基于OptiStruct 的复合材料优化技术
基于Altair OptiStruct的复合材料优化技术
摘要
Altair OptiStruct为金属结构件提供了前所未有的优化手段，在各个行业取得了大量革命性的应用和创新的工程成果。针对复合材料在航空航天的广泛应用，Altair OptiStruct提供了全面的、面向工程实际的复合材料优化技术。本文介绍了这项技术的应用过程，各个阶段的方法及结果。
基于Altair OptiStruct的复合材料优化技术
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基于Altair+OptiStruct的复合材料优化技术
复合材料优化技术 的 ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢａｓｅｄｏｎＡｌｔａｉｒＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ澳汰尔工程软件（上海）有限公司洪清泉邬旭辉 ＡｌｔａｉｒＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ是一个是以有限元法为基础，面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，可提供最全面的优化方法，包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化。这些方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优化，其稳健高效的优化算法允许在模型中定义上百万个设计变量，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、结构柔度以及各响应量的组合等。此外，ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ提供了丰富的参数设置，包括优化求解参数和制造加工工艺参数等，方便用户对整个优化过程进行控制，确保优化结果便于加工制造，从而极具工程实用价值。 ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ提供了从金属到复合材料的完整的优化解决方案，可以考虑各铺层的应力、应变、失效和屈曲等性能约束，提供了前所未有的复合材料优化解决方案。 拓扑优化 拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑／布局问题转化为在给定的设计区域内寻求材料最优分布的问题。 例如，在矩形设计空间内，承受 弯矩的最佳结构样式是工字型梁，承 受扭矩的最佳结构样式是矩形管梁。 ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ可以在给定的设计空间 内，在给定的载荷边界条件下，找到 满足性能指标的最佳的材料分布，从 而确定出最佳的结构形式。 自由尺寸优化 利用拓扑优化找出最佳的零部 件结构样式后，根据该样式初步设计 出零件，然后进行自由尺寸优化。自 由尺寸优化适合于用壳单元建模的 零件，对金属零件而言，每个单元的 厚度就是一个变量，其厚度可在某个 范围之间连续变化。 自由尺寸优化可以应用到复合 材料的优化设计中。将复合材料建 模为角度一定（０。、４５。、一４５。、９０。 等）的几个“大层”（相对于实际厚 度很薄的单个铺层），此时每个单元 的每一层的都是一个厚度变量，优化 后可以得到其最佳厚度。 尺寸优化 尺寸优化可以对有限元模型的 各种参数，例如板的厚度、梁截面尺 寸、材料属性等进行优化。在得到各 角度“大层”的组成形状之后，对复 合材料进行重新建模，将每种形状重 新建成一个“大层”，优化得到每种 形状的具体厚度，除以实际铺层的厚 度，就可以得到每种角度每种形状的 铺层的数目了。 铺层层叠次序优化 有了每种角度每种形状的实际 铺层数目，接下来就要优化实际铺层 层叠的次序，从而最终制造出复合材 料零件。确定铺层次序时，需要考虑 铺层对称性、每种铺层的最大层叠数 目等。ＨｙｐｅｒＳｈｕｆｆｌｅ模块可以自动 确定最佳的铺层层叠次序，满足复合 材料制造工艺要求。 结束语 ＡｌｔａｉｒＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ９．０具有完整 的复合材料优化设计解决方案，通过 综合应用拓扑优化、自由尺寸优化、 尺寸优化、铺层层叠次序优化等技 术，提供了从最初的零件结构样式， 到铺层形状和厚度分布，到铺层角度 和层数的确定，到最终铺层层叠次序 的各个阶段的优化设计方法，为复合 材料零件的设计提供了创新的、符合 工程实际的方法。 （责编侧卫） ２００８年第２２期?航空制造技术１０３ 万方数据
基OptiStruct的复合材料优化技术
基OptiStruct的复合材料优化技术 作者：澳汰尔工程软件洪清泉邬旭辉 摘要：Altair OptiStruct为金属结构件提供了前所未有的优化手段，在各个行业取得了大量革命性的应用和创新的工程成果。针对复合材料在航空航天的广泛应用，Altair OptiStruct 提供了全面的、面向工程实际的复合材料优化技术。本文介绍了这项技术的应用过程，各个阶段的方法及结果。 Altair OptiStruct是一个是以有限元法为基础，面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法，包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化。这些方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优化，其稳健高效的优化算法允许在模型中定义上百万个设计变量，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、以及各响应量的组合等。