OS-T：5090 アルミ製フィンの熱最適化

本チュートリアルでは、アルミ製フィンの形状最適化を行います。

開始する前に、このチュートリアルで使用するファイルを作業ディレクトリにコピーします。
フィンのベースのパートは、q=8000 W/m2の一定熱流束を受けます。周囲の空気の温度は283 Kで、対応する熱伝導率はH = 40 W/m2 • Kです。熱伝達係数はK = 221 W/m • K。フィン内の温度分布は、熱伝達および熱伝導荷重ケースを解くことによって決定されます。
図 1. モデルの概要

os_5090_model
この最適化問題の設定は以下のとおりです；
目標
ベース中央における温度の最小化
制約条件
体積 < 1.0e-5 m2
設計変数
形状設計変数

HyperMeshの起動とOptiStructユーザープロファイルの設定

  1. HyperMeshを起動します。
    User Profilesダイアログが現れます。
  2. OptiStructを選択し、OKをクリックします。
    これで、ユーザープロファイルが読み込まれます。ユーザープロファイルには、適切なテンプレート、マクロメニュー、インポートリーダーが含まれており、OptiStructモデルの生成に関連したもののみにHyperMeshの機能を絞っています。

モデルの読み込み

  1. File > Import > Solver Deckをクリックします。
    Importタブがタブメニューに追加されます。
  2. File typeにOptiStructを選択します。
  3. Filesアイコンfiles_panelを選択します。
    Select OptiStruct Fileブラウザが開きます。
  4. 自身の作業ディレクトリに保存したfins.femファイルを選択します。
  5. Openをクリックします。
  6. Import、続いてCloseをクリックし、Importタブを閉じます。

最適化のセットアップ

HyperMorphでの形状の作成

HyperMorphのFreehandモジュールで形状を作成します。
  1. Analysisページからパネルoptimizationをクリックします。
  2. HyperMorphパネルをクリックします。
  3. Freehandパネルをクリックします。
  4. move nodesサブパネルを選択します。
  5. movementオプションをtranslateにセットします。
  6. 移動距離を入力します。
    フィンはX方向のみに拡張します。
    1. x=欄に0.03と入力します。
    2. y=欄に0.0と入力します。
    3. z= 欄に0.0と入力します。
  7. moving nodesを選択します。
    1. moving nodesの下で、nodes > by setsをクリックします。
    2. sh1_moveを選択し、selectをクリックします。
    選択された移動節点がハイライト表示されます。
  8. fixed nodesを選択します。
    1. fixed nodesの下で、nodes > by setsをクリックします。
    2. sh1_fixを選択し、selectをクリックします。
    選択された固定節点がハイライト表示されます。
  9. affected elementsを選択します。
    1. affected elementsの下で、elems > by setsをクリックします。
    2. sh1_elemを選択し、selectをクリックします。
    選択された要素がハイライト表示されます
  10. morphをクリックします。
    フィンがX方向に拡張されます。
  11. 形状を保存します。
    1. save shapeサブパネルを選択します。
    2. name =欄にsh1と入力します。
    3. トグルをas handle perturbationsからas node perturbationsに切り替えます。
    4. saveをクリックします。
    形状設計変数用のsh1が生成されます。
  12. undo allをクリックします。
  13. 上記の手順を繰り返し、オリジナルモデル上に形状sh2とsh3を作成します。対応する節点セット（sh2_move/fixとsh3_move/fix）および要素セット（sh2_elemとsh3_elem）は予め定義されています。
  14. returnを2回クリックし、Optimization panelに戻ります。

形状設計変数の作成

  1. shapeパネルをクリックします。
  2. desvarサブパネルを選択します。
  3. single desvarからmultiple desvarsに切り替えます。
  4. 形状セレクターを使用し、 sh1、sh2、およびsh3を選択します。
  5. initial value欄に0.0と入力します。
  6. lower bound欄に-1.0と入力します。
  7. Upper bound欄に2.0と入力します。
  8. createをクリックします。
  9. returnをクリックし、Optimization panelに進みます。
1つ前のステップで作成された形状から、3つの形状設計変数が生成されます。

