基OptiStruct的复合材料优化技术
102_基于OptiStruct太阳翼基板结构优化设计_盛聪
图 4 有限元模型
2.3 概念设计阶段——自由尺寸优化
优化设计有三要素，即设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是在优化过程中发生改
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Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
变从而提高性能的一组参数。目标函数就是要求的最优设计性能，是关于设计变量的函数。约 束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求。 优化问题的数学模型可描述为： 选择一组可变化的设计变量 x x1， x2 ,， xN ，在满足下列约束条件下
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Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
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太阳翼基板经验设计方案
1.1 太阳翼结构简介
某卫星平台采用两翼对称一次展开太阳翼结构。卫星太阳电池阵由两个太阳翼组成，单翼 机械部分包含基板、连接架、压紧释放机构、展开锁定机构及阻尼机构等。 每翼包含两块基板，单板尺寸为 2360×1900mm，每块太阳电池板上有 6 个压紧点。
图 1 太阳翼网格面板铺层
1.3 模态分析结果
设计完成后，对太阳翼进行校核分析计算，太阳翼模态分析一阶频率为 48Hz，一阶振型 如图 2 所示。
图 2 经验设计方案太阳翼1阶振型
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太阳翼基板结构优化设计方案
2.1 优化方法
OptiStruct 软件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各种优化功能[6]。OptiStruct 中采用最速下降 法进行结构优化设计，具有计算速度快、方向性强的优点。 基于 OptiStruct 优化设计方法的复合材料结构优化设计包括三个阶段： (1) 概念设计阶段——自由尺寸优化（Free Sizing） 只考虑全局的响应和非强制的制造约束，利用 OptiStruct 中的自由尺寸优化模块找出板壳 结构上每个区域（单元）的不同角度层（超级层）的最佳厚度，确定复合材料结构的材料分布， 最后以铺层块的方式给出结果。 (2) 系统设计阶段——尺寸优化(Sizing) 考虑所有的设计响应和非强制的制造约束，利用 OptiStruct 中的尺寸优化模块得到复合材 料结构每个铺层块各单层的厚度，确定规定角度下的铺层数，确立基本的铺层结构。 (3) 详细设计阶段——铺层顺序优化(Shuffling) 考虑所有的状态响应和制造约束， 利用 OptiStruct 中的 Shuffling 功能得到复合材料结构的 铺层顺序。 对于蜂窝板，由于面板的厚度相对于蜂窝的厚度较小，面板的铺层顺序对于蜂窝板的力学 性能影响很小，所以不需要对面板的铺层顺序进行优化。本文主要利用 OptiStruct 在限定铺层 角度下依次优化设计太阳翼基板面板的铺层块和铺层数。为了简化制造工艺和优化设计的分析 工作，经验设计方案中太阳翼基板单向层以 0o 和 90o 为主，因此假定太阳翼基板单向层的纤维 方向角只有 0o 和 90o 两种。优化过程如图 3 所示。
基于optistruct碳纤维复合材料薄壁结构优化设计研究
基于optistruct碳纤维复合材料薄壁结构优化设计研究基于OptiStruct 碳纤维复合材料薄壁结构优化设计研究是一个非常重要和有挑战性的领域。
碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳等优点，在航空航天、汽车、体育器材等领域得到了广泛的应用。
在进行碳纤维复合材料薄壁结构的优化设计时，需要考虑多种因素，如结构的强度、刚度、稳定性、轻量化等。
OptiStruct 可以帮助设计师在满足设计要求的前提下，找到最优的结构形式和尺寸，从而提高结构的性能和经济性。
在进行基于OptiStruct 的碳纤维复合材料薄壁结构优化设计研究时，需要进行以下几个方面的工作：
1. 建立准确的有限元模型：使用有限元分析软件建立碳纤维复合材料薄壁结构的有限元模型，并进行网格划分和边界条件设置。
2. 定义优化问题：根据设计要求和目标，确定优化的变量、约束条件和目标函数。
3. 选择优化算法：选择适合的优化算法，如遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等。
4. 进行优化计算：使用OptiStruct 进行优化计算，不断调整设计变量，直到达到最优解。
5. 结果分析和验证：对优化结果进行分析和验证，检查是否满足设计要求和目标。
需要注意的是，在进行碳纤维复合材料薄壁结构优化设计时，需要考虑制造工艺的限制和实际工程需求，以确保优化结果的可行性和可制造性。
总之，基于OptiStruct 的碳纤维复合材料薄壁结构优化设计研究是一个复杂而有挑战性的工作，需要综合考虑多种因素，包括结构性能、制造工艺和实际工程需求等。
通过优化设计，可以提高结构的性能和经济性，为实际工程应用提供有力的支持。
孙九霄_基于OptiStruct的舰用复合材料结构优化设计
基于OptiStruct的舰用复合材料结构优化设计孙九霄谢振兴周俊中国舰船研究设计中心湖北武汉430064摘要：本文介绍了复合材料在国内外船舶设计建造中的应用及复合材料在船舶设计中存在的问题。
