ANSYS_WORKBENCH设计、仿真与优化
《ANSYSWorkbench设计、仿真与优化》以最新版ANSYSWorkbench11.0为依据，以工程人员产品设计的流程为主线，由浅入深地介绍了ANSYSWorkbench在产品设计、仿真与优化过程中的具体功能、使用方法和应用实例。ⅣANSYS Workbench设计、仿真与优化4.2.1基础…………484.2.2分析关键………494.2.3分析步骤……………………………………494.3振动电机轴谐响应分析……………….544.3.1基础………………54………54.3.3分析步骤……………………………………………………………554.4机柜随机振动分析…………………………………………………………614.4.1基础……………………………………………………………614.4.2分析关键…………………………………………………624.4.3分析步骤………………………………………………………62第5章机构运动学分析…………………675.1机构运动学分析基础………………………………………………………675.2轻型打桩机机构运动学分析……………………………………685.2.1工程背景……………………………………………5.2.2分析关键…………………………………………685.2.3分析步骤…………69第6章热力学分析………………………………………756.1热分析基础…………………………………………………………756.2汽缸盖稳态温度场分析……………………………………………766.2.1工程背景766.2.2分析关键………………………………………………………776.2.3分析步骤……………………………………776.3涡轮增压器涡壳瞬态温度场分析和热应力分析………………………………806.3.1工程背景………………………………………………806.3.2分析关键………6.3.3分析步骤…………………………81第7章疲劳分析……………………………………………………867.1疲劳分析基础……………………………………:867.1.1疲劳分析定义……………………………………………867.1.2 AWE Fatigue程序处理疲劳问题的过程………………862按键疲劳分析………………………………………………………877.2.1工程背景………………………………………………………877.2.2分析关键…………………887.2.3分析步骤…………………………………………………887.3轮毂疲劳分析………………………………………………………………92日录7.3.1工程背景………927.3.2分析关键………27.3.3分析步骤……93第8章优化设计……………………………………………………………………968.1优化设计基础……………………………………………968.1.1优化设计的基本原理…968.1.2优化设计的分类………………………………………………………978.1.3AWE优化设计的分析步骤………………988.2支架拓扑结构优化设计………………………………………………………998.2.1工程背景………8.2.2分析关键…………………………………………998.2.3分析步骤…98.3散热器形状优化设计……………………………………………………………1028.3.1工程背景………………………………………………………1028.3.2分析步骤…………………103第9章二次开发1109.1二次开发基础………………………………………………………11109.2参数化程序设计语言……………………………………………………1109.2.1APDL简介…………………………1109.2.2APDL的参数和宏………………………………………………1119.2.3气动刹车装置非线性分析12…………………………119.3用户操作向导……………………1159.3.1 Wizard简介…………………………………………………………1159.3.2操作向导编辑器…………………………………11169.4客户化定制…………1179.4.1SDK简介………………………………………………………………1179.4.2客户化定制实例…………………………………………………118第1章 ANSYS Workbench基础1.1 ANSYS Workbench概述随着计算机辅助工程(CAE)技术在工业应用领域中的广度和深度的不断发展,它在提高产品设计质量、缩短周期、节约成本方面发挥了越来越重要的作用。