现今的工程设计过程中，优化机构设计的重要性越来越被深刻理解和重视。工程项目的日益复杂化和多元化要求工程师在设计各种产品和系统时，必须综合考量一系列的需求。这些需求可能涉及到如何实现设计的轻量化，降低体积，减少能源消耗等等。目的是找到一种最隹平衡，使得产品在性能和效率上达到最优化。数值模拟结合优化演算法的做法已经广泛被业界采用。

这种方式的核心思想是利用优化演算法根据一定的规则，不断修改设计结构，然後进行数值模拟，以寻找到能够使产品性能达到特性最优化。这个过程可能需要进行多次的迭代和调整，但最终的目标是找到一种或者多种能够满足特定性能要求的最隹设计。

传统机构设计与限制

在传统的工程设计流程中，我们会使用电脑辅助设计（CAD）软体来完成机构设计。CAD提供强大的视觉介面，使工程师可以直观地创建和修改设计模型。在这个过程中，工程师可以定义各个元件的形状、尺寸和位置，然後进一步组装成完整的机构。

在机构设计完成後，可以将CAD模型导出，并将其导入模拟软体。在模拟软体中，我们可以对设计进行各种性能分析，如结构分析、热分析、流体动力学分析等等。这样，我们可以了解设计在实际运行情况下的性能。

然而，尽管CAD软体在设计过程中起到了重要的作用，但是也有一些限制。首先，如果需要修改设计，我们必须返回CAD软体进行手动修改，然後再重新导出和导入模拟软体；这个过程可能相当耗时。同时也无法结合优化演算法来加速设计。

叁数化机构设计与限制

一般的模拟软体都提供一定程度的叁数化功能。透过叁数化功能，我们可以将设计的尺寸、形状、位置等因素表示为变量，并通过连结优化演算法来改变这些变量的数值，进而调整设计。这种方法让我们可以在一定程度上自动化设计和优化过程，能够快速地探索设计空间，找到最隹的设计解决方案。

然而，当设计需求更为复杂，例如需要修改结构的拓朴形状，或者需要在多个相关组件之间建立复杂的叁数关联性时，这种基於模拟工具的叁数化能力可能就无法满足需求。我们需要有一个更有效的方式来建立结构设计。

利用编程完成机构设计

在工程设计阶段，常常需要不断地修改和优化结构设计以达到所需的性能。在这种情况下，利用程式语言来建立并控制设计，变成了一种强大且有效的工具。程式语言拥有??圈、逻辑判断等特性，其创建模型的弹性远超过在叁数化方法。

我们可以编写一段程式码来生成设计模型，这样的方式不仅提高了操作的精准度，也大大提高了修改模型的效率。而且随着每行代码的执行，我们能够即时在视窗中看到该行建立出来的物件。如果物件结构不符合预期，只需删该物件，修改对应的程式码，然後再次执行即可。

此外，程式语言也让我们更容易地制定叁数的关联性。我们可以利用方程式或者条件语句来确保在改变一个叁数时，其他相关的物件结构也会相应地进行调整，以此避免可能的物件干涉或碰撞问题。这对於处理复杂的设计问题和多变数优化问题非常有用。

虽然利用程式码来进行结构设计具有许多优点，但是对於许多未有编程背景的工程师来说，学习程式语言可能会是一个挑战，这可能需要一定的时间和努力来克服。

PyANSYS的建模功能

PyANSYS支援了ANSYS许多模拟软体，其主要特点是完全整合了各个软体内建的建模功能，并且将其转换为易於使用的Python函式。它为工程师提供了一个直接以程式码进行设计和模拟的平台，从而让工程设计流程更加简化和效率化。

在PyANSYS中，每一个软体使用者介面上可用的建模功能，都有一个对应的 Python 函式。这意味着工程师可以直接在Python 程式码中设定和调整设计叁数，而无需透过点击使用者介面来手动建模。创建新的2D或3D物件（马达、齿轮、螺旋电感、阵列天线等），便可以直接通过撰写和执行Python程式码来完成。

以同步马达设计为例

永磁同步马达是一种利用永磁体作为旋转磁场的马达，与转子转速同步的电机。永磁同步马达主要由三部分组成：转子、定子和控制器。

转子上装有永磁体，产生恒定的磁场；定子则有多组绕组，当通过交流电源时，会产生旋转磁场；控制器则是用来调整电源的频率和振幅，以达到控制转速和扭力的目的。永磁同步马达在许多应用中都被广泛使用，如电动汽车、高速列车、风力发电等。

ANSYS Maxwell是一款电磁场模拟软体，适用於设计和分析电气和电子系统。Maxwell 使用有限元素方法来解决静态、频域和时域的电磁场问题。此软体可用於设计和优化各种电磁和电子装置。接下来的部分我们解释如何透过程式码在Maxwell当中生成永磁同步马达的主体结构设计。

Python代码部分可从此处下载：

https://aedt.docs.pyansys.com/version/stable/examples/03-Maxwell/Maxwell2D_NissanLeaf.html

为了解释设计过程，因此列出部分的关键程式码片段。由於整个程式码的篇幅较长，这里只呈现对於理解整体设计过程至关重要的部分。

PyANSYS建模程式码简介

在开始建模之前，首先需要明确设定需要的各种叁数用来描述马达尺寸，这些叁数之後将用於定义和构建模型。以下是在这个模型中将使用的部分叁数列表：

图一 : 开始建模前确认的各种叁数将用於定义和构建模型

在进行模拟建模时，会需要宣告一个设计物件，这个物件包含了所需要的所有叁数和方法。这里，我们建立一个名为「M2D」的设计物件。并将设计物件底下的建模物件命名为mod2D：

图二 : 将设计物件「M2D」底下的建模物件命名为mod2D

Mod2D物件具有Maxwell软体当中所有的几何建模函数，例如在「mod2D」中使用一个名为「create_circle()」的函数。这个函数可以根据输入的圆心座标和半径生成圆形：

图三 : 几何建模函数可以根据输入的圆心座标和半径生成圆形

或者指定座标点并透过create_polyline()函数创建多边形线条。此函数会接受一个座标点列表作为叁数，并将这些座标点连接成一个多边形的结构：

图四 : 指定座标点并透过 create_polyline() 函数创建多边形线条

我们可以使用组织化和模块化的方式逐步构建出同步马达的整个结构。每一行代码都对应到设计中的特定元件或特性，让整个设计过程变得既直观又透明。在这种方式下，任何修改都变得相对容易，只需调整相应的代码进行，而不必进行繁琐的手动修改图面。最後生成的结构如下图。（为了减少模拟时间，图五为画出马达八分之一的剖面图，结合对称边界条件便可以模拟出完整结构的电磁特性）。

图五 : 使用组织化和模块化的方式可以构建出同步马达的完整结构。

结语

当工程设计的模拟流程从人工手动修改设计，进步到结构叁数化设计，最後再到程式码控制建模设计的阶段，其弹性和功能性都会有大幅度的提升。透过使用PyANSYS，可以更加精确地控制和调整设计，并且可以自动化许多繁琐的建模和模拟流程。

此外，程式语言还可以更好地进行数据分析，例如可以透过程式码来自动生成模拟结果的报告，或者将模拟结果与其他数据源结合起来进行深度分析。这种方式不仅可以提高工作效率，也可以让我们更加理解和利用模拟结果，从而做出更好的设计决策。

（本文作者林呜志任职於Ansys技术专家）