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Altair仿真优化设计解决方案
2019-03-23

结构优

HyperWorks中的优化工具模块OptiStruct是面向结构分析和设计优化的有限元求解器。可用于产品设计、校核、性能提高和轻量化设计,其创新的设计方案屡获大奖。与传统求解器不同的是,HyperWorks将强大的优化功能和常用的分析类型——例如线性静态分析、屈曲分析、模态分析,频响分析等——高度集成,使得优化设计更加方便、稳健和精确可靠,并且为CAE技术找到了在自主创新方面的突破口。HyperWorks拥有最强大最全面的结构优化能力,为产品设计的各个阶段,例如概念设计和详细设计,提供了前所未有的杰出解决方案。

HyperWorks稳健高效的优化算法允许在模型中定义成千上万个设计变量。设计变量可取单元密度、节点坐标、属性如厚度、形状尺寸、面积、截面尺寸等。此外,用户还可根据自己的设计要求和优化目标,在软件中方便地定义用户变量。

在进行结构优化过程中,HyperWorks允许在有限元计算分析时使用多个结构响应,用来定义优化的目标或者约束条件。HyperWorks支持常见的结构响应,包括:位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、结构柔度、复合材料的应力应变、频响位移、速度、加速度以及各响应量的组合等。

HyperWorks提供了丰富的参数设置,方便用户对整个优化过程以及优化结果的实用性进行控制。这些参数包括优化求解参数和制造加工工艺参数等。用户可以设定迭代次数、目标容差、初始步长和惩罚因子等优化求解参数,也可以根据零件的具体制造过程添加工艺约束,从而得到正确的优化结果并方便制造。

1.结构拓扑优化功能;

a) 在产品研发的初始阶段,用户定义产品的设计空间、设计目标、设计约束和加工制造参数等信息,HyperWorks将根据这些信息求解出结构传力路径和最有效的材料分布,从而为工程师提供一个不仅符合设计目标,而且达到各项性能最优的设计思路。设计者可以综合考虑不同目标函数下的最优拓扑结构以及实际加工制造的限制,设计合乎要求的产品结构。

图1 拓扑结构优化流程

b) 在拓扑优化中,HyperWorks可以考虑各种具体工程问题,可用于优化的工况包括线性静态分析,惯量释放分析,模态分析,屈曲失稳分析,频响分析(直接法和模态法),瞬态分析(直接法和模态法),非线性分析等。

c) HyperWorks拓扑优化的材料模式采用密度法,利用灵敏度和数学规划方法寻找最佳设计点,有别于传统的均匀化法和优化准则法,具有内在的先进性。这种方法:

ü  通用性强,可以求解各种各样的实际工程问题。

ü  稳健性好,只要优化问题有实际物理意义,就可以找到最佳设计,不易出错。

ü  效率高,能自动根据优化问题从丰富的内部算法库中选择最佳的灵敏度和寻优算法,决定是否采用中间变量和中间响应等,计算效率非常高。

ü  容易消除数值不稳定问题,例如棋盘格现象,网格依赖等现象。

d) 优化结果如果难于制造,或者制造成本高昂,将失去工程应用的意义和价值。HyperWorks提供了多种方法,可以在拓扑优化的过程中考虑制造工艺的可行性。这些方法包括:

1)        成员尺寸控制

成员尺寸控制允许控制最后的拓扑结构的成员尺寸大小,使优化结果更好的满足制造加工和力学性能要求,包括最小尺寸和最大尺寸控制,具有消除棋盘格现象、网格依赖性等数值不稳定性的能力。

2)        对称约束

对设计空间施加对称约束可以生成对称设计。即使是在网格、边界条件不对称的模型中,HyperWorks也可以强制生成非常接近于对称的结果。

ü  一平面对称,优化结果关于某个平面对称。

ü  二平面对称,优化结果关于某两个垂直的平面对称。

ü  三平面对称,优化结果关于某三个垂直的平面对称。

ü  周向循环对称,周向循环对称将设计空间围绕某对称轴等分为用户指定数量的扇形区域,各扇形区域的优化结果一致。

ü  周向循环及一平面对称,周向循环及一平面对称在周向循环对称的基础上,对每个扇区指定一个对称平面从而保证每个扇区的优化结果同时是一平面对称的。

3)        模式重复

模式重复是允许相似的设计区域连接在一起以产生相似的拓扑布局的一种方法。通过指定零件某一区域或多个区域的结构样式和另一区域保持一致,或某方向进行比例缩放,从而得到相似的设计,减少工艺设计和制造加工的工作量。

