OptiStruct_Optimization_v13(含拓扑,形貌,尺寸优化)
基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计
基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计Topology Optimization Design for Vehicle Control ArmBased on OptiStruct金莹莹麦格纳斯太尔汽车技术（上海）有限公司上海 201807摘 要：本文基于OptiStruct软件对某汽车控制臂进行了拓扑优化设计，并分别对比了优化前后结构的应力和位移。
结果表明，通过OptiStruct软件进行的拓扑优化设计满足结构的要求，并实现了轻量化的性能需求，体现了拓扑优化技术的工程价值。
关键词： OptiStruct拓扑优化控制臂强度Abstract：The control arm topology optimization simulation of the vehicle is based on the OptiStruct software. Compared with original control arm structure, the stress of the optimization control arm is a little larger, but lower than yield stress. For displacement, the optimization control arm is also larger than the original control arm structure, but lower than 1mm, which can be accepted. What’more, the weight is reduced by 35%, reflecting the engineering value of the topology optimization technology. Keywords：OptiStruct, topology optimization, control arm, strength前言随着汽车工业的快速发展和日益突出的能源问题，汽车轻量化越来越被人们重视，因此对机械结构和零部件进行优化设计具有重要意义。
OPTISTRUCT介绍
基于OptiStruct的结构优化设计方法2008-07-18 16:37摘要：最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术已逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。
本文总结了OptiStruct结构优化设计方法和特点，从优化设计三要素、迭代算法、灵敏度分析等方面阐述了基于有限元法的OptiStruct结构优化的数学基础，给出了OptiStruct结构优化设计流程和步骤。
关键词：结构优化，设计流程，有限元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。
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。
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。
拓扑优化_精品文档
-1整数变量问题变为0～1间的连续变量优化模型，获得方程（在设计变
量上松弛整数约束）的最直接方式是考虑以下问题：
min u,
uout
N
s.t.: min 1 min e Ke u f e1
N
vee V
e1
0 e 1, e 1,2,, N
其中 e 可取0-1之间的值
（6）
然而这种方程会导致较大区域内 e 是在0-1之间的值，所以必须添加额外 的约束来避免这种“灰色”区域。要求是优化结果基本上都在 e 1 或
而对于结构拓扑优化来说，其所关心的是离散结构中杆件之间的最优 连接关系或连续体中开孔的数量及位置等。拓扑优化力图通过寻求结构的 最优拓扑布局(结构内有无孔洞，孔洞的数量、位置、结构内杆件的相互 联接方式)，使得结构能够在满足一切有关平衡、应力、位移等约束条件 的情形下，将外荷载传递到支座，同时使得结构的某种性能指标达到最优。 拓扑优化的主要困难在于满足一定功能要求的结构拓扑具有无穷多种形式， 并且这些拓扑形式难以定量的描述即参数化。
结构渐进优化法(简称ESO法)
通过将无效的或低效的材料 一步步去掉，获得优化拓扑，方法通 用性好，可解决尺寸优化，还可同时 实现形状与拓扑优化(主要包括应力， 位移／刚度和临界应力等约束问题的 优化)。
2.问题的设定
柔顺机构的拓扑优化
首先假设线性弹性材料有微小的变形
柔顺结构的一个重要运用在于机电系统（MicroElectroMechanical Systems(MEMS),在该系统中小规模的计算使得很难利用刚体结构来实现铰链、 轴承以及滑块处的机动性。
如果我们只考虑线性弹性材料（只发生微小变形）的分析问题，则决定 输出位移的的有限元方法公式为：
optistruct拓扑优化方法
optistruct拓扑优化方法
OptiStruct是一种结构优化软件，它提供了多种优化方法，其中包括拓扑优化方法。
拓扑优化是一种用于在给定设计空间内寻找最佳结构形状的优化方法，以实现最佳的性能和重量比。
在OptiStruct中，拓扑优化方法主要包括两种，基于密度的拓扑优化和基于形状的拓扑优化。
基于密度的拓扑优化是一种常见的拓扑优化方法，它通过在设计空间内分配材料密度来实现结构形状的优化。
