Private 开源智能工业软件时刻白皮书 2024
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绪论
结构是工业装备、工程设施进展使役功能的载体。瞎想位于结构创成链条的最前端，决定着结构性能的原始基因；优化则是结构瞎想的中枢宗旨和不朽地方。结构优化分为三个档次，勤俭单到复杂递次是尺寸优化、时势优化和拓扑优化。拓扑优化旨在通过求解相应的数学筹算问题以笃定瞎想域内材料（或孔洞）的最优布局，具有比尺寸优化和时势优化更大的瞎想目田度。比年来，拓扑优化不仅在装备的早期想法阶段和初步瞎想阶段进展了穷困作用，其实验应用范围也被践诺至热、声学、流体、材料瞎想和其他多物理学科。
跟着增材制造时刻的发展，拓扑优化专用软件已成为航空航天、汽车等工程装备篡改瞎想的必备器具。险些整个主流 CAE/CAD 软件均集成了结构优化及拓扑优化模块，并在关系功能的拓荒插足了穷困资源和力量。而需要指出的是，现在工业界和学术界中较为通用的结构拓扑优化软件或模块均为海外公司拓荒，且由于受限于软件底层选择的拓扑优化算法，存在短少显式几何信息、需要大批东说念主工后处理等痛点问题。
2022 年 7 月,在通达原子开源基金会带领下，成立了开源工业软件责任委员会（OpenAtom openCAX）（以下简称“工委会”），发奋于构建一个国际化的开源工业软件器具链，鼓舞我国开源生态有序发展，加快工业软件要津中枢时刻的积存和产业商用的迭代，为工业软件开源使用者、拓荒者、接洽者提供国际化磋议平台。
本白皮书的主要主义是发挥开源的配景和必要性，给出开源结构优化软件的发展想路和时刻阶梯，探索开源盈利模式。并通过先容开源集成平台，给出拓扑优化软件协同研发的具体实例。诱导和激励工业软件研发企业、作事厂商、用户企业等主体投身开源，构建通达、分享、配合的研发与应用生态，打造中国特色 CAE 软件家具化旅途。
本白皮书分为五个部分。第一部分先容结构优化引擎；第二部分先容结构优化引擎时刻旅途；第三部分先容结构优化开源框架；第四部分先容结构优化中枢时刻及上风；第部分先容结构优化软件应用决议。
一、结构优化引擎
结构优化是一种基于数学建模和筹算机仿确凿工程优化顺次，其主要想想是通过优化结构的时势和材料散布，使得结构的性能最优化[1]。在工程瞎想领域，结构优化一经被世俗应用于遨游器、汽车、建筑、机械等领域，以完毕结构轻量化、强度提高和资本裁汰等地方。
以出动可变形组件为中枢的结构拓扑优化算法，选择由显式参数形貌其几何的、约略在瞎想空间中目田出动并变形的组件算作形貌结构拓扑的瞎想基元。字据问题需求，拟选择欧拉时势下的超椭球函数或拉格朗日时势下的禁闭星形 NURBS 曲靠近组件进行形貌。
基于上述形貌，结构组件的几何参数（如长度、宽度、位置、歪斜角度等）或几何名义均可径直得到。继而，仅需通过优化这些几何参数以开动组件发生出动、变形、相交和交融等变化达到拓扑优化主义。
由于瞎想变量仅为每个组件的几何参数（三维情形下，每个组件仅有 9 个瞎想参数），优化问题求解鸿沟较传统算法将大幅裁汰。同期，利用这些几何信息，也可对结构特征尺寸、歪斜角度等制造照管进行径直戒指，况且便于后续开展与CAD 系统的无缝交融。
二、结构优化引擎时刻旅途
本软件的预期地方主要包括以下几个方面：
（1）完毕结构的轻量化、强度提高和资本裁汰等地方。
（2）提供高效、可靠的拓扑优化算法，扶持多种常见的模子文献时势。
（3）提供直不雅、浅近的用户界面，方便用户操作和理会。
（4）提供国产高质地的拓扑优化软件，裁汰工程瞎想资本。
时刻决议：基于通达式的软件架构体系，搭建戒指台分级调用的软件体系，将 CAD、CAE 和拓扑优化等模块进行深度交融与集成，买通各模块间的时刻壁垒，完毕该软件从几何模子的建立、有限元竖立及求解、拓扑优化和几何重构及光滑化等功能的好意思满交融。
算法功能：拓扑优化竖建功能、有限元文献（inp 文献）和拓扑优化文献（opt 文献）解析功能，多种高效拓扑优化算法（MMC 顺次、破碎变量顺次、变密度法等）、生成优化报酬功能。
对外接口：几何文献的创建及导入接口，有限元文献的创建及导入接口、有限元求解器接口、后处理接口（可视化与光滑化）等。