此外，OptiStruct提供了丰富的参数设置，包括优化求解参数和制造加工工艺参数等，方便用户对整个优化过程进行控制，确保优化结果便于加工制造，从而极其具有工程实用价值。 OptiStruct自从1993年发布以来，被广泛而深入地应用到各行各业，在航空航天、汽车、机械等领域取得了大量革命性的成功应用，赢得了多个创新大奖。特别是在金属结构件优化方面，OptiStruct的技术已经非常成熟，目前欧洲和美国几乎所有的正在研发的汽车和飞机都采用了结构优化技术，进行了大量的系统级布局优化，零部件减重和性能提高设计。 目前，复合材料以其比强度、比模量高，耐腐蚀、抗疲劳、减震、破损安全性能好等优点，在工业界取得了越来越多的应用，特别是在航空航天方面，由于钢铁和有色合金很难满足日趋苛刻的重量，力学等设计性能要求，复合材料更是得到了广泛的应用，例如波音787飞机超过50％重量的零部件采用复合材料制造。
基于OptiStruct的结构优化设计方法
基于OptiStruct的结构优化设计方法 作者：张胜兰 优化设计是以数学规划为理论基础，将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学理论，以计算机和应用软件为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。有限元法（FEM）被广泛应用于结构分析中，采用这种方法，任意复杂的问题都可以通过它们的结构响应进行研究。最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。 一、OptiStruct结构优化方法简介 OptiStruct是以有限元法为基础的结构优化设计工具。它提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化，这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。概念设计优化――用于概念设计阶段，采用拓扑（Topology）、形貌（Topography）和自由尺寸（Free Sizing）优化技术得到结构的基本形状。详细设计优化――用于详细设计阶段，在满足产品性能的前提下采用尺寸（Size）、形状（Shape）和自由形状（Free Shape）优化技术改进结构。拓扑、形貌、自由尺寸优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当的修改。经过设计人员修改过的设计方案可以再经过更为细致的形状、尺寸以及自由形状优化得到更好的方案。最优的设计往往比概念设计的方案结构更轻，而性能更佳。表1简单介绍各种方法的特点和应用。
OptiStruct提供的优化方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优化，其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、惯性矩等）。此外，用户也可以根据设计要求和优化目标，方便地自定义变量。 在进行结构优化过程中，OptiStruct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约束条件。OptiStruct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、结构应变能、以及各响应量的组合等。 OptiStruct提供丰富的参数设置，便于用户对整个优化过程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。此外，利用OptiStruct软件包中的OSSmooth工具，可以将拓扑优化结果生成为IGES等格式的文件，然后输入到CAD系统中进行二次设计。
多学科设计优化简要介绍
多学科设计优化简要介绍 多学科设计优化 (Multidisciplinary Design Optimization,简称 MDO)是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。其主要思想是在复杂系统设计的整个过程中利用分布式计算机网络技术来集成各个学科 (子系统 )的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程。其目的是通过充分利用各个学科(子系统 )之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，通过实现并行设计，来缩短设计周期，从而使研制出的产品更具有竞争力。因此，MDO宗旨与现代制造技术中的并行工程思想不谋而合，它实际上是用优化原理为产品的全寿命周期设计提供一个理论基础和实施方法。 MDO研究内容包括三大方面：1，面向设计的各门学科分析方法和软件的集成；2，探索有效的 MDO算法，实现多学科 (子系统 )并行设计，获得系统整体最优解；3，MDO分布式计算机网络环境。 多学科设计优化问题 ,在数学形式上可简单地表达为： 寻找：x 最小化：f=f(x,y) 约束：hi(x,y)=0 (i=1 ,2 ,… ,m) gj(x,y)≤ 0 (j=1 ,2 ,… ,n) 其中：f 为目标函数；x为设计变量；y是状态变量；hi(x,y)是等式约束；gj(x,y)是不等式约束。状态变量 y，约束 hi 和 gj以及目标函数的计算涉及多门学科。对于非分层系统，状态变量 y，目标函数 f，约束hi 和 gj 的计算，需多次迭代才能完成；对于分层系统，可按一定的顺序进行计算。这一计算步骤称为系统分析。只有当一设计变量 x通过系统分 随着科学技术日新月异的发展，我们的武器装备，尤其是战斗机的水平日益提高，装备复杂程度已远超乎平常人的想象，装备设计不单要用到
基于OptiStruct的齿轮拓扑优化
