CN111563339A - 基于变量耦合与软件集成的cfrp导流罩一体化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，包括：对设计变量进行变量耦合操作；在SIEMENS NX中进行几何建模，并将建立的几何模型传递到CFD中；在ICEM CFD中对几何模型进行气动网格划分；在ANSYS FLUENT中对划分后的气动网格进行流动求解，以计算导流罩的表面流场；在APDL中对零件内部的CFRP铺层进行建模，并通过初始铺层设计，编写遗传算法优化铺层角度；在APDL中进行结构有限元建模，并调用ANSYS对模型进行分析。本发明能够同时考虑零部件宏观结构学科优化、微观材料铺层学科优化与流体动力学等多学科的协同，对零部件进行一体化设计。

Description

基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法
技术领域
本发明一体化优化设计技术领域，具体涉及一种基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法。
背景技术
相关技术中，往往考虑零部件在单个学科领域下如何优化设计使得所需功能最佳，但是零部件设计往往涉及多个学科，例如：机械结构优化设计领域、材料内部细观结构优化设计领域、空气动力学领域以及流体力学领域等等。目前在零部件轻量化设计中结构、材料、功能没有同时考虑的情况。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，能够同时考虑零部件宏观结构学科优化、微观材料铺层学科优化与流体动力学等多学科的协同，对零部件进行一体化设计。
本发明采用的技术方案如下：
基于变量耦合与软件集成的CFRP(CarbonFiber Reinforced Polymer/Plast，碳纤维增强复合材料)导流罩一体化设计方法，包括：对设计变量进行变量耦合操作；在SIEMENS NX中进行几何建模，并将建立的几何模型传递到CFD(Computational FluidDynamics，计算流体动力学)中；在ICEM CFD中对所述几何模型进行气动网格划分；在ANSYSFLUENT中对划分后的气动网格进行流动求解，以计算所述导流罩的表面流场；在APDL(ANSYS Parametric Design Language，ANSYS参数化设计语言)中对零件内部的CFRP铺层进行建模，并通过初始铺层设计，编写遗传算法优化铺层角度；在APDL中进行结构有限元建模，并调用ANSYS对模型进行分析。
所述对设计变量进行变量耦合操作包括：将所述设计变量划分为公有变量和私有变量；对所述私有变量和公有变量进行变量耦合操作。
在SIEMENS NX中根据NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines，非均匀有理B样条曲线)曲线建立所述几何模型，其中，通过以下公式生成所述NURBS曲线：
Figure BDA0002468611720000021
其中，Pi为给定空间的第i-1个控制顶点，ωi为权因子，Ni,p(u)为在非周期节点矢量U上的p次B样条基函数，其中，U＝{a，…a，up+1，…，um-p-1，b，…，b}。
所述在ICEM CFD中对所述几何模型进行气动网格划分包括：导入所述几何模型；创建流体域并定义边界表面；划分计算域，并设置间距参数；生成所述气动网格；导出所述气动网格到msh文件中。
将ANSYS FLUENT15.0作为流动求解器对所述划分后的气动网格进行流动求解。
通过MATLAB在不打开ANSYS的情况下自动调用ANSYS，以使ANSYS后台运行，以对所述模型进行分析。
所述遗传算法的优化操作包括：依次经过选择算法、交叉算法、变异算法、重组算法操作，以实现遗传优化。
所述导流罩为风力发电机的导流罩。
本发明的有益效果：
本发明能够同时考虑零部件宏观结构学科优化、微观材料铺层学科优化与流体动力学等多学科的协同，对零部件进行一体化设计。
附图说明
图1为本发明实施例的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法的流程图；
图2a为本发明一个具体实施例的可以耦合变量的示意图；
图2b为本发明一个具体实施例的不可以耦合变量的示意图；
图3为本发明一个具体实施例的一体化分级的示意图
图4为本发明一个具体实施例的CFRP导流罩在APDL中的初始铺层角度顺序设置的示意图；
图5为本发明一个具体实施例的导流罩遗传算法收敛图。
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做出创造性劳动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。
图1是根据本发明实施例的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法的流程图。
