李會超，孫寶福，彭 偉，張 帥

LI Hui-chao，SUN Bao-fu，PENG Wei，ZHANG Shuai

（桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，桂林 541004）

1 ISIGHT概述

ISIGHT是國際上最先進(jìn)的基于參數(shù)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件之一，能夠幫助設(shè)計(jì)人員、仿真人員完成從簡單的零部件優(yōu)化到復(fù)雜系統(tǒng)的多學(xué)科優(yōu)化（MDO，Multi-Disciplinary Design Optimization）。ISIGHT將四大數(shù)學(xué)算法（試驗(yàn)設(shè)計(jì)、近似建模、探索優(yōu)化和6 Sigma質(zhì)量設(shè)計(jì)）融為有機(jī)整體，讓計(jì)算機(jī)自動化地驅(qū)動CAE設(shè)計(jì)/仿真流程，從而更快、更好、更省地改進(jìn)產(chǎn)品性能、降低能源消耗，并有效降低成本[1]。

目前，ISIGHT優(yōu)化軟件已經(jīng)在航空、汽車、電子、機(jī)械、化工等產(chǎn)業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。每天都有很多用戶在使用ISIGHT，從而在縮短設(shè)計(jì)周期、降低產(chǎn)品成本和提升產(chǎn)品品質(zhì)等方面獲得突破。自2002年以來，ISIGHT已經(jīng)在清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等學(xué)校以及汽車（包括一汽、大眾、東風(fēng)、泛亞）、航空、航天、船舶、軍工、動力等相關(guān)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并取得較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

由于ISIGHT所倡導(dǎo)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)（MDO）和基于質(zhì)量工程設(shè)計(jì)方法在國內(nèi)剛剛起步，所以，ISIGHT的應(yīng)用無疑會大大提升國內(nèi)制造業(yè)數(shù)字化、信息化和現(xiàn)代化水平[2]。同時在市場競爭日益加劇“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)型之際，以ISIGHT為代表的優(yōu)化技術(shù)必將助力中國的廣大制造企業(yè)創(chuàng)造新的輝煌。由于單學(xué)科是多學(xué)科的基礎(chǔ)，本文應(yīng)用ISIGHT軟件里自帶的優(yōu)化算法，對腳輪支架優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。

2 問題描述

圖1所示某產(chǎn)品腳輪支架，主要用途是安裝在物體下面方便物體的移動。支架材料Q235，最大屈服應(yīng)力（σb）340～450Mp[3]，上端面受分布載荷作用其受力大小為5000N，下端面約束沒有位移，優(yōu)化目標(biāo)是在滿足實(shí)用條件下(最大應(yīng)力不超規(guī)定的許用應(yīng)力)使其體積最小。該優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能優(yōu)化2個方面，如圖1所示。

圖1 腳輪支架產(chǎn)品圖

優(yōu)化目標(biāo)：Min Volume

設(shè)計(jì)變量：X={x1，x2,...,x11} 式中：

x1—dichang ，50.0＜x1＜60.0初始值56.0；

x2—dikuang ，5.0＜x2＜12.0 初始值8.0；

x3—dineiyuan，10.0＜x3＜20.0 初始值16.0；

x4—diqieyuan，35.0＜x4＜45.0 初始值40.8459；

x5—diwaiyuan，10.0＜x5＜18.0 初始值18.0；

x6—ergao，35.0＜x6＜45.0 初始值40.0；

x7—erhou，4.0＜x7＜12.0 初始值8.0；

x8—erneiyuan，45.0＜x8＜55.0 初始值50.0；

x9—erwaiyuan，85.0＜x9＜95.0 初始值90.0；

x10—eryuan，15.0＜x10＜25.0 初始值20.1409；

x11—erzhengyuan 8.0＜x11＜18.0 初始值12.0。

約束：SEQV＜400Mp，USUM＜5mm 其中SEQV為等效應(yīng)力，USUM為變形量。

3 集成過程

3.1 UG集成

UG軟件具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模優(yōu)勢，為ISIGHT的方便應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。通過UG建模軟件并將支架參數(shù)化導(dǎo)出zhijia.exp和zhijia.prt文件，通過VC編譯支架自動更新UGupdat.exe程序文件，此程序文件用來驅(qū)動zhijia.exp和zhijia.prt文件生成zhijia.x_t文件，因?yàn)閦hijia.x_t文件導(dǎo)入ANSYS分析中能過保證數(shù)據(jù)的完整性；此程序也能夠保證每次優(yōu)化循環(huán)中支架尺寸自動更新，而且每次優(yōu)化循環(huán)得到的文件自動保存，方便查看每次優(yōu)化循環(huán)得到參數(shù)模型。

ISIGHT集成UG需要建立后臺運(yùn)行批處理zhijiaUG.bat文件，此文件能夠讓UG啟動并在后臺自動運(yùn)行，文件內(nèi)容是UGupdate.exe zhijia.prt zhijia.exp F:zhijiazhijia.x_t。

