块需要根据优化结果不断的在list.exp文件中修改几何参数，修改几何参数程序如下：

在一些实施例中，所述步骤S103中MATLAB的主程序运行中，需根据脚本文件调用ICEM CFD网格划分模块和FLUENT的数值求解模块，实现自动化数值求解：

S201.在MATLAB主程序运行过程中，需要根据参数化模型和脚本文件来调用ICEMCFD网格划分模块，实现自动化网格划：

①录制脚本文件是属于对ICEM CFD的二次开发，其中脚本录制时需要设置好脚本录制菜单，录制完毕后保存后.rpl脚本文件；

②在MATLAB主程序调用ICEM CFD模块时，网格划分采用批处理流程，采用dos函数调用start.bat文件来查看批处理流程：

dos('start.bat')；

S202.在MATLAB主程序运行过程中，需要根据脚本文件来读取网格文件，并自动设置CFD数学求解模型和边界条件等参数，实现自动化数值求解：

①录制FLUENT脚本时，需要将录制文件保存为.journal文件，同时在录制时需要设置检测点便于获得后处理数据，数值求解采用批处理流程并通过dos函数调用批处理流程文件；

②在MATLAB主程序调用FLUENT进行数值求解时，避免Fluent触发后直接进入下一个程序模块，因此需要设置一个等待时间让Fluent计算完毕后再执行下一个程序，等待程序如下：

while exist('fluent.dat')＝＝0

pause(10)

end。

在一些实施例中，步骤105中所述优化求解具体采用粒子群优化算法作为案例进行优化求解，在MATLAB中编程实现粒子群算法的函数为PSO函数，其调用格式如下：

[x_m,f_v]＝PSO(fitness,N,c₁,c₂,w,M,D)

其中，fitness为待优化目标函数，N是粒子数目，c₁、c₂分别是学习因子1、学习因子2，w是惯性权重，M是最大迭代数，D是自变量个数，x_m是目标函数取最小值时的自变量，f_v是目标函数的最小值。

粒子群优化算法优势：粒子群优化算法具有高效的搜索能力，有利于得到多目标下的最优解，同时粒子群优化算法的通用性比较好，适合处理多种类型的目标函数和约束，且容易与传统的优化方法相结合，从而改进自身的局限性，更高效的解决问题。

下面以二维翼型为例，结合附图对本发明进行进一步说明。

初始模型为NACA4412翼型模型，如图2所示，翼型最前端为前缘，翼型尾端最远处为后缘，连接前后缘的直线称为翼弦。在翼型内部作一系列与上下翼面相切的内切圆，其圆心的连线称为中弧线，其中最大内切圆的直径称为翼型的厚度，中弧线和翼弦之间的最大距离称为弯度。

请补充内容

图2表示翼型的几何结构，f表示弯度，代表翼型中弧线和翼弦之间的距离，其最大弯度标为f_max,，l表示最大弯度相对于前缘的位置；b表示中弧线，代表翼型一系列内切圆圆心的连线，表示翼型弯曲程度的一条连线；c表示弦长，代表中弧线前后端点连线，是翼型的特征长度，C表示弦长的长度。

图3表示在自动化数值模拟过程中，ICEM CFD软件根据几何模型划分的网格，可以明显的看出翼型的前缘和后缘，网格自动化划分时有着比较明显的加密。

图4表示的是优化前的二维翼型和优化后的二维翼型的结构对比，其中可以比较明显的发现优化后的结果相对于优化前的结果，后缘处的结构有着较为明显的变化，后缘弯曲角度更大，后院的位置也有着明显的移动。

图5表示的是优化前二维翼型的压力分布，图6表示的是优化后二维翼型的压力分布。因为翼型在空气流过时所产生的升力来源与翼型上表面的和下表面的压力差，上表面产生负压，下表面产生正压。可以明显的看出优化前二维翼型上表面的最小的负压是-60000Pa，且形成的低压区面积相比于优化后的二维翼型的上表面的-80000Pa形成的低压区面积更小；优化前的二维翼型下表面的高压至少达到10000Pa，且形成的高压区面积相对于优化后的二维翼型下表面的高压至少达到20000Pa的高压区面积较小。同时我们可以发现优化前二维翼型的前缘处下表面低压区比较大和后缘处下表面的高压区较小，有化后可以明显的发现前缘下表面低压区减小和后缘下表面高压区增大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于ANSYS和MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101.结构参数化：通过三维制图软件UG进行参数化建模，将几何参数保存为.exp文件，通过MATLAB读取修改.exp文件，并调用UG批处理文件，以实现模型结构的参数化修改；

