OptiStruct优化教程最全ppt课件
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。
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优化结构方法
optistruct优化结构方法OptiStruct优化结构方法OptiStruct是一种广泛应用于结构优化的工程分析软件。
它提供了一种有效的方式来优化结构设计，以满足特定的性能指标和约束条件。
OptiStruct基于有限元法和数值优化技术，可以在设计过程中自动寻找最佳的结构形状和尺寸。
结构优化是一种通过调整结构的形状、尺寸和材料来改善其性能的方法。
优化的目标可以是最小化结构的重量、最大化结构的刚度或最小化结构的应力等。
在过去，工程师们通常依靠经验和试错的方法来进行结构设计，这种方法效率低下且耗时长。
而OptiStruct的出现极大地提高了结构优化的效率和精度。
OptiStruct使用数值优化技术来解决结构优化问题。
数值优化是一种通过迭代计算来寻找最佳解决方案的方法。
在OptiStruct中，用户需要定义设计变量、目标函数和约束条件。
设计变量是用来描述结构的形状、尺寸和材料等参数，目标函数是用户希望优化的性能指标，约束条件是用户希望满足的限制条件。
OptiStruct会根据用户定义的问题进行计算，通过不断调整设计变量，最终找到最佳的结构解决方案。
OptiStruct支持多种优化方法，包括拓扑优化、尺寸优化和拼接优化等。
拓扑优化是一种通过改变结构的拓扑形状来优化结构性能的方法。
它可以自动去除不必要的材料，并将有限元模型重新分配材料，以实现结构的最佳性能。
尺寸优化是一种通过调整结构的尺寸来优化结构性能的方法。
它可以自动调整结构的尺寸，以实现最小的重量或最大的刚度等性能指标。
拼接优化是一种通过调整结构的连接方式来优化结构性能的方法。
它可以自动寻找最佳的连接方式，以实现最小的应力或最大的刚度等性能指标。
OptiStruct提供了用户友好的界面，使得结构优化变得简单而直观。
用户只需要按照软件的提示，逐步定义问题的参数和约束条件，OptiStruct会自动进行计算和优化。
同时，OptiStruct还提供了丰富的结果分析和可视化功能，方便用户对优化结果进行评估和验证。
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。
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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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结构优化设计分析手册
结构优化设计OPTISTRUCT分析手册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培训资料(5.0)知识讲解
培训内容 - continue
• 第一天下午 (1:00 PM – 4:00 PM)
• 形貌优化(Topography)概念介绍 • 形貌优化例题 • 形貌优化练习
• 形貌优化 torsion plate例题
培训内容 - continue
• 第二天上午(9:00 AM - 12:00 PM)
• 尺寸优化（Size ）
• 尺寸优化bracket_size例题
内容介绍
什么是优化（三要素ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ？
✓ 目标（Objective）优化设计的目的就是要求所选的设计变量使目标函数达到最佳值
min (max) f(xi )
✓ 设计变量（Design Variables）
xi i = 1, 2, 3,…, p
2699
Control_arm 优化求解步骤
• 优化方案 目标函数 Objective Function ： 体积最小化 约束条件Constraints ： 1. 在工况一下2699点的合位移<0.05 2. 在工况二下2699点的合位移<0.02 3. 在工况三下2699点的合位移<0.04 设计变量Design Variables : 单元密度
不可行性设计区域
X1 二维单目标优化设计几何解释
Optistruct 5.0软件功能简介
Optistruct 5.0是一个有限元结构分析和优化软件。 它可以做有限元线性静态分析、频率分析和线性屈曲分析，
同时它是一个功能非常强大的优化软件，它提供了如下四种优 化技术。 拓扑优化 (Topology Optimization) 形貌优化 (Topography Optimization) 尺寸优化 (Size Optimization ) 形状优化 (Shape Optimization)
OPTISTRUCT培训资料(5.0)
什么是Optistruct概念优化
[ 在产品概念设计阶段，利用优化计 算得到满足设计要求的构造外形， 并且可以返回CAD，进展具体设计
拓扑优化〔Topology Optimization)
设计空间、载荷及边界
拓扑优化是在给定载荷条件下查找 满足设计要求的构造材料最正确分 布的优化技术
密度分布
Isosurface r=0.5
响应类型
[ 目标和约束响应
• Compliance control (COMP) – Total and Regional • Weighted Compliance (WCOMP) • Eigenvalue (FREQ) • Inverse of Weighted Eigenvalues (WFREQ) • Combination of Weighted Compliance and Weighted Inverse
如质量、应力、位移、频率等〕的响应函数 ▪ 约束函数〔Constraint Functions 〕: 设计被承受时响应函数必需
满足的边界条件 ▪ 可行性设计〔Feasible Design 〕: 满足全部约束的设计 ▪ 不行行设计〔Infeasible Design〕 : 与约束冲突的设计 ▪ 最优设计〔Optimum Design 〕：满足全部约束且目标函数最优的
拓扑优化的常规问题设定
• Objective: Minimize (weight/ total/ regional) compliance Conolume/ mass fraction
