OptiStruct优化教程

OptiStruct优化Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.2第一天概述•介绍•理论背景•优化界面和设置•概念设计•拓扑优化•练习4.1:开始使用Inspire•练习4.2:在Inspire中多工况拓扑优化•练习4.3:有应力约束的挂钩拓扑优化•练习4.4:控制臂的拓扑优化•练习4.5:拓扑优化中使用模式重复•形貌优化•练习4.6:L型支架的形貌优化•自由尺寸优化•练习4.7:带孔板的自由尺寸优化•设计解释OSSmooth•练习4.8:OSSmooth处理拓扑优化结果Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.3第二天概述•回顾•详细设计•尺寸优化•练习5.1:钢轨接头的尺寸优化•练习5.2:焊接支架的离散尺寸优化•形状优化•练习5.3:L形悬臂梁的形状优化•练习5.4:钢轨接头的形状优化•自由形状优化•练习5.5:压缩机支架的自由形状优化•练习5.6:3D支架的自由形状优化Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.4第1章-介绍HyperWorks概述OptiStruct概述Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.5HyperWorksOverview•前处理HyperMeshHyperCrashMotionView•求解器RADIOSSMotionSolveAcuSolve•后处理HyperViewHyperGraphHyperGraph3D•优化InspireOptiStructHyperStudyCopyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.6HyperWorksOverview•制造仿真HyperFormHyperXtrude•企业流程管理DataManagerProcessManagerPBS/Professional•可视化工具HyperViewPlayerCopyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.7HyperWorks中的OptiStructCopyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.8OptiStruct概览•基本分析功能•线性静态分析.•模态分析.•线性屈曲分析.•稳态热应力分析•高级分析功能•频响分析•直接法•模态法•随机响应分析•瞬态响应分析•直接法•模态法•基于傅立叶变换的瞬态响应分析•直接法•模态法•非线性接触分析•声腔分析(结构和流体)•疲劳分析(-N和-N)Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.9OptiStruct概览多体动力学分析•运动学•静力学•准静态•动力学2OA23BO4114otionmx,kcFF/xFkCopyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.10OptiStruct优化概览拓扑形状自由形状尺寸自由尺寸形貌Optimization设计流程求解器中立完整的有限分析求解器概念设计阶段详细设计Gauge9&10Gauge1,2&3Gauge4Gauge5Gauge6Gauge7Gauge11,12&13Gauge14&15实验设计近似随机研究Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.11SUV车驾的轻量化开发原车架新车架质量减少:20%扭转刚度增加:31%焊缝长度降低:50%Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.12TorsionLinks的优化流程Upperandlowerlinkmasswithoutpinsisdownto176lbsfrom240lbs.拓扑优化提供刚度的材料的分析拓扑优化设计空间和载荷尺寸和形状优化,对设计结果进行微调拓扑优化后的几何提取Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.13第二章-理论背景优化优化概念和定义Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.14结构优化概念优化问题描述:•目标(我想要的是什么?)最小化f(x)或最小化[f(x)的最大值]•设计变量(我可以改变什么?)XiL≤Xi≤XiUi=1,2,3,…N•设计约束(必须保证哪些性能指标?)gj(x)≤0j=1,2,3,…,M注:函数f(x),gi(x)是连续的,可以是线性或非线性的,显式或隐式的，例子:显式y(x)=x2–2x隐式y3–y2x+yx-√x=0Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.15优化定义•拓扑优化:是在给定空间内，优化结构内部材料分布的一种数学方法。•形貌优化:是一种高级的形状优化，OptiStruct会在给定零件的指定区域内生成基于形状模式的加强结构。•自由尺寸优化:是一种数学方法，它可以生成优化后２Ｄ结构上单元的厚度分布。Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.16优化定义•形状优化:是根据预先设定的形状变量改变结构的形状，来寻求最佳的形状的一种自动化方法。•尺寸优化:是改变结构参数(厚度，１Ｄ属性，材料属性等)来寻求最优设计的一种自动化的方法.•Gauge:是尺寸优化的特例，设计变量是２Ｄ属性(Pshell或Pcomp)•自由形状:是通过自由移动一组边界节点来更改结构形状，寻求最佳形状的一种自动化方法.•Compositeshuffle:是用来决定最优的铺层顺序的一种自动化方法，设计变量是铺层的叠放顺序。这种方法只针对使用PCOMP(G)或PCOMPP定义的复合材料.Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.17Optimization术语•设计变量:在优化系统性能过程中，所需改变的系统参数。•设计空间:优化流程中可以设计更改的部分。例如，在拓扑优化中，位于设计空间内的材料。20b4030h90Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.18Optimization术语响应：反映系统性能的数据，比如(b,h);t(b,h),质量•DRESP1•简单响应的定义•质量，质量分数，体积，体积分数，柔度，频率，位移，应力，应变，力，复合材料响应，加权柔度，加权频率，柔度指数，频率响应分析响应•DRESP2•用户自定义函数的响应定义•响应定义为设计变量，结点位置，表格，响应和一般属性的函数例如：两个点的位移平均值：•DRESP3•使用用户定义的外部函数定义响应•外部函数可以是用C(C++)或Fortran编写的2),(2121xxxxFx1,x2代表节点位移值Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.19Optimization术语•目标函数：需要优化的系统的任何响应函数。该响应是设计变量的函数。例如：质量，应力，位移，转动惯量，频率，重心，屈曲因子等。•约束函数：新设计的系统响应函数必须满足的边界条件。minWeight(b,h)(b,h)70MPat(b,h)15MPah2*bCopyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.20优化问题举例•使用1Dbeam单元模拟一个悬壁梁，施加载荷F=2400N。优化梁截面的宽和高，目标最小化重量，这样可以保证应力不超过给定范围。另外高度不应超过宽度的两倍Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.21优化问题举例•目标•重量：minm(b,h)•设计变量•宽度：bLbbU,20b40•高度：hLhhU,30h90•设计区域：所有梁单元•设计约束：σ(b,h)max,withσmax=160MPaσ(b,h)max,withσmax=60MPah2*bCopyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.22优化问题举例设计空间的数学表示梁宽,b(mm)梁高,h(mm)Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.23Optimization术语•FeasibleDesign:满足所有约束条件。•InfeasibleDesign:违反一个以上的约束条件。•OptimumDesign:满足所有约束条件且目标函数最优的解。Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.24Optimization术语基于梯度的优化1.从X0点开始。2.评估函数F(Xi)和其在Xi点的梯度向量F(Xi)。3.使用负梯度方向定义出下一个迭代点：Xi+1=Xi-F(Xi).4.重复第２、３步，直到函数收敛到最值.X0X1X2X3Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.25Optimization术语灵敏度分析•直接法•设计变量较少•约束约多•伴随向量法•设计变量较多•约束较少移动限制调整约束屏蔽域及其作用离散设计变量拓扑尺寸和形状Copyright©2013AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.26结果解释•目标•有没有达到目标？•目标改善了多少？•设计变量•改进设计的设计变量值是多少•约束•有没有违反约束条件？Copyright©2013Al