美国西北大学采用HyperWorks开展工程设计优化计算方法的教学实践
本文摘要（由AI生成）：
本文概述了西北大学机械工程学院IDEAL实验室的研究和教学活动，聚焦于数值优化技术和统计学方法在工程设计中的应用。实验室通过引入HyperWorks软件，开发了多门计算设计课程，帮助学生掌握先进设计工具。文章还介绍了冲压模具设计和卡车车架优化等教学案例，展示了学生应用所学知识解决实际问题的能力。此外，Altair奖学金计划支持了西北大学的教学和学术活动，促进了学校与企业的交流合作。
项目介绍
西北大学坐落于美国伊利诺州埃文斯顿市，作为一所一流的研究型学府，它为全校师生提供了学术深造、个人成长和专业发展的绝佳机会。在Chen Wei博士、教授的带领下，机械工程学院集成设计自动化实验室 (IDEAL) 重点研究如何基于数值优化技术和统计学方法开发合理的设计方法，从而用于解决工程设计和产品实现等复杂问题。问题的复杂性体现在多个方面，例如大量的物理关联单元、设计仿真过程的复杂度和计算成本、不同抽象层间信息的非均匀性、多方原因造成的不确定性、冲突目标的跨学科协调，以及把握社会-技术联系的难度。为解决上述问题，可以利用强大的拓扑和外形优化技术，事先对制造过程失准可能导致的载荷、材料属性或几何形状变化进行分析。长期以来，集成设计自动化实验室参与开发了涵盖工程优化、计算分析、高级计算和统计方法等产品与流程设计方法的工程设计类课程以及相关的高年级顶点课程。
挑战
目前，建模、仿真和优化等计算设计方法开始在工程设计决策中发挥越来越重要的作用。创建和分析多套设计方案是工程设计的一大特点，而从众多设计方案中选出优先方案则是其中的一项必做工作。如果不借助计算方法，则很难甚至是不可能选出优先方案。
因此，让工程设计专业的学生认识了解计算工具是至关重要的，利用这些工具，他们可以对所参与的设计项目做出更合理、可靠的设计决策。就工程设计课程而言，讲授如何采用设计决策方法来解决工业问题已成为当务之急。通过工业项目的实践，工程专业的学生可以掌握必备的实践经验，从而便于在日后工作中解决实际的设计问题。另外，通过在研究生阶段教授这些工具的应用，学生将可以利用高级计算技术来解决学位论文或专题研究中的问题。
解决方案
日前，西北大学已将HyperWorks OptiStruct和HyperStudy优化软件应用于多门工程设计课程中。其间，机械工程学院集成设计自动化实验室(IDEAL)参与开发了四门计算设计类课程。其中，“工程设计的计算方法”(Computational Methods for Engineering Design)为高年级本科课程和低年级研究生课程，被列为机械工程学院和“西格设计学院”(Segal Design Institute)的跨学科交叉课程。“产品设计与制造的工程优化”(Engineering Optimization for Product Design and Manufacturing)是第二门跨学科交叉课程，专门面向低年级研究生而开设。第三门课程是“工程设计”(EngineeringDesign)，为高年级顶点设计课程。第四门课程是“高级工程计算与统计方法”(Advanced Computational & Statistical Methods for Engineering)，以研究生为授课对象，重点研究优化计算方法，要求学生在本科阶段具备相关基础。引入上述课程之前，计算设计并未纳入西北大学的工程类课程计划。随着上述课程的引入，由企业主办的众多设计项目陆续展开，并随即推出一系列计算设计教程。下面介绍其中两个教程。
教程1：冲压模具设计
在这一设计教程中，学生就汽车冲压模具系统中压铸型压边圈部件的最优设计方案展开了探讨。经研究发现，原有的压边圈无法成功压合，但采用传统方法创建轻质设计又不足以解决问题。为创建更好的设计方案，学生采用 OptiStruct进行了分两步完成的拓扑优化分析和尺寸优化分析。
这次教程的目标是尽可能减少体积（从而减重），同时使部件达到容许应力并符合制造约束条件。
第一个优化步骤是，采用拓扑优化方法来最大程度地减小压边圈材料中某块选定体积的柔性度。第二个优化步骤是，最大程度地减小压边圈的重量，同时确保可承载最大应力并符合压边圈壁厚要求。经过以上两个步骤，学生最终得到了一个壁厚统一为30mm的压边圈设计，并尽可能做到了轻量化。
冲压模具失效
压边圈模具的优化结果
教程 2：卡车车架优化
在这一设计教程中，学生就包含前后横梁和叉形杆件的部分车架前端结构进行了评估。
该教程提供了该部分结构的网格划分几何，并在其中施加了真实行车情况下的载荷与边界条件。
其间，学生采用OptiStruct对优化后的车架结构几何进行了计算。经过拓扑优化，叉形杆件中心附近的车架材料得以被移除。之后，学生进行了尺寸优化，最终得到了厚度为6mm的叉形杆件和厚度为7mm的最优横梁结构。
卡车车架优化
上：原有自行车曲柄设计 下：拓扑优化结果
结论
从2008年起，Altair开始面向其在美国的高校客户推行奖学金计划，旨在建立专注于HyperWorksCAE软件教学与科研应用的区域性技术中心。这一奖学金计划为优秀学生的培养提供了有力支持，并促进了HyperWorks在学术课程中的应用。作为这一计划的一部分，Altair携手各获助高校联合举办每半年一次的专题研讨会，重点围绕学校师生及当地企业所展开的成功案例进行探讨。作为首个获得Altair奖学金赞助的高校，西北大学重点扶持集成设计自动化实验室，面向研究生教授计算优化领域的课程。在一次设计大赛上，这些学生的项目得以成功亮相，表现十分抢眼。赛中，每位学生都必须将所解决的设计问题、所用的方法、最终结果以及视觉图在一张海报大小的大型展示板上作出简要描述和勾勒。