需要说明的是，导流罩为风力发电机的导流罩。
本发明以碳纤维复合材料(CFRP)风力发电机导流罩为例，风力发电机导流罩的一体化设计与导流罩结构设计学科、材料学科中的CFRP铺层、流体动力学的流固耦合相关。
如图1所示，本发明实施例的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，包括以下步骤：
S1，对设计变量进行变量耦合操作。
根据本发明的一个实施例，对设计变量进行变量耦合操作包括：将设计变量划分为公有变量和私有变量；对私有变量和公有变量进行变量耦合操作。
具体而言，在软件集成操作前，首先对设计变量进行变量耦合操作，提高优化效率，例如：CFRP导流罩铺层厚度参数可以与公有变量中的结构厚度参数耦合。
需要说明的是，不同的学科私有变量之间不存在耦合，然而，从数学的角度来看，私有变量可能与学科中的公共变量相结合，提高了接下来遗传算法寻优操作的效率，耦合方法如下所示：
传统的协同优化模型：
Find such that
min F(v)
s.t.Cn(v)≤0
其中，图2a为变量可以耦合，图2b为变量不可以耦合，dX-Y≤a是判定公有变量与私有变量是否可以耦合的判定依据，a为一个给定的小正数。X与Y为设计变量的各自的范数空间，通过数学方法变量是否可以判定耦合，即两个变量X和Y的耦合是两个空间的距离(即X和Y)。
变量耦合后，变量V分为公有变量与私有变量，模型修改为如下：
Find x and zi,such that
Figure BDA0002468611720000041
s.t.Cj(x,zi)≤0
变量耦合结束之后，进行一体化设计操作，一体化设计分为系统级与子系统级，子系统级也称为学科级。如图3所示，零件轻量化设计为系统级，结构优化、CFRP铺层优化、流固耦合等为学科级。系统级采用遗传算法进行寻优，使用线性加权方法将各学科级分配权重系数，整合成系统级的优化模型。学科子系统级采用序列二次规划优化算法，在导流罩流固耦合学科中引入代理模型近似。
需要说明的是，在执行完步骤S1时，还包括：采用二进制种群对导流罩进行参数编码设置，分别用2位二进制表示导流罩层合板每层铺层角度(0、1、2、3分别代表－45°、0°、45°、90°铺层角度)，用3位二进制表示结构参数x1，用5位二进制表示结构参数x2(x1、x2分别代表B样条中的控制顶点坐标值)。
S2，在SIEMENS NX中进行几何建模，并将建立的几何模型传递到CFD中。
根据本发明的一个实施例，在SIEMENS NX中根据NURBS曲线建立所述几何模型，其中，通过以下公式生成所述NURBS曲线：
Figure BDA0002468611720000051
其中，Pi为给定空间的第i-1个控制顶点，ωi为权因子，Ni,p(u)为在非周期节点矢量U上的p次B样条基函数，其中，U＝{a，…a，up+1，…，um-p-1，b，…，b}。
其中，设定P0，P1，...，Pn为给定空间的n+1个控制顶点，U＝{u0,u1,...,um}为m+1个节点矢量。
假定a＝0，b＝1，并且所有的ωi＞0，i＞0，令，
Figure BDA0002468611720000052
Figure BDA0002468611720000053
也就是说，上述公式(1)中，C(u)可设定为
Figure BDA0002468611720000054
其中，
Figure BDA0002468611720000055
进一步而言，在建好几何模型后，可将几何模型通过软件后台语言GRIP传递到CFD中。在NX提供的各种自动化工具中，图形编程交互语言(GRIP)灵活性较好。脚本开发的三个步骤，即编译，链接和执行，使用一组在批处理文件上操作的系统命令实现自动化。
S3，在ICEM CFD中对几何模型进行气动网格划分。
根据本发明的一个实施例，在ICEM CFD中对几何模型进行气动网格划分包括：导入几何模型；创建流体域并定义边界表面；划分计算域，并设置间距参数；生成气动网格；导出气动网格到msh文件中。
具体而言，在ICEM CFD中进行气动网格划分，批处理模式执行通过以下系统命令实现<ICEMCFD_path>-batch-script<script_file_path脚本是使用工具命令语言/工具包(Tcl/Tk)编写的脚本执行的，编写脚本自动完成气动网格生成过程。其中，气动网格生成过程包括以下步骤：(1)导入CAD几何模型；(2)创建流体域并定义边界表面；(3)划分计算域；(4)设置间距参数；(5)生成气动网格；(6)导出气动网格到msh文件中。
S4，在ANSYS FLUENT中对划分后的气动网格进行流动求解，以计算导流罩的表面流场。
根据本发明的一个实施例，可将ANSYS FLUENT15.0作为流动求解器对所述划分后的气动网格进行流动求解。