采用HyperWorks软件对夹芯复合材料进行结构分析，并对复合材料尺寸和铺层进行优化设计，优化后复合材料的性能得到提升。
关键字：船舶设计复合材料 HyperWorks 结构优化1前言纤维增强树脂基复合材料是一种理想的结构/功能材料，具有传统材料无法比拟的优良综合性能。
近年来复合材料凭借其优异的比强度、比刚度、抗疲劳性能和耐久性在舰船中得到了广泛的应用，已形成独特的纤维增强树脂舰船材料、设计与制造技术。
材料成型一体化是复合材料的区别于传统材料的一大特点，而这也使得复合材料设计及优化变的尤为重要。
复合材料的结构设计及优化是一项基础性和应用性很强的工作，其最终目的是将结构设计的更合理、成本更低、工艺性更好且更安全可靠。
2 复合材料在海军舰船中的应用情况目前复合材料在海军上的应用非常广泛，但是很久以来这些应用仅局限于一些小型船只和一些次要的舰艇结构。
二战以后，复合材料首次在美国海军的一些小型客运舰艇上得到应用。
在实际应用时，发现这些舰艇有很多优点，如强度大、刚度大、持久耐用而且易于维修，因此，在上世纪40年代到60年代，复合材料在美国海军中的应用迅速增加。
在越南战争期间，应用复合材料的客运舰艇、内河巡逻艇、登陆舰和侦察艇等各种舰船数量达3000艘。
美国海军还将复合材料应用在小型舰艇上的舱面船室、通讯舰艇的桅杆、驱逐舰的管道系统、潜艇的流线型指挥台外壳和铸件。
表1列举了二战和越南战争期间复合材料在海军方面的应用。
表1二战和越南战争期间复合材料在海军方面的应用扫雷艇（15.5米长）登陆侦察艇（15.8米）登陆舰（15.2米）内河巡逻艇客运舰艇（7.9米）领航艇木船罩潜艇流线装置潜艇声纳罩潜艇无压浇注船体潜艇尾翼小型舰艇船室桅杆和桅杆覆盖物天线屏蔽罩方向舵天线绝缘管道罐（燃料、润滑油、水）管道系统鱼雷发射管船员掩蔽所舱口盖绳索防护装置自上世纪50年代，复合材料开始在其他国家海军的舰艇和潜艇上得到应用。
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：*****************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 optimizationDescriptionWhen 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。
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。
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。
OptiStruct复合材料优化设置
1.做完复合材料结构的自由尺寸优化后可根据优化结果自动生成各角度铺层块
的形状，默认的是一个角度由4个铺层块叠加而成，可不可以更改这个数值，变成3个或2个？
OUTPUT,FSTOSZ,YES,3，或者
OUTPUT,FSTOSZ,YES,2
在FEM文件中的OUTPUT卡片为：
OUTPUT,FSTOSZ,YES,VALUE
OUTPUT表示优化后生成*.sizing.fem文件（*表示自由尺寸设计中的文件名）；FSTOSZ表示“FreeSize to Size”；YES表示激活该输出设置；VALUE表示设置的铺层组个数，缺省为4。
在了解了FEM中的卡片含义后，用户可以根据需要在fem文件中自定义铺层组数。
自由尺寸设计中的制造约束自动包含在*.sizing.fem文件中。
2.复合材料中自由尺寸优化可以设定超级层，比如教程中一般设定为0°，45°，-45°和90°
四个超级层，自由尺寸优化后会自动将每个超级层拆分为4个子层。
如果我想将每个超级层拆分为6个或其他数量的子层该怎么设置呢？
OUTPUT,FSTOSZ,YES,6
在OUTPUT中设置
可以hw90後針對複材可進行疊層方向+拓樸+疊層厚度進行優化
但目前相當不方便使用
9.0可以支持复合材料的拓扑优化。
9.0不仅可以做
而且很方便
2Dpage里面有个hyperlaminate面板（要选对模板才有）
专门做复合材料优化的。
OptiStruct优化教程最全ppt课件
OptiStruct 优化概览
拓扑 自由尺寸
计阶段 形状
Gauge9 & 10
Gauge1, 2 & 3
Gauge5 Gauge11, 12 & 13
Optimization
Gauge14 &15
Gauge4
Gauge6 Gauge7
完整的有限分析求解器
尺寸
求解器中立 实验设计 近似 随机研究 10
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第1章-介绍
HyperWorks 概述 OptiStruct 概述
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HyperWorks Overview
•制造仿真
HyperForm HyperXtrude
•企业流程管理
Data Manager Process Manager PBS/Professional
•可视化工具
HyperView Player
6
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OptiStruct 优化
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OptiStruct在织物前罩盖板优化分析中的应用
图1 前罩盖板有限元模型
表1 前罩模型节点数和单元数节点数单元数
图3 合金钢盖板刚度分析位移云图
优化分析
图4 织物盖板前罩刚度分析边界条件
2.尺寸优化
（1）优化性能要求最大位移不超过合金钢前罩图2 金钢盖板前罩刚度分析边界条件
图5 织物盖板监测点区域示意
