OPTISTRUCT培训资料(50)课件.ppt

1、2023年5月19日星期五培训内容 第一天上午(9:00 AM-12:00 PM)内容介绍 结构优化概念简介 拓扑优化（Topology)概念介绍 拓扑优化例题 拓扑练习 练习 1 拓扑优化 C-Clip 例题 练习 2 拓扑优化 Control arm例题培训内容-continue 第一天下午(1:00 PM 4:00 PM)形貌优化(Topography)概念介绍 形貌优化例题 形貌优化练习 形貌优化 torsion plate例题培训内容-continue 第二天上午(9:00 AM-12:00 PM)第一天内容回顾 采用AutoDV生成形状优化(Shape)波动矢量 Square Pl

2、ate例题 Fillet Radius Change例题 Shape形状优化 形状优化练习 Square Beam培训内容-continue 第二天下午(1:00 PM 4:00 PM)尺寸优化（Size）尺寸优化bracket_size例题内容介绍什么是优化（三要素）？目标（Objective）优化设计的目的就是要求所选的设计变量使目标函数达到最佳值 min(max)f(xi)设计变量（Design Variables）xi i=1,2,3,p设计约束（Design Constraints）优化设计的约束值是对设计变量取值的限制 gj(x)0,j=1,2,3,n注:函数 f(x),gi(x)

3、可以是线性、非线性、显式及隐式等等。例如:显式函数 y(x)=x2 2x 隐式函数 y3 y2x+yx-x=0设计变量（Design Variables）:可变动以便改善系统性能的系统参数响应（Response）:执行变量后的系统性能测量值.目标函数（Objective Function）:期望最优的基于设计变量（诸如质量、应力、位移、频率等）的响应函数 约束函数（Constraint Functions）:设计被接受时响应函数必须满足的边界条件可行性设计（Feasible Design）:满足所有约束的设计不可行设计（Infeasible Design）:与约束冲突的设计最优设计（Optim

4、um Design）：满足所有约束且目标函数最优的设计X2X1g2(x)=x1+x2-4=0可行性设计区域不可行性设计区域最优设计点 f*=f(x1*,x2*)二维单目标优化设计几何解释约束条件（边界）g1(x)=x1+x2-2=0g3(x)=x1-x2-2=0g4(x)=x1-x2+2=0它可以做有限元线性静态分析、频率分析和线性屈曲分析，同时它是一个功能非常强大的优化软件，它提供了如下四种优化技术。拓扑优化(Topology Optimization)形貌优化(Topography Optimization)尺寸优化(Size Optimization)形状优化(Shape Optimiz

5、ation)Optistruct 5.0软件功能简介 Optistruct 5.0是一个有限元结构分析和优化软件。Design-AnalysisFEADesign SensitivityAnalysis(DSA)OptimizationConv?OptimumDesign ModelUpdate 优化计算流程什么是Optistruct概念优化 在产品概念设计阶段，利用优化计算得到满足设计要求的结构外形，并且可以返回CAD，进行详细设计拓扑优化（Topology Optimization)密度分布Isosurface r=0.5设计空间、载荷及边界拓扑优化是在给定载荷条件下寻找满足设计要求的结构

6、材料最佳分布的优化技术形貌优化（Topography Optimization）12345678910BEAD13.060.0yes5.0normboth+0.01.00.00.025.00.0Max.Deflection:2.23Max.Stress:267Max.Deflection:10.57Max.Stress:520Max.Deflection:4.41Max.Stress:644Max.Deflection:6.47Max.Stress:434Topography OptimizationMax.Deflection:1.17Max.Stress:196拓扑优化拓扑优化例题1 C-

7、clip优化目的：通过优化计算得到满足设计要求的的最优材料分布方式，以达到满足刚度，节约材料成本的目标优化方案 目标函数 Objective Function：体积最小化 约束条件Constraints：1 A点的Y方向位移-0.07mm 设计变量Design Variables :单元密度 C_clip 优化求解步骤 1 在HM5.0中输入几何模型（cclip.hm)2 定义material、properties和components，并且使之关联 3 创建有限元网格 4 施加载荷和边界条件 5 创建载荷工况 6 在HM5.0环境创建优化问题 定义优化设计空间(topology)定义优化响应