目前,CAE分析的对象已由单一的零部件分析拓展到系统级的装配体,如飞机、汽车等整机的仿真。同时,其分析的领域已不再仅仅局限于结构力学,已涉及流体力学、热力学、电磁学、多场耦合等更加丰富的物理空间。而且,CAE分析不再仅仅是专职分析人员的工作,设计人员参与CAE分析已经成为必然ANSYS Workbench Environment(AwE)作为新一代多物理场协同CAE仿真环境,其独特的产品构架和众多支撑性产品模块为产品整机、多场耦合分析提供了非常优秀的系统级解决方案。它所包含的3个主要模块:几何建模模块( Design Modeler)、有限元分析模块( Design Simulation)和优化设计模块( Design Xplorer)将设计、仿真、优化集成于一体,可便于设计人员随时进入不同功能模块之间进行双向参数互动调用,使与仿真相关的人、部门、技术及数据在统一环境中协同工作。具体来讲AWE具有的主要特色如下。1.强大的装配体自动分析功能针对航空、汽车、电子产品结构复杂,零部件众多的技术特点,AWE可以识别相邻的零件并自动设置接触关系,从而可节省模型建立的时间。而现行的许多软件均需要手动设置接触关系,这不但费时同时还容易出错。除此之外,AWE还提供了许多工具,以方便手动编辑接触表面或为现有的接触指定接触类型。AWE提供了与CAD软件及设计流程之间的无与伦比的整合性,从而发挥CAE对设计流程最大限度的贡献。最新的AWE使用接口,可与CAD系统中的实体及曲面模型双向连接,具有更高的CAD几何导入成功率。当CAD模型变化时,不需对所施加的负载和支撑重新定义。AWE与CAD系统的双向相关性还意味着,通过AWE的参数管理可方便地控制CAD模型的参数,从而提高设计效率;AWE的这一功能,还可对多个设计方案进行分析,自动修改每一设计方案的几何模型。2.自动化网格划分功能许多CAE用户都花大部分的时间在建立网格上,AwE在大型复杂部件,如飞机组装配件的网格建立上独具特色,自动网格生成技术可大大节省用户的时间。根据分析类型不同,有很多因素影响分析的精度。传统的专业分析人员花大量的时间和训练来掌握各种分析,手动处理模型以保证分析的精度;而对于设计人员来讲,他所关注的应该是自己的产品设计,而不是有限元方法,因此需要一个可靠的工具来替代传统的工具,尽可能实现自动化。AWE的自动化网格划分功能如下:自适应网格划分,对于精度要求高的区域会自动调整网格密度ANSYS Workbench设计、仿真与优化·自动化网格划分,生成形状、特性较好的元素,保证网格的高质量。·自动收敛技术,是自动迭代过程,通过自适应网格划分以使指定的结果达到要求的精度。例如,如果对装配中某一个零件的最大应力感兴趣,可指定该零件的收敛精度。·自动求解器选择,AWE根据所求解问题的类型自动选择适合的求解器求解。智能化的负载和边界条件自动处理。3.协同的多物理场分析环境及行业化定制功能CAE技术涵盖了计算结构力学、计算流体力学、计算电磁学等诸多学科专业,而航空产品的设计对这几个学科专业都有强烈的CAE需求。单个CAE软件通常只能解决某个学科专业的问题,导致使用者需要购买一系列由不同公司开发的、具有不同应用领域的软件,并将其组合起来解决其实际工程问题,这不但增加了软件投资,而且很多问题会由于不同软件间无法有效而准确地传递数据而根本不能实现真正的耦合仿真计算。目前,全面的、真正的“多物理场耦合分析”(如图1.1所示)时代已经来临,多场分析能力已经成为现代CAE软件技术水平的重要标志。多组分/多相流}(流体力学)[可压缩流H高级辐射高级疲劳高度非线性共轭传热结构力学多物理场耦合(温度场非线性非线性/辐射时/频域动力稳态/瞬态线性静力低频电磁场}(电磁场)M高导/对流图1.1现代高级CAE软件AWE组合分析能力4.