基于OptiStruct的齿轮拓扑优化 作者：Simwe 来源：Altair发布时间：2013-03-25 【收藏】【打印】复制连接【大中小】我来说两句：(0) 逛逛论坛 基于OptiStruct的齿轮拓扑优化 罗利龙倪迎鸽王文智 西安710072 摘要：借助于Altair公司HyperWorks中OptiStruct模块，完成了对齿轮轮辐区的拓扑减重。介绍了OptiStruct拓扑模块用到的优化方法及原理，以及控制优化稳定收敛和可生产性的相关设置。优化结果减重效果明显，生产工艺简单。 关键词：OptiStruct，拓扑，齿轮，可生产性 0概述 近几十年来，人们的日常生活正在向高度机械化发展，人类很多行为都在逐步被一些高精度的机械设备所代替，而机械传动装置是各种机械设备实现其基本价值不可或缺的部分，其中齿轮传动又是最重要的传动装置之一。据史料记载，远在公元前400~200年的中国古代就开始使用简单的齿轮传动，作为人类伟大的四大发明之一的指南针就是以齿轮传动为主要机械装置。而近代直到18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用得到了飞速发展，从摆线齿轮到渐开线齿轮，直到20世纪初，齿轮传动以其平稳性、精确性、高效性、长寿命等优点得到了广泛应用。 齿轮被定义为轮缘上有齿的、能够连续啮合传递运动和动力的机械元件。在近代的欧洲，很多人针对齿轮的齿形和齿数开展了大量的研究和改进工作。从最初的摆线齿轮到现在的渐开线齿轮，从圆柱齿轮、锥齿轮再到曲线齿轮，人们根据更加先进合理的理论设计初适用于各种工况的齿轮，最终形成了一套标准供后人去参考查询。到现在为止，齿轮的理论已经发展的较为成熟，现在机械设计时基本都是直接参考设计标准，从标准中选择合适的齿轮应用。这样做的好处在于标准齿轮生产工艺成熟、与其它齿轮等传到装置的配合简单。但是，考虑到航空航天等一些以减重为重要指标的设计行业，只是从标准中选择就显得有些古板，但是完全重新设计又涉及到整个传动系统的重新设计。本文以飞机上某折叠机构齿轮为模型，在不改变齿数、齿形等参数的情况下借助Altair公司的HyperWorks软件对齿轮的轮辐区进行了减重拓扑设计，目的在于不影响结构传递运动和力的前提下尽量减小齿轮重量。 HyperWorks自带的优化模块包含了丰富的优化设置，可以解决多种多样的从拓扑到尺寸的优化设计。本文需要用到OptiStruct模块来完成拓扑优化，OptiStruct采用变密度法的材料插值模型来定义材料的流动规律。通过OptiStruct中先进的近似法和可靠的优化算法可以搜索得到最优的加载路径设计方案。与此同时，OptiStruct还可以考虑优化模型的可加工性，如对称约束、铸造结构的拔模方向等。设计完成以后还可以使用OSSmooth工具将优化结果生成为IGES等格式的文件，再到CAD软件里进行设计。 1OptiStruct的拓扑优化理论
基于Altair OptiStruct的复合材料优化技术
基于Altair OptiStruct的复合材料优化技术 Altair OptiStruct是一个是以有限元法为基础，面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法，包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化。这些方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优化，其稳健高效的优化算法允许在模型中定义上百万个设计变量，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、以及各响应量的组合等。此外，OptiStruct提供了丰富的参数设置，包括优化求解参数和制造加工工艺参数等，方便用户对整个优化过程进行控制，确保优化结果便于加工制造，从而极其具有工程实用价值。 OptiStruct自从1993年发布以来，被广泛而深入地应用到各行各业，在航空航天、汽车、机械等领域取得了大量革命性的成功应用，赢得了多个创新大奖。特别是在金属结构件优化方面，OptiStruct的技术已经非常成熟，目前欧洲和美国几乎所有的正在研发的汽车和飞机都采用了结构优化技术，进行了大量的系统级布局优化，零部件减重和性能提高设计。 目前，复合材料以其比强度、比模量高，耐腐蚀、抗疲劳、减震、破损安全性能好等优点，在工业界取得了越来越多的应用，特别是在航空航天方面，由于钢铁和有色合金很难满足日趋苛刻的重量，力学等设计性能要求，复合材料更是得到了广泛的应用，例如波音787飞机超过50％重量的零部件采用复合材料制造。 图1 波音787飞机材料分布 OptiStruct提供了从金属到复合材料的完整的优化解决方案，特别是其最新版本9.0，支持从最初的零件结构样式，到铺层形状和厚度分布，到铺层角度和层数的优化，到最终铺层层叠次序的各个阶段的优化设计方法，可以考虑各铺层的应力、应变、失效，屈曲等性能约束，提供了前所未有的复合材料优化解决方案，包括以下四个阶段： 拓扑优化
OptiStruct结构优化技术的最新发展及应用
OptiStruct结构优化技术的最新发展及应用 作者：洪清泉曾神昌张攀 摘要：结构优化技术近年来在学术研究和商业软件开发方面都是一个热点，特别是美国Altair 公司的OptiStruct结构优化软件，领先却仍不断进取，其优化能力从静态发展到动态，从线性发展到非线性，从金属发展到复合材料，其应用领域从传统的汽车行业发展到航空、船舶、电子、建筑等行业，为工业界提供了强大的创新及轻量化设计工具，取得了大量工程成果。关键字：结构优化，动态优化，非线性优化，复合材料优化，Altair，OptiStruct 1 概述 结构优化技术是当前CAE技术发展的一个热点，在学术研究领域，变密度法、均匀化法、水平集法以及各种准则法等百家争鸣。相关商业软件的开发也很快，比较知名的有美国Altair 公司的OptiStruct，德国FE-DESIGN公司的Tosca，日本Quint公司的OptiShape，以及美国MSC公司的Nastran等。 结构优化技术在工业界的应用也逐渐成熟。