HALFEN依靠Ansys cae万博支持的虚拟产品开发优化

在HALFEN，基于cae的虚拟产品开发能够自动确定各种产品组合和安装条件的相关参数

简介

哈芬成立于1929年，是土木工程锚固、框架和加固技术领域的国际领先公司之一。哈芬拥有约1100名员工和60多家分支机构，在全球范围内提供智能技术解决方案和定制化工程咨询。该公司的产品组合包括大约20,000种产品，提供各种可用的技术解决方案。万博网因此，需要进行变异分析来确定相关参数。HALFEN使用基于CAE的RDO可确保在产品开发中理解并考虑到这些复杂的相关性。自2010年以来，HALFEN与Ansys紧密合作，为各种产品线的开发有效地实施基于cas的RDO。万博

建筑产品开发方法万博网

在土木工程领域，与其他行业类似，全球竞争压力也要求生产特别可靠和生态更兼容的产品，成本效益更高。万博网在过去，建筑产品的开发往往基于实验或实际观察。万博网这种产品开发的成功通常不是很可控的，通常都是靠运气。通常大量所需的测试导致了相对较高的开发成本和时间，从而导致效率下降。

今天，现代数值模拟和cae支持的优化方法的结合使得非常有效的虚拟产品开发成为可能，因为它已经在其他行业(如汽车行业)得到了很好的建立。通过使用强大的模拟软件，开发人员可以真正地“查看”他们的产品，从而可以直接可视化变化条件的影响。万博网对输入参数的不同变化的分析可以通过模拟进行，只需相当的实验工作量的一小部分。仿真工具与灵敏度分析、数学优化和稳健性评估方法的自动耦合，可以对目标产品性能进行有针对性的最佳优化。在这里，还可以包括实验获得的结果，例如，用于验证或校准仿真模型

许多建筑材料的一个特殊特性是它们的非线性和脆性。借助于现代仿真方法，如有限元法(FEM)，可以非常逼真地模拟非线性脆性材料特性及其裂纹演化。对于使用FEM的建筑材料的非线性模拟，弹性塑料材料模型在过去几年中已被证明是非常有用的。材料模型库multiPlas特别适用于脆性材料，如混凝土，多孔混凝土，钢纤维混凝土，钢筋混凝土，砖石，砂石砖或砖。除了机械特性外，热和湿效应也可以包括在多物理模拟中。因此，从生产到安装的所有产品阶段，为组件行为的模拟提供了新的、更全面的可能性。

在接下来的文章中，实际例子将展示基于仿真的优化方法和灵敏度分析在建筑产品开发中的应用。万博网为此，Ansys开发了用于灵敏度分析万博、稳健性评估、单目标和多目标优化以及随机分析的优化平台optiSLang。

虚拟产品开发中基于cae的RDO

基于仿真的优化过程分为以下几个步骤:

1.生成合适的参数化仿真模型和过程

仿真模型可以由几个部分模型组成，就像仿真过程可以包括几个不同的分析(例如，热分析、液压分析或力学分析-见图1)一样。整个仿真过程，包括仿真模型，以可以批处理模式运行的方式设置。输入值(即几何参数、材料特性、影响条件)定义为变量。最后，在每次仿真后自动生成产品开发所需的结果值和图。

2.灵敏度分析的传导

灵敏度分析的目的是调查单个输出参数的敏感性，这对于产品开发来说是很重要的，因为输入参数的变化。为此，通过在预定义的参数范围内改变输入参数，生成和模拟不同的设计。为了进行有意义的统计评估，有必要尽可能准确地在所有参数的上限和下限范围内扫描整个设计空间。为了完成这个任务，optiSLang提供了强大的采样技术(即拉丁超立方采样)。

为了识别输入参数和结果变量之间的相关性，在optiSLang的帮助下生成并应用代表最佳可能预后质量的元模型。有了足够的准确性，这些元模型就能够根据各自的输入参数实时确定结果变量的值。如果元模型具有足够的预测质量，则可以使用它们来代替求解器运行。作为灵敏度分析的结果，可以确定优化的相关输入参数(即实质上影响结果变量的参数)。然后，过滤掉不重要的输入参数，减少优化所需的参数空间。进一步重要的知识可以从结果值的可变性空间和竞争优化目标的可能指示中获得

3.进行最优化

在此步骤中，必须定义目标函数和约束(或优化不能违反的限制)。optiSlang提供了不同的优化策略，即梯度方法、响应面方法、粒子群方法以及进化和遗传方法。个别优化方法的适用性取决于，即变量的数量和类型，以及目标变量的特征。除了直接的模拟结果外，例如应力、变形、载荷、传热，甚至与成本或生产相关的参数都可以特别考虑。

4.进行稳健性评价

优化程序完成后，应验证优化设计的稳健性。为此，考虑到重要输入参数的自然散射(分布)，对优化后的产品进行随机分析。通过稳健性评价，可以验证结果变量或产品属性的统计测度(均值、标准差和变分系数)。如果有一个小的分散的重要产品属性，设计可以被认为是稳健的。