快捷的优化工具 DesignXplorerAWE本身既是一个成熟的多物理场协同CAE仿真平台,又是一个基于最新软件技术的开放式开发平台,利用其开发包 Workbench SDK可以非常便捷地实现诸如专用程序开发、流程自动化和简化、专家经验的保存和固化、分析规范的保存和固化、自有程序的包装、其他程序的集成等众多的用户化开发功能。在 Workbench基础上,设计与分析间的关系就简化为:·分析部门(或人员)根据需求为设计部门量身定做各种特定产品的专用分析程序,这些程序融专家经验、自有程序、分析规范等为一体,完全专用化和自动化,一次定制,终身受益;设计部门(或人员)在针对性极强的专用程序上轻松实现设计分析-优化评价等工作;AWE多物理场协同仿真环境充分体现了 ANSYS公司“面向实实在在的工业需求,以技术为本,以优化用户产品研发流程为目标,为用户提供完整CAE解决方案”的宗旨。在AWE环境下,整个CAE应用的方式和意义都将发生革命性的变化。仿真分析的目的是优化产品性能,AWE/ DesignXplorer是基于DSDB数据库文件的参数优化工具,结合CAD系统/AGP和 Design Space/AWE进行优化:在CAD系统/AGP中第1章 ANSYS Workbench基础3·进行参数化建模,在 Design Space或AWE中进行初步的分析,并确定感兴趣的参数,在DesignXplorer中进行参数优化优化参数可以是CAD模型的几何参数、结构形式、施加的边界条件、求解得到的分析结果等,也可以是由这些参数进行数学运算后派生出来的参数,既可以进行连续性参数和离散化参数的优化,又可以进行单目标或多目标的优化,得到设计空间的三维设计响应面/二维设计曲线,并自动根据优化结果更新几何模型文件。因此,作为新一代多物理场协同CAE仿真环境,AWE以其独特的产品架构和众多支撑性产品模块已为越来越多的产品提供了非常优秀的系统级解决方案1.2 ANSYS Workbench产品设计流程和文件格式1.2.1 ANSYS Workbench产品设计流程AwE提供一个集成统一的仿真环境帮助工程人员完成产品CAE开发的全过程。在AWE环境下,典型的项目开发,包括以下模块:DesignModeler,几何建模和CAD模型导入模块;Design Simulation,结构、热和电磁有限元分析模块;Design Xplorer,最优化设计模块。AwE统一的开发环境以及具有攀升化的设计方案,帮助企业真正实现产品设计仿真到优化的协同。其中, Design Simulation与CAD系统之间可进行双向模型参数互动、可将 ANSYS嵌入CAD运行环境,使用CAD环境中的几何模型的链接,不存在模型转换失真的棘手问题。同时, Design Simulation从CAD中导入装配体时可以自动建立装配接触关系。这样,设计人员可以在 Design Simulation中进行零件以及装配体性能的初步快速分析,并确定感兴趣的区域和性能,再利用 Design Simulation中高端CAE仿真工具和疲劳分析模块一 Fatigue Module对产品强度、动力学特性以及疲劳寿命进行深入的认知,确定优化设计参数,最后在多目标优化模块一 Design Xplorer中同步优化参数,改进产品设计。软件系统的主框架如图1.2所示。ANSYS WorkbenchDesignModelerE Design Simulation Design Xplorer图1.2AWE系统框架图除了上述的主要流程模块之外,AWE还包括以下辅助模块:Engineering Data,用于设定材料和载荷加载信息;FE Modeler,用于输入来自 NASTRAN, ABAQUS,或 Design Simulation所建立的网格模型,作为 ANSYS有限元分析的输人,它也能将网格模型反演生成几何模型;ANSYS AUTODYN,爆炸、冲击等结构显式动力学分析模块。