从行业角度来讲，从早期的汽车零部件轻量化设计和飞机机身机翼的板、杆、梁及蒙皮尺寸优化，迅速发展到汽车、飞机和船舶的结构布局优化，电子产品的结构件及连接优化，建筑物和土木工程的结构布置等。从性能的角度来讲，早期主要是考虑金属零部件的线性静态和模态性能指标，如应力、应变、位移、频率等，现在已经拓展到金属和复合材料零部件的振动噪声性能、碰撞安全性能、疲劳性能、动态激励下的性能等。下面以Altair OptiStuct为例介绍结构优化方法、功能及应用。 2 OptiStruct软件介绍 OptiStruct是美国Altair公司的旗舰产品，是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法。 OptiStruct采用密度法（SIMP）求解拓扑优化问题，基于数学规划法的优化框架，是目前公认最为稳健高效的方法，能够解决绝大多数工程问题。通过对中间密度单元进行惩罚，考虑各种加工制造约束，采用自适应步长及约束屏蔽等技术，确保工程师快速得到具有工程意义的优化结果。OptiStruct的优化求解流程如图1所示：
HEEDS多学科优化方案
多学科设计优化 HEEDS ? MDO——多学科设计优化软件 多学科 不论是结构问题（线性或非线性，静态或动态，散装材料或复合材料）、流体问题、热力学问题，或者声学问题、NVH问题、动力学问题以及同时存在以上几项问题，HEEDS MDO都可以帮助用户寻找最佳解决方案。 易于使用的界面 虽然HEEDS MDO使用的技术很复杂，但是软件用户界面友好。它特有的选项卡界面可以使用户明确项目建立和执行的六个过程。 与诸多CAE工具的连接 HEEDS MDO与所有常用的CAE应用软件均有接口，使设计优化过程自动化。它还能调用多种软件工具进行前处理，后处理，分析计算和多学科优化。HEEDS MDO为以下工具提供输入和输出接口： ?Abaqus ?ANSYS WB ?Excel ?LS-DYNA ?Nastran
?NX ?Solidworks ?SW Simulation 另外，HEEDS MDO提供一种通用接口生成ASCII格式的输入输出文件，从而可以连接所有商业或者私有CAE工具。如果您不确定您的工具是否与HEEDS MDO兼容，可以联系我们。 独有的优化技术 HEEDS MDO默认的研发方式-SHERPA采用多重研发策略，可以动态和实时的随着优化范围的变化调整针对问题的研发方式。用户可以利用HEEDS软件进行众多的分析，快速确定优化空间，省去了众多的试验费用及时间；从大量的模型参数中提取出敏感参数，并对敏感性参数进行评估；对模型的健壮性和可靠性进行评估。通过对模型参数的优化，达到减少模型质量与成本的目的。 通过HEED优化分析，车身减重33.5kg
并行优化技术 HEEDS PARALLEL通过同时提交多个方案给不同的处理器，提高优化速度，且速度提高与硬件及软件资源几乎是线性的关系。 典型应用 BD公司：使用HEEDS MDO结合有限元方法对医疗器械设计进行优化和评估。 PRATT & MILLER：使用HEEDS MDO优化军用重型汽车底盘组件参数，为赛车优化齿轮速比，优化赛车悬挂系统的球形连接头。
多学科优化
摘要：工程系统近年来变得相当大和复杂。所要求的设计相当复杂并且仅仅考虑一个学科的话不容易满足设计要求。因此，需要考虑到不同学科的设计方法。多学科设计优化是考虑到多学科设计环境所形成的优化方法。MDO包含七中方法。他们是多学科可行方法MDF,单学科可行方法IDF,同时运行方法AAO,并行子空间优化方法CSSO,合作优化CO,错落综合系统合成方法BLISS,基于子空间的多学科优化MDOIS.通过几个数学例子，方法的性能可以得到评估和比较。用于比较所定义的具体要求和新的数学问题类型是根据要求所定义的。所有的方法被编码并且可以在数量和质量上比较方法的性能。 1．简介 目前，工程系统都是相当大而且复杂的。对于这类系统，设计要求是严苛的。因此，设计工程师正在寻求新的方法，其中之一是多学科设计优化(MDO；Balling 和Sobieszcznski-Sobieski在1996提出)。MDO是一种设计优化方法。一般来说，优化在实施时，仅仅只考虑到了一门学科。然而，用单一的学科去解决现代工程问题是相当困难的。因此，我们需要一种可以覆盖多学科的设计方法。 在Sobieszczanski-Sobieski于1998年提出并行子空间优化之后，其他的几种方法也被相继提出来。多学科设计优化方法分为单级方法和多级方法。单级方法一般有一个单一的优化程序并且直接使用非层次结构。以下这些方法就是属于单级方法，其中包括多学科可行法（MDF；Cramer等在1993年提出）、独立学科可行法（IDF；Cramer等在1993年提出；Lee在2004年提出）、All-at-once （AAO；Cramer等在1993年提出；Haftka在1985年提出）和基于独立子空间的多学科优化（MDOIS;Park在2007年提出；Park和Shin在2005年提出）。 在单级方法下，除了MDOIS以外，所有的学科都不能决定设计，并且分析只在学科之间进行。在MDOIS情况下，各个学科都决定了设计。另一方面，多级方法能够将非层次的机构关系转化为层次结构而且每个层次都有优化程序。这些多级方法包括并行子空间优化（CSSO，Park和Lee在2001年提出；Renaud 和Gabriele在1994年提出；Sobieszczanski-Sobieski在1982年提出；Tappeta 在1998年提出）、双极集成系统合成（BLISS；Sobieszczanski-Sobieski在1998
多学科设计优化笔记
