【技术】使用CAESES进行阀门设计优化

天洑软件

CAESES自动化生成新的几何变体并耦合CFD求解器来进行模型仿真优化的方法被应用在多种场景下，阀门的设计和优化就是其中之一。这种方法的优势在于能够显著地缩短产品研发时间，并在指定的约束范围内寻找到最优的设计。

阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。阀门优化的主要目的通常是在规定的压降下改善通过阀门的流量，即改善阀门的流量系数或流量因子（该参数是一个表征阀门流动效率相对数值）。


一、案例：耦合SimericsMP+进行阀门优化



用于本次仿真优化的迪普马四通滑阀

下面将介绍一个阀门的优化案例，为大家呈现使用CAESES并耦合SimericsMP+软件来优化阀门性能的工作流程。

本文的研究对象是迪普马公司的一款四通滑阀，它是一种由电磁或者液压控制的先导式分配结构。我们主要对阀门的两个端口的形状进行优化，使得阀门在施加5 bar的压力时获得最大的流量。出于这样的优化目标，在仿真过程中，将滑阀固定到某一特定的位置。在该位置上，端口P和端口A（下图中蓝色部分）通过滑阀内部的通道（下图中绿色部分）连接，这是该滑阀一个典型的工作状态。



进行优化的滑阀部件



二、几何变形设置

首先，将端口从原始的CAD模型中剥离出来，并在CAESES中构建参数化的几何模型。对于前文提到的两个端口，分别使用9个参数作为设计变量对其进行变形控制。这些参数控制着端口内部流道的形状变化。以下动图展示了各个参数的变形效果。



腔体高度



腔体扭转角度



腔体变形系数



腔帽高度



腔帽扭转角度



缸体高度


缸体顶部锥角



腔底部倒圆半径



外圆半径



三、SimericsMP+自动化仿真

使用CAESES软件中“软件连接”功能，耦合SimericsMP+软件对新生成的几何变体进行仿真分析。首先，在CAESES中，对模型的各个部位以不同的颜色进行区分，然后模型以“按颜色剥离”的STL格式输出。这样模型的各个部位都能以独立的stl文件输出，以方便SimericsMP+软件对模型的各个部位进行识别，从而很方便地进行边界设置（如各部位上不同的网格和边界条件的设置等）并自动生成网格。在SimericsMP+软件的GUI中进行一次设置后，保存spro格式的脚本文件，它将被CAESES软件调用并用于每一个变体的仿真计算。

对于计算结果，CAESES能够自动导入具有完整流场信息的Ensight Gold文件以及包含完整迭代信息的文本文件。后者用于提取优化的目标参数，即前文设定的质量流量。



CAESES软件中软件耦合设置以及优化结果显示



四、优化过程和结果

整个优化过程由三个阶段组成。第一阶段，采用初级的DoE算法对一个端口模型进行优化，在生成的100个变体里进行比较，选取优化结果。基于第一次的计算结果，选取4个对性能影响最大的设计变量，譬如这些变量对目标参数有很强的相关性（腔体高度、腔体旋转角度、外圆半径、底部倒圆半径），进行第二阶段的DoE计算。该阶段，同时对两个端口进行优化，并生成90个变体进行仿真分析。最终在第二轮DoE结果中选取最优模型，并采用相同的设计变量生成新的50个变体进行局部优化，得到最终的优化模型。



滑阀端口各参数对性能影响趋势示意

相较于基准模型，最终优化模型的流量提升了9%，在前两个DoE阶段流量提升了7%，局部优化阶段又提升了2%。并且在优化过程中监控了端口的体积变化，所有的变体体积都在允许的范围内，没有超过限制。在那不勒斯大学工业工程学院对模型进行了试验测试，验证了优化结果的可靠性。值得注意的是，那不勒斯大学工业工程学院的研究人员先前进行了手动优化尝试，得到的优化结果与CAESES自动优化结果性能接近，但是该工作耗费了他们几个月的时间，而采用CAESES自动化的优化流程仅仅需要几天的时间。



初始模型（蓝色）和优化模型（红色）对比


“CAESES耦合SimericsMP+进行仿真优化的速度和效率，给我留下了深刻的印象。之前采用传统方式进行同样的工作得到相似的结果，耗费了我们近10倍的时间。”

                                                                                         ——Michele Pacanetto，迪普马公司技术总监

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