具体地，采用软件ANSYS FLUENT 15.0作为流动求解器，通过以下系统命令流实现自动化<FLUENT_path>3d-hidden-t4-i<journal_file_path。
其中，步骤S4具体包括：
创建*.txt文件，打开此文本文件并写入结构自身初始参数及与结构相关联的外部参数；具体方法为：采用读写模式创建一个*.txt文本文件，运用写入语句把结构外形尺寸参数、单元属性参数及结构外部作用载荷写入所创建的*.txt文本文件中，采用关闭文件语句关闭*.txt文本文件。具体程序为：
fp＝fopen(‘*.txt’,’a’)；％’*.txt’为文件名，’a’为打开方式；
fprintf(fp，’％d’，x)；％fp为文件句柄，制定要写入数据的文件，％d后有空格；
fclose(fp)；％关闭文件。
Matlab打开并读取Ansys保存的**.txt文本文件，读取的格式如下：
fid＝fopen('C:\ATOM.txt'，'r')；
tline＝fgetl(fid)；
y＝str2num(tline)；
fclose(fid)；
其中，fgetl指从已经打开的文件中读取一行，并且丢掉末尾的换行符；tline是把字符串转换成数值而命名的一个中间变量；str2num是把字符串转化成数值。
S5，在APDL中对零件内部的CFRP铺层进行建模，并通过初始铺层设计，编写遗传算法优化铺层角度。
具体而言，APDL的结构建模主要是零件内部的碳纤维复合材料铺层建模，通过初始铺层设计，编写遗传算法优化铺层角度；
gripbatch-c-dev:osfile-name:<output_file_name>-dir:<directory_name>filespec
说明：output_file_name指定输出输出的文件名，directory_name是脚本所在的目录，filespec是脚本名。
其中，CFRP导流罩在APDL中的初始铺层角度顺序设置可如图4所示。
S6，在APDL中进行结构有限元建模，并调用ANSYS对模型进行分析。
根据本发明的一个实施例，通过MATLAB在不打开ANSYS的情况下自动调用ANSYS，以使ANSYS后台运行，以对所述模型进行分析。
具体而言，把MATLAB和ANSYS联合应用于结构优化设计中，其中关键技术是MATLAB自动调用运行于后台的ANSYS。
在MATLAB的主程序中，通过SYSTEM函数调用ANSYS批处理(BATCH)模式。ANSYS的批处理模式基于APDL语言，Matlab软件中编写自动调用Ansys APDL的语句，语句如下：SYSTEM(’”D:\ProgramFiles\ANSYSinc\vl50\a-nsys\bin\intel\ANSYS150"-b-pane3fl-iinputfile-o out file.bat’)，其中：
"D:\ProgramFiles\ANSYSinc\vl50\ansys\bin\int-el\ANSYS150"为ANSYS软件安装的路径；
—b为ANSYS的批处理运行模式；
—p ane3fl为ANSYS多物理场分析模块Multiphysics的产品输入代码(ANSYS的help文件中有详述)；
—i input file为APDL语言宏文件所在的路径；
—o out file.bat为ANSYS运行结果输出文件，内容包括调用APDL命令流、ANSYS运行日志及错误报告等。
在不打开ANSYS情况下，MATLAB自动调用ANSYS,使ANSYS后台运行，具体方法为：调用MATLAB中的system函数，格式中的执行程序与ANSYS安装目录保持一致，每一子路径祈使用"\"隔开，ANSYS被MATLAB调用，在计算机后台工作，包括创建分析模型、应力分析及后处理等。
根据本发明的一个实施例，遗传算法的优化操作包括：依次经过选择算法、交叉算法、变异算法、重组算法操作，以实现遗传优化。
具体而言，通过ANSYS构建有限元模型，并对CFRP导流罩层合板内部的铺层角度进行初始铺层设计，以及构建遗传算法适应度函数，并对系统级目标函数使用遗传算法优化操作。经过选择算法、交叉算法、变异算法、重组算法操作，实现遗传优化过程。求中，具体步骤如下：
S501，选择算法，构建的适应度值，select命令按照适应度对旧种群进行选择(适应度值越大，越容易被选择留下)，形成新种群。
S502，交叉算法，对步骤S501中形成的种群，按照单点交叉命令xovsp进行交叉，交配的对是有序的，即奇行与它下一个偶行配对，若种群行数为奇行数，则最后一行不参加配对。以一定的交叉概率进行交叉，形成新的种群。
S503，变异算法，对于步骤S502中形成的种群，按照离散变异命令mut进行变异。种群中每个个体以一定的变异概率进行变异，形成新的种群。
S504，重组算法，在步骤S503中形成的种群，由于S501中选择操作，使得种群规模变下，这边利用重插入算子reins命令，使得种群规模恢复至原始值。
S505，重组后的种群，重新按照步骤S501、S502、S503、S504、S505循环，直至最大迭代次数gen＝MAXGEN停止，结束编程。
