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Good ¡a&ernoon. ¡ ¡Today, ¡I ¡would ¡like ¡to ¡present ¡to ¡you ¡a ¡way ¡to ¡be8er ¡leverage ¡your ¡ investment ¡in ¡CAE ¡to ¡drive ¡faster ¡product ¡innovaAon. ¡ The ¡focus ¡of ¡my ¡talk ¡will ¡be ¡on ¡process ¡automaAon ¡and ¡design ¡opAmizaAon. ¡ 1 ¡

I’ll ¡begin ¡by ¡providing ¡a ¡quick ¡overview ¡of ¡the ¡state-­‑of-­‑the-­‑art ¡pracAces ¡in ¡design ¡ opAmizaAon. ¡ Then, ¡I’ll ¡briefly ¡introduce ¡two ¡so&ware ¡products ¡based ¡on ¡these ¡state-­‑of-­‑the-­‑art ¡ pracAces, ¡namely ¡HEEDS ¡and ¡OpAmate+. ¡ These ¡products ¡are ¡based ¡on ¡idenAcal ¡technology, ¡but ¡have ¡different ¡target ¡users. ¡ I’ll ¡provide ¡some ¡case ¡studies ¡for ¡each ¡product ¡and ¡finish ¡with ¡a ¡descripAon ¡of ¡how ¡ you ¡can ¡implement ¡these ¡soluAons. ¡ 2 ¡

Historically, ¡CAE ¡users ¡have ¡had ¡difficulty ¡in ¡directly ¡applying ¡opAmizaAon ¡and ¡have ¡ resorted ¡to ¡surrogate ¡response ¡surface ¡methods ¡and ¡DOE ¡techniques. ¡ ¡But ¡the ¡ obstacles ¡to ¡direct ¡opAmizaAon ¡have ¡been ¡li&ed. ¡ Now ¡the ¡state ¡of ¡the ¡art ¡in ¡design ¡opAmizaAon ¡is ¡shown ¡in ¡these ¡five ¡direct ¡ opAmizaAon ¡steps. ¡ ¡I’ll ¡illustrate ¡these ¡steps ¡with ¡the ¡design ¡of ¡a ¡cooling ¡system ¡for ¡a ¡ printed ¡circuit ¡board. ¡ ¡The ¡process ¡begins ¡with ¡validated ¡and ¡robust ¡CAD ¡and ¡CAE ¡ models ¡that ¡can ¡easily ¡rebuild ¡with ¡changes ¡in ¡design ¡variables. ¡ ¡Next, ¡the ¡user ¡ automates ¡the ¡process ¡of ¡simulaAng ¡one ¡full ¡design ¡prototype ¡using ¡a ¡variety ¡of ¡CAD ¡ or ¡CAE ¡tools, ¡perhaps ¡with ¡a ¡cosAng ¡model ¡included ¡as ¡well. ¡ ¡Then, ¡once ¡the ¡process ¡ is ¡automated, ¡the ¡user ¡defines ¡how ¡each ¡task ¡in ¡the ¡process ¡is ¡simulated ¡in ¡a ¡high ¡ performance ¡compuAng ¡environment, ¡so ¡that ¡many ¡variaAons ¡can ¡be ¡quickly ¡ explored. ¡Then, ¡step ¡4 ¡involves ¡the ¡use ¡of ¡modern ¡direct ¡opAmizaAon ¡techniques ¡to ¡ efficiently ¡explore ¡the ¡full ¡nonlinear ¡design ¡space ¡and ¡quickly ¡discover ¡be8er ¡designs ¡ in ¡a ¡minimum ¡Ame, ¡without ¡the ¡need ¡for ¡surrogate ¡models. ¡ ¡Lastly, ¡the ¡user ¡ examines ¡the ¡sensiAvity ¡and ¡robustness ¡of ¡the ¡best ¡designs ¡to ¡understand ¡how ¡ performance ¡will ¡be ¡affected ¡by ¡normal ¡manufacturing ¡tolerances. ¡ ¡ This ¡is ¡the ¡state-­‑of-­‑the-­‑art ¡in ¡design ¡opAmizaAon ¡today. ¡ 3 ¡