三、结构优化开源框架
主要包括应用层、中枢层、高性能筹算层、数据匹配层四个层级，算法框架图如下：
图 1.核默算法框架图
3.1 应用层Private
选择郭旭熏陶等开创的出动可变形组件顺次[2]及软件器具，已收效应用于大型客车减重优化瞎想、风机主机架减重瞎想、空间站相机一体化支架轻量化瞎想、载东说念主飞船密封舱举座壁板结构轻量化瞎想等诸多企业绩单元代表性场景。
3.2 中枢层
各模块功能具体先容如下：
（1）文献生成及查验模块：包含对有限元网格信息文献（inp）、优化信息文献（opt）关系参数的查验。有限元文献的查验主要为单元类型与后处理是否匹配，场输出、载荷、界限要求是否可求解。优化文献的查验则针对优化问题的维度是否匹配有限元网格，反映（即地方函数、照管函数）是否可求解，优化竖立是否合理，如：组件尺寸非零、组件个数非零、反映域非空等。
图 2. 文献生成及查验模块
（2）结构构型更新模块：得到优化所需信息以后，自动解析优化参数并分派内存，并在瞎想域中按用户输入生成指定数目及尺寸的组件。之后，筹算组件拓扑形貌函数和结构密度场。当组件的个数、尺寸发生变化时，其所表征结构的密度场也随之发生变化，跟着组件的出动与变形，结构构型也随之更新。
图 3. 结构构型更新模块
（3）结构分析模块：当得到通盘模子的密度场以后，通过求解有限元线性代数方程组，即可得到模子的位移场，进而得到用户所需要的反映，即地方函数值和照管函数值。
图 4. 结构分析模块
（4）智慧度筹算及优化求解模块：通过构造拉格朗日方程，求解陪同方程并期骗链式功令得到地方函数、照管函数对瞎想变量的智慧度[3]，代入 MMA、SQP 等优化求解器得到新的瞎想变量。通过反复更新瞎想变量，以达到改变结构构型并最终完毕结构拓扑优化瞎想的主义。
图 5. 智慧度筹算模块
图 6. 优化求解模块
（5）优化扫尾输出模块：当达到事先设定的敛迹要求时，优化进度闭幕，要理会自动输出优化扫尾，包括网格模子、结构拓扑、性能方针等数据，用于光滑化后处理。
3.3 高性能筹算层
（1）合资处理尺寸/时势/拓扑三类瞎想变量的高效智慧度分析发展适用于结构综协力学反映和多类型瞎想变量的通用半解析智慧度分析算法，接洽其在不同差分步长及第战术下的筹算精度、遵守、厚实性，针对不同类型地方/照管函数接洽其高效数值完毕时刻，完毕多类型瞎想变量智慧度分析的模范化。在此基础上研发具有自顺应性的智慧度分析模块。
（2）适用于单机环境的大鸿沟复杂结构反映分析的高效数值算法针对大鸿沟结构分析与优化问题，研发解耦结构形貌与结构分析的多隔离率顺次、基于 GPU 加快时刻、并行和多重网格时刻的结构显式形貌与大鸿沟疏淡线性方程求解算法，完毕机动高效的拟荷载回代求解，提倡与子结构组成树的海量数据管理及周游时刻投合资的散布式智慧度分析算法，有用擢升单机求解结构优化瞎想问题的鸿沟和遵守。
3.4 数据匹配层
系统环境：Windows10、11
拓荒环境：Visual Studio 2019
代码模范：C++14，python 3.6
硬件扶持：CPU：Intel 酷睿，内存：8G 及以上，硬盘：4G 以上。
四、结构优化中枢时刻及上风
4.1 基于出动可变形组件的结构拓扑优化算法
不同于传统优化顺次选择像素神态形貌结构拓扑，基于出动可变形组件的结构拓扑优化算法选择由显式参数形貌其几何的、约略在瞎想空间中目田出动并变形的组件算作形貌结构拓扑的瞎想基元。字据问题需求，拟选择欧拉时势下的超椭球函数或拉格朗日时势下的禁闭星形 NURBS 曲靠近组件进行形貌。基于上述形貌，结构组件的几何参数（如长度、宽度、位置、歪斜角度等）或几何名义均可径直得到。
继而，仅需通过优化这些几何参数以开动组件发生出动、变形、相交和交融等变化达到拓扑优化主义。由于瞎想变量仅为每个组件的几何参数（三维情形下，每个组件仅有 9 个瞎想参数），优化问题求解鸿沟较传统算法将大幅裁汰。同期，利用这些几何信息，也可对结构特征尺寸、歪斜角度等制造照管进行径直戒指，况且便于后续开展与 CAD 系统的无缝交融。
4.2 基于破碎变量的结构拓扑优化算法
