Simcenter STAR-CCM+流道拓扑优化技术方案

01

需求分析

在管路系统设计中，优化管路几何结构以获得最佳性能是一项重要的挑战。一般情况下，管道的性能主要有压降、流量、换热量、出口旋流和表面速度均匀性等参数。在现代化的设计优化过程中，通常需要借助CAE工具来定义形状和运行参数变化，并评估其性能。针对该业务需求，CAE工具应该满足以下功能要求：

▶ 自动生成流道；

▶ 自动优化流道；

▶ 对拓扑优化得到的模型平顺化；

▶ 优化后的精细仿真功能，可以获取压力、流阻、液动力、热流等。

02

STAR-CCM+流道拓扑优化

技术方案应用

2.1

伴随拓扑优化自动生成流道

伴随法是用于预测许多设计参数和物理输入对某些相关工程量（即，模拟的工程目标）的影响的有效方法。换言之，它根据设计变量（输入）提供目标（输出）的灵敏度。Simcenter STAR-CCM+ 提供了一种伴随拓扑优化方法，在用户指定的设计空间内，软件在此空间自动寻优，逐步去除或增加空间固体材料体积，自动生成最佳的流道形状。因此，在伴随拓扑优化中，求解材料分布过程非常关键，期间将创建新流体域，以反映流体域相对于成本函数的最佳设计。Simcenter STAR-CCM+基于伴随的灵敏度与水平集方程结合使用，以根据工程目标衍生最佳材料分布。工程目标根据用户自定义成本函数进行描述，并且可以进行约束以防设计无效。

自适应网格细化是在确保准确性和稳定性的同时加快仿真速度的关键技术。基于流动的拓扑优化允许您生成完全新颖和创新的设计。在Simcenter STAR-CCM+2210中，我们利用内置AMR标准（Topology Physics Mesh Adaption）更好地解决流体-固体界面，将工作量降至最低。在拓扑优化过程中使用AMR可产生更好的流体/固体界面分辨率，提高精度，并提供更光滑的表面作为后续增材制造的起点。

STAR-CCM+内置的拓扑优化相关模型

拓扑优化只需一个伴随成本函数（如压降）来表示目标。除了此目标之外，还可以将更多成本函数定义为用户自定义优化约束。例如，可以将出口速度均匀性、液动力、流量等指定为约束，约束数量不受限制。拓扑优化求解器还具有内置约束：“体积比约束”，用于指定固相的体积比约束。

对于多目标优化，应将优先级最高的目标视为拓扑优化中的目标。其他目标应视为约束。要确定不同目标之间的权衡关系，可使用不同的约束值运行优化。也可以创建单一加权目标，然后使用不同的加权执行多个优化。

STAR-CCM+拓扑优化前后对比案例

2.2

内置几何模块实现模型平顺化

通过拓扑优化可以自动生成最佳的流道形状，STAR-CCM+通过创建材料指示器等值面，轻松从拓扑优化研究中导出生成的设计。但是生成的流道形状是通过材料指示器值来标记网格形成的，这就意味着初始的流道边界是台阶状（与网格解析度相关）的，需要对流道模型进行平顺化。STAR-CCM+的前处理模块可以进行表面修复、平顺化处理，然后生成平顺的几何模型以进行更精细的仿真。也可以将几何输出，然后导入到专业的CAD（如NX）软件进行结构设计。

通过STAR-CCM+拓扑优化并平顺化的某流道模型

2.3

丰富的优化模式实现管路优化

STAR-CCM+的拓扑优化功能实现了流道从无到有的优化设计。而对于已经有的流道模型，STAR-CCM+也提供多种优化方法，帮助设计人员实现产品的更优设计。对于已有设计，STAR-CCM+还提供以下两种优化方法：

▶ 通过内置的Design Manager在 Simcenter STAR-CCM+ 中自动运行设计探索研究。设计探索涵盖了性能评估和优化。

▶ 通过伴随求解器Adjoint Solver来设计洞察与优化。伴随求解器与Mopher联合使用进行几何敏感度分析与变形优化。

2.4

先进全面的多物理场功能

实现管路性能预测

Simcenter STAR-CCM+ 软件是一款先进的CAE解决方案，在单一的集成用户界面中提供全球最全面的工程物理模拟模型。Simcenter STAR-CCM+ 不仅仅是 CFD 求解器，可以用于管路的流量、流速、压力、液动力等求解，还是一个集成式的多物理场仿真平台，用于解决涉及（流体或固体的）流、热传递和应力等多学科耦合问题。

通过STAR-CCM+、NX进行零部件轻量化设计

03

一个来自用户的工程实践

下面视频展示的是EDAG（总部位于瑞士的工程服务提供商）利用Simcenter STAR-CCM+仿真模拟助力产品创新的故事。这里展示的是新能源汽车电池组中的冷却管道仿真与设计。冷却系统需要确保电池在特定的工作温度范围内，并保持电池组内的温差最小化。EDAG作为移动工程专家，在西门子的帮助下，成功利用增材制造和拓扑优化设计了更优的电池组水冷系统。此模拟是采用Simcenter STAR-CCM+中的拓扑优化工作流完成的，优化结果使进气管的质量流量增加了6.4%（意味着更好的冷却效率），出口管的压降降低了46.9%（更低的能耗），整个仿真模拟在Simcenter STAR-CCM+中两天完成。同时，他们还将该产品的典型开发时间缩短了50%。

当然，这种产品性能提升，工程创新不仅针对电池包，也可适用于其他的工业、行业应用。通过Simcenter STAR-CCM+这款多物理场仿真软件，使客户将更多的设计目标变成现实。

文章来源：STAR CCM online