S103.CFD数值模拟分析：通过MATLAB调用ICEM CFD软件，调用录制网格划分的脚本文件并自动划分模型网格，执行完毕后再通过MATLAB调用FLUENT软件，调用录制的脚本文件并读取网格文件进行CFD数值模拟，同时设置检测点便于获得后处理数据，将检测点结果写入result.txt文本文件作为结果输出保存，再通过MATLAB读取result.txt文件作为优化目标结果；

S105.优化设计目标：在MATLAB主程序运行过程中，调用MATLAB的优化算法程序模块来进行优化求解，求解过程中每当优化算法程序迭代完毕后，MATLAB主程序都需要将求解结果写入.exp文件，UG模块再根据优化结果修改几何参数。

2.根据权利要求1所述的基于ANSYS和MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法，其特征在于，所述步骤S101中调用UG批处理文件，以实现模型结构的参数化修改具体为，在MATLAB主程序运行过程中根据提前录制的UG宏文件，不断的调用UG模块修改参数化模型的几何参数。

3.根据权利要求2所述的基于ANSYS和MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法，其特征在于，所述步骤S101中，在MATLAB主程序运行过程中根据提前录制的UG宏文件，不断的调用UG模块修改几何参数：

①调用UG软件修改几何参数的批处理命令如下：

！”E:\Program Files(x86)\UGNX10.0 software\UGII\ugraf.exe”-batch-key:”HONG.macro”

其中-batch是指定以batch模式运行UG；HONG.macro是宏文件

②UG模块需要根据优化结果不断的在list.exp文件中修改几何参数，修改几何参数程序如下：

da＝['[mm]p5＝'num2str(radius)]；％几何参数写入

replaceline＝6；

fid＝fopen('list.exp','r+')；

for k＝1:(replaceline-1)

fgetl(fid)；

end。

4.根据权利要求1所述的基于ANSYS和MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法，其特征在于，所述步骤S103中MATLAB的主程序运行中，需根据脚本文件调用ICEM CFD网格划分模块和FLUENT的数值求解模块，实现自动化数值求解：

S201.在MATLAB主程序运行过程中，需要根据参数化模型和脚本文件来调用ICEM CFD网格划分模块，实现自动化网格划：

①录制脚本文件是属于对ICEM CFD的二次开发，其中脚本录制时需要设置好脚本录制菜单，录制完毕后保存后.rpl脚本文件；

②在MATLAB主程序调用ICEM CFD模块时，网格划分采用批处理流程，采用dos函数调用start.bat文件来查看批处理流程：

dos('start.bat')；

S202.在MATLAB主程序运行过程中，需要根据脚本文件来读取网格文件，并自动设置CFD数学求解模型和边界条件等参数，实现自动化数值求解：

①录制FLUENT脚本时，需要将录制文件保存为.journal文件，同时在录制时需要设置检测点便于获得后处理数据，数值求解采用批处理流程并通过dos函数调用批处理流程文件；

②在MATLAB主程序调用FLUENT进行数值求解时，避免Fluent触发后直接进入下一个程序模块，因此需要设置一个等待时间让Fluent计算完毕后再执行下一个程序，等待程序如下：

while exist('fluent.dat')＝＝0

pause(10)

end。

5.根据权利要求1所述的基于ANSYS和MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法，其特征在于：步骤105中所述优化求解具体采用粒子群优化算法作为案例进行优化求解，在MATLAB中编程实现粒子群算法的函数为PSO函数，其调用格式如下：

[x_m,f_v]＝PSO(fitness,N,c₁,c₂,w,M,D)

其中，fitness为待优化目标函数，N是粒子数目，c₁、c₂分别是学习因子1、学习因子2，w是惯性权重，M是最大迭代数，D是自变量个数，x_m是目标函数取最小值时的自变量，f_v是目标函数的最小值。

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