像素点形貌的拓扑优化的数学内容曲直线性整数筹算。在序列访佛筹算框架下，将充分利用拓扑优化的数学特征，基于正则对偶旨趣拓荒出破碎变量结构拓扑优化顺次[5, 6]，得到可径直制造的“强横”瞎想。将利用该算法遵守与贯通变量顺次卓越的特色，使用合资数学筹算框架求解多照管问题。同期，明晰的“强横”结构不错方便提真金不怕火结构几何信息，进一步有用处理可制造性照管。
4.3 结构拓扑优化组件模块集成时刻
针对结构拓扑优化筹算功能研发需求，基于插件时刻动态集成结构有限元分析、优化算法库、光滑曲面重建与几何参数化、网格生成引擎、可视化等基础模块。神气接洽还将拓荒核默算法的共性接口，基于“算法+模式”想路集成结构拓扑优化中的优化模子界说、智慧度分析、密度/智慧渡过滤、MMC 等算法模块，构建算法模块与数据之间的全级别通达接口，建立机动方便的动态集成环境，扶持本神气多类篡改算法的集成与目田切换。
4.4 结构拓扑优化组件模块测考试证与应用示范
以要紧装备和家具为应用示范对象，基于研发的软件平台开展拓扑优化瞎想，对各版块软件的共性功能和性情功能进行测考试证，建立防护的测试日记和报酬并实时反馈，造成测试－研发闭环。同期，合资装备研制开展应用示范。
五、结构优化软件应用决议
该拓扑优化软件旨在治理各式复杂的工程问题，且具备可二次拓荒、可分享、可开源等特色，要点强调其他合作家不错基于本开源软件完成责任，以促进更多东说念主参与并孝敬于该神气。
本开源拓扑优化软件具有以下特色：
1. 模块化瞎想：软件选择了模块化的瞎想，使得不同的功能不错孤立拓荒和保重。这意味着其他合作家不错基于现存的模块进行扩张和更正，以餍足不同的需求。
2. 可定制化：软件提供了丰富的参数竖立和成立选项，允许用户字据我方的需求定制瞎想域、不能瞎想域、优化顺次等。这意味着其他合作家不错字据不同的应用场景和问题领域，定制化地使用本软件，从而治理各式不同类型的问题。
3. 可扩张性：软件的瞎想允许其他合作家方便地添加新的算法和功能，从而遏抑丰富软件的功能和应用范围。这意味着其他合作家不错基于现存的架构，扩张软件的功能，以餍足不同的需求。
在本开源有限元软件神气中，其他合作家不错基于本软件完成以下责任：
1. 优化算法拓荒：其他合作家不错通过在现存的模块上添加新的算法，更正现存的算法，或者瞎想新的筹算顺次，以提高软件的筹算遵守、精度和厚实性。
2. 多物理场拓荒：其他合作家不错字据我方的接洽领域和需求，基于本软件定制化拓荒适用于特定领域的算法。举例，不错基于软件的框架拓荒结构力学、热传导、流膂力学等领域的算法，从而拓展软件在不同应用领域的适用性。
3. 材料模子拓荒：其他合作家不错字据不同的材料性质和步履，拓荒新的材料模子，包括线性和非线性材料模子，以餍足不同问题的需求。这关于治理复杂的材料步履和本构关系的问题尤为穷困。
皮皮娘4. 用户界面和可视化器具：其他合作家不错通过更正用户界面和可视化器具，擢升软件的易用性和用户体验。不错基于现存的用户界面瞎想新的交互功能，完毕更友好的图形化界面，方便用户进行模子竖立、求解和扫尾可视化等操作。
5. 文档和教程编写：其他合作家不错孝敬编写文档和教程，匡助新用户快速上手使用软件，并更好地理会软件的功能和使用顺次。这关于促进软件的传播和践诺，诱惑更多用户和孝敬者参与到神气中，具有积极的影响。
6. 测试和考证：其他合作家不错进行软件的测试和考证，发现并竖立软件中的潜在 bug 和问题，确保软件的厚实性和可靠性。测试和考证责任关于软件的握续更正和质地保险相称穷困，不错匡助软件更好地顺应不同的应用场景和问题领域。
7. 社区参与和扶持：其他合作家不错积极参与软件的社区，包括筹商论坛、邮件列表、酬酢媒体等，提供时刻扶持、解答问题、分享教化和磋议合作。这有助于造成一个活跃的社区，促进合作家之间的合作和磋议，从而遏抑鼓舞软件的发展和完善。
通过以上的合作责任，其他合作家不错共同鼓舞本开源拓扑软件的发展，使其愈加遒劲、厚实、易用，并餍足不同领域和问题的需求。同期，合作家也将得到软件使用和孝敬的职权，共同分享软件的发展遵守和社区的价值。咱们接待遒劲合作家的积极参与和孝敬，共同鼓舞本开源拓扑优化软件在科学、工程和学术接洽中的应用和发展。
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