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The Smart Global Optimization Technology

SmartDO 電子報 2012/06/20 : 使用SmartDO進行波浪發電機(Wave Energy Converter)之結構最佳化設計


前言

本期之電子報, 介紹結合SmartDO與ANSYS進行波浪發電機(Wave Energy Converter)之結構最佳化設計. 在本例中, 原始設計之最大應力遠大於容許應力, 重量約為三噸. 經SmartDO最佳化設計後, 其應力降至容許應力以下, 其波浪能量轉換能力不受影響,  而其重量減少約 19%.

本文內容部份由工研院綠能所提供, 敏感資料已移除, 特在此致謝.



問題描述

本研究之對象, 波浪發電機(Wave Energy Converter). 波浪發電機為一尺寸龐大之結構物, 高度約可達7公尺. 其外型如圖1所示, 大致分為浮體(Buoy)及壓波板(Wave Press Board). 其中壓波板用鋼索固定於海底.浮體因受波浪之作用,產生與壓波板之上下相對運動.  發電之機制, 即為將此上下相對運動之動能轉換成電能. 圖2所示為波浪發電機(Wave Energy Converter)之內部結構分解.
   

Wave Energy Converter
圖1 波浪發電機(Wave Energy Converter)之基本構造

Wave Energy Converter
圖2 波浪發電機(Wave Energy Converter)之內部結構分解

由於波浪發電機承受反覆之波浪衝擊, 固其結構體容易受損. 為確保結構體之可靠度, 須以CAE做波浪浮體及應力分析. 本研究採用ANSYS AQWA計算特定波浪條件下之浮體運動行為,再利用ANSYS Workbench將AQWA計算之結果傳遞至ANSYS Mechnical以進行結構應力分析, 如圖3所示.
ANSYS AQWA + Mechanical
圖3 使用ANSYS Workbench結合AQWA及Mechanical

完成AQWA/Mechanical之整合分析後, 使用SmartDO, 針對設計變數作聯結與參數化, 再進一步結構之最佳化設計. 進行波浪發電機之結構設計時, 須同時考慮以下因素
  • 不可過度改變發電機之流體動力特性. 例如結構體重心位置不可過度改變,且整體重量應該更輕或至少不會更重(較輕之結構物可使發電機制分配到更多之波浪浮力)
  • 應力必需低於容許值
  • 所使用鋼板厚度種類最好不要太多種, 以降低材料及製造成本.

最佳化模型建立(Design Optimization Modeling)
將上述之有限元素法模型參數化, 並在ANSYS MADPL中以作成batch執行檔, 即可快速地與SmartDO進行整合. 在此研究中, 綜合上述之設計要求, 將此最佳化設計之數學模式定義為
Find :             DV1, DV2, DV3, DV4, DV5, DV6, DV7, DV8 (8組鋼板厚度)
To Minimize :  結構總重
Subjected To:   -10cm < 結構重心位置改變 < 10 cm
                       最大應力 < 260 MPa


最佳化設計結果
經SmartDO與ANSYS優化計算後, 設計結果如下
  • 結構總重:降低約19%
  • 最大應力:由507MPa降低至260MPa
  • 重心高度:升高約7cm
圖4所示為SmartDO在進行最佳化過程中, 目標函數(Weight, 此處為結構總重)及正規化最大束制值(VMAX, 此處為最大應力及重心高度改變)之設計疊歷程(Design Iteration History)圖. 由圖中可見, 在約第 27~28次疊代時, SmartDO跳出local minimum, 找到更低的minimum. 且在疊代過程, SmartDO在降低結構重量的同時, 也快速地將設計改進以符合所有束制條件; 之後在減重的同時, SmartDO的設計點依然符合所有束制條件.這在工程設計之應用上是相當重要的特性.
Design Iteration of SmartDO
圖4 目標函數(Weight, 此處為結構總重)及正規化最大束制值(VMAX, 此處為最大應力及重心高度改變)之疊代歷程圖

結論
由上述的案例中,我們發現SmartDO不但可以穩定地快速地進行 波浪發電機/大型結構物 的減重, 並可同時保持相當性能. 該產品目前以進入實體生產階段,很快地就會正試投入實地運作. 未來我們會持續為SmartDO開發更多的Smart Global Optimization技術,也會持續在電子報堿停z介紹更多的訊息.

如您希望得到更多的SmartDO資料, 請光臨我們的網站
http://www.fea-optimization.com/SmartDO/index_c.htm






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