SolidWorks Simulation优化分析

在具竞争相当激烈的工业界，产品开发及降低成本已严然成为各企业主所最关心的事项。产品开发需要在功能性、安全、便利及外观等各方面考虑下，方能谓之优化的产品。有了优化的产品后进一步要去思考如何降低成本，这往往都是工程师最头痛的一个议题。比如说：设计主管看到分析结果发现，减少板材长度可以降低采购成本，除了一些富有相当经验的设计者会依据经验法则设计(try and error)；到底要减少多少才是一个优化的数据，笔者猜想设计工程师一定会相当的困扰，甚至不知该如何回答这个问题。(图1)

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常常有人在问道，何谓优化设计(Optimization Design)？优化系指在产品开发过程中透过计算机的数值计算，协助设计者在许多限制和条件相互冲突的环境下，自动化搜寻最佳求解的作业。例如，您可能决定哪些尺寸数据组合，优化设计会利用CAD 软件的尺寸参数为基础，以寻求在应力不会超过限制范围内的最低材料用量，亦为降低制造成本的可靠方法。本次主题将介绍设计工程师在进行此类测试时的操作流程及结果判读与运用。优化设计的流程如图2所示。

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在执行优化专题前必需先进行初始专题的设定及求解，在每个优化循环过程中，优化专题会依照修改后的尺寸执行初始专题。初始专题的类型包含了静态分析、频率分析、挫曲分析、热分析等，至于所需的初始专题为何种分析类型，这个需要依照目标函数及限制条件为何而定。例如，用来将体积或重量最小化的目标函数不限于使用特定类型的初始专题，但是用来将频率最小化的目标函数则必须使用初始频率专题。(图3)

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检视此初始专题的受力状况及安全系数值为何，由此结构来看安全系数为6.5倍，亦指此产品的设计还能有改善的空间；假如公司规范为2倍以上的安全系数，在结构用料上可减轻产品的重量来降低成本，因此可藉由COSMSOWorks的优化分析的工具，来达到即符合成本观的最佳设计。(图4)

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在优化过程中，目标系定义优化程序所追求的目标。定义种类包括使用者指定质量或体积最小化、频率最小化或最大化、挫曲负载系数最大化等类型。

很多使用者会认定质量最小化一定等于体积最小化，那是在相同材质底下分析才适当；不过大多组合件的分析，因各个零件是以不同密度的材料构成，则体积最小化未必等于质量最小化。(图5)

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工程师设计产品过程当中有许多的设计想法，却不知如何设计才是最佳的数值参数；如肋材厚度、物件长度、圆角大小等。用户可透过SolidWorks内模型尺寸大小，取合理的上限、下限的数值来当作设计的变量，计算机程序会根据指定范围来执行所有的初始专题。在优化专题设定时，软件系根据质量等级和设计变量的数量来执行一连串的迭代运算，每个优化的专题最多可指定20个设计变数。(图6)

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在求解过程中软件会依据目标来决定设计变量，软件在决定设计变量时需先加入限制条件，这样子软件计算出来的数值才是最优化的数据。如允许应力、应变、位移、挫曲负载系数、频率、温度等的上下限之间的值。一个优化专题中最多可定义60 项限制条件，与初始专题所互相对应的限制条件如下：

适用于静态专题：节点或元素应力、应变或位移

适用于挫曲专题：1~10 的挫曲负载系数

适用于频率专题：1~10 的共振频率

适用于热专题：温度、温度梯度或热通量

其定义限制条件如图6所示，需依序定义：

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设定好目标、设计变量及限制条件后便可执行分析，在每次分析的循环过程中，程序会撷取相对应的变量尺寸，利用参数、特征化的塑模方式以及自动化重新生成能力进行分析试验，直到判断达到收敛或达到设定的最大迭代次数为止。(图8)

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执行优化专题后，软件会根据默认选项或现有的结果模板，自动在Simulation AnalysisManager 树状结构中建立下列三种结果图示：

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7-1 定义设计周期结果：可藉由此选项检视每次迭代计算时所对应到的尺寸大小，亦可配合SolidWizard的物质特性工具查看模型的体积或重量经过优化后的差异。查看图10所示，最初设计质量为10.363lb，最佳设计质量为8.655lb，减轻了16.48%的质量。若要观察优化后所求的应力、位移、安全系数分布图可回到初始专题，初始专题内的结果图表会亦同步更新。(图11)

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7-2定义设计历程图表：在图表中标明目标函数、设计变量或设计限制对设计周期(优化循环)在迭化运算过程中的收敛状况(图12)。如图表13所示，x轴代表优化设计次数，y轴代表设计组对各设计变量求得结果，曲线代表着在设计周期内各设计变量的变化。

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7-3定义局部趋势图表：在图表中标明设计变量对目标函数或限制条件之间的关系(图14)。如图表x轴代表设计变量，y轴代表目标函数(质量)，曲线代表者不同尺寸大小对质量的变化。(图15)

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由优化专题所产生的尺寸，在实际制造上未必可行。您可能需要舍入设计变量以符合制造标准，并检查最终模型以确认所有的限制是否还在要求的范围内。藉由此篇文章帮助您在使用软件时能更得心应手，设计出富有优越功能亦获得最佳经济效益的产品。