STAR-CCM+优化分析功能简介

STAR-CCM+优化分析功能简介何安定博士[e-mail]西递安科软件技术（上海）有限公司©2014CD-adapco,AllRightsReserved.CD-adapco的目标CD-adapco’spurposeistoinspireinnovationandtolowerourcustomer’sproductdevelopmentcoststhroughtheapplicationofmultidisciplinaryengineeringsimulationanddesignspaceexploration.©2014CD-adapco,AllRightsReserved.CD-adapco的目标多学科工程仿真设计探索与优化CD-adapco’spurposeistoinspireinnovationandtolowerourcustomer’sproductdevelopmentcoststhroughtheapplicationofmultidisciplinaryengineeringsimulationanddesignspaceexploration.©2014CD-adapco,AllRightsReserved.STAR-CCM+中的优化分析手段•Optimate/Optimate+:利用SHERPA算法进行设计空间探索–什么是Optimate/Optimate+？–方法一：Morpher与Optimate/Optimate+进行几何变形优化–方法二：利用Optimate/Optimate+来驱动CAD进行几何优化•伴随求解器AdjointSolver:设计洞察与优化–什么是伴随求解器?–伴随求解的基本流程–方法三：伴随求解器与Mopher联合使用进行几何敏感度分析与变形优化©2014CD-adapco,AllRightsReserved.STAR-CCM+中的优化分析手段•Optimate/Optimate+:利用SHERPA算法进行设计空间探索–什么是Optimate/Optimate+？–方法一：Morpher与Optimate/Optimate+进行几何变形优化–方法二：利用Optimate/Optimate+来驱动CAD进行几何优化•伴随求解器AdjointSolver:设计洞察与优化–什么是伴随求解器?–伴随求解的基本流程–方法三：伴随求解器与Mopher联合使用进行几何敏感度分析与变形优化HEEDSMDO多学科设计优化•复杂过程自动优化分析更广泛意义上的多学科CAE问题自动优化分析Optimate+设计优化•目标驱动的优化分析•Paretofront分析基于工程目标进行全自动化的寻优分析Optimate自动化及DOE分析•Whatif研究•参数扫描•DOE分析全自动化过程去探索产品的性能OptimateandOptimate+•嵌入STAR-CCM+•有独立的设置窗口–根据目标不同，有多种分析类型可供选择•所有的设置都在STAR-CCM+环境中完成•Optimate完成以下工作–创建所有需要的脚本–提交并监控任务–收集所有的分析数据–分析后处理OptimateandOptimate+Optimate&Optimate+•STAR-CCM+•SolidWorks•PTCCreo•CATIAV5•Inventor•NX•3D-CAD8核心搜索算法---SHERPA混合Hybrid•各种查找策略同时使用•同时进行全局和局部搜索•综合利用各种算法的长处自适应Adaptive•根据设计空间自动进行算法调整•高效搜索简单与极其复杂的设计空间•对于复杂问题性价比极高Optimate/Optimate+优化分析流程新设计No最终设计原始设计创建CAE分析模型仿真计算是否满足设计要求?YesSHERPA驱动设计变更Optimate/Optimate+优化分析流程Control Points + MorpherNo最终设计原始设计创建CAE分析模型仿真计算是否满足设计要求？YesSHERPA驱动设计变更CAD + Remeshing方法一：ControlPoints+Morpher通过STAR-CCM+中的网格变形（MORPHER）功能实现设计变更.•只需在一些特定的区域定义controlpoint（控制点）•不需要导入参数化CAD，仅通过STAR-CCM+界面•更快的CAD设计周期(无需网格重构)•适合在早期的概念设计阶段使用。例如：汽车的CAS面气动优化汽车外气动模拟:•4门式两厢汽车设计目标：•最小化阻力，以提高效率•最大化下压力，以提高行驶稳定性•最小化倾斜力矩，以提高空气动力学稳定性案例分享：汽车CAS面优化设计变量：ControlPoints设计修改/设计空间前保位置FrontBumper后保后窗位置Rearbumper+Rearwindow扰流板Spoiler前门曲线Frontfloorcurvature挡风玻璃曲线Windshieldcurvature侧门曲线SideDoorsCurvature前额ForeheadLine_FrontBumperLattice_BaseSurfaceLine_SpoilerLine_FrontFloorLine_WindShieldLine_ForeheadLine_Side总共7组控制点有效改变汽车外形•Baseline设计使用最原始的的汽车外形•分析结果:•Cd=0.295•Cl=-0.0285•AeroPitch=575N-mBaseline结果SHERPA–设计空间探索Perf={(Cd/BaselineCd)+(Cl/BaselineCl)+(AeroPitch/BaselineAeroPitch)}Baseline与优化设计的比较Baseline与优化设计的比较•Baseline分析结果-Cd=0.295-Cl=-0.0285-AeroPitch=575N-m•最优设计方案-Cd=0.278.5%-Cl=-0.011260.7%-AeroPitch=470N-m18.3%•STAR-CCM+内置的网格变形（MORPHER）可以用于改变设计，而不需要重构网格•可以在早期设计阶段充分发挥工程是想象力，“创新无极限”•使用网格变形（MORPHER）及OPTIMATE+可以有效达到“更好的设计，更短的设计周期”方法一：小结几何修改几何导入网格划分面网格划分体网格划分CFD计算时间一般方法Morpher网格变形CFD计算节省的时间•以CAD模型的几何参数为设计变量•用Optimate/Optimate+来驱动CAD改变几何模型–CAD-Client：CATIA、NX、SW、Pro/E、Inventor、SpaceClaim–3D-CAD：Star-CCM+内置建模工具•自动化网格重构方法二：CAD模型参数化+网格重构HVACHVAC挑战:提高风机性能目前是直叶片设计，质量流量为2.5kg/s，所需功率为542W目标:功率最小化保持或者提高质量流量设计变量:叶片数量,转动速度,叶片几何AxialFanRedesignDucthasfixeddiameterof59cmFanhubshapeandinnerradiusfixedat19cm案例分享：工业风机优化设计HVACHVACParametric3DCADDesignVariablesSection0Section1Section2Nblades4―30RotationRate500―3500rpmAngle10―40°10―60°10―80°Chord2.5―15cm2.5―17.5cm2.5―17.5cmCamber0.0―25%0.0―25%0.0―25%AxialDispl.-0.5―+0.5CN-0.5―+0.5CN-0.5―+0.5CNVerticalDispl.-0.25―+0.125CN-0.25―+0.25CN-0.25―+0.25CNSection0Section1Section2工业风机优化设计挑战:提高风机性能目前是直叶片设计，质量流量为2.5kg/s，所需功率为542W目标(2):功率最小化保持或者提高质量流量设计变量(17):叶片数量,转动速度,叶片几何(在3个截面上5组参数)HVACHVACProcessAutomationModifyAutoMeshingParametric3D-CADParametricCFDSTAR-CCM+Power(kW)MassFlowRate(kg/s)InfeasibleFeasible工业风机优化设计挑战:提高风机性能目前是直叶片设计，质量流量为2.5kg/s，所需功率为542W目标(2):功率最小化保持或者提高质量流量设计变量(17):叶片数量,转动速度,叶片几何(在3个截面上5组参数)HVACHVAC挑战:提高风机性能目前是直叶片设计，质量流量为2.5kg/s，所需功率为542W目标(2):功率最小化保持或者提高质量流量设计变量(17):叶片数量,转动速度,叶片几何(在3个截面上5组参数)优化分析结果:所需功率减少55%保持流量不变EfficientExplorationInfeasibleDesignsPower(kW)ParetoTrade-offFrontMassFlowRate(kg/s)Power(kW)MassFlowRate(kg/s)PortionofParetoFrontm=2.5kg/sp=542WBaselineDesignm=2.6kg/sp=242WOptimizedDesign工业风机优化设计HVACHVAC挑战:提高风机性能目前是直叶片设计，质量流量为2.5kg/s，所需功率为542W目标(2):功率最小化保持或者提高质量流量设计变量(17):叶片数量,转动速度,叶片几何(在3个截面上5组参数)HEEDS分析结果:查找任何流量下的最佳设计EfficientExploration工业风机优化设计•挑战:–设计一个underhood内管道:•出口速度均匀化•出口旋流最小化–设计变量(7):•中心线位置(3),横截面半径(3),角度(1)•Optimate+分析结果:•流动均匀性增加30%•旋流减少50%旋流最小的最佳设计AUTOMOTIVEAUTOMOTIVE25管道流动优化•挑战:–多目标（相互竞争）优化•阻力最小•散热器进口温度最低–设计变量:•格栅及保险杠开孔•散热器风扇几何与转速–约束•Optimate+分析结果:–阻力减少5.4%–散热器入口温度减少11.3%–评估120设计方案;135hourson128coresBaselineOptimizedOptimizationprocessVehicleDragLoadCaseRadiatorTempLoadCase车辆热管理•通过CAD-Client，STAR-CCM+可以直接参数驱动几何变更•可以直接得到优化后的几何模型，无须CAD设计工程师重构几何模型，实现团队协作•Optimate/Optimate+与参数设计的网格完美结合，可以使得设计优化变得更精细、更准确、更高效•STAR-CCM+v10.02版本可以实现跨平台设计驱动方法二：小结参数变更需求Windows平台Linux/Unix平台©2014CD-adapco,AllRightsReserved.STAR-CCM+中的优化分析手段•Optimate/Optimate+:利用SHERPA算法进行设计空间探索–什么是Optimate/Optimate+？–方法一：Morpher与Optimate/Optimate+进行几何变形优化–方法二：利用Optimate/Optimate+来驱动CAD进行几何优化•伴随求解器AdjointSolver:设计洞察与优化–什么是伴随求解器?–伴随求解的基本流程–方法三：伴随求解器与Morpher联合使用