其中，导流罩遗传算法收敛图可如图5所示。CFRP导流罩案例铺层角度顺序优化结果可如下表1所示，
表1
Figure BDA0002468611720000091
Figure BDA0002468611720000101
综上所述，首先对优化设计变量分为公有变量与私有变量，对学科私有变量与公有变量进行耦合操作，之后基于软件脚本语言传递的功能进行一体化设计，并且对目标函数进行学科加权操作，实现一体化设计在多学科上的平衡。其中，在SIEMENS NX中进行几何建模，在ICEM CFD中进行气动网格划分，在ANSYS FLUENT中进行流动求解，APDL中进行结构有限元建模与分析。采用NURBS思想编写MATLAB程序，导入APDL中进行CFRP铺层建模。通过对导流罩形状和尺寸的描述来评估反映导流罩性能的结构和气动指标。为了克服仿真模型的高成本，使高保真度优化问题得到有效的解决，采用了基于代理模型的优化策略。通过在低速空气导流设计中的应用，研究了该方法的可靠性。优化目标是在保持结构安全的前提下，使风力发电导流罩的减阻汇流效果最优，从而最大程度的实现风力发电。
根据本发明实施例的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，先对设计变量进行变量耦合操作，然后在SIEMENS NX中进行几何建模，并将建立的几何模型传递到CFD中，以及在ICEM CFD中对几何模型进行气动网格划分，并在ANSYS FLUENT中对划分后的气动网格进行流动求解，以计算导流罩的表面流场，以及在APDL中对零件内部的CFRP铺层进行建模，并通过初始铺层设计，编写遗传算法优化铺层角度，以及在APDL中进行结构有限元建模，并调用ANSYS对模型进行分析。由此，能够同时考虑零部件宏观结构学科优化、微观材料铺层学科优化与流体动力学等多学科的协同，对零部件进行一体化设计。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，其特征在于，包括：
对设计变量进行变量耦合操作；
在SIEMENS NX中进行几何建模，并将建立的几何模型传递到CFD中；
在ICEM CFD中对所述几何模型进行气动网格划分；
在ANSYS FLUENT中对划分后的气动网格进行流动求解，以计算所述导流罩的表面流场；
在APDL中对零件内部的CFRP铺层进行建模，并通过初始铺层设计，编写遗传算法优化铺层角度；
在APDL中进行结构有限元建模，并调用ANSYS对模型进行分析。
2.根据权利要求1所述的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，其特征在于，所述对设计变量进行变量耦合操作包括：
将所述设计变量划分为公有变量和私有变量；
对所述私有变量和公有变量进行变量耦合操作。
3.根据权利要求1所述的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，其特征在于，
在SIEMENS NX中根据NURBS曲线建立所述几何模型，其中，通过以下公式生成所述NURBS曲线：
Figure FDA0002468611710000011
其中，Pi为给定空间的第i-1个控制顶点，ωi为权因子，Ni，p(u)为在非周期节点矢量U上的p次B样条基函数，其中，U＝{a，…a，up+1，…，um-p-1，b，…，b}。
4.根据权利要求1所述的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，其特征在于，所述在ICEM CFD中对所述几何模型进行气动网格划分包括：
导入所述几何模型；
创建流体域并定义边界表面；
划分计算域，并设置间距参数；
生成所述气动网格；
导出所述气动网格到msh文件中。
5.根据权利要求1所述的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，其特征在于，
将ANSYS FLUENT15.0作为流动求解器对所述划分后的气动网格进行流动求解。
6.根据权利要求1所述的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，其特征在于，
通过MATLAB在不打开ANSYS的情况下自动调用ANSYS，以使ANSYS后台运行，以对所述模型进行分析。
7.根据权利要求1所述的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，其特征在于，所述遗传算法的优化操作包括：
依次经过选择算法、交叉算法、变异算法、重组算法操作，以实现遗传优化。
8.根据权利要求1所述的基于变量耦合与软件集成的CFRP导流罩一体化设计方法，其特征在于，
所述导流罩为风力发电机的导流罩。
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