介紹利用優(yōu)化軟件Isight在開發(fā)行業(yè)CAE軟件中的一些經(jīng)驗(yàn)

很多的CAE軟件中提供了局部網(wǎng)格參數(shù)功能，即可以設(shè)置幾何局部區(qū)域的網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格是影響仿真結(jié)果的一個(gè)主要因素，網(wǎng)格太稀疏，計(jì)算結(jié)果不精確，網(wǎng)格太密，浪費(fèi)計(jì)算資源。早期軟件的仿真精度很大程度依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)。

為了解決這個(gè)問題，出現(xiàn)了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，其基本原理是將初始網(wǎng)格劃分的比較稀疏，計(jì)算一次后，找出結(jié)果梯度比較大的區(qū)域，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密后，再進(jìn)行計(jì)算，繼續(xù)找出梯度大的區(qū)域，如此反復(fù)，直到收斂到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為止，該方法前面中有過介紹，參考附錄。

該方法具有通用性，但迭代計(jì)算比較耗費(fèi)時(shí)間，特別對(duì)大case，在對(duì)具體行業(yè)應(yīng)用時(shí)，還可以進(jìn)一步優(yōu)化。通常幾何模型的拓?fù)洌葱螤睿热鐚?dǎo)彈，汽車）很少變化，所以在網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置時(shí)候可以根據(jù)幾何形狀，材料類型等實(shí)際特點(diǎn)一步將網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置到位，可以減少人為的干預(yù)。

本文介紹利用優(yōu)化軟件Isight在開發(fā)行業(yè)CAE軟件中的一些經(jīng)驗(yàn)。（不是給Isight打廣告，而是用起來確實(shí)比較方便，在自己用過的大case中，也有isight算不出來情況）

工具：Isight, Matlab, C++

功能：對(duì)某電子產(chǎn)品散熱進(jìn)行模擬 （電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本固定，由基板，芯片，蓋板組成）

目的：找到三者的最優(yōu)網(wǎng)格大小設(shè)置。

當(dāng)幾何簡單時(shí)，用戶很容易找到網(wǎng)格最優(yōu)設(shè)置。當(dāng)幾何比較復(fù)雜時(shí)，相當(dāng)多用戶自己找最優(yōu)解還是有一定難度的。針對(duì)如下某類型的電子產(chǎn)品有如下模板：

基板，蓋板各有2個(gè)，芯片4個(gè)，網(wǎng)格使用四面體，在軟件中設(shè)置好各部分網(wǎng)格的參數(shù)，讓用戶不用干預(yù)網(wǎng)格。

步驟：

1. 求出精確解；

2. 設(shè)置各部分網(wǎng)格初始參數(shù)；

3. Isight中設(shè)置優(yōu)化流程；

4. Matlab提取結(jié)果，將結(jié)果返回Isight；

5. 找到各個(gè)部分網(wǎng)格的最佳參數(shù)；

6. 找到材料，屬性與網(wǎng)格參數(shù)的關(guān)系。

第6步最后會(huì)計(jì)算出網(wǎng)格尺寸和參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式，這個(gè)需要大量的測試。

關(guān)于Isight軟件的介紹：

ISIGHT是美國Engineous公司出品的過程集成和優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件，可以將數(shù)字技術(shù)、推導(dǎo)技術(shù)和設(shè)計(jì)探索技術(shù)有效融合，并把需要大量人工完成的工作由軟件自動(dòng)化處理實(shí)現(xiàn)，在多學(xué)科優(yōu)化軟件中的市場占有率居首位。ISIGHT軟件可以集成仿真代碼并提供設(shè)計(jì)支持，從而對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)可選方案進(jìn)行評(píng)估研究，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，顯著提高了效率。ISIGHT在縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面，取得令人矚目的突破。優(yōu)化功能作為ISIGHT軟件的重要組成部分，結(jié)合ISIGHT平臺(tái)強(qiáng)大的集成功能和豐富多樣的優(yōu)化算法庫，已成為航空航天、汽車、兵器、船舶、電子、動(dòng)力、機(jī)械、教育研究等領(lǐng)域首選的設(shè)計(jì)優(yōu)化解決方案?？偟膩碚f，ISIGHT軟件的優(yōu)化功能有集成自動(dòng)化、算法多樣化和結(jié)果數(shù)據(jù)可視化分析等三大優(yōu)勢。

