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Altair仿真優化設計解決方案

HyperWorks中的優化工具模塊OptiStruct是面向結構分析和設計優化的有限元求解器??捎糜诋a品設計、校核、性能提高和輕量化設計,其創新的設計方案屢獲大獎。與傳統求解器不同的是,HyperWorks將強大的優化功能和常用的分析類型——例如線性靜態分析、屈曲分析、模態分析,頻響分析等——高度集成,使得優化設計更加方便、穩健和精確可靠,并且為CAE技術找到了在自主創新方面的突破口。HyperWorks擁有最強大最全面的結構優化能力,為產品設計的各個階段,例如概念設計和詳細設計,提供了前所未有的杰出解決方案。

HyperWorks穩健高效的優化算法允許在模型中定義成千上萬個設計變量。設計變量可取單元密度、節點坐標、屬性如厚度、形狀尺寸、面積、截面尺寸等。此外,用戶還可根據自己的設計要求和優化目標,在軟件中方便地定義用戶變量。


在進行結構優化過程中,HyperWorks允許在有限元計算分析時使用多個結構響應,用來定義優化的目標或者約束條件。HyperWorks支持常見的結構響應,包括:位移、速度、加速度、應力、應變、特征值、屈曲載荷因子、結構柔度、復合材料的應力應變、頻響位移、速度、加速度以及各響應量的組合等。


HyperWorks提供了豐富的參數設置,方便用戶對整個優化過程以及優化結果的實用性進行控制。這些參數包括優化求解參數和制造加工工藝參數等。用戶可以設定迭代次數、目標容差、初始步長和懲罰因子等優化求解參數,也可以根據零件的具體制造過程添加工藝約束,從而得到正確的優化結果并方便制造。


1.結構拓撲優化功能;


a) 在產品研發的初始階段,用戶定義產品的設計空間、設計目標、設計約束和加工制造參數等信息,HyperWorks將根據這些信息求解出結構傳力路徑和最有效的材料分布,從而為工程師提供一個不僅符合設計目標,而且達到各項性能最優的設計思路。設計者可以綜合考慮不同目標函數下的最優拓撲結構以及實際加工制造的限制,設計合乎要求的產品結構。


b) 在拓撲優化中,HyperWorks可以考慮各種具體工程問題,可用于優化的工況包括線性靜態分析,慣量釋放分析,模態分析,屈曲失穩分析,頻響分析(直接法和模態法),瞬態分析(直接法和模態法),非線性分析等。


c) HyperWorks拓撲優化的材料模式采用密度法,利用靈敏度和數學規劃方法尋找最佳設計點,有別于傳統的均勻化法和優化準則法,具有內在的先進性。這種方法:


ü  通用性強,可以求解各種各樣的實際工程問題。

ü  穩健性好,只要優化問題有實際物理意義,就可以找到最佳設計,不易出錯。

ü  效率高,能自動根據優化問題從豐富的內部算法庫中選擇最佳的靈敏度和尋優算法,決定是否采用中間變量和中間響應等,計算效率非常高。

ü  容易消除數值不穩定問題,例如棋盤格現象,網格依賴等現象。


d) 優化結果如果難于制造,或者制造成本高昂,將失去工程應用的意義和價值。HyperWorks提供了多種方法,可以在拓撲優化的過程中考慮制造工藝的可行性。這些方法包括:


1) 成員尺寸控制


成員尺寸控制允許控制最后的拓撲結構的成員尺寸大小,使優化結果更好的滿足制造加工和力學性能要求,包括最小尺寸和最大尺寸控制,具有消除棋盤格現象、網格依賴性等數值不穩定性的能力。


2) 對稱約束


對設計空間施加對稱約束可以生成對稱設計。即使是在網格、邊界條件不對稱的模型中,HyperWorks也可以強制生成非常接近于對稱的結果。


ü  一平面對稱,優化結果關于某個平面對稱。

ü  二平面對稱,優化結果關于某兩個垂直的平面對稱。

ü  三平面對稱,優化結果關于某三個垂直的平面對稱。

ü  周向循環對稱,周向循環對稱將設計空間圍繞某對稱軸等分為用戶指定數量的扇形區域,各扇形區域的優化結果一致。

ü  周向循環及一平面對稱,周向循環及一平面對稱在周向循環對稱的基礎上,對每個扇區指定一個對稱平面從而保證每個扇區的優化結果同時是一平面對稱的。


3) 模式重復


模式重復是允許相似的設計區域連接在一起以產生相似的拓撲布局的一種方法。通過指定零件某一區域或多個區域的結構樣式和另一區域保持一致,或某方向進行比例縮放,從而得到相似的設計,減少工藝設計和制造加工的工作量。


