使用Simcenter STAR-CCM+进行拓扑优化：生成理想的增材制造设计，尽早满足工程要求

优势

生成理想的增材制造设计

在设计过程中尽早满足工程要求

生成满足可用空间限制的设计

通过优化热效率和流路来提高产品性能

摘要

随着增材制造的工业化趋势日益凸显，创成式工程受到越来越多的关注。在早期阶段就使用拓扑优化解决结构问题，以满足开箱即用的创成式工程需求。过去，通常采用试错方法来解决流动相关问题，导致设计过于保守，无法发挥增材制造的优势。用于流体流动的拓扑优化充分发挥出了增材制造的潜力。它可以：

• 使用强大的基于梯度的优化方法自动生成优化设计
• 基于工程目标创建早期设计概念，无需初始设计
• 设计性能更好的产品，自然而然地满足包装约束

Simcenter STAR-CCM+提供了解决方案

Simcenter STAR-CCM+软件是Siemens Xcelerator软件、硬件和服务业务平台的一部分，在该软件中使用拓扑优化可为流体/热问题提供集成式解决方案。要运行伴随拓扑优化，您只需通过成本函数定义设计包络和流动/热目标。此方法将省去几何中阻碍成本函数的部分，从而将它们转换为实体并定义理想的流路形状。它使您能够以精简的方式解决具有相互牵制的目标的工程问题。这些竞争属性是增材制造领域的关键所在。Simcenter STAR-CCM+提供：

• 高水平的工作效率，采用单个集成式用户界面，减少了工程时间并提供了易于使用的流水线式工作流程
• 一种基于水平集方法的竞争性方法，通过在预测的流路周围采用移动界面来实现简洁设计
• 一种灵活而强大的优化方法，具有多种成本函数和约束定义，可解决各种工程问题

图1.电池冷却歧管的设计演变。

工作效率使用Simcenter STAR-CCM+可实现高效且可定制的工作流程，原因如下：

• 自动化和可重复的拓扑优化执行，可高效解决问题
• NX软件中几何体的传入/传出，使您能够将新设计无缝集成到增材制造生产链中
• 采用水平集方法的干净流路，大幅减少手动几何模型清理和计算机辅助设计(CAD)复制，显著缩短周转时间
• 自动采用不断变化的流体/固体界面的网格，从而平衡计算工作量和精度
• 自动生成封闭曲面，提供全新的防水设计，可直接导出生成的几何体或在Simcenter STAR-CCM+中使用

图2.用于从头到尾推动拓扑优化流程的仿真操作。

图3.喷油器的拓扑优化：用于解析新设计界面（左）的自适应网格细化(AMR)以及与结构拓扑优化的组（右）。

竞争力使用提供独特水平集方法的Simcenter STAR-CCM+实现高性能设计：

• 减少清理和CAD复制时间，使固体和流体之间的界面更清晰，从而大幅降低生产成本。这减少了设计中的扭结和折叠，并消除了基于孔隙率的传统拓扑生成方法产生的多余流动区。它创建了一个强大的优化过程，允许用户在中间优化步骤中使用半收敛伴随和流动解决方案运行
• 明确定义流体与设计周围的虚构实体之间的界面，以应用处理并模拟边界。这可以是湍流壁处理或流体/固体界面的AMR

图4.用于稳健拓扑优化的水平集场，可实现清晰的流固界面。

灵活性拓扑优化可为大量工程问题提供解决方案，因此在日常业务中发挥着重要作用，例如：

• 使用约束优化方法解决具有相互牵制的属性的工程问题。用户可以定义具有多个流动/热和体积约束的目标
• 通过集成的体积约束平衡工程性能和设计体积之间的权衡。它允许用户指定流动或固体占据的域百分比
• 通过扩展到结构拓扑优化之外来解决更大类别的工程问题。用户定义的成本函数支持快速定义和分析各种流体流动和热场景