研究类型

Design Manager提供多种类型的设计研究,可以通过它们探索产品的设计空间。

虽然 CAD 稳健性研究和性能评估研究不需要特定许可,但是设计优化研究仅适用于 Simcenter STAR-CCM+ 智能设计探索许可。

CAD 可靠性分析

通过 CAD 稳健性研究,可以检查根据几何输入参数创建的 CAD 几何是否有效。无效的几何可能会导致接下来的研究中出现网格化问题。在运行性能评估或优化研究之前,可以运行 CAD 稳健性研究来检查设计空间中各设计的几何有效性。

可以使用以下某种采样方法提供输入参数值:

  • 手动
  • 扫掠
  • 拉丁超立方

有关如何定义输入参数值的详细信息,请参见手动、扫掠或拉丁超立方采样 DOE 研究。

CAD 稳健性研究会更改参数值并更新 CAD 几何,但不通过网格生成流程推送修改后的几何并运行模拟。如果对输入参数的更改导致 CAD 几何失效,Design Manager会将设计状态设为失败。

通常,在运行性能评估或优化研究之前执行 CAD 稳健性研究,以检查 CAD 几何是否成功更新给定范围的参数。如果 CAD 稳健性研究的失败率较高,则相应地调整参数范围,尝试简化几何或重新参数化几何。

性能评估

手动
在手动研究中,使用表格化数据定义一组设计,其中每个设计都是输入参数值的特定组合。在开始分析之前,提供一组设计。
手动研究支持自动化运行特定设计集合的过程。
扫掠
在扫掠模式下,在开始分析之前提供输入参数的值。对于每个输入参数,可以提供常数值或离散值列表。还可以结合指定的增量或分辨率定义参数的下限和上限。然后,Design Manager创建通过所有参数值组合的全因子设计扫掠。
扫掠支持复制测试结果、创建气动载荷数据库、创建压缩机性能图或运行任何应用程序,在其中可以提前了解每个作业的配置。
智能扫掠
智能扫掠研究是高级扫掠研究,可在其中按指定的操作条件创建设计运行。在每次扫掠时,两个设计之间的步骤通过步进参数进行控制,该参数是智能扫掠研究的输入参数之一。每个单独扫掠的结束通过停止准则确定。

智能扫掠的一个示例应用是生成压缩机的性能图。智能扫掠根据提供的准则智能查找性能图的边界。

在每个扫掠开始时提供输入参数的初始值。通过“设计研究 - 设计表”,可以定义输入参数的多个值/组合。当所有已定义的扫掠都运行时,智能扫掠停止。有关更多详细信息,请参考:设置智能扫掠研究。

设计优化(Simcenter STAR-CCM+ 只能设计探索)

优化
在优化研究中,可以定义分析必须尽量满足的一个或多个目标。除了目标之外,还可采用与扫掠研究相同的方式定义输入参数。在分析期间,搜索算法选择设计的参数值,以便最好地满足分析目标。
设计管理器提供以下类型的优化研究:
  • 所有目标的加权求和

    此类优化研究可用于基于单个目标或多个目标进行优化。如果定义多个目标,则使用线性加权将所有目标组合为单个性能函数。采用多个目标运行所有目标的加权求和分析将返回单一最佳设计:



    对于此类优化研究,典型目的包括最小化压降、最大化出口均匀性、最小化组分温度或最小化应力。

    所有目标的加权求和优化使用 SHERPA 搜索算法。

  • 多目标权衡研究(帕累托前沿)

    在此类优化研究中,可以根据竞争目标进行优化。

    帕累托优化适用于有两个或更多具有竞争力的目标的情况。在这种情况下,没有单个最佳设计。相反,优化返回一条曲线,沿该曲线,所有设计在一个目标中的给定值下在另一个目标中为最佳设计,这称为帕累托优化设计条件。

    这条曲线称为帕累托前沿,表示两个竞争目标之间的最佳权衡关系:



    对于帕累托优化研究,存档大小指定每个帕累托循环运行的设计数量。

    在每个循环后,帕累托算法会将设计分类到不同的帕累托排列中。所有帕累托非支配设计都自动注册为排名第 1、2、3 和 4+。优化运行结束时,排名 1 将定义多目标权衡研究的帕累托前沿。