通过灵活设定设计空间和非设计空间,应用上述制造工艺约束,或者多种工艺约束的组合,HyperWorks可以充分考虑产品实际加工过程的各种约束,从而使得优化结果便于制造,优化流程真正集成到产品开发过程中。

4) 拔模约束

拔模约束可以考虑铸造件或者机加工件制造加工过程中的拔模和刀具的进出,在拔模方向或刀具进出的方向上避免材料的阻挡。拔模约束有单向拔模和沿给定方向分模两种,可以考虑铸造型芯。

5)        挤压方向

通过指定挤压方向,使材料沿挤压方向的横截面保持一致,从而优化结果可以采用型

材制造。用户通过指定一系列的点来定义挤压的路径。挤压路径可以是曲线的和扭转

的。

e) HyperWorks的优化算法可以方便处理多工况,多目标,多约束问题,其内置的智能约束屏蔽功能可以有效的控制约束数量,功能强大的响应定义功能可以考虑多个设计目标,特别适合航空航天行业这种多工况多目标多约束的复杂问题,有许多成功的系统级优化案例包含上百万个变量,上百个工况,几十个目标和约束。

f) HyperWorks的Morphing技术可以实现在优化过程中网格的无级变形能力和自适应能力,从而保证在优化过程中的网格质量,以及对局部网格细化的要求,消除优化结果的网格依赖性以及由于网格质量导致的优化出错。

g) HyperWorks全面支持动态性能的拓扑优化功能,可以对模态,频响和瞬态性能进行优化,可以方便的设置基频最大化、加权频率最大化、各阶频率约束、复合频率应变能最大化等问题,可以对频响及瞬态分析的位移、速度、加速度进行优化、具有模态跟踪功能,能有效处理模态交换和局部模态问题。

h) 传统的结构优化求解器只能对拓扑优化的非设计空间进行应力约束,无法直接对设计空间的应力水平进行约束。HyperWorks创造性的实现了对设计空间的直接应力水平约束,从而工程师在设计阶段就可以直接考虑强度和疲劳问题。

i) HyperWorks的优化结果可以方便的通过OSSmooth模块输出为几何模型,从而方便导入到各种CAD软件中,方便设计工程师根据优化结果进行创新设计。支持的通用文件格式包括IGS和 STL等。

2.压延钣金优化功能

a) HyperWorks的形貌优化(Topography Optimization)具有极其强大的钣金件压延筋优化功能。可以通过指定最大容许的压延筋尺寸,给出强度或者刚度方面的优化目标,优化出满足要求的压延筋布局,为设计者提供设计思路。

b) HyperWorks的形貌优化技术可以指导用户设计出满足设计目标和约束条件的最佳压延筋布局,从而大大提高结构强度、刚度、屈曲、自然频率和频响等性能,特别适合于优化振动和噪声等问题。

c) 在压延筋优化中,HyperWorks可以定义压延筋的筋宽、筋高、起筋角、设计域与非设计域间的过渡区,施加边界条件的区域是否起筋等设置等内容。

d) HyperWorks的压延筋优化功能强大,可以处理各种实际应用问题,包括:

1)   模式组

在压延筋优化中,HyperWorks可以充分考虑各种筋的模式,从而满足制造加工和产品工业设计方面的要求,包括:

ü 一平面对称,压延筋关于某平面对称

ü 两平面对称,压延筋关于某两个垂直平面对称

ü 三平面对称,压延筋关于某三个垂直平面对称

ü 线性分布,压延筋成直线型

ü 圆周分布,压延筋成圆环型

ü 径向分布,压延筋成放射型

ü 平面分布,各区域的压延筋处于同一平面

2)   模式重复

在形貌优化中,模式重复是允许相似的设计区域连接在一起以产生相似的压延筋分布,例如,将整体设计区域分为三个设计区,则可以保证三个设计区的压延筋模式是一样的。

3)   起筋面积比

压延筋的面积与钣金件面积之比称为起筋面积比,当不考虑起筋面积比时,优化结果可能包含非常多的压延筋,其中有些压延筋的作用不是很大,导致产品不易设计,生产成本高。起筋面积比可以控制压延筋的总面积,从而只产生最重要的压延筋。

