作者 | Ma Bin经常使用CST内置优化器的读者可能在CST2023版本中就已经发现我们增加了一个Non-Parametric Optimizer即无参数优化器。但是一般情况下它都是默认置灰状态只有当选定特定的求解器和算法之后它才可以被选择。本篇文章就给大家介绍一下如何使用无参优化器。首先CST的无参优化器必须要用到另一款优化软件——Tosca。Tosca是一款专门用于无参数优化的软件它可以对复杂的结构进行拓扑、外形和条纹优化得到更加轻量、坚固、耐久的结构设计。举个例子对于奥迪A8的稳定杆连接杆由于前轴的变化连接杆不再满足刚度要求使用Tosca对外轮廓进行优化可以减少30%的应力但是如果仅仅是修改外轮廓半径最多只能减少18%的应力。很明显放大了优化的变量自由度就会得到更多可能的优化结果。我们用一个简单的结构优化的例子带大家了解Tosca可以想象如果把电磁结果作为优化目标去优化结构设计是否也可以行得通呢CST给的答案是YES。在CST中创建一个简单的矩形波导和圆波导然后用Loft工具将它们连接起来Smoothness设置为0.1。优化区域是中间的连接区我们希望这段波导在11GHz-20GHz内S11尽可能的低参数优化的做法就是将0.1用一个变量替代然后选择合适的优化算法对变量进行优化迭代。但是在无参优化中不需要参数化也可以进行结构优化。常规地在两端设置波导端口然后背景材料改为PEC因为这三段solid我们设置是的Vacuum。为了加速仿真我们在边界条件中设置合适的对称面。然后我们选择求解器一定要选择F-solver然后在Method中选择Fast reduced order model。Frequency中不需要设置其他频点因为我们关注的仅仅是一个宽带的S参数。网格自适应建议不勾选会影响迭代速度但是前提是全局网格局部网格加密之后模型的网格质量是良好的。在选择了F-solver之后我们左边的导航树中会出现一个新的“树干”Design Space也就是我们要进行无参优化的区域。在定义Design Space之前我们先利用ShiftF选中波导过渡区的表面然后右键Design Space选择“New Design Space for Shape Optimization”就完成设置了。图中绿色部分就是我们定义的设计空间无参优化也就是在这个空间上进行而不会修改矩形波导和圆波导。当然这个步骤也可以反着来先选择“New Design Space for Shape Optimization”再去选择面完成定义。一般在定义完Design Space之后用户还可以对它设置对称约束和形状约束。在本例中因为之前已经设置了边界条件电对称和磁对称这里就不用再设置了。最后需要设置我们的优化目标点击Non-Parametic Optimizer之后会弹出下面的对话框。在①处我们需要将路径指向Tosca安装文件下的win_b64文件夹这个只需要设置一次。然后我们在Type处选择S-Parameter点击Add response打开Define S-Parameter Design Response对话框。依次设置我们需要优化的结果、频率范围和目标然后点击OK完成设置。最后点击Start启动优化。在Messages窗口中可以查看优化的过程一个design cycle代表运行了一次CST和一次Tosca。运行完成之后可以在对应的工程目录下看到Project name_tosca的文件夹。这个文件夹内包含了我们优化的所有结果。比较重要的两个文件夹1.SAVE.cst文件夹内包含了我们优化过程中每次迭代的.cst文件并且有对应的.inp文件2.TOSCA_POST文件夹内包含了Tosca的所有输出其中我们可以用Tosca View打开project name_tosca_ALL_ELEMENTS_report.vtfx文件查看优化过程和目标曲线等结果。从000开始到016结束一共有17个结果可以查看目标函数曲线和优化过程。从上面的优化目标曲线可以看出008的优化函数值是最小的再往后优化反而变差了。那我们就取一些特殊的cycle中的.cst文件来仿真看下具体S参数结果。从下图可以看出007/008/009的结果都比较好008可能总体而言更优一些。但016明显要差一点所以我们基本可以判定007/008/009这三个cycle对应的形状就是最好的。注意这里计算的结果都是在CST的无参优化器对话框中点击Verify得到的结果它会找到Tosca输出的网格文件然后再计算。点击Verify虽然可以拿到一个优化结果但是它仅仅是个网格我们还需要把它对应的CAD文件导出来才算是真正的得到了优化后的形状。利用Tosca Structure.Smooth可以把008对应的.stl文件导出来再导入CST进行一些模型操作就可以得到最终的三维模型。最后仿真得到三维实体下的S11结果并把初始结果Verify结果放在一起对比。可以看到008-verify和008-stl的结果有些不同这是因为CST和Tosca具有不同的平滑函数并且导出的.stl格式由简单的三角面元构成表面不够平滑所以这两个结果存在差异。一种改进的方式是将Design Space区域的网格再剖分的细一些。这就是CST的无参优化器整个优化过程用时19分钟效率和结果都是令人满意的。那它是怎么实现的呢下图就很清晰的揭示了Tosca的优化原理就是根据优化目标函数去移动网格节点最后形成一个新的形状。小结1.Tosca和CST都是达索旗下的软件打通软件壁垒才能为用户提供更好的服务后续还将介绍CST和Abaqus软件的一些联合仿真。2.无参优化器目前适用的求解器是F-solver、E-solver和LF-solver具体可以查看Help文档。3.Design Space只能是一个表面。4.在设置Design Space时最好设置对称约束不仅仅可以加速迭代更多是保持电磁的对称美。5.Verify的结果是由网格得到的它没有对应的三维实体如果用户后续要加工模型还是参考.stl导入后计算的结果比较好。6.无参数优化更多的是为用户提供一个模型优化的思路模型形状到底往哪个方向发展是对电磁结果最优的有时可能需要调整设置后多进行几轮优化才能得出一个最好的结果。【相关内容】CST 网格奇异点、畸形单元排查CST 删除自由边重叠面无效几何体CST 导电胶、电阻薄膜材料参数定义