1主要研究内容 （一）解耦方法 解耦方法是多学科设计优化的重要组成部分。解耦的目的是为了使整个复杂的多学科系统分解为便为处理的学科子系统。虽然分解后的这些学科子系统总的计算工作量甚至将大于系统在没有分解之前的工作量，但分解带来的好处是分解后的各个学科子系统可以在本学科内独立地进行本学科相关的分析与计算工作，学科内的计算不需要考虑与其它学科的耦合作用。这种分解优化策略还与当前的多处理器、并行计算的特点相一致，大大提高了优化的效率。 多学科设计优化的分解方法大多是借鉴运筹学中的分解原理。现已存在多种分解方法，它们都具有如下的特点：即通过系统分析、学科分析、系统灵敏度分析、学科灵敏度分析、系统层优化、学科层优化及学科的协同等使系统构成一个整体。其中，协同使分解后的系统保持了原系统内的耦合关系。 多学科设计优化的分解策略主要分为层次型、非层次型及混合型。在层次型系统中，整个系统形成一个金字塔形，数据从顶端的父层开始，因此下端的子层可接受上端父层的数据，而同层之间不能直接进行数据的交流。在非层次型系统
中，并没有父与子层的关系，故系统中数据可自由交换没有任何限制。由层次型系统与非层次型系统则可构成混合型系统。 多学科系统的分解可以采用原来的经验或例子，也可根据对系统中各个模块之间数据的流向而进行系统的分解或使用一些正规的方法如N-平方法可对多学科系统进行分解[21]。 （二）灵敏度分析 灵敏度分析的基本思想就是为了求得输入变量改变一个单位时输出变量的变化大小。在传统的单学科设计优化问题中，灵敏度分析主要用来计算最优点处优化点对目标函数或约束函数的灵敏度，常通过计算最优点处目标函数或约束函数的导数来实现灵敏度分析。采用的方法有有限微分法、分析法、自动微分法等。从原理上来说，多学科设计优化中采用的灵敏度分析方法与单学科设计优化相同，但由于多学科设计优化中常常具有多个学科分析模块，各个学科分析模块之间存在着耦合关系，即一个学科分析模块的输入变量可能又是另一个学科的输出变量，因此在进行灵敏度分析，计算学科输入变量对输出变量（本学科或其它学科的学科分析模块输出变量）的影响时通常要涉及到其它学科分析模块，传统的灵敏度计算方法已不能胜任多学科设计优化的要求。另一方面，多学科设计优化中灵敏度分析的变量维数也大大多于单学科设计优化问题，所需的数据量也大为的增加。传统的灵敏度分析方法不能简单地推广到多学科设计优化环境中，因此，在多学科设计优化过程中，使用一种新的灵敏度分析手段成为必然。 九十年代初，Sobieski导出了用于耦合系统灵敏度分析的全局灵敏度方程。GSE 是一种能有效计算相互耦合多学科灵敏度的方法，该方法直接从隐函数原理推导而来，精确性较高。Sobieski导出的算法有两种，一种是基于每个学科分析模块残数的导数；一种是基于各个学科分析模块输出对其输入的导数。其中，以第二种方法应用的最为广泛，首先，各个学科独立的完成各自的灵敏度计算，然后集成分析计算全局灵敏度。多学科设计优化的灵敏度分析的作用主要在于跟踪学科之间相互影响的功能，判断耦合性的大小。同时，在一些多学科设计优化方法中，通过全局灵敏度方程得到的全导数被用来对状态变量进行近似处理。 除了以上介绍的灵敏度分析方法外，另外一种灵敏度分析方法是采用神经网
OptiStruct拓扑优化技术在飞机结构设计中的应用
OptiStruct拓扑优化技术在飞机结构设计中的应用Application of Topology Optimization Technology OptiStruct in Designing of the Aircraft Structure 郭琦 (中航飞机西安飞机分公司，陕西西安，710089) 【摘要】随着优化技术在飞机结构设计中的深入应用，传统的结构设计方法已发生了改变。本文介绍了优化技术的设计理论和方法，运用有限元分析和优化工具OptiStruct对飞机某结构接头进行拓扑优化分析，并验证其强度和刚度都满足设计要求。说明拓扑优化能在产品概念设计阶段寻求最佳的设计方案，对缩短产品设计研发周期和提高产品质量有着重要的意义。关键词：有限元分析拓扑优化 OptiStruct 结构分析 Abstract:w ith the further application of optimization technique in designing of the aircraft structure, the structure design method of traditional already change. This paper introduces the design theory and method of optimization Technology, use of the finite element analysis and optimization tool OptiStruct to topology optimization of a certain connector structure, and verify its strength and stiffness meet the design requirements. Explain the topology optimization is helpful to seek the best design scheme in the conceptual phase of products, and have important significance for reduce the product design cycle and improve the quality of products. Key words: Finite element analysis, Topology optimization, OptiStruct, Structure optimization 1引言 结构优化技术是当前CAE技术发展的一个热点，其已被广泛应用到各工业领域[1]。尤其是在航空领域，其结构零件的设计不仅要满足苛刻的功能要求，还要满足最小化重量要求。这就要考虑在结构零件设计的各个阶段进行各种优化技术，力求满足结构零件的各项性能指标。在概念设计阶段运用拓扑优化选择结构零件的最佳传力路线或最优的材料分布，在初步设计阶段运用形状优化选择结构零件的位置和几何形状，在详细设计阶段运用尺寸优化选择结构零件的最优尺寸和参数。 OptiStruct就是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化工具，拥有先进的、全面的优化方法，能够解决大多数的工程优化问题。本文针对飞机某结构接头，基于OptiStruct
