Isight(2) - Isight与Abaqus联合进行工字梁DOE设计
实验设计（DOE）是一种科学、高效和系统的试验方法，能帮助研究人员通过最少的实验次数找到复杂问题的优化解决方案，即找到系统的最优设计变量组合。本文使用Isight联合Abaqus进行工字梁的DOE设计。
1. 问题描述
1.1 初始设计
如图所示的工字梁，工字梁横截面上下对称。
在初始设计中，梁高 Beam_Height=50mm；翼板宽度 Flange_Width=20mm；翼板厚度 Flange_Thickness=2.5mm；腹板厚度 Web_Thickness=2.5mm。梁长度为 400 mm。
工字梁的右端固定，左端受到沿Y轴负向的10000N 载荷作用。初始设计中，梁右端的最大位移为 13.93mm。
1.2 DOE 设计
现要求对工字梁的几何尺寸进行 DOE 设计，寻找最优的尺寸设计变量组合，以最小化工字梁的最大位移。梁长度固定为400mm，改变工字梁横截面尺寸，有 4 个设计变量，如下：
40.0 ≤ Beam Height ≤ 80.0 (mm)
1.0 ≤ Flange Thickness ≤ 5.0 (mm)
10.0 ≤ Flange Width ≤ 50.0 (mm)
1.0 ≤ Web Thickness ≤ 5.0 (mm)
2. Abaqus 设置
要完成Isight与Abaqus 联合，需要在Abaqus中对初始设计进行仿真分析，以获得相关尺寸参数和位移输出结果。
2.1 几何建模
使用拉伸实体创建工字梁，横截面的尺寸在 Abaqus 的草图模块中定义为参数。
2.2 位移输出
在场输出中，请求位移输出。对于初始设计，最大位移为 13.93 mm。
3. Isight 设置
3.1 启动 Isight
在开始菜单中点击“Design Gateway”启动 Isight。
3.2 路径设置
由于 Isight 中是进行参数优化，每组参数都会产生一组模型和结果。随着参数数量的增多，模型和结果的文件会相当庞大。因此在开始 Isight 模型配置前，建议先设置好工作目录和运行目录。
3.2.1 工作目录
在菜单的【Eidt】下打开【Preferences】，设置【工作目录(Working Directory)】，这个是zmf文件保存位置。zmf 文件是Isight 的模型文件，类似于 Abaqus 的 cae 文件。
3.2.2 运行目录
在菜单的【Eidt】下打开【Model Properties】，切换到【Execution】，设置【模型运行目录(Model runtime directory)】，这个是模型在运行计算时所产生的文件的保存位置，若不设置则默认在C盘。该目录要特别注意，如果磁盘空间太小，有可能会使得计算中止。
3.3 模型配置
3.3.1 Abaqus 配置
1. 点击【Application Components】，找到 Abaqus 图标，然后点中将其拖到“Begin”与“End”的连线上，即可将 Abaqus 引入到仿真流程中。
2. 在 Abaqus 图标上右键，点击【Edit】，以进行 Abaqus 模型配置。
3. 在“Component Editor-Abaqus”对话框中，切换到【Execution】，配置Abaqus 命令。
4. 切换到【Input】，定义设计变量。
5. 选择Abaqus中创建的初始设计模型文件。
6. 点击【Read File】读取 .cae 模型数据。注意，读取该模型数据时， cae 文件必须是关闭状态的，即没有在 abaqus中打开该文件。
7. 数据读取完成后，cae 文件中的参数自动在 Isight中读入。这些参数包括：1）几何尺寸；2）材料参数；3）边界条件；4）载荷等。能够读取到这些数据，说明这些数据都可定义为参数。此处仅将几何尺寸定义为参数，因此选择如下4个参数，对应4个设计变量。
8. 点击【Apply】完成输入设置。
9. 切换到【Output】，定义目标变量。
10. 选择Abaqus中初始设计模型的结果文件。
11. 点击【Read File】读取 odb 结果数据。
12. 数据读取完成后，odb文件中的参数自动在 Isight中读入。参数的多少取决于 odb 文件有多少参数。可以读入应力、应变、位移等。此处选择【Step-1_gst_U_mag_max】，即最大位移。
13． 点击【Apply】，完成输出设置。
3.3.2 DOE 模型配置
