OPTISTRUCT培訓(xùn)資料專業(yè)知識講座

10十月2023Optistruct5.0優(yōu)化軟件培訓(xùn)第1頁培訓(xùn)內(nèi)容第一天上午(9:00AM-12:00PM)內(nèi)容介紹構(gòu)造優(yōu)化概念介紹拓撲優(yōu)化（Topology)概念介紹拓撲優(yōu)化例題拓撲練習(xí)練習(xí)1–拓撲優(yōu)化C-Clip例題練習(xí)2–拓撲優(yōu)化Controlarm例題第2頁培訓(xùn)內(nèi)容-continue第一天下午(1:00PM–4:00PM)形貌優(yōu)化(Topography)概念介紹形貌優(yōu)化例題形貌優(yōu)化練習(xí)形貌優(yōu)化torsionplate例題第3頁培訓(xùn)內(nèi)容-continue第二天上午(9:00AM-12:00PM)

第一天內(nèi)容回憶采取AutoDV生成形狀優(yōu)化(Shape)波動矢量

SquarePlate例題FilletRadiusChange例題Shape形狀優(yōu)化形狀優(yōu)化練習(xí)–SquareBeam第4頁培訓(xùn)內(nèi)容-continue第二天下午(1:00PM–4:00PM)尺寸優(yōu)化（Size）尺寸優(yōu)化bracket_size例題第5頁內(nèi)容介紹第6頁什么是優(yōu)化（三要素）？目標(biāo)（Objective）優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)就是要求所選設(shè)計變量使目標(biāo)函數(shù)達成最佳值

min(max)f(xi

)設(shè)計變量（DesignVariables）

xi i=1,2,3,…,p設(shè)計約束（DesignConstraints）優(yōu)化設(shè)計約束值是對設(shè)計變量取值限制

gj(x)

0, j=1,2,3,…,n 注:函數(shù)

f(x),gi(x)能夠是線性、非線性、顯式及隱式等等。

例如:顯式函數(shù)y(x)=x2–2x

隱式函數(shù)y3–y2x+yx-x=0第7頁常用名詞設(shè)計變量（DesignVariables）:可變動方便改善系統(tǒng)性能系統(tǒng)參數(shù)響應(yīng)（Response）:

執(zhí)行變量后系統(tǒng)性能測量值.目標(biāo)函數(shù)（ObjectiveFunction）:盼望最優(yōu)基于設(shè)計變量（諸如質(zhì)量、應(yīng)力、位移、頻率等）響應(yīng)函數(shù)

約束函數(shù)（ConstraintFunctions）:設(shè)計被接收時響應(yīng)函數(shù)必須滿足邊界條件可行性設(shè)計（FeasibleDesign）:

滿足所有約束設(shè)計不可行設(shè)計（InfeasibleDesign）:與約束沖突設(shè)計最優(yōu)設(shè)計（OptimumDesign）：滿足所有約束且目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計第8頁X2X1g2(x)=x1+x2-4=0可行性設(shè)計區(qū)域不可行性設(shè)計區(qū)域最優(yōu)設(shè)計點f*=f(x1*,x2*)二維單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計幾何解釋約束條件（邊界）g1(x)=x1+x2-2=0g3(x)=x1-x2-2=0g4(x)=x1-x2+2=0第9頁它能夠做有限元線性靜態(tài)分析、頻率分析和線性屈曲分析，同步它是一種功能非常強大優(yōu)化軟件，它提供了如下四種優(yōu)化技術(shù)。拓撲優(yōu)化(TopologyOptimization)形貌優(yōu)化(TopographyOptimization)尺寸優(yōu)化(SizeOptimization)形狀優(yōu)化(ShapeOptimization)Optistruct5.0軟件功能介紹Optistruct5.0是一種有限元構(gòu)造分析和優(yōu)化軟件。第10頁Design-Analysis

FEADesignSensitivityAnalysis(DSA)OptimizationConv?OptimumDesignModelUpdate優(yōu)化計算流程第11頁什么是Optistruct概念優(yōu)化

