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。

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。

os_5090_model
図 1. モデルの概要
この最適化問題の設定は以下のとおりです；
目的関数
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。モデルファイルへのアクセスをご参照ください。
  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。

最適化の応答の作成

  1. Analysisページからoptimizationをクリックします。
  2. Responsesをクリックします。
  3. 設計空間の体積率を定義する体積の応答を作成します。
    1. responses=欄に、volumeと入力します。
    2. response typeの下で、volumeを選択します。
    3. regional selectionをtotalとno regionidに設定します。
    4. createをクリックします。
  4. 温度応答を作成します。
    1. response=欄にtemperatureと入力します。
    2. response typeをtemperatureに設定します。
    3. nodes > by idをクリックし、id=欄に2450と入力します。
    4. createをクリックします。
    節点2450における温度の応答が作成されます。
  5. returnをクリックし、Optimization panelに戻ります。

設計制約条件の作成

  1. dconstraintsパネルをクリックします。
  2. constraints=欄にvolと入力します。
  3. response =をクリックしvolumeを選択します。
  4. upper boundの横のボックスにチェックマークを入れ、1.0e-5と入力します。
  5. createをクリックします。
  6. returnをクリックし、Optimization panelに戻ります。

目的関数の定義

  1. objectiveパネルをクリックします。
  2. minが選択されていることを確認します。
  3. responseをクリックし、temperatureを選択します。
  4. 荷重ステップセレクターを使って、heat transfer subcaseを選択します。
  5. createをクリックします。
  6. returnを２回クリックし、Optimization panelを終了します。
節点2450における温度の最小化の目的関数が生成されます。

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。

最適化の実行

  1. AnalysisページからOptiStructをクリックします。
  2. save asをクリックします。
  3. Save Asダイアログで、OptiStructモデルファイルを書き出す場所を指定し、ファイル名としてfins_optと入力します。
    OptiStruct入力ファイルには、拡張子 .femが推奨されます。
  4. Saveをクリックします。
    入力ファイル欄には、Save Asダイアログで指定されたファイル名と場所が表示されます。
  5. export optionsのトグルをallにセットします。
  6. run optionsのトグルをoptimizationにセットします。
  7. memory optionsのトグルはmemory defaultにセットします。
  8. OptiStructをクリックして最適化を実行します。
    ジョブが完了すると、ウィンドウ内に次のようなメッセージが現れます：
    OPTIMIZATION HAS CONVERGED.
FEASIBLE DESIGN (ALL CONSTRAINTS SATISFIED).
    エラーがある場合、OptiStructはエラーメッセージも出します。エラーに関する詳細は、テキストエディタでファイル fins_opt.outを開いて確認することができます。このファイルは同じディレクトリ内に.femファイルとして書き出されます。
  9. Closeをクリックします。

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ブラウザで、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ブラウザから、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。

os_5090_final
図 2. 元の設計の温度分布


図 3. 最適化設計の温度分布