• Objective: Minimize (total/ regional) volume/ mass fraction Constraint: displacements
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。
点阵优化(OptiStruct)
Lattice Structure Optimization0、IntroductionLattice 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。
optistruct教程
可以同时作用求解。
Analysis – optimization – topology - parameters如铸造时有不合理材料集中不利于散热。
网格规则情况下，最小尺寸可以设置为 2倍单元平均尺寸。
Analysis – optimization – topology - drawAnalysis – optimization – topology – extrusion施加沿路径方向的挤压工艺----(挤压结构横截面一致)Analysis – optimization – topology – pattern groupingAnalysis – optimization – topology – pattern repetitionTopology optimization阀值一般取0.3Analysis - optimization - topologyBase thickness=0.0优化是保留的最小厚度；为0表示可以挖空，为0.5表示此处不可挖空，材料最小厚度为0.5Topology optimization 步骤0.边界、载荷、工况设置完毕1. Analysis - optimization - responses- - - - response type: mass, volume, cog (重心), inertia, compliance (柔度), fatigue, function (多响应方程), frf (频响) displacement / velocity/ acceleration / stress/ strain / force, psd (瞬态) displacement / velocity / acceleration/pressure, rms(声场) velocity / acceleration / pressure, temperature …2. Analysis - optimization - objective3. Analysis - optimization - dconstraints4. Analysis - control cards - screen (dos窗口里迭代步过程)5. Analysis – optstruct 求解6. Analysis - optstruct - view.out 查看重量变化7. Analysis – optstruct - hyperviewTopology end新topology性能验证（应为topology里优化后计算结果为原始模型结构，只是被优化的位置密度降低，其他相应力学参数相应降低。
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)
8
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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
21
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HyperWorks Overview
•前处理
HyperMesh HyperCrash
MotionView
•求解器
RADIOSS MotionSolve AcuSolve
OPTISTRUCT培训资料(5.0)
什么是Optistruct概念优化
[
在产品概念设计阶段，利用优化计 算得到满足设计要求的结构外形， 并且可以返回CAD，进行详细设计
拓扑优化（Topology Optimization)
设计空间、载荷及边界
拓扑优化是在给定载荷条件下寻找
满足设计要求的结构材料最佳分布
的优化技术
Isosurface r=0.5
• 尺寸优化（Size ）
• 尺寸优化bracket_size例题
内容介绍
什么是优化（三要素）？
目标（Objective）优化设计的目的就是要求所选的设计变量使目标函数达到最佳值
min (max) f(xi )
设计变量（Design Variables）
xi
i = 1, 2, 3,…, p j = 1, 2, 3,…, n
•
2699
Control_arm 优化求解步骤
1 在HM5.0中输入几何模型(carm.hm) 2 定义material、properties和components,并且使之关联 3 创建有限元网格 4 施加载荷和边界条件 5 创建载荷工况 6 在HM5.0环境创建优化问题
Max. Deflection: 2.23 Max. Stress: 267
Max. Deflection: 4.41 Max. Stress: 644
Topography Optimization Max. Deflection: 1.17 Max. Stress: 196
Max. Deflection: 10.57 Max. Stress: 520
响应类型
[ 目标和约束响应
Compliance control (COMP) – Total and Regional Weighted Compliance (WCOMP) Eigenvalue (FREQ) Inverse of Weighted Eigenvalues (WFREQ) Combination of Weighted Compliance and Weighted Inverse Eigenvalues (COMB) Mass (MASS) – Total and Regional Volume (VOLUME) - Total and Regional Mass Fraction (MASSFRAC) – Total and Regional Volume Fraction (VOLFRAC) – Total and Regional Nodal Displacements (DISP) Stress (STRESS)