一、集成自動(dòng)化

一個(gè)典型的工程需要不斷進(jìn)行"設(shè)計(jì)－評(píng)估－改進(jìn)"的循環(huán)。CAD和CAE的引入提高了這一過程的效率。CAD加快了造型、裝配、出圖的設(shè)計(jì)過程，CAE則減少了大量的試驗(yàn)，提供了有效的分析和評(píng)估工具。但是在這種設(shè)計(jì)過程中，大多數(shù)是重復(fù)性工作，中間環(huán)節(jié)容易出錯(cuò)。ISIGHT通過一種搭積木的方式快速集成各種仿真軟件，將所有設(shè)計(jì)流程組織到一個(gè)統(tǒng)一的框架中，自動(dòng)運(yùn)行仿真軟件，并自動(dòng)重啟設(shè)計(jì)流程，從而消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中的"容易出錯(cuò)"問題，使整個(gè)設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化和全自動(dòng)化。

典型的仿真優(yōu)化過程主要包括以下四個(gè)步驟：

-軟件集成（集成一個(gè)或多個(gè)仿真軟件）

-問題定義（定義設(shè)計(jì)變量、約束和目標(biāo)函數(shù)）

-設(shè)計(jì)自動(dòng)化（選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)算法）

-數(shù)據(jù)分析和可視化（實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)分析過程）

二、算法多樣化

ISIGHT提供了豐富的優(yōu)化算法庫，包括數(shù)值優(yōu)化算法、智能優(yōu)化算法，以及處理多目標(biāo)優(yōu)化問題的多目標(biāo)優(yōu)化算法，既可處理離散變量，也可探索連續(xù)的設(shè)計(jì)空間。對(duì)于目標(biāo)函數(shù)存在多峰性、非線性、不可微函數(shù)，數(shù)值優(yōu)化算法可能無法尋找最優(yōu)解，而全局優(yōu)化算法則為解決這類問題提供了新的思路。工程上，經(jīng)常出現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，這些目標(biāo)之間是相互沖突的，因此設(shè)計(jì)人員需要對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行比較，權(quán)衡，使得多個(gè)目標(biāo)盡可能達(dá)到最優(yōu)。ISIGHT提供了多種多目標(biāo)優(yōu)化算法，并支持對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化的pareto圖的直觀分析。

三、結(jié)果數(shù)據(jù)可視化分析

對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)軟件，算法開始執(zhí)行后需要等待算法程序結(jié)束后用戶才可以查看計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，用戶面對(duì)的好像一個(gè)"黑匣子"，缺乏可視化的方法來實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)過程的運(yùn)行狀態(tài)。而ISIGHT軟件不但提供了多種程序結(jié)束后分析查看數(shù)據(jù)的方法，還做到了實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行過程，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，提供了以圖表的形式直觀、實(shí)時(shí)地展現(xiàn)優(yōu)化計(jì)算過程的探索狀況。

2. 多角度把握進(jìn)程結(jié)束后的設(shè)計(jì)參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)的變化及相關(guān)關(guān)系，使問題的特性更加明確。

3. 提供了針對(duì)多目標(biāo)設(shè)計(jì)問題專門的后處理能力，有效地查看Pareto數(shù)據(jù)，使復(fù)雜數(shù)據(jù)的分析更加簡單。

從模型可以看出，影響網(wǎng)格參數(shù)的有幾何的形狀，個(gè)數(shù)，材料，額外屬性，相當(dāng)于每一個(gè)步長就有 8^4種組合。如此多的參數(shù)無法一一測試，只能利用DOE和優(yōu)化算法來簡化計(jì)算。

在實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)化后的網(wǎng)格優(yōu)勢很明顯：即一次可以將網(wǎng)格劃分成功，避免了自適應(yīng)網(wǎng)格的反復(fù)迭代計(jì)算，在求解精度方面也滿足要求。當(dāng)case 比較簡單，這種方法的優(yōu)勢體現(xiàn)不出；如果工程師經(jīng)驗(yàn)足夠豐富，也能達(dá)到相同的效果。所以該方法的價(jià)值依賴于具體的行業(yè)應(yīng)用。


審核編輯：劉清