8、(response)、约束(dconstraints)和目标函数(objective)7 输出Opti5.0 ASCII码文件 8 采用Opti5.0求解拓扑优化，以得到优化的材料分布 9 在HM5.0中后处理看优化结果拓扑优化例题2 control_arm优化目的：通过优化设计重新调整模型的材料分布，以满足多工况的设计要求，以达到要求的结构刚度，节约材料成本的目标优化方案 目标函数 Objective Function：体积最小化 约束条件Constraints：1.在工况一下2699点的合位移0.05 2.在工况二下2699点的合位移0.02 3.在工况三下2699点的合位移0.04 设计

9、变量Design Variables :单元密度 2699Control_arm 优化求解步骤 1 在HM5.0中输入几何模型(carm.hm)2 定义material、properties和components,并且使之关联 3 创建有限元网格 4 施加载荷和边界条件 5 创建载荷工况 6 在HM5.0环境创建优化问题 定义优化设计空间(topology)定义优化响应(response)、约束(dconstraints)和目标函数(objective)7 输出Opti5.0 ASCII码文件 8 采用Opti5.0求解拓扑优化，以得到优化的材料分布 9 在HM5.0中后处理看优化结果 10运

10、用Ossmooth技术输出优化后结果几何输出 OSSmooth技术Thickness distribution in a Detergent bottleOSSmooth 是一个几何生成工具，可以 将Topology/Topography/Shape 优化后的模型生成几何。它支持多种格式(IGES,STL,H3D etc.)输出，并具有先进的几何曲面光滑功能，曲面缩减功能以便减小IGES和STL文件的大小在HM5.0版中该功能日趋完整而且使用方便拓扑优化总结 PSHELL PSOLID PCOMP设计空间可用于在设计空间内的单元性质类型 设计变量（Design Variables）单元内的空穴

11、大小，等效认为是单元的正则密度体单元 壳单元C-clip 优化后的密度分布云图响应定义（Response）DRESP1 Simple response definition Mass,mass fraction,volume,volume fraction,compliance,frequency,displacement,stress,weighted compliance,weighted frequency,and compliance indexDRESP2 Response definition using a function Defines responses as functi

12、on of design variables,grid location,table entries,responses,and generic properties响应类型 目标和约束响应 Compliance control(COMP)Total and Regional Weighted Compliance(WCOMP)Eigenvalue(FREQ)Inverse of Weighted Eigenvalues(WFREQ)Combination of Weighted Compliance and Weighted Inverse Eigenvalues(COMB)Mass(MAS

13、S)Total and Regional Volume(VOLUME)-Total and Regional Mass Fraction(MASSFRAC)Total and Regional Volume Fraction(VOLFRAC)Total and Regional Nodal Displacements(DISP)Stress(STRESS)约束定义（Constraint）DCONSTR Relates response to lower and/or upper boundDCONADD Collects constraints under same id目标 定义（Objec

14、tive）DESOBJ(MIN)or DESOBJ(MAX)DESOBJ references a response ID on a DRESP1 or DRESP2 card.Given response ID is defined as the objective.Only one DESOBJ card can be present拓扑优化的常规问题设定Objective:Minimize(weight/total/regional)compliance Constraint:(total/regional)volume/mass fractionObjective:Minimize(t

15、otal/regional)volume/mass fraction Constraint:displacementsObjective:Maximize(weight)frequency Constraint:(total/regional)volume/mass fractionObjective:Minimize(total/regional)volume/mass fraction Constraint:frequenciesObjective:Minimize combined compliance and frequencies Constraint:(total/regional

16、)volume/mass fraction形貌优化 在板形结构中寻找最优的beads(swages)分布的概念设计方法形貌优化例题1 Torsion_plate优化目的：通过优化计算得到满足设计要求的的最优加强筋布置方式，以达到要求的刚度优化方案 目标函数 Objective Function：给定节点的位移最小化 设计变量Design Variables :设计空间内的形状变化Torsion_plate 优化求解步骤 1 在HM5.0中输入有限元模型（torsion_plate.hm)2 设置形貌优化的Bead参数 3 输出Opti5.0 ASCII码文件 4 采用Opti5.0求解形貌优化