ANSYS Workbench设计、仿真与优化1.2.2文件格式AWE中涉及的主要文件的类型及格式如表1.1所示表1.1AWE中文件格式说明文件名类型说明obname, wbdbWorkbench项目数据库文件,用于管理项目中的不同类型模块文件bname agdbDesign Modeler数据库文件,用于存储几何模型信息jobname cmdbCFX- Mesh数据库文件,用于存储流体网格信息jobname dsdbDesign Simulation数据库文件,存储结构、热和电磁仿真中的所有模型信息obname, edbEngineering Data数据库文件jobname fedbFE Modeler数据库文件,用于存储从 NASTRAN或 DesignSimulation输入的网格信息jobname adANSYS AUTODYN数据库文件,用于存储显式分析软件 AUTODYN必需的信息jobname ddbDesignXplorer数据库文件,用于存储优化方程中设计参数和目标参数的关联信息13安装和起动配置1.3.1 ANSYS Workbench11.0安装安装 ANSYS Workbench1.0前需要将 Windows2000打SP2补丁( Windows XP打SP1补丁),并安装IE6.0以上。另外,系统的日期和时间,要是当前的日期和时间。具体的安装步骤如下。(1)放入安装光盘,在弹出的“ ANSYS DVD Launcher”窗口中,选择“Next”,进入下一级安装窗口,如图1.3所示。ANSYS Products 11.0for Windows 32-bitOperating SystemsANSYS图1.3 ANSYS DVD Launcher窗口1第1章 ANSYS Workbench基础(2)在弹出窗口(如图1.4)中,选择安装的产品“ ANSYS Products”,并在接下来的安装语言窗口,选择“ English”,进入下一级安装界面。ANSYS ProductsInstall ProductsANSYS AA图1.4 ANSYS DVD Launcher窗口2(3)在图1.5所示的弹出窗口中,选择“ L AGREE”后,单击“Next”,进人到下一级安装界面ANSYS需oLGRIEsiDoN et图1.5 InstallShield wizard窗口1(4)根据您的需求选择安装的路径(如图1.6),单击“Next”后进入到“ Select Installation Components"。(5)在图1.7所示的窗口中选择完毕后一直单击“Ncxt”,安装程序开始安装ANsYs11.0。(6)在图1.8所示的窗口中单击“ Finish”,完成软件安装。(7)回到步骤(2)中的“ ANSYS DVD Launcher”窗口,单击“ License Management”,出现下一提示画面(如图1.9),问是否是 license server machine,选择“是(Y)(8)出现下一提示画面(如图1.10),问是否有 license文件,选择“否(N)(9)出现下一提示画面(如图1.11),问是否继续安装,选择“是(Y)ANSYS Workbench设计、仿真与优化图1.6 Installshield wizard窗口2ANSYSwr图1.7 InstallShield Wizard窗口3ANSYS图1.8 InstallShield Wizard窗口4
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RBM 算法理解