在这种方法中，初始设计空间被填充满材料，然后通过逐步移除材料来实现最优结构形状的确定。
OptiStruct使用这种方法来帮助工程师在不同载荷情况下找到最佳的结构形状，以实现最佳的性能。
另一种拓扑优化方法是基于形状的拓扑优化，它着重于优化结构的整体形状，而不是局部密度分布。
通过调整结构的整体形状，可以实现更有效的载荷传递路径和减少应力集中，从而改善结构的性能。
OptiStruct可以使用这种方法来帮助工程师设计出更加优化的结构形状，以满足特定的性能需求。
总的来说，OptiStruct提供了多种拓扑优化方法，包括基于密
度的拓扑优化和基于形状的拓扑优化，工程师可以根据具体的设计需求和性能目标选择合适的方法来进行结构优化，以实现最佳的设计效果。
OptiStruct
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9
形状优化过程
初始模型 有限元分析
对设计区域 进行分区
改变各设计分 区的形状
保存为形状变量
OptiStruct给 出满足要求的 最佳形状
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12
面向优化的结构响应
目标
Min MinMax
Max MaxMin
Response
约束
LowerBound UpperBound Constraint Constraint
Response 1
LowerBound UpperBound Constraint Constraint
Functions of Responses
11
Optimization Disciplines
Solving the design problem by choosing and combining the right optimization disciplines
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6
Optimization Disciplines
Topography optimization Method to evaluate the optimum bead structure on a thin part
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基于OptiStruct的结构优化设计方法--张胜兰.
基于OptiStruct的结构优化设计方法张胜兰湖北汽车工业学院汽车工程系基于OptiStruct的结构优化设计方法张胜兰湖北汽车工业学院汽车工程系442002 湖北省十堰市车城西路167号摘要:最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术已逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。
本文总结了OptiStruct结构优化设计方法和特点,从优化设计三要素、迭代算法、灵敏度分析等方面阐述了基于有限元法的OptiStruct 结构优化的数学基础,给出了OptiStruct结构优化设计流程和步骤。
关键词:结构优化,设计流程,有限元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。
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。
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。
OPTISTRUCT介绍
基于OptiStruct的结构优化设计方法2008-07-18 16:37摘要：最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术已逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。
本文总结了OptiStruct结构优化设计方法和特点，从优化设计三要素、迭代算法、灵敏度分析等方面阐述了基于有限元法的OptiStruct结构优化的数学基础，给出了OptiStruct结构优化设计流程和步骤。
关键词：结构优化，设计流程，有限元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。
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。
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。
OptiStruct结构优化
• 第1天
• 简介 • 理论背景 • 优化设置界面 • 拓扑优化 • .fem 文件 和.out文件 • 一个完整的流程：从 CAD 到 CAD
• 第2天
• 使用Inspire进行拓扑优化 • HyperMorph网格变形 • 形状优化
• 第3天
• 自由形状优化 • 形貌优化 • 尺寸优化
• 自由尺寸优化 • 优化策略
OptiStruct 文件和结果
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OptiStruct:完整的结构分析解决方案
• 静态线性和非线性准静态分析 • 线性热应力分析 • 惯性释放 • 屈曲分析（可带预应力） • 正则模态/复模态（可带预应力） • 频率响应(模态法，直接法) • 瞬态响应(模态法，直接法和傅里叶变换法) • NVH分析 (包括流固耦合) • 谱分析（随机谱、响应谱） • 疲劳分析 • 超单元 • 瞬态和稳态传热分析 • 复材分析 • 转子动力学 • ……