17、，以得到优化的加强筋布置方式 5在HM5.0中后处理看优化结果Bead 的布置方式 注意 Volume/Mass response 在形貌优化（Topography Optimization）中不敏感，不适合作为约束或目标优化问题回顾 优化问题结果 目标（Objective）是否达到目标?目标提高多少?设计变量（Design Variables）提高设计的变量值 设计约束（Constraints）是否与约束冲突?Optimization-Interpretation 什么容易出错?局部最小与整体最小 过约束可能导致求解结果错误 其它 优化效率 约束与设计变量之间的联系 无约束优化问题 优化问题

18、设置不适当 硬件限制Size optimizationShape optimizationKnowledgeFreedomConceptDesignTesting形状优化 Shape Optimization形状优化实例 形状优化是通过变动结构的边界，来改进结构特性的一种优化方式，它通过重新定义节点的位置，来获得结构边界的变化，节点的变动是通过AutoDv 创建的DESVAR DVGRID卡来定义的。形状优化施加的波动矢量vix(0)x=x(0)+xx形状优化,)0()0(3)0(2)0(1)0(nxxxxX,321nxxxxX,321nnjjjXXX1)0(利用AutoDV创建形状优化变量子

19、菜单中创建形状变量的流程波动变量生成练习题1 Square Plate目的：运用AutoDV在壳单元上创建波动矢量，了解波动矢量生成的过程和意义。波动变量生成练习题2 hatdv.hm目的：运用AutoDV创建多个波动矢量，来变动圆角的半径。形状优化例题 Square Beam 优化目的：通过优化计算得到一种新的形状，在这种形状时，受力点的位移最小。优化方案 目标函数 Objective Function：受力点的Z方向位移最小 约束条件Constraints：材料至多增加12%设计变量Design Variables :4个形状变量（用AutoDV定义）Square Beam形状优化求解步骤

20、1 在HM5.0中输入几何模型（beam_analysis.fem)2 创建domain element 和node sets3 创建设计变量并且在后处理中浏览AutoDV动画4 在形状优化中调用AutoDV产生的*.DAT文件5 定义响应、约束和目标函数6 输出Opti5.0 ASCII码文件7 采用Opti5.0求解，得到优化变形的模型8 在HM5.0中后处理看优化结果尺寸优化 Size Optimization尺寸优化 尺寸优化可以通过参数调节改变壳的厚度、梁的横界面参数、弹性单元的刚度和质量单元的质量属性等，从而降低设计重量，调节设计性能。Thickness distribution

21、in a Detergent bottle 单元特性是设计变量函数 Gauge 优化简化的尺寸优化壳厚度 t=DVlocation Grid-),(Constant-property Element-),(,(or 0zyxCpCzyxDVfpDVCCpjjjjjjxx尺寸优化例题1 bracket_size优化目的：通过优化计算得到满足设计要求的的支架的板厚值。优化方案 目标函数 Objective Function：体积最小化 约束条件Constraints：支架的Von Mises 应力最大值100MPa 设计变量Design Variables :支架的板厚 Bracket_Size优

22、化求解步骤1 在HM5.0中输入几何模型（bracket_size.hm)2 定义用于尺寸优化的设计变量和性质关系卡3 建立设计变量之间的关联4 定义优化参数5 创建载荷工况6 输出Opti5.0 ASCII码文件7 采用Opti5.0求解，得到优化厚的支架尺寸8 在HM5.0中后处理看优化结果常规形状和尺寸优化问题的设置 采用volume/mass response 代替 volume/mass fraction 选择最小化(总体/局部)的体积/质量为目标 采用(局部/单元)的应力为约束 Obj:(total/regional)volume/mass Cons:(regional/eleme

23、ntal)stress 选择应力最小或最大化问题 Minimize Maximum Stress(Min(Max)Problem)在设计概念阶段尽早引入优化概念，可以最大程度地改进产品性能在设计过程中减少确认和分析循环对组织机构中现有的专门技术与设计过程提供补充辅助作用 加快设计流程Adjustments常规设计过程Design space definitionDesignDesign Validation(Analysis/Stress Reduction)Design space definitionOptimizationTopology&TopographyAdjustments优化设计过程DesignOptimizationSize/ShapeAnalysis Altair-Bus结构设计基于拓扑优化CAD模型整体需求（载荷及设计空间条件下）Parametric Shape Vectors有限元单元模型设计空间及载荷尺寸及形状优化Altair 拓扑优化最终设计优化技术在Altair-Bus中的应用