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使用 SmartDO 進行波浪發電機 (Wave Energy Converter) 之結構最佳化設計
2012-07-11
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前言

本期之電子報,介紹結合 SmartDO 與 ANSYS 進行波浪發電機 (Wave Energy Converter) 之結構最佳化設計。在本例中,原始設計之最大應力遠大於容許應力,重量約為三噸,經 SmartDO 最佳化設計後,其應力降至容許應力以下,其波浪能量轉換能力不受影響,而其重量減少約 19%。


本文內容部份由工研院綠能所提供,敏感資料已移除,特在此致謝。

問題描述

本研究之對象,波浪發電機 (Wave Energy Converter),波浪發電機為一尺寸龐大之結構物,高度約可達 7 公尺,其外型如圖1所示,大致分為浮體 (Buoy) 及壓波板 (Wave Press Board),其中壓波板用鋼索固定於海底,浮體因受波浪之作用,產生與壓波板之上下相對運動,發電之機制即為將此上下相對運動之動能轉換成電能,圖2所示為波浪發電機 (Wave Energy Converter) 之內部結構分解。

SmartDO

圖1 波浪發電機 (Wave Energy Converter) 之基本構造

SmartDO

圖2 波浪發電機 (Wave Energy Converter) 之內部結構分解

由於波浪發電機承受反覆之波浪衝擊,固其結構體容易受損,為確保結構體之可靠度,須以 CAE 做波浪浮體及應力分析,本研究採用 ANSYS AQWA 計算特定波浪條件下之浮體運動行為,再利用 ANSYS Workbench 將 AQWA 計算之結果傳遞至 ANSYS Mechnical 以進行結構應力分析,如圖3所示。

ANSYS AQWA + Mechanical

圖3 使用 ANSYS Workbench 結合 AQWA 及 Mechanical

完成 AQWA/Mechanical 之整合分析後,使用 SmartDO,針對設計變數作聯結與參數化,再進一步結構之最佳化設計,進行波浪發電機之結構設計時,須同時考慮以下因素:

  • 不可過度改變發電機之流體動力特性,例如:結構體重心位置不可過度改變,且整體重量應該更輕或至少不會更重 (較輕之結構物可使發電機制分配到更多之波浪浮力) 。
  • 應力必需低於容許值。
  • 所使用鋼板厚度種類最好不要太多種,以降低材料及製造成本。

最佳化模型建立 (Design Optimization Modeling)

將上述之有限元素法模型參數化,並在 ANSYS MADPL 中以作成 batch 執行檔,即可快速地與 SmartDO 進行整合,在此研究中,綜合上述之設計要求,將此最佳化設計之數學模式定義為:


Find : DV1, DV2, DV3, DV4, DV5, DV6, DV7, DV8 (8組鋼板厚度)
To Minimize : 結構總重
Subjected To: -10 cm < 結構重心位置改變 < 10 cm
                              最大應力 < 260 MPa


最佳化設計結果經 SmartDO 與 ANSYS 優化計算後,設計結果如下:

  • 結構總重:降低約 19%
  • 最大應力:由 507MPa 降低至 260MPa
  • 重心高度:升高約 7cm

圖4所示為 SmartDO 在進行最佳化過程中,目標函數 (Weight,此處為結構總重) 及正規化最大束制值 (VMAX,此處為最大應力及重心高度改變) 之設計疊歷程 (Design Iteration History) 圖,由圖中可見,在約第 27~28 次疊代時,SmartDO 跳出 local minimum,找到更低的 minimum,且在疊代過程,SmartDO 在降低結構重量的同時,也快速地將設計改進以符合所有束制條件,之後在減重的同時,SmartDO 的設計點依然符合所有束制條件,這在工程設計之應用上是相當重要的特性。

Design Iteration of SmartDO

圖4 目標函數及正規化最大束制值之疊代歷程圖

結論

由上述的案例中,我們發現 SmartDO 不但可以穩定地快速地進行波浪發電機/大型結構物 的減重,並可同時保持相當性能,該產品目前以進入實體生產階段,很快地就會正試投入實地運作,未來我們會持續為 SmartDO 開發更多的 Smart Global Optimization 技術,也會持續在電子報裏為您介紹更多的訊息。