基于OptiStruct的弹簧片形状优化
基于OptiStruct 的弹簧片形状优化 杜海涛 余慧杰 丁晓红 上海理工大学机械工程学院 200093 摘要： 应用HyperWorks 的OptiStruct 模块优化减振系统中的弹簧片形状，降低结构的固 有频率，避免结构在高频信号激励下发生共振。形状优化后，结构固有频率由原来的23.5Hz 降为14Hz 。 关键词：HyperWorks ，OptiStruct ，减振装置，形状优化，固有频率，灵敏度分析 1 引言 某微型振荡器对工作环境要求比较苛刻，单纯放在电柜里，在外界激励下易发生强烈振动，影响振荡器的正常工作。现根据振荡器的工作原理，设计一种支架式的减振装置：用等截面的四支铜片构造一支撑结构，下端固定在电柜上，上端托起一平台，振荡器固定于平台上。由于外界激励信号为高频信号，因此减振装置的固有频率越低越好。 为了使支撑结构在一定刚度要求下具有较小的固有频率，需对支撑结构进行优化设计。 2 原始弹簧片的刚度分析及系统固有频率计算 减振系统由四支形状相同的铜片和与之相连的重110g 的托盘构成，如图1所示。在相同截面下，铜片的形状直接决定了单个弹簧片的刚度，由于弹簧片本身的质量相对于托盘质量很小，对系统的固有频率影响较小，故其质量可忽略不计，那么整个减振装置的刚度则由四个弹簧片的刚度并联而成。 由于结构的对称性，可只取其中一支来分析。铜片的材料属性E =130GPa ，u =0.35,密度为8230Kg/m 3 ，采用矩形截面，尺寸宽为b =2mm ，厚t =0.25mm 。在XOY 平面内建立如图2所示的有限元模型：一端全约束，另一端沿Y 方向施加垂直向下的力。
optistruct多目标优化完整过程
有关多目标优化设计完整过程 icefox163 邮箱：51perfect@https://www.360docs.net/doc/0611722426.html, 由于做项目，我在仿真论坛上搜索过N次，只是查到说多目标要用加权和方法。但是没有具体步骤，经过一些时间郁闷，看了几天的help，终于搞出来了。 我的经验如下，不一定正确（我个人感觉是正确的），我用的是9.0版。我只是把我发现在问题，解决问题的过程说出来，可能语句不太通顺。 1. 我们用optistruct时只能有一个objective.如下图： 我只用过min,其他三个我没有用过。特别是后两个，谁用过说一下。 2.我们可以设置多个response,可以把很多response用dconstraint约束，但是只能有一个objective。有时我们需要同时满足某几个response的最小值或是最大值。但是deconstraint 只能设置response的上限或是下，不能设置为min或是max。（听说可以将上限和下限设置成相近的值可以使约束近似定为某一确定的值）。 3.多目标其实在help里有说明，如下。 DRESP2 – Design Response via equations for design optimization Description When a desired response is not directly available from OptiStruct, it may be calculated using DRESP2. This response can be a functional combination of any set of responses that are the result of a design analysis iteration. These responses can be used as a design objective or as design constraints. The DRESP2 card identifies the equation to use for the response relationship and the input values to evaluate the response function. 我看过一些论文，现在还没有什么新的理论可以实现多目标（可能我没有发现），现在对多目标的处理情况是response用函数关联起来，将不同的response设置为函数的变量，把多目标处理成为一个单目标。方程形式如下：f=w1*response1+w2*response2 W1,w2 为权值。 Optistruct中就是如此处理的，
多学科设计优化技术
２０１０年６月?ｗｗｗ．ｍｉｅｃｈｉｎａ．ｃｏｍ? 53 数字工厂／研发 actory F igital D 现代产品设计是一个复杂的系统工程，需要考虑多个学科、多个系统的综合性能指标，涉及到一定设计约束条件下的多个设计、目标参数的综合权衡。以飞机总体设计为例，需要考虑气动—结构—隐身—飞控等学科的众多设计因素，如何综合应用各学科（系统）的专业工具，获得整体最佳设计。 在产品设计过程必须考虑性能、可靠性、成本、时间周期，需要在四者之间找到最佳的平衡方案。在传统的设计优化中通过单一学科设计及优化，再将所有单学科设计结果简单整合的成果作为最终设计。人为的将影响产品安全性、结构、经济性、制造等因素割裂开来，并没有充分利用到各个学科（系统）之间相互影响所产生的协同效应，极有可能失去系统的整体最优设计。此外，传统的设计模式属于串行设计模式，不能充分利用日益提高的计算机硬件和网络资源。传统设计方式面临的挑战主要有几点意见： 方案设计、总体设计阶段主要依靠经验公式和估算模型，设计精度较低； 人为割裂相关系统之间的耦合关系，很难获得综合优化方案； 串行设计流程，增长设计周期，增加设计成本。 