HyperWorks 优化技术
Altair OptiStruct® 结构、振动和疲劳优化
Altair HyperStudy® 多学科研究和优化
solidThinking Inspire 面向设计师的结构优化
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• 制造约束
• 练习1c – Pattern Repetition using Topology Optimization • 练习1d – Topology Optimization of a frame
optistruct拓扑优化原理
optistruct拓扑优化原理
OptiStruct是一种用于结构优化的有限元分析软件，它使用拓扑优化原理来寻找最佳的结构形状。
拓扑优化是一种通过改变结构的拓扑形状（即结构的布局或连接方式）来实现结构轻量化和性能优化的方法。
在OptiStruct中，拓扑优化主要通过以下步骤实现：
1. 设定设计域，用户首先需要定义一个设计域，即结构可以存在的空间范围。
这个设计域可以是整个结构的空间，也可以是结构的某个局部区域。
2. 设定约束条件，用户需要指定一些设计约束条件，例如结构的最大尺寸、最小厚度、受力范围等。
这些约束条件可以帮助OptiStruct在优化过程中保持结构的可行性和实用性。
3. 设定载荷和边界条件，用户需要定义结构所受的载荷和边界条件，这些载荷和边界条件将影响结构的性能和行为。
4. 进行拓扑优化，OptiStruct将根据用户设定的设计域、约束条件、载荷和边界条件，通过数学优化算法和有限元分析技术，在给定的设计空间中寻找最佳的结构拓扑形状。
在这个过程中，
OptiStruct会自动调整结构的拓扑形状，以满足设计要求并最小化结构的重量或成本。
5. 评估优化结果，优化过程结束后，用户需要对优化结果进行评估，包括结构的性能、重量、刚度等方面。
根据评估结果，用户可以进一步调整设计参数，重新进行优化，直至达到满意的设计目标。
总的来说，OptiStruct的拓扑优化原理基于数学优化和有限元分析技术，通过自动调整结构的拓扑形状来实现结构的轻量化和性能优化，为工程设计提供了强大的工具和方法。
OptiStruct_Optimization
• Shape: is an automated way to modify the structure shape based on a predefined
shape variables to find the optimal shape.
• Size: is an automated way to modify the structure parameters (Thickness, 1D
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Day 1 Agenda
• • • Introduction Structural Optimization Concepts OptiStruct Features: FEA Solver and Optimizer
•
• • • •
Exercise 5.4: Creating Shapes
Exercise 5.5: Pre-processing the Shape Optimization of a Channel Exercise 5.6: Shape Optimization of a Rail Joint Exercise 5.7: Shape optimization of a 3-D bracket model using Free-Shape method
•
Shape Optimization Concepts (Morphing based and Free Shape)
• •
• • •
Exercise 5.1: Basics of Domains and Handles Exercise 5.2: Morph Volume Exercise 5.3: Mapping a mesh to a new geometry
OptiStruct优化教程最全ppt课件
• 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 直接法 模态法
•
基于傅立叶变换的瞬态响应分析
• •
• • •
非线性接触分析 声腔分析(结构和流体) 疲劳分析 (-N和-N)
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Optimization 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。
min Weight(b,h)
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。
(b,h) 70 MPa h 2*b
t(b,h) 15 MPa
• 设计区域：所有梁单元
• 设计约束：
σ (b,h) σ (b,h)
h<2*b
max,
max,
with σ
max
max
= 160 MPa
with
σ
= 60 MPa
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HyperWorks Overview
•前处理
HyperMesh HyperCrash
MotionView
•求解器
RADIOSS MotionSolve AcuSolve
optistruct参数
OptiStruct是一款常用的结构优化软件，它的参数主要包含以下几种：