    在有两个以上竞争目标的情况下,寻找帕累托前沿需要大量设计评估。在这种情况下,建议调查所有目标是否真正相互竞争,或者其中一些目标是否类似并且可以组合。也可以尝试根据两个目标和约束提出问题。

    可以选择在运行分析之前为目标定义加权。

    多目标权衡研究(帕累托前沿)使用 MO(多目标)-SHERPA 搜索算法。

    有关搜索算法的信息,请参见 SHERPA 算法。

  • 序列二次规划 (SQP)

    SQP 是基于梯度的迭代方法,用于约束非线性优化。它求解一系列优化子问题,其中每个子问题都优化以约束线性化为条件的目标二次模型。请参见基于梯度优化。

    优化线搜索沿二次模型中的方向(基于梯度的灵敏度)进行,以减少目标函数。计算步长以确定其应沿该方向移动多远。请参见优化类型参考。

    以下示例显示了搜索最小压降的优化路径。



与 SHERPA 相比,SQP 可以处理更多参数。但是,它需要平滑梯度和与伴随求解器的物理兼容性。
DOE
DOE(实验设计)研究用于检查敏感输入参数如何影响给定设计,无论是在最佳设计周围局部还是在设计空间的较大区域内。

在 DOE 研究中,DOE 类型和参数类型这两个设置将指定最终输入参数值。DOE 类型确定采样方法 - 如何从设计空间中选择设计点。

可用的 DOE 类型选项如下所示:

  • 2 级全因子
  • 3 级全因子
  • 拉丁超立方体采样

有关更多详细信息,请参见 DOE 类型参考和{56}{57}{58}。

自适应采样
自适应采样研究在研究目标的引导下智能地描绘设计空间的特征。自适应采样使用所选的自适应策略,为指定的计算数量提供尽可能好的采样。结果是一组高效构造的设计,可用于创建替代模型和训练其他类型的元模型。此迭代算法是在要运行的设计数范围内查找设计点的高效方法。

自适应采样研究可用于指定用于初始采样的设计种子。另请参见使用预定义设计设定研究种子和自适应采样参考。

如果未提供设计种子,自适应采样研究将使用最优拉丁超立方法来生成初始采样点。

与 DOE 研究相比,自适应采样策略可以更快地找到相关设计空间的精确描述。在生成替代模型的情况下,自适应采样算法会自动指定最适合的替代模型属性。可以将自适应采样研究类型应用于:

  • 创建能精确地全局描述设计空间的替代模型。
  • 创建能精确地局部描述特定区域(例如响应最大的区域)的替代模型。
  • 查找特定区域中的更多设计,例如响应发生急剧变化的区域。
稳健性和可靠性
稳健性和可靠性研究有助于评估设计的稳健性和可靠性,即输入参数值的微小变化如何影响输出。
在此类分析中,将概率分布应用于输入参数。此概率分布描述了输入参数将取特定值的可能性。

在稳健性和可靠性研究中,参数分布类型和采样方法指定最终输入参数值。有关更多详细信息,请参考稳健性和可靠性研究的采样方法。

稳健性和可靠性研究的动机来自于以下事实:优化研究试图找到最佳设计,而无需顾及小扰动,如安装或制造公差。当约束限制设计空间时,这些确定性最优通常位于约束边界上(请参见研究输出)。然而,输入参数值的微小变化可能以非平凡方式影响输出值,从而导致大量不可行设计。顾及变化会产生更可靠的设计,这有效地推动了最优设计远离约束边界:


注当为了稳健性和可靠性研究而运行设计但又不清除研究时,会根据之前已执行的设计继续为附加的设计编号。例如,运行设计的数量从 100 增加到 200,则第二个设计运行会从编号 101 开始,到编号 300 结束。要避免这种情况,推荐在更改运行设计属性时使用右键单击操作清除研究。

通常情况下,设计优化过程会几何优化、DOE 与稳健性和可靠性研究:
  1. 优化研究对各种输入参数和参数值范围内的设计进行评估。此研究提供最佳设计。
  2. DOE 研究评估关于最佳设计的一小部分参数值范围内的输入参数。这种方法提供了对设计性能具有最大影响的参数。
  3. 稳健性和可靠性研究使用 DOE 研究中标识的敏感参数来确定最佳设计的稳健性。