基于传统设计方式的种种问题，需要采用多学科设计优化（ＭＤＯ）技术，集成各专业学科独立的高精度设计仿真工具，建立软件间的数据传递规则，实现跨学科跨系统的协同，建立自动化、 多学科设计优化技术 ■ 安世亚太 平台业务部区域经理 吴贻君 的设计需求提出，ＡＩＡＡ＼ＮＡＳＡ等多家机构每两年组织并联合召开一次ＭＤＯ技术研讨会，在多学科设计优化（ＭＤＯ）发展上有不可磨灭的作用。ＮＡＳＡ Ｌａｎｇｌｅｙ中心通过多年研究，逐渐形成了多学科设计优化的标准定义： “Ｍｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａ－ｔｉｏｎ （ＭＤＯ） ｉｓ ａ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅ－ｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ ｔｈａｔ ｃｏｈｅｒｅｎｔｌｙ ｅｘｐｌｏｉｔｓ ｔｈｅｓｙｎｅｒｇｉｓｍ ｏｆ ｍｕｔｕａｌｌｙ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎａ．” 多学科设计优化是一种方法学，充分探索和利用系统中相互作用的协同机制，设计复杂的工程系统和子系统。 如何将多学科设计优化（ＭＤＯ）概念转化为具体应用技术，国内外有众多的企业及研究单位投入了大量人力、物力进行ＭＤＯ相关的研究。当前该领域的主要研究热点主要集中在三个方面： （１）各行业设计工具和软件的集成，建立多学科设计模型，实现综合设计； （２）多学科设计优化算法研究，高效的优化算法降低方案迭代次数，多样化的优化策略实现多学科（系统）的参数耦合以及并行设计； （３）分布式网络计算环境技术，调用松散的计算机资源，实现设计优化任 务的并行计算，提高设计效率。 经过２０年的发展，许多ＭＤＯ技术已经在工业界得到成功应用。在国外航空航天业飞行器多学科设计优化项目包括： ＮＡＳＡ主持的新一代超音速民机 图１ 传统设计方式 （ａ）ＣＳＳＯ算法 （ｂ）ＣＯ算法 图２ 多学科优化策略示例 规范化的设计流程，并在此基础上进行系统优化，全面提高研发效率，为新产品研制提供保障。 多学科设计优化（ＭＤＯ）技术 多学科设计优化（ＭＤＯ）作为面向所有行业的一个通用技术研究领域，于上世纪８０年代形成。最初由美国航空航天学会（ＡＩＡＡ）根据航空航天复杂产品 图３ ＭｏｄｅｌＣｅｎｔｅｒ架构
点阵优化(OptiStruct)
Lattice Structure Optimization 0、Introduction Lattice Structure Optimization is a novel solution to create blended Solid and Lattice structures from concept to detailed final design. This technology is developed in particular to assist design innovation for additive layer manufacturing (3D printing). The solution is achieved through two optimization phases. Phase I carries out classic Topology Optimization, albeit(虽然，即使)reduced penalty options are provided to allow more porous（多气孔的）material with intermediate density to exist. Phase II transforms porous zones from Phase I into explicit（显示的，明确的）lattice structure. Then lattice member dimensions are optimized in the second phase, typically with detailed constraints on stress, displacements, etc. The final result is a structure blended with solid parts and lattice zones of varying material volume. For this release（发布，版本）two types of lattice cell layout are offered: tetrahedron and pyramid/diamond cells derived from tetrahedral and hexahedral meshes, respectively. For this release the lattice cell size is directly related to the mesh size in the model. 点阵结构优化是一种新颖的解决方案，可从概念到详细的最终设计，创建了混合的固体和晶格结构。该技术尤其用于辅助添加剂层制造（3D打印）的设计创新。该解决方案通过两个优化阶段实现。第一阶段进行经典的拓扑优化，尽管提供了减少的惩罚选项，以允许存在具有中等密度的更多孔材料。阶段II将多相区域从阶段I转换为显式晶格结构。然后，在第二阶段优化晶格构件尺寸，通常具有对应力，位移等的详细约束。最终结果是与实心部件和不同材料体积的晶格区域混合的结构。对于该版本，提供了两种类型的晶格单元布局：分别来自四面体和六面体网格的四面体和金字塔/金刚石单元。对于此版本，晶格单元大小与模型中的网格大小直接相关。 Motivation（动机） Lattice Structure Optimization is initially similar to topology optimization; however, design domains can now include elements with intermediate densities. Theoretically, from a physical point of view, such structures can be more efficient compared to those in which design elements are penalized to densities of 0 or 1. 格结构优化最初类似于拓扑优化; 但是，设计域现在可以包含具有中间密度的元素。从理论上讲，从物理角度来看，与设计元素受到0或1密度惩罚的结构相比，这种结构可以更有效。