3）尺寸约束，复材件单层范围为0.5～10mm，金属件单层范围为0.1～10mm。
厚度确定以及铺层方案见表4。
图8 厚度分布
表4 厚度及铺层方案
属性ID材料类型优化厚度/mm最终厚度/mm 7织物材料
0°：4.608
45°：4.746
0°：5
45°：5
图9 织物盖板前罩刚度分析位移云图
结语
通过对织物盖板前罩的拓扑优化，确定了各零部
图6 织物盖板优化设计目标迭代曲线
图7 织物盖板优化设计约束最大违反曲线
2012.。
optistruct复合材料优化算法
optistruct复合材料优化算法
OptiStruct是一种用于结构优化的先进软件工具，可以用于复合材料的优化设计。
OptiStruct使用了一种基于有限元方法的优化算法，可以在给定的设计空间内自动搜索最优解。
对于复合材料的优化设计，OptiStruct可以考虑材料的强度、刚度、疲劳寿命等多个方面的要求，并在给定的约束条件下，自动调整复合材料的层厚度、层角度、层堆叠顺序等参数，以达到最优设计。
具体而言，OptiStruct可以通过以下几个步骤来进行复合材料的优化设计：
1. 定义设计空间：确定复合材料的设计变量，例如层厚度、层角度等。
2. 定义目标函数：确定需要优化的目标，例如最小化结构的重量或最大化结构的刚度。
3. 定义约束条件：确定设计的约束条件，例如最大应力、最大位移等。
4. 运行优化算法：使用OptiStruct的优化算法，在给定的设计空间内搜索最优解。
5. 分析结果：根据优化结果，评估复合材料结构的性能，并根据需要进行进一步的优化或设计修改。
总的来说，OptiStruct提供了一种强大的工具，可以帮助工程师进行复合材料的优化设计，以提高结构的性能和效率。
基于Optistruct的整车试验台架结构优化设计
基于Optistruct的整车试验台架结构优化设计Optistruct是一款强大的有限元分析软件，它能够对复杂结构进行多学科的仿真分析和优化设计。
在整车试验台架的设计中，Optistruct能够发挥重要作用，实现结构的优化设计和性能的提升。
整车试验台架是用于进行整车性能测试和评估的设备，它通常由底盘、驱动系统、控制系统、测量系统和数据采集系统等组成。
在设计整车试验台架时，需要考虑到各种因素，如载荷、振动、冲击、热量等。
为了提高整车试验台架的性能，需要进行结构优化设计，以增加强度、减少重量、降低成本等。
Optistruct作为一款专业的有限元分析软件，能够对整车试验台架的结构进行分析和优化。
在进行结构分析前，需要建立整车试验台架的有限元模型，包括设计、CAD和网格划分等操作。
具体分析步骤包括：载荷分析、应力分析、变形分析、自然频率分析、疲劳分析等。
Optistruct还能够进行材料优化和拓扑优化等设计，以提高整车试验台架的性能。
通过在有限元模型中加入材料属性信息，软件可以实现材料的选择和优化，这有助于提高整车试验台架的强度和刚度。
拓扑优化则可以帮助设计师找到最佳的结构形态，以实现结构的轻量化和材料的节约。
经过优化设计后，整车试验台架的结构可以更加合理和优化，以提高性能和降低成本。
Optistruct作为全球领先的有限元分析软件之一，已经广泛应用于机械、航空、汽车等领域的结构优化设计。
在整车试验台架的设计中，Optistruct的应用可以实现结构的优化，提高性能和经济效益，是整车试验台架设计中的重要工具。
在整车试验台架的设计中，Optistruct不仅可以对整车试验台架的主体结构进行分析和优化，还可以对各个子系统进行优化设计。
例如，可以对底盘、驱动系统、控制系统、测量系统和数据采集系统等进行拓扑优化，从而实现结构的轻量化和优化。
此外，Optistruct还支持多学科优化，可以将不同学科的设计目标和约束条件结合起来，实现全面的设计优化。
optistruct的优化基本理论
optistruct的优化基本理论关于优化的理论,内容不错,AIAA-2022年-4946AN __TED __H FOR __Y, SIZING AND SHAPE__ATIONM. Zhou, N. Pagaldipti, H.L. Thomas and Y.K. ShyyAltair Engineering, Inc.2445 MacCabe Way, Suite 100, Irvine CA__zhou@Topology optimization has become very popular inindustrial applications and most FEM codes haveimplemented certain capabilities of topologyoptimization. However, most codes do not allowsimultaneous treatment of sizing and shapeoptimization during topology optimization phase. Thisposes a limitation on the design space and thereforeprevents finding possible better designs since theinteraction of sizing and shape variables with topologymodification is excluded. In this paper, an integratedapproach is developed to provide the user with thefreedom of combining sizing, shape and topologyoptimization in a single process.Sizing, shape and topology optimization are the majoringredients of the technology