Инструмент: IOSO NM + Pro/Engineer + ANSYS ICEM CFD + ANSYS CFX
Кейс по оптимизации: «Многокритериальная оптимизация геометрии автомобильного багажника: аэродинамика и объём» / «Multi-objective Geometry Optimization of Car Bag: Aerodynamic Drag and Volume»
Отрасль
Автомобильная промышленность. Проектирование навесного оборудования для легковых автомобилей — автомобильных боксов на крышу (roof cargo box / car bag).
Задача
Найти оптимальную геометрию корпуса автомобильного бокса на крышу, обеспечивающую одновременно два конкурирующих критерия:
- Минимизация аэродинамического сопротивления (Fx → MIN) — снижает расход топлива при езде
- Максимизация объёма (S → MAX) — увеличивает полезную вместимость
Скорость обдува: V = 50 м/с. Переменные: геометрия корпуса, 4 параметра.
Исходные ограничения и сложности
- Задача принципиально двухкритериальная с противоречивыми целями: более обтекаемая форма с низким сопротивлением, как правило, имеет меньший объём, и наоборот — широкий вместительный бокс создаёт большое лобовое сопротивление
- Для каждой итерации требовался полный цикл: перестроение параметрической геометрии в Pro/Engineer, автоматическое создание расчётной сетки в ANSYS ICEM CFD и CFD-расчёт обтекания в ANSYS CFX — то есть цикл из трёх последовательных программ
- Необходимо было не найти одну «лучшую» точку, а построить весь фронт компромиссных решений Парето, чтобы конструктор мог осознанно выбирать между вместимостью и аэродинамикой
Подход и решение
IOSO NM управлял полностью автоматизированным трёхэтапным вычислительным циклом:
- Pro/Engineer — параметрическое изменение геометрии бокса по вектору переменных от IOSO (жёлтые параметры — переменные, красные — постоянные)
- ANSYS ICEM CFD — автоматическое построение расчётной сетки вокруг новой геометрии
- ANSYS CFX — CFD-расчёт аэродинамики, получение значений Fx и S
- Результаты возвращались в IOSO NM для обновления аппроксимационной модели и генерации следующей точки
Результаты
За ~200 вызовов расчётного цикла IOSO построил фронт Парето из 20 точек, охватывающий весь спектр компромиссных решений между аэродинамикой и вместимостью:
| Точка Парето | Аэродинамическое сопротивление Fx | Объём S |
|---|---|---|
| N1 (минимум сопротивления) | 2,28 | 51 650 |
| N7 (компромисс) | 3,1 | 61 432 |
| N11 (компромисс) | 3,85 | 71 470 |
| N13 (компромисс) | 5,36 | 75 967 |
| N20 (максимум объёма) | 9,63 | 77 135 |
Диапазон найденных решений:
- Аэродинамическое сопротивление варьируется более чем в 4 раза (от 2,28 до 9,63)
- Объём варьируется более чем в 1,5 раза (от 51 650 до 77 135)
Для каждой точки Парето ANSYS CFX предоставляет детальные картины распределения скорости и давления вокруг корпуса бокса, позволяющие физически понять характер обтекания для каждого компромиссного решения.
Ценность для заказчика
- Конструктор получает не одно «оптимальное» решение, а полную карту компромиссов между аэродинамикой и вместимостью — 20 точек Парето с детальной геометрией и CFD-картинами для каждой
- Полностью автоматизированный цикл из трёх разных программ (Pro/Engineer → ANSYS ICEM CFD → ANSYS CFX) работает без участия человека на каждой итерации
- При ручном переборе геометрий инженер мог бы исследовать единицы вариантов; IOSO исследует пространство из 200 расчётных точек и строит оптимальный фронт
- Подход демонстрирует универсальность IOSO: он одинаково эффективно работает как с авиационными двигателями, так и с потребительскими товарами — любой задачей, где есть параметрическая геометрия и расчётный код