1. 点击【Process Components】，找到 DOE 图标，然后点中将其拖到 “Task1”上。
2. 在 DOE 图标上右键，点击【Edit】，以进行 DOE 模型配置。
3. 在“Component Editor-DOE”对话框中，切换到【General】。
4. 选择【Optimal Latin Hypercube】DOE技术。
5. 【Number of Points】输入31，即对4个设计变量，共运行 31 组设计变量组合。最小运行次数定义
(N+1) * (N+2)/2=(4+1)*(4+2)/2 = 15
N 为设计变量数。因此，15次应当是最小的运行次数。建议将最小值翻倍；额外的设计点将有助于拟合、保真度、探索和使用数据挖掘。
6. 勾选【Execute DOE design points in parallel】以开启并行计算，即同时计算多组设计变量组合。
7. 切换到【Factors】，设置设计因子。
8. “Relation”切换到【Values】，使用值来定义设计变量范围。
9. 通过上下边界，定义每个设计变量的范围。
10. 前面【Number of Points】设置为31，因此每一个设计变量，有31个值。例如对于【Web_Thickness】设计变量，在1.0到5.0之间，匀布了31个值。
11. 切换到【Design Matrix】，查看对于DOE技术和设计因子设置所生成的设计矩阵。
12． 点击【Generate】，生成设计矩阵。
13. 设计矩阵如图所示，前面【Number of Points】设置为31，因此有31组设计变量组合。注意，使用不同的DOE技术，得到的设计矩阵是不一致的。
14. 切换到【Postprocessing】，定义设计目标。
15. 在“Objective”项选择【minimize】，即设计目标为最小化最大位移。
16. 完成DOE设置后，右键DOE，点击【Run Component (DOE1)】运行DOE分析。
3.4 DOE 后处理
在运行 DOE 分析时，会弹出“Runtime Gateway”，这是 Isight 的后处理。
3.4.1 最优设计变量组合
如图所示，在“Runtime Gateway”的【History】项，会罗列出每一组设计变量组合的运算结果，并对最优的设计变量组合，以绿色底色标示出来。从计算结果可以看到，通过 DOE 设计，最大位移由初始的 13.93mm，降低到 2.29mm。此时梁高度Beam Height=68mm，翼板厚度Flange Thickness=4.87mm，翼板宽度Flange Width =44.67(mm)，腹板厚度Web Thickness=3.53mm。
（特别注意，2.29mm 是这31组设计变量组合的最优解，但并不一定是所有设计变量在其要求范围内的最优解）
3.4.2 帕累托图
帕累托图 (Pareto chart) 是将出现的质量问题和质量改进项目按照重要程度依次排列而采用的一种图表。
1. 在“Runtime Gateway”中切换到“Graphs”，可以对计算结果进行绘图，以更好的理解设计变量对目标的影响。
2. 选择【Pareto Graph】，以创建帕累托图。
3. 由帕累托图可知，梁的高度 (Beam_Height) 设计变量，对最大位移的影响最大，增加其值可以降低最大位移值。
4. Beam_Height – Flange_Thickness，表示改变这两个设计变量，对最大位移结果有重大影响。
3.4.3 主效应图
主效应图可以直观的显示设计变量对目标的影响。
1）由黑色曲线可知，在梁高度(Beam_Height) 值较小时，随着梁高度的增大，最大位移急剧减小。但增大到一定值时，最大位移又开始上升。
2）翼板宽度(Flange_Width) 和翼板厚度(Flange_Thickness) 对最大位移的影响与梁高度类似，如绿色曲线和蓝色曲线所示。
3)由粉色曲线可知，腹板厚度(Web_Thinckness) 的变化对最大位移的影响不是很明显。
4. 总结
利用 Isight 与 Abaqus 的联合分析，可以对工字梁进行设计实验（DOE）研究，从而有效降低工字梁的最大位移。通过帕累托图能够识别出对目标影响最大的设计变量，而通过主效应图，则可以清晰地观察目标值随设计变量变化的趋势。这些分析结果为设计变量的优化调整指明了方向，有助于获得最优解，进一步改进产品设计，提高性能。