手工进行压延筋形貌优化的结果解释和模型重建比较复杂,OSSmooth模块提供了AutoBead功能,可以快速进行自动化压延筋重建功能,从而大大节省工程师的宝贵时间。AutoBead可以给出非常清晰的压延筋,良好的网格,可以自动进行多层压延筋的重建。


3.外形优化功能

a) HyperWorks的形状优化(Shape Optimization)和自由形状优化(Free Shape Optimization)具有极其强大的外形优化和零件位置优化功能。

1形状优化

形状优化的目的是对已有零件的网格形状进行修改从而实现结构优化,提高刚度、强度或者减轻重量。例如,通过改变零件关键部位的外形可以降低局部应力。HyperWorks利用网格划分当中的网格变形技术建立基于网格变形的形状优化变量。这一方法的优点是在优化过程中无需重构CAD模型,所有形状改变均直接作用于网格,从而可以方便地得到最优的设计改进方案。

HyperMorph是一个内嵌在网格划分当中的网格变形模块。通过它,可以使用多种交互式的方法来改变网格形状和零件的位置。节点移动后,HyperMorph可以创建设计变量卡片和节点移动卡片,将修改后的网格保存为形状扰动,与形状优化的设计变量关联。

2自由形状优化

与常规的形状优化相比,自由形状优化采用非参数化设计技术,可以对零部件的边界或外表面进行自动优化。在定义形状变量时,不需要使用HyperMorph来定义设计变量,而是直接选择设计区域的单元节点,然后自动生成形状变量,这样使得定义形状设计变量的过程更加简单。

b) HyperWorks的形状优化功能可以方便地考虑静力、模态、频响、疲劳分析等进行形状优化。

c) HyperWorks的自由形状优化功能就是通过非参数化技术修改已有的设计模型或零件的外表面对其进行优化改进。

d) HyperWorks的形状优化和自由形状优化功能可以方便的实现各种对称约束,包括各种平面对称和旋转对称,可以实现零件工作包络空间的约束。此外,通过对形状变量进行关联,HyperWorks可以方便实现包含各种关联性约束的形状优化问题。

e) 形状优化的一个重要用途就是减少应力集中,提高零件的疲劳寿命。HyperMesh可以生成各种形状变量,通过HyperWorks的多学科研究和优化模块HyperStudy调用各种通用疲劳分析求解器,例如nCode DesignLife、MSC.Fatigue、Falancs和Femfat进行疲劳寿命的优化。

4.尺寸优化功能

HyperWorks的尺寸优化(Size Optimization)和自由尺寸优化(Free Size Optimization)具有极其强大的尺寸优化功能。

1尺寸优化

尺寸优化用于最优化零件的参数,例如材料特性、板壳厚度、梁截面尺寸、连接刚度等。在HyperWorks中,用户可以非常方便地定义优化参数。同时,HyperWorks支持离散性的尺寸优化,离散变量数组的建立有多种方便的方法,从而很大程度上解决了离散性优化这一工程难题。

HyperWorks的尺寸优化定义非常灵活,用户可以通过建立尺寸变量然后跟模型属性相关联,实现对模型的参数化,也可以一次性的把模型的属性全部参数化,快速建立成千上万个尺寸变量。

2自由尺寸优化

HyperWorks专门针对板壳结构和复合材料的特点提供了自由尺寸优化技术。在自由尺寸优化中,每一个板壳单元的厚度都是一个优化变量,优化结果主要为抗剪切性能更好的连续不等厚板,这样的板壳结构在飞机等结构上使用更合理。

5.复合材料的优化

HyperWorks的拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化功能不仅在金属零部件结构优化上已经非常成熟,在复合材料优化上也非常的强大。

复合材料具有良好的性能,在工程实际中得到了越来越广泛的应用。HyperWorks可以对复合材料进行多个层次的优化。

1)拓扑优化可以找出复合材料的最佳分布区域

2)尺寸优化可以优化复合材料的铺层角度和层数

3)自由尺寸优化可以优化各个角度铺层的铺层形状和层数

HyperWorks的复合材料优化功能可以考虑各种实际工艺要求。例如,通过变量关联实现铺层连续,通过厚度约束控制各个角度铺层占总铺层厚度的百分比,通过HyperShuffle实现面向生产实际的各铺层的排列顺序。