Create Optimization Responses

  1. From the Analysis page, click optimization.
  2. Click Responses.
  3. Create the volume response, which defines the volume fraction of the design space.
    1. In the responses= field, enter volume.
    2. Below response type, select volume.
    3. Set regional selection to total and no regionid.
    4. Click create.
  4. Create the temperature response.
    1. In the response= field, enter temperature.
    2. Set the response type to temperature.
    3. Click nodes > by id, then enter 2450 in the id= field.
    4. Click create.
    The temperature response at node 2450 is created.
  5. Click return to go back to the Optimization panel.

Create Design Constraints

  1. Click the dconstraints panel.
  2. In the constraint= field, enter vol.
  3. Click response = and select volume.
  4. Check the box next to upper bound, then enter 1.0e-5.
  5. Click create.
  6. Click return to go back to the Optimization panel.

Define the Objective Function

  1. Click the objective panel.
  2. Verify that min is selected.
  3. Click response and select temperature.
  4. Using the loadsteps selector, select heat transfer subcase.
  5. Click create.
  6. Click return twice to exit the Optimization panel.
The objective function of minimizing the temperature at node 2450 is created.

SHAPEカードの定義

デフォルトでは、変位と応力の結果のみが_s#.h3dファイルに得られます。HyperViewで、モデルに加えられた形状変化に重ねた結果（変位 / 応力 / 温度）を得るには、SHAPEカードを定義する必要があります。
  1. Analysisページからパネルcontrol cardsをクリックします。
  2. Card Imageダイアログで、SHAPEをクリックします。
  3. FORMATをH3Dに設定します。
  4. TYPEをALLに設定します。
  5. OPTIONをALLに設定します。
  6. returnを2回クリックし、メインメニューに戻ります。

Run the Optimization

  1. From the Analysis page, click OptiStruct.
  2. Click save as.
  3. In the Save As dialog, specify location to write the OptiStruct model file and enter fins_opt for filename.
    For OptiStruct input decks, .fem is the recommended extension.
  4. Click Save.
    The input file field displays the filename and location specified in the Save As dialog.
  5. Set the export options toggle to all.
  6. Set the run options toggle to optimization.
  7. Set the memory options toggle to memory default.
  8. Click OptiStruct to run the optimization.
    The following message appears in the window at the completion of the job:
    OPTIMIZATION HAS CONVERGED.
FEASIBLE DESIGN (ALL CONSTRAINTS SATISFIED).
    OptiStruct also reports error messages if any exist. The file fins_opt.out can be opened in a text editor to find details regarding any errors. This file is written to the same directory as the .fem file.
  9. Click Close.

結果の表示

最適化された形状での温度のコンタープロットをHyperViewで確認する方法を以下に示します。

  1. OptiStructパネルで、HyperViewをクリックします。
  2. Load Resultsパネルで、Model欄とResults欄の両方にfins_opt_s1.h3dファイルを読み込みます。
  3. Applyをクリックします。
    解析および最適化結果の両方が含まれる.h3dファイルが読み込まれます。
  4. Results Browserで、Iteration 0を選択します。
  5. ResultsツールバーでresultsContour-16をクリックし、Contour panelを開きます。
  6. Result typeをGrid Temperatures (s)に設定します。
  7. Applyをクリックします。
    アルミ製フィンの初期温度分布コンターが表示されます。
  8. Results Browserから、最終反復計算を選択します。
  9. Contour panelで、Result typeをShape Change (v)に設定してください。
  10. Applyをクリックします。
    最終反復計算における最適化された形状が読み込まれます。
  11. Result typeをGrid Temperatures (s)に設定します。
  12. Applyをクリックします。
グリッド温度のコンタープロットが最適化形状に重ねて適用されます。
図 2. 元の設計の温度分布

os_5090_final
図 3. 最適化設計の温度分布