在產(chǎn)品概念設(shè)計階段，利用優(yōu)化計算得到滿足設(shè)計要求構(gòu)造外形，并且能夠返回CAD，進行詳細設(shè)計第12頁拓撲優(yōu)化（TopologyOptimization)密度分布Isosurfacer=0.5設(shè)計空間、載荷及邊界拓撲優(yōu)化是在給定載荷條件下尋找滿足設(shè)計要求構(gòu)造材料最佳分布優(yōu)化技術(shù)第13頁形貌優(yōu)化（TopographyOptimization）載荷作用下扭盤最后云圖設(shè)計變量生成最后設(shè)計第14頁不一樣設(shè)計構(gòu)造扭盤抗變形性能比較Max.Deflection:2.23Max.Stress:267Max.Deflection:10.57Max.Stress:520Max.Deflection:4.41Max.Stress:644Max.Deflection:6.47Max.Stress:434TopographyOptimizationMax.Deflection:1.17Max.Stress:196第15頁拓撲優(yōu)化TopologyOptimization

第16頁拓撲優(yōu)化例題1C-clip優(yōu)化目標(biāo)：通過優(yōu)化計算得到滿足設(shè)計要求最優(yōu)材料分布方式，以達成滿足剛度，節(jié)省材料成本目標(biāo)優(yōu)化方案目標(biāo)函數(shù)ObjectiveFunction

：體積最小化約束條件Constraints

：1A點Y方向位移<0.07mm2B點Y方向位移>-0.07mm設(shè)計變量DesignVariables:單元密度第17頁C_clip優(yōu)化求解步驟1在HM5.0中輸入幾何模型（cclip.hm)2定義material、properties和components，并且使之關(guān)聯(lián)3創(chuàng)建有限元網(wǎng)格4施加載荷和邊界條件5創(chuàng)建載荷工況6在HM5.0環(huán)境創(chuàng)建優(yōu)化問題

定義優(yōu)化設(shè)計空間(topology)定義優(yōu)化響應(yīng)(response)、約束(dconstraints)和目標(biāo)函數(shù)(objective)

7輸出Opti5.0ASCII碼文獻8采取Opti5.0求解拓撲優(yōu)化，以得到優(yōu)化材料分布9在HM5.0中后處理看優(yōu)化成果第18頁拓撲優(yōu)化例題2control_arm優(yōu)化目標(biāo)：通過優(yōu)化設(shè)計重新調(diào)整模型材料分布，以滿足多工況設(shè)計要求，以達成要求構(gòu)造剛度，節(jié)省材料成本目標(biāo)優(yōu)化方案目標(biāo)函數(shù)ObjectiveFunction

：體積最小化約束條件Constraints

： 1.在工況一下2699點合位移<0.05 2.在工況二下2699點合位移<0.02 3.在工況三下2699點合位移<0.04設(shè)計變量DesignVariables:單元密度

2699第19頁Control_arm優(yōu)化求解步驟1在HM5.0中輸入幾何模型(carm.hm)2定義material、properties和components,并且使之關(guān)聯(lián)3創(chuàng)建有限元網(wǎng)格4施加載荷和邊界條件5創(chuàng)建載荷工況6在HM5.0環(huán)境創(chuàng)建優(yōu)化問題

定義優(yōu)化設(shè)計空間(topology)定義優(yōu)化響應(yīng)(response)、約束(dconstraints)和目標(biāo)函數(shù)(objective)

7輸出Opti5.0ASCII碼文獻8采取Opti5.0求解拓撲優(yōu)化，以得到優(yōu)化材料分布9在HM5.0中后處理看優(yōu)化成果10利用Ossmooth技術(shù)輸出優(yōu)化后成果第20頁幾何輸出OSSmooth技術(shù)ThicknessdistributioninaDetergentbottleOSSmooth是一種幾何生成工具，能夠

將Topology/Topography/Shape優(yōu)化后模型生成幾何。它支持多種格式(IGES,STL,H3Detc.)輸出，并具有先進幾何曲面光滑功能，曲面縮減功能方便減小IGES和STL文獻大小在HM5.0版中該功能日趨完整并且使用方便IGES第21頁拓撲優(yōu)化總結(jié)PSHELLPSOLIDPCOMP設(shè)計空間可用于在設(shè)計空間內(nèi)單元性質(zhì)類型