1. DOPTPRM：用于定义设计参数，包括最大迭代次数、最小成员尺寸、初始材料质量分数、最小单元密度、离散参数、棋盘格现象控制、目标函数收敛标准等。
2. DESMAX/MAXITER：定义最大迭代次数，默认为30。
3. MINDIM：定义拓扑优化中的最小成员尺寸，默认不进行最小成员尺寸控制。
4. MATINIT：定义初始材料质量分数，取值为0到1之间。
对于拓扑优化和自由尺寸优化分析，如果mass为目标函数，此值默认为0.9；如果mass为约束函数，此值默认被设定为约束值；如果mass既不是目标函数也不是约束函数此值默认为0.6。
5. MINDENS：设置最小单元密度，默认为0.01。
6. DISCRETE：设置离散参数，此参数影响拓扑优化中材料的去除。
7. CHECKER和MMCHECK：用于控制拓扑优化中的棋盘格现象，设置为0时不控制棋盘格现象，设置为1时在全局控制棋盘格现象。
8. OBJTOL：控制目标函数的相对收敛标准，默认值为0.005。
9. DELSIZ、DELSHP和DELTOP：尺寸优化的移动限值(move limit)初始值，默认值分别为0.5、0.2和0.5。
在尺寸优化、形貌优化、形状优化、拓扑优化和自由尺寸优化中只可以通过关键字DEL*设置初始的move limit，在计算过程中会根据迭代的稳定性和
收敛速度自动调整，一般不会比初始值大。
以上信息仅供参考，具体的参数设置需要根据实际的问题和需求进行选择和调整。
如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
基于HyperMesh_OptiStruct的汽车零部件结构拓扑优化设计
Equipment Manufactring Technology No.10，2008优化设计在现代结构设计中占有十分重要的地位，它能使工程设计者从众多的设计方案中获得较为完善的或最为合适的最优设计方案，是虚拟设计和制造的重要环节，并贯穿于设计和制造的整个过程。
结构优化设计通常可根据设计变量的类型划分为尺寸优化，形状优化，和拓扑优化三类。
目前，尺寸优化的理论和应用已趋于成熟，形状优化的理论已经基本建立，正在着重解决实际应用方面的问题。
结构的拓扑优化由于其理论和计算上的复杂性而成为结构优化设计中最富挑战性的研究领域［１］。
一方面拓扑优化大大减少了建模方面的工作量，另一方面它可以在改善或保持结构性能的基础上大大减轻结构的质量。
近年来，随着汽车工业的快速发展，日益突出的能源问题和为了满足对汽车设计的新要求，对汽车零部件和机械结构开展拓扑优化设计具有重要的意义。
１连续体结构拓扑优化的方法及常用算法１．１连续体结构拓扑优化的方法连续体结构拓扑优化是在一定空间区域内寻求材料最合理分布的一种优化方法。
在进行连续体结构拓扑优化设计时，其初始设计区域一般采用基结构法进行描述。
所谓基结构法，就是把给定的初始设计区域离散成足够多的单元，形成由这些若干单元构成的基结构，再按某种优化策略和准则从这个基结构中删除某些单元，用保留下来的单元描述结构的最优拓扑。
基结构法可借用有限元分析时所使用的网格单元，只需在优化初始阶段进行一次网格划分，在整个优化过程中可保持网格划分不变，这使得基结构法较易实现，称为目前结构拓扑优化中应用最为广泛的方法。
连续体结构拓扑优化多采用基结构法的拓扑优化方法主要有以下三种［２～３］。
１．１．１均匀化方法均匀化方法就是以Ｂｅｎｄｓｏｅ、Ｋｉｋｕｃｈｉ提出的均匀化理论为基础引入微结构，将设计区域离散成许多带有孔洞的微结构单胞，对连续体进行拓扑优化，通过优化计算确定其材料密度呈０～１分布，由此得出最优的拓扑结构。
OptiStruct简介
OptiStruct简介OptiStruct简介OptiStruct是卓越的一个有限元结构分析和优化软件，内含一个准确快速的有限元求解器，用于进行概念设计和细化设计。
用户使用其中的标准单元库和各种边界条件类型，可以进行线性静态和自然频率优化分析。
Altair HyperMesh®与OptiStruct的图形接口十分完善，用户可以快速便捷地进行建模、参数设置、作业提交和后处理等一整套分析流程。
拥有强大、高效的概念优化和细化优化能力, 优化方法多种多样，可以应用在设计的各个阶段，其优化过程可对静力、模态、屈曲、分析进行优化。
有效的优化算法允许在大模型中存在上百个设计变量和响应，特点如下：·包含多种设计变量以及合并的设计变量·强大的优化算法·多种工况下合并优化·多目标优化分析·可设置临界约束，加快优化计算效率·重启动功能，优化分析可从一个完整的周期开始而且继续下去·采用可调整的收敛精度·稀疏矩阵求解器，速度快,所需磁盘空间小·优化后模型可输出给CAD软件进行二次设计·模态跟踪·多种制造加工约束定义·自动报告生成功能可定义的响应类型：位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、结构柔度等,也可以是各响应量的混合。
设计变量可取任何单元的密度、节点坐标、属性如厚度、形状尺寸、面积、二次惯性矩等。
除此之外,用户还可根据自己的设计要求和优化目标,在软件中方便地写入自编的公式进行优化设计。
响应类型拓扑优化(Topology Optimization)该项技术能够在给定的设计空间内寻求最佳的材料分布，由此获得汽车业内“设计与技术”大奖。
可采用壳单元或者实体单元来定义设计空间，并用Homogenization(均质化)和density （密度法）方法来定义材料流动规律。
通过OptiStruct中先进的近似法和可靠的优化方法可以搜索得到最优的加载路径设计方案。
optistruct复合材料优化算法 -回复
optistruct复合材料优化算法-回复Optistruct是一种功能强大的有限元分析软件，广泛应用于复合材料结构的优化设计。