RBM 算法理解 这份笔记参考了很多网上的资源，也加入很多自己的理解和详细推导， 非常适合初学者使用， 这篇笔记属于复合型产物，感谢那些网上无私奉献自己心得的人们。RBM能量模型这里说一下RBM的能量模型,这里关系到RBM的理解能量模型是个什么样的东西呢?直观上的理解就是,把一个表面粗糙又不太圆的小球,敚到一个表面也匕较粗糙的碗里,就随便往里面一扔,看看小球停在硫的哪个地方。一般来说停在碗底的可能性比较大,停在靠近碗底的其他地方也可能,甚至运气好还会停在碗口附近(这个碗是比较浅的一个碗):能量模型把小球停在哪个地方定义为一种状态,每种状态都对应着个能量,这个能量由能量函数来定义,小球处在某和状态的概率(如停在碗底的概率跟停在碗口的慨率当然不一样)可以通过这种状态下小球具有的能量来定义(换个说法,如小球停在了碗∏附近,这是·种状态,这个状态对应着一个能量,而发生“小球停在碗口附近”这种状态的概率,可以用来表小,表小成,其中是能量函数),其实还有一个简单的理解,球在碗底的能量一般小于在碗边缘的,比如重力势能这,显然碗底的状态稳定些,并且概率大些,就是我认为的能量模型。1.概率分布函数。各个节点的取值状态是概率的、随机的,这里用了3种概率分布来描述整个RBM网络,有联合概率密度,条件概率密度和边缘概率密度2.能量函数。随机神经网络的基础是统计力学,差不多思想是热力学米的,能量函数是描述整个系统状态的一种测度。系统越有序或者概率分布越集中(比如小球在碗底的情况),系统的能量越小,反之,系统越无序并且概率分布发散(比如平均分布),则系统的能量越大,能量函数的最小值,对应着整个系统最稳定的状态RBM能量模型的作用是什么呢?为什么要弄清楚能量模型的作用呢?第一、RBM网终是一种无监督学习的方法,无监督学习的目的自然就是最大限度的拟合输入数据和输出数据。第二、对于组输入数据来说,如果不知道它的分布,那是非常难对这个数据进行学习的。例如:如果我们实现写出了高斯函数,就可以写出似然睬数,那么就可以进行求解,就知道大致的参数,所以实现如果不知道分布是非常痛苫的·件事情,但是,没关系啊,统计力学的一项硏究成果表明,任何概率分布都可以转变成基于能量的模型,即使这个概率分布是未知的。我们仍然可以将这个分布改写成能量函数第三、能量函数能够为无监督学习方法提供个特殊的东两)日标函数b)标解换句话说,使用能量模型使得学丬一个数据的变得容易叮行了。能否把最优解的求解嵌入能量模型中至关重要,决定着我们具体问题求解的好坏。能量模型要捕获变量(这里我理解的是各个分量之间的关系)之间的相关性,变量之间的相关程度决定了能量的高低。把变量的相关关系用图表是一个图,以概率为测度,所以是概率图)模型的能量模型。由上面所说,RBM是一种概率图模型,既然引入了概率,那么就可以通过采样技术来求解,在CD( contrastive diⅳ vergence)算法中采栟部分扮演着模拟求解梯度的角色。能量模型需要定义一个能量函数,RBM能量函数如下:()=∑∑∑∑这个式子的含义非常明显,每个节点有一个能量, hidden和wsbe之间的连接也有个能量,如何求解呢?如果ⅵ isible有组取值(1,0,1),对应的 hidden取值是(1,0,1,01,0,分别带入上面的公式,最后得到的结果就是能量,这里要注意到()里面的地位是相等的,不存在先后顺序,这是一个结构整体的能量值为什么要搞能量函数?前面指出未知分布不好求解但是可以通过能量函数米表示,那么能量函数的概率模型很大程度上可以得到未知分布的概率模型,这样大致就知道了未知分布的分布既然知道了—个RBM网络 hidden和 visible整个框架的能量函数,那么可以定义这个能量函数(能量)出现的概率,很显然这个能量的出现与 hidden和sbe的每个节点的取值都有关系,那么这个能量出现的概率就是和的联合概率密度里可以将能量函数理解成小球在碗里面具体的一个位置所具有的一个能量,那么联合概率密度就是能量也就是这个状态出现的概率)这个概率不是随便定义的,是有统计热力学解释的定义了联合概率密度,那么我就可以得到一个分布,现在再回来前面的知识,可以得到1最初是未知分布的数据,求解参数,完全无从下手2.