通過靈活設定設計空間和非設計空間,應用上述制造工藝約束,或者多種工藝約束的組合,HyperWorks可以充分考慮產品實際加工過程的各種約束,從而使得優化結果便于制造,優化流程真正集成到產品開發過程中。


4) 拔模約束


拔模約束可以考慮鑄造件或者機加工件制造加工過程中的拔模和刀具的進出,在拔模方向或刀具進出的方向上避免材料的阻擋。拔模約束有單向拔模和沿給定方向分模兩種,可以考慮鑄造型芯。


5) 擠壓方向


通過指定擠壓方向,使材料沿擠壓方向的橫截面保持一致,從而優化結果可以采用型材制造。用戶通過指定一系列的點來定義擠壓的路徑。擠壓路徑可以是曲線的和扭轉的。


e) HyperWorks的優化算法可以方便處理多工況,多目標,多約束問題,其內置的智能約束屏蔽功能可以有效的控制約束數量,功能強大的響應定義功能可以考慮多個設計目標,特別適合航空航天行業這種多工況多目標多約束的復雜問題,有許多成功的系統級優化案例包含上百萬個變量,上百個工況,幾十個目標和約束。


f) HyperWorks的Morphing技術可以實現在優化過程中網格的無級變形能力和自適應能力,從而保證在優化過程中的網格質量,以及對局部網格細化的要求,消除優化結果的網格依賴性以及由于網格質量導致的優化出錯。


g) HyperWorks全面支持動態性能的拓撲優化功能,可以對模態,頻響和瞬態性能進行優化,可以方便的設置基頻最大化、加權頻率最大化、各階頻率約束、復合頻率應變能最大化等問題,可以對頻響及瞬態分析的位移、速度、加速度進行優化、具有模態跟蹤功能,能有效處理模態交換和局部模態問題。


h) 傳統的結構優化求解器只能對拓撲優化的非設計空間進行應力約束,無法直接對設計空間的應力水平進行約束。HyperWorks創造性的實現了對設計空間的直接應力水平約束,從而工程師在設計階段就可以直接考慮強度和疲勞問題。


i) HyperWorks的優化結果可以方便的通過OSSmooth模塊輸出為幾何模型,從而方便導入到各種CAD軟件中,方便設計工程師根據優化結果進行創新設計。支持的通用文件格式包括IGS和 STL等。


2.壓延鈑金優化功能


a) HyperWorks的形貌優化(Topography Optimization)具有極其強大的鈑金件壓延筋優化功能??梢酝ㄟ^指定最大容許的壓延筋尺寸,給出強度或者剛度方面的優化目標,優化出滿足要求的壓延筋布局,為設計者提供設計思路。


b) HyperWorks的形貌優化技術可以指導用戶設計出滿足設計目標和約束條件的最佳壓延筋布局,從而大大提高結構強度、剛度、屈曲、自然頻率和頻響等性能,特別適合于優化振動和噪聲等問題。


c) 在壓延筋優化中,HyperWorks可以定義壓延筋的筋寬、筋高、起筋角、設計域與非設計域間的過渡區,施加邊界條件的區域是否起筋等設置等內容。


d) HyperWorks的壓延筋優化功能強大,可以處理各種實際應用問題,包括:


1) 模式組


在壓延筋優化中,HyperWorks可以充分考慮各種筋的模式,從而滿足制造加工和產品工業設計方面的要求,包括:


ü 一平面對稱,壓延筋關于某平面對稱

ü 兩平面對稱,壓延筋關于某兩個垂直平面對稱

ü 三平面對稱,壓延筋關于某三個垂直平面對稱

ü 線性分布,壓延筋成直線型

ü 圓周分布,壓延筋成圓環型

ü 徑向分布,壓延筋成放射型

ü 平面分布,各區域的壓延筋處于同一平面


2) 模式重復


在形貌優化中,模式重復是允許相似的設計區域連接在一起以產生相似的壓延筋分布,例如,將整體設計區域分為三個設計區,則可以保證三個設計區的壓延筋模式是一樣的。


3) 起筋面積比


壓延筋的面積與鈑金件面積之比稱為起筋面積比,當不考慮起筋面積比時,優化結果可能包含非常多的壓延筋,其中有些壓延筋的作用不是很大,導致產品不易設計,生產成本高。起筋面積比可以控制壓延筋的總面積,從而只產生最重要的壓延筋。