复合材料由不同种类的材料组合而成，其特点是强度高、重量轻、抗腐蚀性好等。
然而，复合材料的优化设计是一项复杂的任务，要考虑到材料的性能、成本、可制造性等因素。
Optistruct提供了一种高效的优化算法，可以帮助工程师在优化设计过程中充分发挥复合材料的优点。
在进行复合材料的优化设计时，第一步是确定设计目标。
这可能包括提高结构的强度、降低重量、最大限度地利用材料、降低制造成本等。
Optistruct提供了多种优化目标函数，并允许将多个目标同时考虑。
接下来，需要确定设计自由度，也就是影响结构性能的设计变量。
这些变量可以是材料的层厚度、纤维方向、接触面的大小等等。
Optistruct允许在优化过程中对这些设计变量进行调整。
然后，需要定义材料的性能。
这些性能可以是强度、刚度、损伤容限等。
Optistruct提供了多种材料性能模型，可以根据不同的材料类型进行选择。
同时，它还允许用户定义自定义的材料性能模型，以满足特定需求。
在确定了设计目标、设计自由度和材料性能后，下一步是建立有限元模型。
这需要将复合材料的几何形状、边界条件等信息输入到Optistruct中。
Optistruct支持多种CAD格式，可以读取主流的CAD软件生成的模型。
然后，用户需要为模型定义材料性质、单元类型等。
完成有限元模型的建立后，接下来是优化计算。
Optistruct提供了多种优化算法，包括拓扑优化、尺寸优化、材料优化等。
其中，拓扑优化是一种常用的优化方法，其目标是确定材料的最佳分布。
Optistruct通过对设计自由度进行迭代调整，逐步优化材料的分布，最终得到最优的解。
优化计算完成后，用户可以通过Optistruct提供的结果分析功能对优化结果进行分析。
这些功能包括应力分布、位移分析、疲劳寿命预测等。
通过这些分析，用户可以评估设计的性能，并对结果进行必要的调整。
OPTISTRUCT结构优化设计分析手册
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。
optistruct optimization analysis
optistruct optimization analysisOptiStruct是一种优化分析软件，它可以帮助用户进行结构设计的优化和验证。
以下是使用OptiStruct进行优化分析的步骤：1. 定义模型使用CAD软件创建模型，确保模型中包含必要的约束和负载条件。
导入模型时需要使用适当的文件格式，比如IGES、STEP或者CATIA等。
2. 应用材料属性根据模型的结构特点，应用合适的材料属性。
OptiStruct支持各种材料模型，包括线性弹性模型、非线性模型等。
在表示材料属性时还需考虑材料的实际特性，如弹性模量、泊松比等。
3. 设置约束条件在模型中设置约束条件，以保证计算的正确性。
约束条件必须遵循静力学平衡条件，比如支撑件必须提供足够的支撑力，以避免应力过大导致失效。
4. 设置负载条件负载条件是指施加在模型上的压力或载荷。
通过在模型上定义负载条件，可以对结构进行压力分析和应力评估。
负载条件应当与实际应用场景相符合，比如重力、风压等，并可以根据需求进行调整。
5. 进行优化分析OptiStruct提供了各种分析工具，可以对模型进行结构分析、尺寸优化、形状优化等。
在进行优化分析前，需要确定优化目标和限制条件。
优化目标应该具有明确的物理意义，比如最小成本、最小重量等。
6. 分析结果评估分析结果的评估是验证优化方案是否可行的关键环节，其中包括各个优化目标的目标值是否满足、各种约束条件是否得到满足、优化方案是否满足结构稳定性等。
如果优化方案不可行，需要对前面的步骤进行调整并重新进行优化分析。
7. 输出结果优化分析完成后，可以将结果导出保存为各种文件格式。
这可以方便地与其他软件或者人员进行共享或交流。
总之，OptiStruct是一种功能强大的优化分析软件，可以帮助用户优化结构的设计并提高结构的可靠性。
使用OptiStruct进行优化分析需要严格的设计、分析和评估过程。
Altair Optistruct优化技术
Altair OptiStruct优化技术Optistruct是一款优秀的结构有限元分析和优化求解器，支持几乎所有的隐式分析功能，包括线性和非线性静力分析、模态分析、频响分析、随机振动分析、瞬态响应分析、屈曲分析以及疲劳分析。
与其他隐式求解器相比，Optistruct最大的优势在于其全面的优化技术。
一、Optistruct优化方法Optistruct具备六种基本优化方法，分别是拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、自由尺寸优化、形状优化和自由形状优化，是业界能力最强的有限元优化工具。
拓扑优化（topology）拓扑优化是一种被广泛应用的基础优化技术，其优化的设计变量是单元密度，并且最终单元密度的优化结果只有0和1两个离散取值。
但是HyperView的后处理技术提供一个阀值，让用户最终决定单元是删除还是保留。
形貌优化（toporaphy）形貌优化是一种专用于壳单元的结构优化方法，通过在壳单元上起筋的方式来提高壳体的结构刚度，因此形貌优化在一些软件中也被称为筋优化。
尺寸优化现在也称参数优化，是将有限元模型中材料属性、单元属性和载荷属性进行参数化后寻求最优结果的方法。
原先OPT尺寸优化只支持壳单元厚度优化、梁单元截面尺寸优化，现在已扩展到支持材料属性、载荷属性多种参数，因此现在的参数优化叫法也更加准确。
自由尺寸优化（Free size）自由尺寸优化是针对壳单元的一种密度优化方法，与壳单元的拓扑优化类似。
不同之处在于，自由尺寸优化可以得到厚度连续变化的壳单元结果。