将未知分布的数据与能量函数联合在起3定义这个能量函数出现的概率,其实也就是对应着未知分布数据一个函数出现的概率4我们可以得到能量函数的概率分布,这个分布就叫 Gibbs分布,这里不是一个标准的Gibs分布,而是一个特殊的 Gibbs分布,这个分布有一组参数,其实就是能量函数中的那儿个前面知道∫下面可以得到边缘概率密度和()∑∑也可以得到条件概率密度和∑∑从概率到极大似然上面的内容已经得到了Gb分布的各种概率密度函数,现在回到最初的目的,即求解让RBM网络表示的Gibs分布最大可能的拟合输入数据,或者换一种说法,求解的目标可以认为是让RBM网终表示的 Gibbs分布与输入样本的分布尽可能的接近现在的小问题是“最大可能的拟合输入数据"这句话怎么定义:假设表小样本空间,即里面含有很多个不同的,是输入样本的分布,()表示训练样本的概率,再假设是RBM网络表示的 Gibbs分布的的边缘分布,即可以理解成每种不同情况的都对应着一个概率。输入样本的集合定义为,那么样木真实的分布和RBM网络表示的边缘分布的KL距离就是2者之间的差异性(KL的详细讲解见附录),样本的真实分布(什么是样本的分布?见附录)与RBM网络表示的边缘分布的KL距离如下所示()20)-0=2()0)2()(如果输入样本表小的分布与RBM表小的Gbbs分布完全符合,这个KL距离就是0,否则是一个大于0的数山附录对熵的定义(在KL讲解里面)可知,上面)的第一项是输入样本的熵,这个是·个固定的数,输入样本固定了,熵就固定了,第二项明显无法直接求。由KL的性质可知,KL是一定大于0的,那么当第二项最大的时候,整个KL最小,我们本来的日的也是求KL最小。注意到第二项-∑()()中的()当样木固定的时候,是固定的而函数是递增的,即当∑()最大即可。在实际应用中,我们采用的是∑(),其中是样本的个数。这里的-∑()就是极大似然估计(这里大家可以∈代替了∈Ω,这是为什么呢?拿一个2维向量来说,(1,0),(1,1),(0,0)这3个的概率和是1,(0,1)出现的概率是0,那么样本空间是(1,0),(1,1),(0,0),但是我们采样的时候只采样到∫(1,0),(1,1),那么这次的输入样本的集合就是(1,0)(1,1))。结论就是求解输入样本的极大似然,就能让RBM网络表示的 Gibbs分布和样本本身表示的分布最接近。求解极大似然这里对似然的定义参考我的另一篇笔记EM算法这个样本从所有样本被取到的概率为0)=∏(b)b∈6()=(0)=∑(0)c⊙在RBM模型中,上面的似然函数写成(上面的式子中是样本,也可以理解为一个isbe节点):(O)-(0)-l()O∈()=∏(b)=∑()0∈对这个函数进行求导02(066∈⊙66我们由能量模型应该也知道了()的概率∑,那么下面开始求导∑06∑c8上面这个式子一定要注意一个问题,即第一项的和第二项的00是不一样的。第一项的是固定的里面的取多少它就取多少而第二项里面的是所有可能的,其实这个细节也可以从∑和∑中发现出来()注意到()和,上面的式子可以写成∑0606∑()∑x((2m0)2x(2m0606第一项和第二项分别是和的期望,这2个是不同的,第一060个求在下的期望,第二项求的是这个函数在概率()下的期望。将O和()由最前面的东西代换,可得到以下3个式了∑∑∑∑∑∑()∑∑()∑()∑∑(这里用到了一个技巧∑这里∑是指hden中第个向量为0,其他分量的值任取的一组向量。?岁∑()∑()∑()∑()∑∑∑∑)-∑()-∑∑()()-∑()∑()∑∑=∑()-∑∑()()=∑()-∑()∑())-∑()(可以发现和的第二项都含有∑,这意味着要对进行遍历,这明显不可能,但是算梯度需要怎么小呢?这时就可以通过 markov采样来算,只要抽取一堆样本,这些样本符合RBM网络表示的Gibs分布,就可以把上面3个偏导数算出来。具体的处理过程是对于每个训练样本,都用某种抽样方法抽取一个对应的,这个是符合RBM网络所表示的Gbs分布的。那么对于整个训练集{米说,就得到一组对应的符合RBM网络表示的Gibs分布的样本集{然后拿这个样本去估算第二项∑,那么梯度就可以用以下的式了来近似了:()(=)-∑()(=)-∑()上面的式子中表小第个训练样木,是所对应的符合RBM网络表小的Gs分布的样本,在式子中用表示。梯度求出来了,就可以求解了,最后不断迭代就可以得到
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