手工進行壓延筋形貌優化的結果解釋和模型重建比較復雜,OSSmooth模塊提供了AutoBead功能,可以快速進行自動化壓延筋重建功能,從而大大節省工程師的寶貴時間。AutoBead可以給出非常清晰的壓延筋,良好的網格,可以自動進行多層壓延筋的重建。


3.外形優化功能


a) HyperWorks的形狀優化(Shape Optimization)和自由形狀優化(Free Shape Optimization)具有極其強大的外形優化和零件位置優化功能。


1) 形狀優化


形狀優化的目的是對已有零件的網格形狀進行修改從而實現結構優化,提高剛度、強度或者減輕重量。例如,通過改變零件關鍵部位的外形可以降低局部應力。HyperWorks利用網格劃分當中的網格變形技術建立基于網格變形的形狀優化變量。這一方法的優點是在優化過程中無需重構CAD模型,所有形狀改變均直接作用于網格,從而可以方便地得到最優的設計改進方案。


HyperMorph是一個內嵌在網格劃分當中的網格變形模塊。通過它,可以使用多種交互式的方法來改變網格形狀和零件的位置。節點移動后,HyperMorph可以創建設計變量卡片和節點移動卡片,將修改后的網格保存為形狀擾動,與形狀優化的設計變量關聯。


2) 自由形狀優化


與常規的形狀優化相比,自由形狀優化采用非參數化設計技術,可以對零部件的邊界或外表面進行自動優化。在定義形狀變量時,不需要使用HyperMorph來定義設計變量,而是直接選擇設計區域的單元節點,然后自動生成形狀變量,這樣使得定義形狀設計變量的過程更加簡單。


b) HyperWorks的形狀優化功能可以方便地考慮靜力、模態、頻響、疲勞分析等進行形狀優化。


c) HyperWorks的自由形狀優化功能就是通過非參數化技術修改已有的設計模型或零件的外表面對其進行優化改進。


d) HyperWorks的形狀優化和自由形狀優化功能可以方便的實現各種對稱約束,包括各種平面對稱和旋轉對稱,可以實現零件工作包絡空間的約束。此外,通過對形狀變量進行關聯,HyperWorks可以方便實現包含各種關聯性約束的形狀優化問題。


e) 形狀優化的一個重要用途就是減少應力集中,提高零件的疲勞壽命。HyperMesh可以生成各種形狀變量,通過HyperWorks的多學科研究和優化模塊HyperStudy調用各種通用疲勞分析求解器,例如nCode DesignLife、MSC.Fatigue、Falancs和Femfat進行疲勞壽命的優化。


4.尺寸優化功能


HyperWorks的尺寸優化(Size Optimization)和自由尺寸優化(Free Size Optimization)具有極其強大的尺寸優化功能。


1)尺寸優化


尺寸優化用于最優化零件的參數,例如材料特性、板殼厚度、梁截面尺寸、連接剛度等。在HyperWorks中,用戶可以非常方便地定義優化參數。同時,HyperWorks支持離散性的尺寸優化,離散變量數組的建立有多種方便的方法,從而很大程度上解決了離散性優化這一工程難題。


HyperWorks的尺寸優化定義非常靈活,用戶可以通過建立尺寸變量然后跟模型屬性相關聯,實現對模型的參數化,也可以一次性的把模型的屬性全部參數化,快速建立成千上萬個尺寸變量。


2)自由尺寸優化


HyperWorks專門針對板殼結構和復合材料的特點提供了自由尺寸優化技術。在自由尺寸優化中,每一個板殼單元的厚度都是一個優化變量,優化結果主要為抗剪切性能更好的連續不等厚板,這樣的板殼結構在飛機等結構上使用更合理。


5.復合材料的優化


HyperWorks的拓撲優化、形貌優化、形狀優化和尺寸優化功能不僅在金屬零部件結構優化上已經非常成熟,在復合材料優化上也非常的強大。


復合材料具有良好的性能,在工程實際中得到了越來越廣泛的應用。HyperWorks可以對復合材料進行多個層次的優化。


1)拓撲優化可以找出復合材料的最佳分布區域


2)尺寸優化可以優化復合材料的鋪層角度和層數


3)自由尺寸優化可以優化各個角度鋪層的鋪層形狀和層數


HyperWorks的復合材料優化功能可以考慮各種實際工藝要求。例如,通過變量關聯實現鋪層連續,通過厚度約束控制各個角度鋪層占總鋪層厚度的百分比,通過HyperShuffle實現面向生產實際的各鋪層的排列順序。


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