of structural optimization.Sizing and shape optimizationcapabilities wereavailable since late eighties in some popular FEMsoftware such as MSC/Nastran and ANSYS.Specialized structural optimization software such as__ also emerged subsequently, utilizing moreadvanced approximation technology for enhancing theoverall efficiency. This development has lead to asteady increase in industrial application of optimizationtechnology in the past decade. A notable phenomenonseen in recent years is the fast growth of the applicationof topology optimization, especially in the automobileindustry, largely owing to its significant impact increating more efficient design concepts at thepreliminary design stage. Existing structuraloptimization software mentioned above have addedsome basic topology optimization capabilities as acomplementary tool to their existing sizing and shapeoptimization capabilities. At the same time, specialtopology optimization codes such as AltairCopyright 2022年by M.Zhou, N. Pagaldipti, H.L.Thomas and Y.K. ShyyPublished by the American Institute of Aeronautics andAstronautics, Inc., with permission.OptiStruct also appeared in this fast growing field. Ingeneral, specialized optimization codes, althoughequipped with less analysis capabilities than generalFEM codes, offer more features and higher efficiencyfor optimization. The reasons for this are two fold: (1)highly specialized codes are typically smaller andtherefore more flexible forincorporating the latestdevelopments than general codes; (2) for specializedcodes, highest priority is devoted to its core technologyof optimization.Up to date, topology optimization is performedseparately whilst sizing and shape optimization can becombined in a single process. This separation oftopology optimization may be due to the fact that it isusually used as a tool for finding efficient designconcepts at the early design stage whereas sizing andshape optimization are tools for detailed design at alater stage. However, feedback from industrial usershave shown that, even at the stage of conceptual study,it may be desirable to consider the interaction of somekey sizing and shape parameters with topologyoptimization. For example, one might want to optimizethe thickness of a base plate and simultaneously try tolocate stiffening ribs using topology optimization. Alsothe contour shape of the plate may be optimized as wellduring the optimization of the rib pattern. For suchdesign problems, an integrated approach not onlyallows the freedom