高阶网格变形优化 Sculptor™

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Sculptor 来自于美国能源部，通过高阶B 样条FFD 技术对已有的CAD/CFD/FEM 模型实现快速的形状变形和优化，省去繁琐的参数化建模、重新网格划分的瓶颈，提高设计优化的效率和实用性。 Sculptor 现已广泛用于汽车和飞行器减阻优化、车身结构件轻量化、制动系统热负荷优化、发动机进排气道气动优化、空调风量分配等的形状设计和优化中。

Sculptor相比于传统形状优化方法的优势

• 在传统的仿真和设计优化过程中，遵循的是“更新几何造型->重划分网格->仿真求解->优化迭代”的过程，即：当方案的几何参数发生变化之后，工程师需要更新几何造型，并重新用CAE前处理器进行网格划分和模型设置。这种方式存在明显的局限性：

• 对几何造型的参数化要求高，并且不能保证几何参数变化后是否能够生成合理的造型，甚至几何造型更新失败；

• 网格重新划分需要花费大量的时间，网格质量很难完全保证（特别是在复杂几何特征位置处的网格或者CFD中的边界层网格仍然需要人工干预和检查），并且也存在网格划分失败的风险。

• 传统的“更新几何造型->重划分网格->仿真求解->优化迭代”的设计周期仍然较长、开发成本也未能得到有效降低，极大的阻碍了仿真和优化技术在工程中的普及和应用。

• 针对这些问题，Sculptor将仿真模型网格实现高质量、高精度的参数化变形，并有效融入仿真和设计优化流程。新的方法能够使传统的形状设计优化过程自动化和简单化，省去设计优化过程中需要重新进行几何造型以及网格重划分的时间，减少几何造型或网格划分失败的风险，从而提升产品设计优化的效率和水平。

特色功能

• 能够导入广泛的CAD/FEM/CFD模型，包括：

• Fluent， CFX，ICEM-CFD，OpenFOAM ，StarCD ， StarCCM+，CFD++，FASTRAN， Converge，OpenFoam,CGNS

• ANSYS， Abaqus， NASTRAN

• STL，AcuSolve ，Generic Point Clouds等

• 1~3阶线性和非线性变形算法

• 支持上千万单元，算法效率高

• 壳单元和体单元，结构化网格(四边形或六面体) 和非结构网格(四面体或金字塔型等）和多面体网格均支持光顺性好（特别对附面层网格)，带有网格质量检查工具

• 变形种类多：笛卡尔坐标、柱坐标、贴体坐标、旋转、缩放、平移、组合运动都可以实现，既可以局部变形，也可以全局变形

• 可以批处理后台运行，便于与优化工具（比如Piano, Isight, ModelCenter, Optimus）联合，实现快速的设计优化

• 自带优化拉丁方实验设计算法（DOE）

• 自带共轭梯度优化算法（CGC Optimizer)

• 自带响应面可视化模块

• 网格变形后能直接导回STL格式

  
  

成功案例

• 大飞机翼型流场特性优化（波音飞机）

• 过去需要2~3周的时间完成一次设计循环，通过将Sculptor网格参数化自动变形工具融入设计流程，现在只需要在1周之内完成；在不增加阻力情况下，提升升力4%；将阻力约束放松10%的情况下，升力提升达18%。

  
  

  
  

 

• 发动机进气歧管形状优化（福特汽车、东风汽车）

• 将发动机质量流量提高2%，满足压降1.94%的约束，满足歧管截面积变化在15%范围内，同时降低了局部流动损失

 

• 汽车外流场特性设计优化（阿斯顿.马丁DBR9公路赛车）

• 过去需要0.5天时间完成一次网格划分工作，现在只需要2~3分钟即可自动生成新方案对应的CFD模型；最终方案增加了16%的下压力，而气动阻力没有明显升高，使赛车具有更好地高速运动操控稳定性和动力性。2005年，阿斯顿马丁的DBR9公路赛车为赢取了所有国际性大赛。