这一优化技术主要用于确定复合材料的厚度，因为目前主要只有复合材料铺层工艺会关心壳体不同位置的厚度，其它常规工艺，如冷成型，其零件厚度基本由坯料厚度决定，对其做自由尺寸优化意义不大。
此外，Optistruct还提供Composite size和Composite shuffle两种专用于复合材料的优化方法，可对复合材料每个铺层的厚度和方向进行优化。
Optistruct的形状优化依托HyperMorph强大的网格变形功能，其原理是先对网格进行变形得到变形体，对其保存并定义成形状变量，优化的过程是在原始体与变形体之间寻找最优的变形方案，变形体相当于单元变形的边界约束。
基于OptiStruct车架拓扑优化设计
Internal Combustion Engine &Parts0引言重型载货汽车是公路货运的主要力量，在国民生产中发挥着重要的作用，而车架作为重载汽车的承载基体，安装有发动机、驾驶室、传动系、货箱等相关部件，并承受来自路面以及汽车内部的各种力和力矩，理想的车架设计可以保证其在最小质量的基础上拥有足够的强度、刚度和可靠性，能有效改善整车动力、经济、安全等性能指标。
因此，对车架进行结构优化，可以有效改善重型载货汽车性能，从而推动国民经济建设发展。
1OptiStruct 简介OptiStruct 是一款优秀的有限元结构优化软件，为HyperWorks 自带的优化求解器。
可用于产品的概念设计和细化设计。
用户只要使用其中的标准单元库以及各种边界条件类型，就可以进行自然频率和线性静态优化分析。
HyperMesh 与OptiStruct 的图形接口十分完善，可以很方便地在HyperMesh 中建模，设置好参数后递交OptiStruct运算求解。
OptiStruct 的优化功能包括拓扑优化、尺寸优化、形状优化和形貌优化，可以将位移、应力、应变、结构柔度等定义为响应，也可以定义各种响应量的组合。
设计变量可取单元密度、节点坐标等。
用户还可根据自己的优化目标和设计要求，在软件中写入自编的公式进行优化设计。
本文所用的OptiStruct 优化功能是拓扑优化。
应用Optstruct 进行拓扑优化的流程如下：①在前处理软件中建立模型；②设定优化步骤；③导入到OptiStruct 中求解；④在后处理软件中分析结果，若结果不满意则返回修改再提交计算，直至结果满意。
2车架拓扑优化建模这里着重对车架的横梁分布做优化分析，需要对原车架模型做修改得到拓扑模型，由于车架为边梁式车架，可将车架两根纵梁之间的空间用相同的材料填满，从而构成三维拓扑模型，有时为了节省计算资源也可抽取车架三维4结论本文通过开发数据读写OPC 客户端，实时的将运动控制卡的输出信号写入OPC 服务器，并以OPC 服务器为通信桥梁成功的搭建出硬件在虚拟仿真回路，实现了上位机通过硬件控制器控制仿真模型的目的。
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OptiStruct Optimization Overview
Topology Free-size
Design Fine Tuning
Design Process
Topography Free-shape
Concept Level Design
Gauge9 & 10
Gauge1, 2 & 3
Shape
Lightweight SUV Frame Development
New Frame
Mass reduction: 20% Increase torsion stiffness: 31% Weld length reduction: 50%
Old Frame
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Structural Optimization Concepts
The Optimization Problem Statement: • Objective (What do I want?) min f(x) also min [max f(x)] • Design Variables (What can I change?) XiL ≤ Xi ≤ XiU i =1,2,3,…N • Design Constraints (What performance targets must be met?) gj(x) ≤ 0 j = 1, 2, 3, …, M Note: The functions f(x), gi(x), can be linear, non-linear, implicit or explicit, and are continuous Example: Explicit y(x) = x2 – 2x Implicit y3 – y2x + yx - √ x = 0
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Optimization Definitions • Topology:
is a mathematical technique that optimized the material distribution for a structure within a given package space shape optimization in which a design region for a given part is defined and a pattern of shape variable-based reinforcements within that region is generated using OptiStruct .
Size and Shape Optimization Fine-tuning the Design