RDO在HALFEN的实际应用实例

凭借HALFEN HIT iso -元素，该公司为隔热阳台连接提供了多功能和创新的产品线。在实践中，它们被用于，例如，防止霉菌生长和确保增加结构物理要求。元件由承重和隔热部件组成，用于钢筋混凝土构件的热分离(图3)。ETA-13/0546批准和相应的ce标志以及ICC-ES批准(ES-3799)意味着元件经过认证，可在欧洲和美国的30多个国家使用。获得专利的模块化系统极大地降低了运输和存储成本高达65%，以及二氧化碳排放，并增加了预制混凝土行业的灵活性和规划可靠性。HALFEN绝缘连接已经具有REI 120的耐火标准。这避免了在消防要求方面的不正确规划或错误的组装。

根据节能法规(EnEV)的隔热证书，必须进行热桥的模拟。为了确定这些桥梁的阳台连接，需要ψ值来模拟结构。HALFEN HIT iso元件非常灵活，可应用于各种安装，例如不同的墙体结构，如保温复合系统、整体墙体、多叶墙体或夹层结构。此外，可以考虑地板和阳台安装、所需的负荷能力或窗口连接的变化，以选择合适的传热系数(ψ值)进行进一步的计算。总的来说，基本上可能有超过1亿种个体变异。在过去，生产工程师和架构师必须根据特定情况委托热计算，或者必须使用标准化情况的目录值。Ansys代表HALFEN在Ansys o万博ptiSLang中生成参数化有限元模型和元模型，用于HIT ISO-elements的仿真。由此，ψ值可以根据输入参数实时计算。因此，HALFEN可以通过其网站上的MOP服务为最终用户提供适当的特征值。下面，将通过解释单独的五个项目步骤来介绍该服务的方法。

1.生成HALFEN HIT-MVX ISO元件的参数化有限元仿真模型

为了模拟变化，在Ansys optiSLang中生成了参数化的FE模型，代表不同的安装条件(例如，有或没有窗户或阳台门，上面和下面分别连接)。万博这些参数包括:

•两种不同的接头宽度。

•2到12个不同的压缩剪切轴承和2到18个拉筋(取决于承载能力)。

•四种不同类型的墙壁安装。

•多达8个几何和材料参数的墙壁安装(图4左上)。

•多达三层混凝土覆盖物。•楼板安装多达9个几何和材料参数(图4右上)。

有限元模型还考虑了各种外部和内部的温度条件。对于每一种设计，分别计算了五个结构-物理响应变量:ψ值、u值、Θsi、最小值、等效热导率值和frsi值。

2.仿真模型的验证

图5示例显示了有或没有窗户的两种不同条件下的计算温度分布。这些温度梯度以及推导和计算的响应变量与实测值进行了比较。结果表明，计算结果与实测值具有较高的一致性和准确性

3.使用optiSLang抽样策略对不同产品线的相关参数空间进行敏感性分析

共有48种不同的安装条件与约。采用自动化工作流程计算了20个参数。使用Ansys optiSLang中提供的高级拉丁超立方采样，为每种安装条件生成和计算多达700个设计。万博有限元计算与Ansys集群上的Ansys参数包许可证并行处理。万博因此，多达64个设计可以并行计算。其中一种设计的计算时间约为。10分钟(4个cpu)。根据可能的安装条件，考虑了参数变化范围的最大和最小限制。

4.元模型的生成和验证

为所检查的安装条件的所有响应变量建立预后质量为99%的预后系数(CoP)值的元模型。应用最新的optiSLang Kriging或移动最小二乘近似MOP技术(图6/7，见下页)以实现高而准确的预后质量(cop -值)

5.在HALFEN网站上实现基于元模型的服务作为实时求解解决方案

为了将元模型集成到web应用程序中，Dynardo开发了MOP服务，将元模型作为独立的实时求解器解决方案提供。HALFEN ψ计算器允许最终用户对其特定结构的结构物理性质进行高效和专业的计算，以找到相应的热值。

输入所需的参数只需五个简单步骤:

•墙体施工。

•墙壁安装。

楼板安装。

窗户/门。

•HALFEN HIT ISO-element。

对于墙体结构，用户可以选择保温复合系统(ETICS)，以及整体、双叶或夹层结构。

所有墙体结构都由不同的层组成，例如，外部灰泥、保温或承重层。材料，它们的热导率和各个层的尺寸可以在进一步的步骤中定义。将提供标准材料及其性能建议，以便快速选择。该工具还提供了有关阳台上方所需窗户或门的菜单项。

ψ值计算的结果可以处理成包含所有相关参数的PDF文件，作为规划文件或项目文件的附件。PDF输出可以使用用户的个人项目数据完成。结果可以通过链接保存和重用，以便随时编辑或更改条件。

结论

与许多其他行业一样，RDO在土木工程领域也已建立。HALFEN实施了虚拟产品开发和优化，并成功应用于所有生产阶段。所描述的MOP web服务为最终用户(例如工程师或架构师)提供了方便地访问个别HALFEN产品的方法。万博网因此，它直接支持HALFEN的销售和服务活动。