基于AIPOD的船舶结构优化设计
一、背景介绍
随着航运业的快速发展，船舶的性能要求日益提高，尤其是在安全性、经济性和环保性方面。传统的设计方法往往依赖于经验和试验，效率低下且成本高昂。因此，仿真优化在现代船舶设计中的作用越加突显，采用计算机仿真技术进行结构优化成为一种趋势。
01 安全性
在传统船舶仿真设计中结构参数的选取往往依赖于规范及工程师经验，此方法往往会造成有些区域设计强度冗余偏大，有些区域设计强度不足的情况；在传统设计中工程师凭自身经验对强度不足的区域进行补强设计往往既耗时又费力，最后仍然无法得到一个最优的设计方案。
但通过优化仿真的设计方法，优化软件及优化算法可以快速帮助工程师针对结构中强度不足的设计方案进行优化和完善，并提供给工程师工程师一个强度最佳的设计方案，来满足船舶设计安全性的需求。
02 经济性
在传统的船舶设计方法中，面对减重设计来提高船舶建造的经济性，也基本依赖于工程师的经验；对于船舶复杂的结构，再加之每个结构又关联多向的复杂参数，仅靠人工完成多维参数结构减重优化，效果往往并不显著；
但通过优化仿真的设计方法，优化软件及优化算法可以快速评估设计参数中影响目标设计重量的重要参数，并在满足设计安全性的前提下，针对重要参数及其它参数进行多维参数优化，最终提供给工程师一个既满足安全性又满足经济性的设计方案。
二、工程描述
图1
图2
● 本案例船舶结构优化模型如图1所示；此模型为宽25m，长50米，厚15mm钢板。钢板右端做刚固约束，钢板左端施加向左共计65625kn的节点力；
● 如图2所示，钢板正中间开孔6mX6m；开孔4个角上宽度方向800mm，长度方向2000mm范围为角隅的倒角范围；
● 本案例中模型结构为上下对称，故选取图2中开孔上半部分左右各一个角隅的形状作为优化对象；在每个角隅上，分别用5个坐标点10个参数变量来控制角隅形状的变形；本案例设计输入变量共计为20个；本次优化的目标变量为开孔角隅处的单元应力值达到最小化。
三、操作流程
01 结构参数化建模及网格划分
本案例模型采用FEGate For Ship（以下简称FFS）软件作为参数化建模及网格划分的仿真工具；
图3
通过FFS软件内置的脚本工具，编写本案例模型的建模脚本；
自动实现：几何点创建→几何线创建→几何面创建→自动划分面网格→自动网格重算；如图4所示；
图4
02 优化流程搭建
a. 新建优化项目
启动AIPOD优化软件，新建优化项目名称，进入AIPOD优化流程界面，开始新建优化流程；如图5所示；
图5
b. FEGate前处理节点配置
采用批处理的方式，添加一个FEGate执行节点进入流程，并命名为“FEGate前处理”；如图6所示；
图6
● 节点信息配置
图7
点击加入的FEGate前处理节点，进入节点配置界面；在命令一栏写入调用FEGate软件的批处理命令；针对本案例而言，写入命令流为：
"C:\Program Files\SVD\FEGate\5.0\bin\FEGate50.exe" -batch "D:\WYX\FEGATE_Model\Optimization\Corner_AIFEM\auto_mesh_new.sl"；其中第一个引号部分为FEGate程序的完整路径，第二个引号部分为FEGate参数化模型脚本文件；
● 节点文件配置
图8
因为FEGate前处理节点是通过FEGate脚本程序自动完成参数化建模，固本节点的输入文件为2个；一个为FEGate脚本文件auto_mesh_new.sl，一个为FEGate模型输入文件base_fine25.inp；完成自动化参数建模后，本节点的一个输出文件为base_output.inp；点击上传文件，分别上传以上2个输入文件和1个输出文件；
● 节点变量配置
本案例需要对脚本文件中的参数进行变量关联；点击auto_mesh_new.sl 文件一行的写入按钮，进入脚本文件；选中所需要的分隔符，对脚本中涉及的参数进行分割提取；如图9所示；
图9
右键点击文本中需要关联变量的参数，选择[关联输入变量]>[新建并关联]，依次填写该变量的各项参数并完成创建；如图10所示；依此方法，完成案例中所有20个输入变量的创建；
图10
03 AIFEM求解配置
在工具箱CAE组件中，找到AIFEM工具，点击加入到流程中；如图11所示；
图11
● 节点文件配置
图12
选择FEGate输出的模型文件base_output.inp作为此AIFEM节点的工程文件上传，选择AIFEM的计算结果文件base_output.h5作为结果文件上传；
● 节点变量配置
如上图12所示，在结果文件一行，点击变量解析，提取结果中的最大应力值并关联输出变量；依次点击[Field Output]>[static_analysis]>[Frame-1]>[S]>[MISES]>[MAX]找到最大应力对应的解析值，右键新建并关联输出变量；如图13所示；
图13
04 连线设置
依次创建连接：输入参数→FEGate前处理→AIFEM→输出参数；点击FEGate前处理与AIFEM之间的连线，创建由FEGate前处理至AIFEM节点间的文件传递，如图14所示；
图14
05 新建优化问题
计算流程配置完成后，点击[新建优化问题]，输入问题名称点击确定；如图15所示；
图15
创建优化问题后会自动调至优化问题界面，在此界面中需要添加目标变量及约束条件；本案例中不包含约束条件，在此我们将Max_stress设置为目标变量，优化类型为最小化；如图16所示；
图16
06 提交任务优化
优化问题创建完成后，点击[新建优化任务]，开始优化任务的创建；本案例中选用SilverBulllet算法进行优化，评估次数选择300次，启用初始设计，打开忽略错误算例，关闭边界突破；如图17所示；
图17
四、优化效果
如图18所示，展示了本次优化案例中的部分过程案例；从图中可以直观的看到，AIPOD软件自研的SilverBullet算法在寻找优化方向中的演进过程；因为SilverBullet算法本身在小样本集上快速寻优的特性，在船舶结构优化上可大大缩短优化时间，提高优化效率，避免计算资源的浪费；
图18
如图19所示，本次案例初始设计的最大应力为328Mpa，最终优化方案的应力值为199Mpa，优化提升约40%。
图19
图20
五、软件介绍
01 AIPOD
AIPOD是天洑软件自主研发的一款智能优化设计软件，专为解决工业设计领域的能耗更少、成本更低、重量更轻、散热更好、速度更快等优化问题而生。针对设计仿真流程自动化程度不足及数值模拟成本高昂的痛点，软件巧妙融合了人工智能技术，运用自研的智能代理学习和智能优化策略，实现了设计优化的高效与精准。软件简单易用的操作界面和出色的优化效果，让设计团队得以从繁重的数值模拟中解脱出来，更加聚焦于产品设计，助力设计团队迅速探索出更加卓越的产品设计方案。
02 FEGate For Ship
FEGate是由韩国RaonX开发的船舶海工领域专用的有限元前后处理软件；针对船舶行业特点于行业规范，内置船舶海工专用有限元处理工具。可以实现数百万网格的轻松控制，通过各类自动化、行业定制化工具与功能，很大的提高有限元前后处理效率。
03 AIFEM
AIFEM是天洑软件自主研发的一款通用且智能结构仿真软件，集成“结构静力、动力、传热、拓扑优化”等多个学科的求解功能。通过高效的前后处理工具与高精度的自研有限元求解器，AIFEM帮助用户迅速评估结构力学性能，优化结构设计，加速产品设计迭代。