of finding better designs by takinginto account the interaction of sizing, shape andtopology variables, but also helps achieve this goalmore efficiently within a single iterative process.In this paper, this integrated optimization problem ismathematically formulated in a general fashion, whichallows the consideration of multiple constraintsinvolving all types of responses. Owing to the largenumber of design variables, local constraints suchasstress constraints are not considered for structural partsthat involve topological design variables. Advancedapproximation techniques based on intermediateresponses and intermediate variables are applied in theimplementation of the iterative process. To further。
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
基于Optistruct拓扑优化的应用研究的开题报告
基于Optistruct拓扑优化的应用研究的开题报告一、研究背景及意义：随着现代工业领域的快速发展，设计复杂度和工程制造难度不断增加。
如何减少工程设计成本、优化工程性能、缩短产品设计周期，成为工业制造企业面临的严峻问题。
结构优化是一种应用广泛的工程设计方法，通过传统优化方法（如基因算法、遗传算法、蚁群算法等）可寻找到局部最优解，不足以满足复杂工程优化的要求，该领域不断涌现新的优化技术，其中拓扑优化是近年来比较热门的优化方法。
拓扑优化是一种基于材料在空间内分布的优化方法，可以通过减少材料的使用量来优化物体的设计，用于减轻结构重量和提高结构刚度，增加产品的使用寿命，同时减少产品的成本。
其中Optistruct是拓扑优化领域内权威的优化软件之一，它提供了基于拓扑优化的多种方法，包括有限元和数据驱动的优化算法，为工业制造企业提供了一种高效的结构优化设计方案。
因此，对于Optistruct拓扑优化的应用研究，具有重要的理论和实际意义。
二、研究内容：本研究将以Optistruct拓扑优化为研究对象，探究其在复杂工程结构设计中的应用，主要包括以下方面：1、Optistruct拓扑优化的原理及优化算法：研究Optistruct拓扑优化的原理，掌握其基本优化算法，提高基本优化算法的运用水平。
2、结构拓扑优化的算法研究：了解当前主流的结构拓扑优化算法，对各种算法进行梳理分析，提取出优点和不足，并进行算法改进。
3、Optistruct拓扑优化在复杂工程设计中的应用研究：以飞机翼、汽车车身和发动机等复杂工程结构为研究对象，探究Optistruct拓扑优化在复杂工程结构设计中的应用，验证其实用性和有效性。
三、研究计划及预期成果：1、研究计划：第一年：研究Optistruct拓扑优化的基本原理和算法，并进行算法改进。
第二年：以复杂工程结构为研究对象，探究Optistruct拓扑优化在复杂工程设计中的应用。
第三年：完成研究报告撰写和论文发表。
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。
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。
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，OptiStruct1 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。
基于OptiStruct复合材料电池包上壳体的应用与研究
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图 3 局部压头载荷位置来自3 有限元结果分析3.1 自由模态分析 自由模态分析是用于确定自由状态下上壳体
结构的固有频率。可以在设计时帮助客户或者产 品工程师避开这些频率或者减少这些可能产生共 振 频 率 范 围 上 的 激 励 ，目 的 是 为 了 消 除 由 于 上 壳 体自身而产生的一些过度振动和噪声。基于 Opti⁃ struct 自由模态分析结果如图 4 所示。SMC 材料的 一阶模态为 8.8 Hz，二阶模态为 28.5 Hz，钢材材料 的一阶模态为 7.8 Hz，二阶模态为 26.2 Hz，铝合金 材料的一阶模态为 11.11 Hz，二阶模态为 40.13 Hz。
创建的步骤为利用 Midsurface 抽取上壳体实
2019 年 第 8 期
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 15
AT&M 视 界
AT&M
VISION
体 中 面 ，然 后 进 行 几 何 清 理 ，选 取 抽 取 的 所 有 面 ， 采用 Batchmesh 中 5 mm 大小划分网格，分别定义 材料和材料属性，包括厚度，定义部件间的连接单 元，用刚性连接单元 RBE2 来模拟电池包上下壳体 部件之间的螺栓连接方式 。 [2] 创建好的上壳体有 限元模型如图 2 所示。