第22頁設(shè)計變量（DesignVariables）

單元內(nèi)空穴大小，等效以為是單元正則密度體單元第23頁殼單元第24頁C-clip優(yōu)化后密度分布云圖第25頁響應(yīng)定義（Response）

DRESP1SimpleresponsedefinitionMass,massfraction,volume,volumefraction,compliance,frequency,displacement,stress,weightedcompliance,weightedfrequency,andcomplianceindexDRESP2ResponsedefinitionusingafunctionDefinesresponsesasfunctionofdesignvariables,gridlocation,tableentries,responses,andgenericproperties第26頁響應(yīng)類型目標(biāo)和約束響應(yīng)Compliancecontrol(COMP)–TotalandRegionalWeightedCompliance(WCOMP)Eigenvalue(FREQ)InverseofWeightedEigenvalues(WFREQ)CombinationofWeightedComplianceandWeightedInverseEigenvalues(COMB)Mass(MASS)–TotalandRegionalVolume(VOLUME)-TotalandRegionalMassFraction(MASSFRAC)–TotalandRegionalVolumeFraction(VOLFRAC)–TotalandRegionalNodalDisplacements(DISP)Stress(STRESS)第27頁約束定義（Constraint）

DCONSTRRelatesresponsetolowerand/orupperboundDCONADDCollectsconstraintsundersameid第28頁目標(biāo)

定義（Objective）DESOBJ(MIN)orDESOBJ(MAX)DESOBJreferencesaresponseIDonaDRESP1orDRESP2card.GivenresponseIDisdefinedastheobjective.OnlyoneDESOBJcardcanbepresent第29頁拓撲優(yōu)化常規(guī)問題設(shè)定

Objective:Minimize(weight/total/regional)compliance

Constraint:(total/regional)volume/massfractionObjective:Minimize(total/regional)volume/massfractionConstraint:displacementsObjective:Maximize(weight)frequency

Constraint:(total/regional)volume/massfractionObjective:Minimize(total/regional)volume/massfractionConstraint:frequenciesObjective:MinimizecombinedcomplianceandfrequenciesConstraint:(total/regional)volume/massfraction第30頁形貌優(yōu)化

TopographyOptimization

第31頁在板形構(gòu)造中尋找最優(yōu)beads(swages)分布概念設(shè)計辦法TopographyOptimization第32頁形貌優(yōu)化例題1Torsion_plate優(yōu)化目標(biāo)：通過優(yōu)化計算得到滿足設(shè)計要求最優(yōu)加強筋布置方式，以達成要求剛度優(yōu)化方案目標(biāo)函數(shù)ObjectiveFunction

：給定節(jié)點位移最小化設(shè)計變量DesignVariables:設(shè)計空間內(nèi)形狀變化第33頁Torsion_plate優(yōu)化求解步驟1在HM5.0中輸入有限元模型（torsion_plate.hm)2設(shè)置形貌優(yōu)化Bead參數(shù)3輸出Opti5.0ASCII碼文獻4采取Opti5.0求解形貌優(yōu)化，以得到優(yōu)化加強筋布置方式5在HM5.0中后處理看優(yōu)化成果第34頁Bead布置方式PatternGroupingsymmetryradialCyclicallinearplanarCircular第35頁注意Volume/Massresponse在形貌優(yōu)化（TopographyOptimization）中不敏感，不適合作為約束或目標(biāo)第36頁優(yōu)化問題回憶第37頁優(yōu)化問題成果目標(biāo)（Objective）是否達成目標(biāo)?目標(biāo)提升多少?設(shè)計變量（DesignVariables）提升設(shè)計變量值設(shè)計約束（Constraints）是否與約束沖突?第38頁Optimization-Interpretation

什么容易犯錯?局部最小與整體最小過約束也許造成求解成果錯誤其他優(yōu)化效率約束與設(shè)計變量之間聯(lián)系無約束優(yōu)化問題優(yōu)化問題設(shè)置不合適硬件限制第39頁一體化設(shè)計TopologyoptimizationTopographyoptimizationSizeoptimizationShapeoptimizationKnowledgeFreedomConceptDesignTesting第40頁形狀優(yōu)化