63_OptiStruct在安装点刚度优化中的应用_李红丽
OptiStruct在安装点刚度优化中的应用 李红丽王卓王园 长安汽车工程研究总院汽车噪声振动与安全技术国家重点试验室重庆 401120 摘要: 本文主要阐述利用 HyperWorks 软件中的 OptiStruct 模块对白车身安装点刚度进行优化设计。以某白车身座椅安装点为例，介绍了形貌优化方法。优化结果在不增加质量的前提下，大大提高了安装点刚度，有效解决了座椅安装点刚度不足的问题。将形貌优化方法用于钣金支架加强筋的布置设计，优化了设计开发的流程，可以大幅度缩短产品的设计周期。关键词：OptiStruct 刚度安装点优化 1.前言 白车身是整个汽车的基础，是车身各子系统的载体。汽车的四门两盖、座椅、雨刮、手刹、踏板、油箱等许多部件，都直接安装在它的上面，并靠其安装孔来保证正确的相对位置，因此白车身各安装孔应达到足够的刚度。如果车身安装孔刚度低，将使车身局部变形增加，车身的局部安装功能丧失不足，直接影响安装在车身上总成的相对位置，导致整个汽车性能不足。因此，现代轿车的设计都是在汽车质量尽量小的前提下，最大限度地提高汽车的刚度。可见，通过对轿车车身安装点刚度的研究，来改进结构的设计，以提高安装点刚度是十分重要的。 Altair OptiStruct 是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球先进的优化技术，提供全面的优化方法。OptiStruct 从1993年发布以来，被广泛而深入地应用到许多行业，在航空航天、汽车、机械等领域取得大量革命性的成功应用，赢得多个创新大奖。OptiStruct形貌优化（Topography Optimization）是一种面向薄壁结构和钣金件的概念设计技术，利用该软件在设计初始阶段设计人员就可以快速确定加强筋的布局。具体操作流程为：确定需要起筋的区域、筋的最大高度、宽度和起筋的角度等参数，并根据设计要求设定优化目标同时设定约束条件，就可以通过OptiStruct软件自动的优化迭代计算得出最佳的加强筋布局。 本文以某微车前排座椅安装点为例，利用OptiStruct 形貌优化技术对车身安装孔刚度进行优化设计，完成从车身概念设计到生产出完全满足技术目标的产品。
OPTISTRUCT结构优化设计分析手册
结构优化设计 OPTISTRUCT分析手册 Tim.Ding 微软中国|[公司地址]
目录 第一章基础知识 (2) 1.1结构优化的数学理论 (2) 1.1.1数学模型 (2) 1.1.2灵敏度分析理论 (2) 1.1.3近似模型 (3) 1.1.4寻优方法 (3) 1.2OptiStruct参数和卡片 (4) 1.2.1模型响应 (4) 1.2.2子工况响应 (5) 1.2.3OptiStruct优化类型和卡片参数 (7) 第二章拓扑优化技术 (13) 2.1拓扑优化技术简介 (13) 2.1.1单元密度 (13) 2.1.2制造工艺约束 (13) 2.2拓扑优化实例 (17) 2.2.1C型夹结构的概念设计 (17) 2.2.2汽车控制臂的概念设计 (20) 2.2.3利用DMIG进行模型缩减的悬臂梁的拓扑优化 (23) 第三章形貌优化技术 (29) 3.1形貌优化技术简介 (29) 3.2形貌优化实例 (29) 3.2.1受扭平板的形貌优化 (29) 3.2.2磁头悬臂的拓扑和形貌优化 (31) 第四章尺寸优化技术 (35) 4.1尺寸优化技术简介 (35) 4.2尺寸优化实例 (35) 4.2.1支架的尺寸优化 (35) 4.2.2碎纸机的尺寸优化 (39) 4.2.3飞机翼肋的自由尺寸优化 (42) 第五章形状优化技术 (47) 5.1形状优化技术简介 (47) 5.2形状优化技术实例 (47) 5.2.1带制造工艺约束的自由形状优化 (47)
第一章基础知识 1.1结构优化的数学理论 1.1.1数学模型 结构优化设计（optimum structural design）是指在给定的约束条件下，按照某种目标（如重量最轻、刚度最大、成本最低等）求出最好的设计方案。结构优化设计具有三要素，其分别为设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是指在优化的过程中可以发生改变的一组参数；目标函数是要求最优的设计性能，是关于设计变量的函数；约束条件是对设计变量的变化范围进行控制的限制条件，是对设计变量和其他性能的基本要求。优化数学模型可以表示为： ()() 12opt =,,n f X f x x x ()()()120000i i i n n i g X g X X X X g X ≤??≤?≤≤???≤? 其中，X =(x 1,x 2,…x n )是设计变量，f (X )是设计目标，g (x i )为约束条件 OptiStruct 采用数学规划方法，通过求解灵敏度构造近似显示模型，采用小步长迭代找到最优解。 1.1.2灵敏度分析理论设计灵敏度就是设计响应对优化变量的偏导数，对应的有限元方程为： {}{} K U P =对两边设计变量X 求偏导数为： [] {}[][][]K U P U K X X X ???+=???则对位移向量U 的偏导数为：[][][][]{}1U P K K U X X X -?????=- ?????? 因此，一般来说设计响应是位移向量U 的函数： {}{}T g Q U =所以设计响应对应于设计变量的偏导数为：