The ¡process ¡starts ¡with ¡the ¡fully ¡validated ¡models ¡that ¡you ¡have ¡already ¡constructed ¡ with ¡both ¡commercial ¡and ¡internal ¡CAD ¡and ¡CAE ¡so&ware ¡to ¡simulate ¡stress, ¡ vibraAon, ¡moAon, ¡fluid ¡flow, ¡automaAc ¡controls, ¡and ¡other ¡behavior. ¡ 4 ¡

The ¡next ¡four ¡steps ¡of ¡the ¡design ¡opAmizaAon ¡process ¡are ¡fully ¡handled ¡within ¡both ¡ the ¡OpAmate+ ¡and ¡HEEDS ¡so&ware, ¡as ¡we’ll ¡show ¡in ¡the ¡rest ¡of ¡the ¡presentaAon. ¡ 5 ¡

We’ll ¡now ¡illustrate ¡these ¡five ¡steps ¡of ¡direct ¡opAmizaAon ¡using ¡this ¡industrial ¡duct ¡fan ¡example ¡that ¡is ¡ being ¡presented ¡separately ¡at ¡this ¡conference. ¡ This ¡industrial ¡duct ¡fan ¡originally ¡had ¡flat ¡blades, ¡a ¡mass ¡flow ¡rate ¡of ¡2.5 ¡kg/s, ¡and ¡required ¡542 ¡W ¡of ¡ power. ¡ ¡The ¡company ¡deploying ¡the ¡fan ¡wished ¡to ¡redesign ¡the ¡fan ¡to ¡maintain ¡the ¡same ¡or ¡be8er ¡ flow ¡rate ¡with ¡a ¡lower ¡power ¡requirement. ¡ ¡ 6 6

The ¡first ¡step ¡in ¡the ¡direct ¡opAmizaAon ¡process ¡is ¡to ¡construct ¡parametric ¡CAD ¡and ¡CAE ¡models. ¡ ¡We ¡ begin ¡by ¡idenAfying ¡17 ¡design ¡variables ¡that ¡we’re ¡interested ¡in ¡exploring. ¡These ¡include ¡the ¡number ¡ of ¡blades, ¡the ¡rotaAon ¡speed, ¡and ¡15 ¡variables ¡describing ¡the ¡blade ¡geometry ¡as ¡shown ¡here. ¡ ¡We’ve ¡ included ¡the ¡twist ¡angle, ¡chord ¡length, ¡camber ¡angle, ¡axial ¡displacement, ¡and ¡verAcal ¡displacement ¡at ¡ three ¡different ¡chord ¡locaAons ¡into ¡the ¡parametric ¡3D ¡CAD ¡model ¡inside ¡of ¡STAR-­‑CCM+. ¡ ¡With ¡these ¡15 ¡ variables, ¡our ¡parametric ¡CAD ¡model ¡can ¡generate ¡a ¡wide ¡variety ¡of ¡fan ¡shapes ¡to ¡be ¡explored, ¡as ¡ shown ¡in ¡a ¡few ¡examples ¡here. ¡ 7 7

Next, ¡we ¡use ¡STAR-­‑CCM+ ¡to ¡automaAcally ¡mesh ¡the ¡3D-­‑CAD ¡model ¡and ¡generate ¡a ¡parametric ¡CFD ¡ model ¡using ¡a ¡coupled ¡solver ¡with ¡steady ¡MRF, ¡iniAal ¡grid ¡sequencing, ¡and ¡a ¡realizable ¡kappa-­‑epsilon ¡ turbulence ¡model. ¡ 8 8

