优化设计方法和工具

现代设计研究所
优化设计方法和工具
孟祥慧 博士 xhmeng@

主要内容
概述 方案设计与结构无参数优化
Tosca 拓扑优化 形状优化 （薄板锻压）加强筋方案设计
参数优化及多学科优化理论方法
优化设计方法与工具

产品开发项目的典型曲线和理想曲线
功能定义 概念设计 详细设计 分析验证 制造 售后服务
理想曲线
理想曲线表示设计/流程随 时间的改变数 此曲线计入项目从计划阶 段开始的所有改变 后期改变导致的成本、 质量、交付等目的的无 法完成
由于评估不充分产品投 入市场后由于性能欠佳 而需要的产品改变.
典型的项目曲线
改变数
项目时间量
Job 1
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Integrated Product Delivery & Support
优化设计方法与工具

主要内容
概述 方案设计与结构无参数优化
Tosca 拓扑优化 形状优化
参数优化及多学科优化理论方法
优化设计方法与工具

拓扑优化理论介绍
在变密度法中，单元相对密度为设计变量，弹性模量与设计变量之间满 足假定的插值函数关系。常见插值函数有固体各向同性惩罚微结构模型 (solid isotropic microstructures with penalization，SIMP) 和材料属性的有 理近似模型(rational approximation of material properties，RAMP)。两种 模型在TOSCA中可选择设定。
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形状优化理论介绍
形状优化通过改变结构的内外边界形状以改善结构特性如降低应力、 提高疲劳强度以延长结构寿命等。在上世纪90年代处，受CAD技术的 推动，形状优化成为研究热点。由于形状优化包含了CAD(CAGD)、 后验误差估计、自适应网格、敏度分析等关键性技术，故而目前形状 优化技术已广泛应用于工程界。 TOSCA软件形状优化模块采用无参数形状定义技术，即无需预定义形 状变量，自动寻找满足约束条件下的最优形状。同时采用对称约束、 网格平滑技术以保证优化结构的工程可行性。 形状优化通过结构内外边界形状达到降低应力、提高频率和寿命等目 标。在TOSCA 软件中，形状优化基于满应力法，即应力大的结构向 外胀，而应力小的结构向内缩，尽可能使结构外表面应力为常应力， 从而充分发挥结构强度的潜力。
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结构无参数优化与Tosca
FE-DESIGN公司-Tosca Tosca拓扑优化 Tosca外形优化 Tosca加强筋优化 Tosca 后处理 Tosca.post Tosca.report Tosca.smooth
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基于Tosca的优化设计流程
有限元模型 设计空间 Tosca拓扑优化 提供最佳结构形式
CAD模型输出 Tosca外形优化 提高产品性能
Tosca平滑化 方便详细设计
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Tosca优化设计流程图
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优化设计方法与工具

NX Nastran

NX Nastran b

FALANCS b FALANCS MEDINA

Start TOSCA:

TOSCA.pre:TOSCA.report:

TOSCA.smooth:

TOSCA.post:

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如图所示长悬臂梁结构，结构尺寸为

87mm×29mm×1mm

，弹性模量210GPa，

泊松比0.3，集中载荷

40N 垂直向上作用于

右下角两节点处，左

边界为固定支撑，在

ANSYS 软件中采用平

面应变单元(PLANE42,

K3=Plane strain)离散

为109×36 个矩形单

元。拓扑优化模型以

刚度最大化为目标，

45%体积比约束。结

构周边一层单元为非

设计区域。

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算例4受压板结构，板四周全约束。

步骤1－选择Bead optimization，单击Next>按钮。

步骤2－选择ANSYS 输出文件

plate.cdb，单击Next>按钮。

步骤3－设计变量区域，在existing group 中选择ALL_NODES，单击Next>按钮。 步骤4－优化任务，在Optimization Task 中选择Minimize the compliance。

步骤5－加强筋几何参数。Bead

Height=20，Bead Width=60，选中

CHECK_BC=ON。

步骤6－输出格式

步骤7－总结，单击Finish>按钮。

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MDO的难点（研究点）
高精度学科模型的构建
本领域的更高精度的学科模型 实验数据的引入和模型的标定
总体优化策略
协同优化/并行子空间优化策略的应用和改进
优化算法的组合选择或者重新构建
针对问题的特点选用合适的优化算法组合 针对某些问题，改进已有的优化算法或者构建新的优化算法
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iSIGHT
综合运用多种方法，改进性能、控制质量 综合运用多种方法，改进性能、控制质量
单/全因子组合法 中心复合法 正交数组试验 拉丁方试验 参数试验 用户自定义表
确定性设计方法 确定性设计方法
试验设计
数学规划
X2
综合设计方案
质量设计 回归建模
11种数值优化算法 4种全局优化算法GA, ASA 2种多目标遗传算法 启发式搜索算法 基于搜索规则的专家算法 多准则权衡分析算法 能处理混合变量问题
X1
蒙特卡罗抽样 田口稳健设计法 可靠性分析 可靠性优化 6-Sigma稳健设计优化 和容差优化
随机性设计方法 随机性设计方法
constrain t
1到4阶的响应面模型 变复杂度模型 泰勒级数展开模型 全局Kriging模型
Y1