DEM+AI：如何利用AI技术进行铲斗形状优化

 北京合工仿真技术有限公司 

原文链接：Shape Optimization of Excavator Bucket - EDEM, HyperStudy, MotionSolve, MotionView, Twin Activate - Altair Products - Altair Community

本文以铲斗形状优化为例，展示DEM方法与AI技术结合进行设备结构优化的思路和流程。

该案例中采用的软件和仿真技术包括铲斗参数化设计软件Altair Inspire软件，离散元软件EDEM和多体动力学软件MotionSolve耦合技术，自动化铲斗参数修改及工况计算软件HyperStudy以及形状参数最终优化工具romAI。

利用Inspire的草图和参数化功能能够快捷创建铲斗形状，并通过修改参数即可快速得到新的铲斗模型。下图所示为铲斗参数化模型示例。

铲斗设计参考文献来源：Haoran Sun, Zhigui Ren, Jiahao Li, Gaowei Li, and Wenshuai Liu. Bucket structure optimization of backhoe hydraulic excavator based on compound digging trajectory and limit digging force. Advances in Mechanical Engineering 2022, Vol. 14(4) 1-8

通过利用Altair MotionSolve与EDEM刚柔耦合技术，用户可以模拟完整的挖掘机作业过程，计算铲斗与散体物料之间的作用力及柔性体如斗杆、动臂等关键部件上的动态应力变化。同时，通过与1D系统仿真工具Activate结合，能够将液压和控制系统进行集成，进行挖掘机全系统、多学科联合仿真。

Altair HyperStudy是实验设计和优化软件，用于实现自动化仿真步骤/工作流程。在该案例中，利用EDEM与HyperStudy的接口来进行铲斗形状优化的实验设计。在每次运行DOE期间，Inspire参数模型都会自动更新铲斗的几何形状，并将其输入至MotionSolve-EDEM耦合仿真中。模拟计算完成后，可以提取挖掘周期指标，包括铲斗受到最大作用力、满斗率等。

采用HyperStudy DOE结果作为训练数据，Altair romAI能够充分利用AI技术生成降阶模型，并以铲斗形状参数作为输入，预测铲斗满斗率。

得到降阶模型后，即可在Twin Activate中运行优化过程，以最大满斗率为目标，得到铲斗相应形状参数。

采用EDEM-MotionSolve耦合仿真对优化后的铲斗满斗率进行验证。由仿真结果可以看到，相较于原始铲斗结构，优化后的铲斗的填充率提升了20%。