Upper and lower link mass without pins is down to 176 lbs from 240 lbs.
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• HyperWorks Overview • OptiStruct Overview
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HyperWorks Overview
MBD Analysis
• Kinematics
• Static
O2
B
3
A
4
2
otion
O4 1
1
• Quasi-static
• Dynamics
x
F
k, c
x F /k
m
F
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Altair Engineering
July 2014
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Day 1 Agenda
• Introduction • Theoretical Background • Optimization Interface and Setup • Concept Design
Gauge11, 12 & 13
Gauge5
Optimization
Gauge14 &15
Gauge4
Gauge6 Golver
Size
Solver Neutral DOE Approximations Stochastic Studies
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Optimization Process for Torsion Links
Topology Optimization Design Space and Load
Topology Optimization Stiffness Material Layout
Topology Optimization Geometry Extraction
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Structural Optimization using OptiStruct®
Concepts, Analysis, and Optimization for General Structures
•
Advanced analysis features
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OptiStruct Overview
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Design Interpretation OSSmooth
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Topography Optimization Free-size Optimization
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•
Shape Optimization
• •
•
Free-shape Optimization
• •
• Optional Exercises
• Topology Exercises Using Solid Thinking Inspire
• • Exercise A1: Getting Started Using Inspire Exercise A2: Topology Optimization Using Multiple Load Cases in Inspire Exercise B1: Optimizing a Plate with Hole Test Coupon (PCOMPP-STACK-PLY)
Day 2 Agenda
• Review • Fine Tuning Design
• Size Optimization
• • Exercise 5a: Size Optimization of a Rail Joint Exercise 5b: Discrete Size Optimization of a Welded Bracket Exercise 5c: Cantilever L-beam Shape Optimization Exercise 5d: Shape Optimization of a Rail Joint Exercise 5e: Free-shape optimization Compressor Bracket Exercise 5f: Shape Optimization of a 3-D Bracket using the Free-Shape Method
OptiStruct in HyperWorks
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OptiStruct Overview
Finite Elements Analysis
Chapter 2 – Theoretical Background
• Optimization • Optimization Concepts and Definitions
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