Now ¡that ¡our ¡parametric ¡CAD ¡and ¡CAE ¡models ¡are ¡in ¡place, ¡we ¡automate ¡the ¡process ¡of ¡evaluaAng ¡ one ¡complete ¡design. ¡ ¡For ¡this ¡example, ¡the ¡enAre ¡process ¡was ¡automated ¡and ¡carried ¡out ¡inside ¡of ¡ STAR-­‑CCM+ ¡by ¡the ¡OpAmate+ ¡add-­‑on. ¡ ¡OpAmate+ ¡automates ¡all ¡of ¡the ¡scripAng ¡required ¡to ¡run ¡ mulAple ¡variaAons ¡of ¡the ¡simulaAons. ¡ ¡For ¡each ¡variaAon, ¡new ¡design ¡variables ¡are ¡used ¡to ¡generate ¡ the ¡3D-­‑CAD ¡model; ¡auto-­‑meshing ¡is ¡performed; ¡and ¡the ¡nonlinear ¡CFD ¡simulaAon ¡is ¡performed ¡to ¡ evaluate ¡mass ¡flow ¡rate ¡and ¡required ¡power. ¡ ¡ ¡ 9 9

A&er ¡the ¡process ¡is ¡automated, ¡the ¡user ¡defines ¡what ¡compuAng ¡resources ¡should ¡be ¡used ¡for ¡each ¡ task. ¡ ¡We ¡can ¡take ¡full ¡advantage ¡of ¡HPC ¡clusters ¡and ¡the ¡efficient ¡licensing ¡of ¡OpAmate+ ¡and ¡ Powertokens ¡to ¡run ¡mulAple ¡simulaAons ¡very ¡cost ¡effecAvely. ¡ ¡In ¡this ¡case, ¡we ¡assigned ¡STAR-­‑CCM+ ¡to ¡ run ¡8 ¡design ¡variants ¡simultaneously ¡on ¡8 ¡nodes, ¡with ¡each ¡simulaAon ¡leveraging ¡10 ¡cores. ¡ 10 10

With ¡the ¡simulaAon ¡process ¡defined ¡and ¡allocated ¡to ¡cost ¡effecAve ¡high ¡performance ¡compuAng ¡ resources, ¡we ¡next ¡employ ¡the ¡most ¡efficient ¡direct ¡hybrid, ¡adapAve ¡opAmizaAon ¡algorithm ¡to ¡search ¡ the ¡design ¡landscape ¡and ¡evaluate ¡the ¡trade-­‑off ¡between ¡flow ¡rate ¡and ¡power. ¡ ¡This ¡search ¡process ¡ idenAfies ¡the ¡Pareto ¡front ¡of ¡the ¡best ¡feasible ¡designs. ¡ ¡In ¡this ¡case, ¡we ¡are ¡interested ¡in ¡the ¡lower ¡end ¡ of ¡this ¡Pareto ¡chart, ¡so ¡we ¡zoom ¡in ¡to ¡look ¡at ¡the ¡chart ¡in ¡the ¡range ¡of ¡0 ¡to ¡1 ¡kW ¡and ¡0 ¡to ¡5 ¡kg/s ¡flow ¡ rate. ¡ ¡From ¡this ¡view, ¡we ¡idenAfy ¡the ¡point ¡that ¡represents ¡the ¡current ¡baseline ¡design ¡and ¡we ¡noAce ¡ immediately ¡that ¡there ¡is ¡a ¡design ¡point ¡below ¡this ¡baseline ¡that ¡has ¡a ¡very ¡similar ¡flow ¡rate, ¡but ¡much ¡ less ¡power ¡requirement. ¡ ¡We ¡select ¡this ¡design ¡for ¡our ¡fan ¡replacement. ¡ ¡It ¡is ¡a ¡curved ¡blade ¡design ¡ that ¡runs ¡almost ¡250 ¡rpm ¡slower, ¡delivers ¡a ¡slightly ¡higher ¡mass ¡flow ¡rate, ¡but ¡requires ¡55% ¡less ¡power ¡ than ¡the ¡baseline! ¡ ¡This ¡is ¡an ¡excellent ¡improvement ¡to ¡our ¡iniAal ¡design. ¡ 11 11