ShapeOptimization第41頁形狀優(yōu)化實例

形狀優(yōu)化是通過變動構(gòu)造邊界，來改善構(gòu)造特性一種優(yōu)化方式，它通過重新定義節(jié)點位置，來取得構(gòu)造邊界變化，節(jié)點變動是通過AutoDv創(chuàng)建DESVARDVGRID卡來定義。第42頁形狀優(yōu)化初始設(shè)計最后設(shè)計施加波動矢量vi第43頁x(0)x=x(0)+

x

x形狀優(yōu)化在單個形狀波動變量作用下節(jié)點移動矢量原始位置：

波動矢量：

波動矢量幅值(DESVAR)：網(wǎng)格節(jié)點在多種波動矢量合并作用下移動(DVGRID)：第44頁利用AutoDV建立形狀優(yōu)化變量定義DomainElements(vs.StructuralModel)定義DomainNodesets定義ControlVectors第45頁線性形狀

二次形狀A(yù)utoDV支持兩種形狀函數(shù)第46頁利用AutoDV創(chuàng)建形狀

優(yōu)化變量在HyperMesh中

Shape子菜單中創(chuàng)建形狀變量流程CreatedomainelementsRunAutoDVwith

appropriateanalysisandsub-codesCreatenodesetsAutonodeselectionw/HM5.0CreateshapeperturbationvectorsPreviewshapeanimationsinHypeMeshusing*.dv.animateresultsfileInclude*.datintoOptiStructdeck‘Shape’panel‘Animate’buttoninShapepanel‘deform’panelAutomaticallyincluded第47頁波動變量生成練習(xí)題1SquarePlate目標(biāo)：利用AutoDV在殼單元上創(chuàng)建波動矢量，理解波動矢量生成過程和意義。第48頁波動變量生成練習(xí)題2hatdv.hm目標(biāo)：利用AutoDV創(chuàng)建多種波動矢量，來變動圓角半徑。第49頁形狀優(yōu)化例題SquareBeam優(yōu)化目標(biāo)：通過優(yōu)化計算得到一種新形狀，在這種形狀時，受力點位移最小。優(yōu)化方案目標(biāo)函數(shù)ObjectiveFunction

：受力點Z方向位移最小約束條件Constraints

：材料至多增加12%設(shè)計變量DesignVariables:4個形狀變量（用AutoDV定義）第50頁SquareBeam形狀優(yōu)化求解步驟1在HM5.0中輸入幾何模型（beam_analysis.fem)2創(chuàng)建domainelement和nodesets3創(chuàng)建設(shè)計變量并且在后處理中瀏覽AutoDV動畫4在形狀優(yōu)化中調(diào)用AutoDV產(chǎn)生*.DAT文獻5定義響應(yīng)、約束和目標(biāo)函數(shù)6輸出Opti5.0ASCII碼文獻7采取Opti5.0求解，得到優(yōu)化變形模型8在HM5.0中后處理看優(yōu)化成果第51頁尺寸優(yōu)化

SizeOptimization第52頁尺寸優(yōu)化尺寸優(yōu)化能夠通過參數(shù)調(diào)整變化殼厚度、梁橫界面參數(shù)、彈性單元剛度和質(zhì)量單元質(zhì)量屬性等，從而減少設(shè)計重量，調(diào)整設(shè)計性能。

第53頁ThicknessdistributioninaDetergentbottle單元特性是設(shè)計變量函數(shù)

Gauge優(yōu)化簡化尺寸優(yōu)化殼厚度t=DV尺寸優(yōu)化第54頁尺寸優(yōu)化例題1bracket_size優(yōu)化目標(biāo)：通過優(yōu)化計算得到滿足設(shè)計要求支架板厚值。優(yōu)化方案目標(biāo)函數(shù)ObjectiveFunction

：體積最小化約束條件Constraints

：支架VonMises應(yīng)力最大值<100MPa

設(shè)計變量DesignVariables:支架板厚