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。
基于OptiStruct的结构优化设计方法页
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 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。
数值分析课件 10-opt_NI
在点
处，用一个与曲面（3.32）最密切的二次曲面来 代替它，这个二次曲面的方程即是
xk
Q( x) f ( xk )
（3.22）
3.3 Newton法 n f ( x ) 如果目标函数 在 R 上具有连续的二阶偏导数， 2 其Hesse矩阵 f ( x) 正定且可以表达成显式（今后记 2 G( x) f ( x) ），那么使用Newton法求解（3.1）会很快 地得到极小点。 1. 基本思想 考虑从 xk 到
1 xk 1 xk G( xk ) g ( xk )
xk 1 ，即
（3.31）
迭代公式，由该公式产生的算法称为Newton法。 f ( x ) 是正定二次函数（3.36）时， 注意到，当目标函数 f ( x ) Q( x ) 。这说明：对于正定二次函数，Newton法一 次迭代就会得到最优解。 （3.31）有直观的几何解释。函数 f ( x ) 过点 xk 的等值 面方程为 f ( x ) f ( xk ) （3.32）
沿 pk 进行直线搜索，由此确定 xk 1 xk tk f ( xk )
t
其中步长因子 t k 满足 f ( xk tk f ( xk )) min f ( xk tf ( xk )) （3.21）
（3.20）、（3.21）简单地合记为
xk 1 ls( xk , f ( xk ))
无约束最优化方法 从本章起，以后两章将讨论非线性规划问题。本章首 先讨论无约束最优化问题，其一般形式为
（3.1） 其中 f : R R 求解无约束问题的最优化方法可以分为两大类：一类 是根据目标函数的梯度（即一阶导数），有时还要根据 Hesse矩阵（即二阶导数）提供的信息构造出来的方法— —导数方法。本章介绍其中的最速下降法、Newton法、 共轭梯度法和拟Newton法。另一类是不使用导数，仅仅 利用目标函数值的信息构造出来的方法——直接方法。本 章将介绍其中的步长加速法、方法加速法和单纯形替换法。 两类方法各有利弊。前者收敛速度快，但需要计算梯度， 甚至需要计算Hesse矩阵；后者不涉及导数，适应性强， 但收敛速度慢。一般的经验是，在可以求得目标函数导数 的情况下，尽可能使用导数方法。
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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
3
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第1章-介绍
HyperWorks 概述 OptiStruct 概述
4
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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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第一天
• 介绍
概述
• 理论背景 • 优化界面和设置
• 概念设计
• 拓扑优化
• • • • • 练习 练习 练习 练习 练习 4.1: 4.2: 4.3: 4.4: 4.5: 开始使用Inspire 在Inspire中多工况拓扑优化 有应力约束的挂钩拓扑优化 控制臂的拓扑优化 拓扑优化中使用模式重复
Torsion Links的优化流程
拓扑优化设计空间和载荷 拓扑优化提供刚度的材料的分 析
拓扑优化后的几何提取
尺寸和形状优化,对设计结果进行微 调
Upper and lower link mass without pins is down to 176 lbs from 240 lbs.
12
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HyperWorks Overview
•前处理
HyperMesh HyperCrash
MotionView
•求解器
RADIOSS MotionSolve AcuSolve
•后处理
HyperView HyperGraph HyperGraph3D
•优化
5
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• •
形貌优化
• • 练习4.6: L型支架的形貌优化 练习4.7: 带孔板的自由尺寸优化 练习4.8: OSSmooth处理拓扑优化结果
自由尺寸优化
•
设计解释 OSSmooth
•
2
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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
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SUV车驾的轻量化开发
新车架
质量减少: 20% 扭转刚度增加: 31% 焊缝长度降低: 50%
原车架
11
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第二章-理论背景
优化
优化概念和定义
OptiStruct 概览
多体动力学分析
A
B
3 4
• 运动学
O2
2
otion
O4 1
1
• 静力学 • 准静态
x
k, c
• 动力学
F
x F /k
m
F
9
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• 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)
8
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HyperWorks中的OptiStruct
7
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OptiStruct 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