安 装 孔 ，目 的 是 了 解 电 池 上 壳 体 在 实 际 安 装 状 态 的基本振动性能。
c. 静态工况三。对上壳体局部位置施加压头载 荷，压头载荷用RBE3模拟，压头1尺寸50 mm×50 mm， 对应载荷为 890 N，压头 2 尺寸 100 mm×100 mm，对 应载荷为 1 500 N，约束上壳体法兰边安装孔，载荷 位 置 为 上 壳 体 凸 包 表 面 中 间 位 置 ，具 体 位 置 如 图 3。由于结构是对称的，因此只建立图中 6 个位置 的工况，目的是评估上壳体局部刚度情况。
基于OptiStruct的集成框架强度分析及尺寸优化
HEAVY TRUCK《重14□文/王 静 马爱敏 周冰冰（陕西重型汽车有限公司）【摘要】以集成框架为研究对象，采用OptiStruct 对其进行静力学分析，结合框架的应力情况，建立优化模型，设定合理的优化目标，完成集成框架的尺寸优化。
结果表明：尺寸优化后的集成框架模型，在满足结构的强度及刚度要求的同时，质量下降12.8%，效果显著，为改进重卡车辆某些系统的框架结构的轻量化和经济性，提供参考。
前言集成框架的设计是重卡车辆底盘布局中常见方式之一，用于将多个子系统的安装支架进行集成。
集成框架的可靠性能一直受到普遍重视，既要满足结构性能要求，又要尽可能的使产品满足轻量化需求。
本文通过OptiStruct 对某集成框架总成进行强度分析，结合应力分析结果，建立优化模型，设定合理的优化目标，通过离散设计变量，进行尺寸优化，使优化后结构既满足强度要求，又可达到降重的目标。
1 集成框架的模型建立1.1 网格划分以集蓄电池箱、储气筒和空气处理器等安装支架于一体的集成框架做为研究对象，框架长1605mm，宽330mm，高度925mm。
建模过程对蓄电池箱进行了合理的简化，将蓄电池与箱体接触的部分用RBE3抓取，RBE3主节点与蓄电池的质心坐标重合，并在蓄电池质心位置添加集中质量单元进行模拟仿真，空气处理单元模型简化亦同蓄电池。
网格划分在有限元分析中至关重要，网格划分产生的所有节点和单元决定着有限元分析的运算速度和计算结果的正确性和精确性。
将单元尺寸参数设置为10mm:单元数为92476，节点数为93956。
1.2 模型搭建集成框架搭建CAE 分析模型，如图1所示。
副梁和储气筒支架材料采用510L 材料，其他钣筋件采用Q235材料。
集成框架总质量为41.74kg,对纵梁两端进行全约束，分别计算垂向、转弯、扭转、静刚度四种工况下集成框架的受力情况。
图1 集成框架CAE 分析模型 2 静力学分析根据上述四种分析工况，对集成框架进行强度分析，分析结果如表1所示。
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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。
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
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。
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。
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。
图2 最佳结构样式
图3 挂钩的拓扑优化设计
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，如下图所示：
图4 自由尺寸优化的厚度变量
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、－45、90 etc.）的几个超级层（相对于实际厚度很薄的单个铺层而言），此时每个单元的每一超级层都是一个厚度变量，优化后可以得到其最佳厚度。
图5 复合材料单元的不同角度超级层的厚度变量
有了每个单元每个超级层的最佳厚度，就可以得到整个零件的每个超级层的厚度分布，例如，一端固定，另一端中点施加集中载荷的复合材料板，采用4种角度超级层建模，优化后其各角度超级层的厚度分布如下所示。
图6 4个超级层的厚度云图分布
每个角度超级层的厚度分布是不均匀的，需要由一些不同形状的铺层块层叠而成，例如，从0度超级层的厚度分布信息可以得到4种铺层块形状。
不同铺层块形状可以通过裁剪得到。
图7 0度超级层可以由4种铺层块组成
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。
在得到各角度超级层的铺层块形状之后，对复合材料进行重新建模，将每种形状的铺层块重新建成一个超级层，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。
图8 每种角度每种形状的实际铺层数目
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约束。
图9 HyperShuffle自动确定最佳的铺层层叠次序
实际应用
目前，该创新的复合材料优化技术已经得到了众多客户的认可，例如，空中客车公司将该技术应用于A350飞机的机翼设计中。
图10 机翼上下翼面的复合材料优化
总结
Altair OptiStruct9.0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。
作者简介
洪清泉，Altair公司优化应用专家，北京理工大学车辆工程专业毕业，曾工作于上海飞机设计研究所，在汽车和飞机结构分析和优化方面具有丰富经验。
邬旭辉，Altair公司航空行业应用专家，毕业于浙江大学工程力学系。
毕业后加入上海飞机设计研究所，从事ARJ21飞机的强度分析工作。
后加入ALTAIR公司后从事汽车结构安全分析、航空行业优化应用支持等工作。
(end)。