3.2 ANSYS集成

ANSYS軟件是大型通用有限元分析軟件具有強(qiáng)大的分析優(yōu)勢，本文主要用到ANSYS對某產(chǎn)品腳輪支架靜力分析，取其彈性模量為2.11E11，泊松比為0.27，然后加載求解，通過后處理求解外載荷引起的位移和應(yīng)力變化。通過人機(jī)交互方式（GUI）將UG軟件生成的zhijia.x_t文件導(dǎo)入ANSYS，經(jīng)過分析將命令流保存成LGW文件，將命令流文件后綴LGW修改成zhijiainput.txt文件格式，作為ISIGHT優(yōu)化軟件的輸入文件。通過ANSYS分析將分析結(jié)果保存到在zhijiaoutput.txt.文件中。

ISIGHT通過集成ANSYS需要建立批處理文件ANSYS.bat，文件的內(nèi)容是cmd/c "C:Program FilesAnsys Incv100ANSYSinintelansys100.exe"-b -p ansys -i zhijiainput.txt -o temp.txt。

通過ANSYS軟件靜力分析，結(jié)果如圖2所示。

4 ISIGHT集成優(yōu)化

圖2 為ANSYS靜力分析結(jié)果

ISIGHT作為一個多學(xué)科優(yōu)化軟件具備廣泛的CAD/CAE乃至自編程序接口，可以快速建立復(fù)雜的仿真分析流程，設(shè)定和修改設(shè)計(jì)變量以及目標(biāo)，自動進(jìn)行多次分析循環(huán)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖

4.1 集成封裝過程

ISIGHT優(yōu)化軟件具有強(qiáng)大的集成能力，能夠?qū)⒍喾N商業(yè)軟件集成到一起，以實(shí)現(xiàn)各個軟件的主要優(yōu)勢。本文主要應(yīng)用UG軟件強(qiáng)大的建模功能優(yōu)化和ANSYS強(qiáng)大的分析優(yōu)勢，利用ISIGHT強(qiáng)大的集成優(yōu)化優(yōu)勢將UG和ANSYS集成在一起。在ISIGHT優(yōu)化平臺上總體集成框架圖如圖4所示。

圖4 集成框架圖

集成系統(tǒng)主要有UG、ANSYS和OPT三個組建構(gòu)成，UG建模軟件建立模型將模型參數(shù)化，提供zhijia.exp、zhijia.prt、zhijia.x_t、UGupdate.exe和UG.bat五個文件方便ISIGHT軟件使用；ANSYS分析軟件對模型靜態(tài)分析提供zhijiainput.txt、zhijiaoutput.txt和ANSYS.bat三個文件方便ISIGHT軟件使用。

ISIGHT封裝過程應(yīng)用運(yùn)行路徑，這樣保證每次運(yùn)行結(jié)束后，結(jié)果將會自動保存在一個對應(yīng)的文件里面， 這樣可以方便查看每次優(yōu)化循環(huán)結(jié)果。

4.2 優(yōu)化算法的選擇

ISIGHT優(yōu)化軟件自身提供了比較完備的優(yōu)化算法，包括梯度優(yōu)化算法(Gradient Optimization)、直接搜索方法(Direct Search)、全局優(yōu)化算法(Global Optimization)。本文對每一種算法進(jìn)行分析和對比研究得出梯度優(yōu)化算法中的NLPQL算法具有優(yōu)秀的短時尋優(yōu)能力，運(yùn)行時間短，具有較高的精度，得出的目標(biāo)函數(shù)值準(zhǔn)確。雖然Hookejeeves優(yōu)化出來的結(jié)果值更小但是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不能滿足實(shí)用要求。通過對比分析，本文選用ISIGHT提供的梯度優(yōu)化算法中的NLPQL優(yōu)化算法作為優(yōu)化算法，在滿足狀態(tài)變量的限制情況下對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。表1是對幾種優(yōu)化算法結(jié)果的比較。

表1 幾種優(yōu)化算法結(jié)果對比

4.3 優(yōu)化結(jié)果

本文選擇NLPQL優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過27次優(yōu)化循環(huán)優(yōu)化，最合理的設(shè)計(jì)循環(huán)點(diǎn)在第9次循環(huán)；從優(yōu)化前后的結(jié)果對比分析，優(yōu)化后參數(shù)上有調(diào)整，在滿足使用的情況之下，腳輪支架的體積由原來的104853 mm3縮減到92674mm3體積減少11.61%達(dá)到優(yōu)化目的。

優(yōu)化前后圖形對比如圖5、圖6所示。

表2 支架優(yōu)化前后參數(shù)對比

圖5 優(yōu)化前支架模型

圖6 優(yōu)化后支架模型

5 結(jié)束語

通過在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化集成平臺ISIGHT上，搭建支架優(yōu)化集成平臺，集成建模軟件UG和分析軟件ANSYS的過程，并選擇NLPQL優(yōu)化算法，經(jīng)過優(yōu)化循環(huán)得出合理的優(yōu)化結(jié)果。利用ISIGHT軟件集成其他學(xué)科軟件，利用各個軟件的優(yōu)勢，進(jìn)行仿真，從而縮短產(chǎn)品研制周期，降低研發(fā)成本，提高市場競爭。

[1] 賴宇陽.Isight參數(shù)化理論與實(shí)例詳解[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012,10:1-2.

[2] 任利,邵園園,韓虎.基于Isight的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究與應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2008(5):45-48.

[3] 機(jī)械工程材料數(shù)據(jù)手冊編委會,機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社1994,12:42-43.

[4] 盧健釗,殷國富,米良,孫明楠.基于ISIGHT的主軸動靜態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2012,(5):36-38,44.