专栏 l DfAM（增材设计）底层通用技术之参数优化

DfAM（Design for Additive Manufacturing, 简称增材设计），是应用于增材制造工艺的可制造性设计，可实现对增材制造过程中的零件、组件甚至系统进行重新设计，已经成为基于增材制造思维的先进设计与智能制造的全新设计范式。

DfAM的核心技术是仿真驱动的优化设计技术，包括创成式设计技术、拓扑优化设计技术、点阵设计技术、参数优化技术、仿真分析技术等。

其中，参数优化应用于详细设计阶段，进行设计定型或者设计改进，如确定最优尺寸、形状等。本期谷.专栏文章将要分享的即为DfAM 的底层通用技术-参数优化。

参数优化

详细设计阶段的设计定型，利用参数优化技术进行参数化建模和模型参数驱动分析是关键。

参数优化基于CAD/CAE双向驱动参数化CAD模型，CAE软件驱动CAD参数更新并通过CAE软件进行设计方案的性能分析，结合特定的优化算法获取满足优化目标的最佳设计方案。

参数优化技术通常包括：

参数优化是详细设计阶段进行设计定型的重要技术，为了克服多学科非线性优化中遇到的大量设计参数的困难，参数优化可以进行参数敏感度分析、稳健性评估、可靠性分析、多学科优化、稳健与可靠性优化等等。

图1 参数优化技术? 安世亚太

通过参数敏感性分析，在众多参数中识别出影响性能的重要参数，过滤掉不重要的参数，建立响应面；通过多学科优化，输出满足设计需求的最佳设计参数；通过稳健性、可靠性分析及优化，评估离散参数对产品性能的影响程度，从而实现参数优化，对产品设计改进、定型，完成最终的详细设计。

参数优化的一般流程包括以下步骤：

1. 参数化建模：包括参数化CAD模型（如尺寸参数）以及参数化有限元模型（如载荷工况条件参数化）。
2. 参数敏感性分析：识别重要性参数，过滤无关参数，并建立高质量响应面，为后续快速优化做准备。
3. 优化分析：定义优化目标、约束条件，设定优化算法进行优化计算。
4. 设计验证：对最终的优化设计进行验证性分析。
5. 稳健性可靠性评估：若对可靠性有要求，则进行稳健性可靠性分析与优化。

图2 参数优化流程? 安世亚太

应用案例

l 吞沫机螺旋叶片管道优化设计

吞沫机是依据流体力学、等速螺线、空吸作用以及射流原理设计而成。当具有一定压强的气流通过螺旋叶片管道后按特定的方向流动并通过吞沫机的喷腔装置时，在吞沫机周围形成一个负压区，大量挤压在吞沫机周围的泡沫，在负压所形成的空吸作用下，通过各环形吸沫口被吸入该机管腔，在空气动力的作用下将泡沫击碎雾化。液体沿着射流方向与罐内原料液溶为一体，气体则沿着排气管道排出罐外。

针对自动吞沫机的核心部件螺旋叶片管道作为优化分析对象，通过流体仿真分析，获得气体通过螺旋叶片管道后的流场分布和压力分布，并通过优化螺旋叶片管道的几何结构来优化流场分布和压力分布，提高吸沫和碎沫能力。具体如下：

图3 螺旋叶片管道的几何结构? 安世亚太

图4 螺旋叶片管道的优化设计流程? 安世亚太

通过对比螺旋叶片管道优化前后的空气的流速和压力分布发现，优化后空气进入螺旋叶片管道的流量增加22%，而优化后吸沫口内外压力差增大了5倍，同时，吸沫效果得到了显著提高。

图5 优化结果? 安世亚太

l振动台动圈骨架优化设计

电动振动台可以模拟产品在制造、组装运输以及使用执行阶段所遭遇的各种环境，用以鉴定产品是否具有忍受环境振动的能力，被广泛应用于国防、航空、航天、通讯、电子、汽车以及家电等行业。动圈骨架是电动振动台的关键部件，其动力学特性的优劣将直接影响振动台系统的一阶竖向共振频率的高低，从而影响振动台工作频率的上限和非线性失真大小，因此一阶竖向共振频率是设计振动台的技术关键。

铝合金振动台动圈骨架的工作状态为振动环境，其原始设计工作频率偏低，不能达到预期，希望通过优化设计来提升性能：

图6 振动台动圈骨架原始结构? 安世亚太

基于优化目标，采用拓扑优化与参数优化相结合的优化技术对其进行优化：

图7 振动台动圈骨架优化设计? 安世亚太

总结

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