同时应用拔模和对称约束的拓扑优化-OS-T：2060

文摘 2024-11-11 09:00 重庆

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在产品设计和制造过程中，我们经常会遇到需要考虑对称性的情况。对称性不仅在美学上有着重要的地位，而且在工程学和制造工艺中也扮演着关键角色。它能够提高产品的结构稳定性、减少制造成本、简化装配过程，并且有助于提升产品的耐用性和可靠性。接下来，让我们深入了解一下对称约束在产品开发中的优势，主要体现在以下几个方面：

1. 设计简化：对称约束可以减少设计空间的复杂性，因为只需要优化一半或一部分结构，然后镜像到整个结构。

2. 制造便利：对称结构通常更容易制造，因为它们可以通过单一的模具或工艺流程来生产，减少了制造成本和时间。

3. 减少计算资源：由于只需要优化结构的一部分，对称约束可以减少计算资源的需求，缩短优化时间。

4. 美学提升：对称结构往往具有更好的外观，符合人们的审美习惯，尤其在汽车和消费品设计中。

那么拓扑优化同样提供了对称约束的功能，在本教程中，您将在汽车控制臂上执行拓扑优化，同时应用对称和拔模方向约束。

在开始之前，请将本教程中使用的文件复制到您的工作目录。

http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-2060/carm_draw_symm.zip

本教程使用与OS-T： 2010 Design Concept for an Automotive Control Arm 中考虑的优化问题相同的问题，不同之处在于将使用细化网格，以便更好地捕获同时应用对称约束和拔模制造约束的效果。结构模型的有限元网格，包含可设计（蓝色）和不可设计（红色）区域，以及施加的载荷和约束。

图1.

优化问题表示为：

Objective：最小化体积。

Constraints：

SUBCASE 1：施加载荷的点的合成位移必须小于0.05 mm。

SUBCASE 2：施加载荷的点的合成位移必须小于0.02 mm。

SUBCASE 3：施加载荷的点的合成位移必须小于0.04 mm。

Design variables：Element密度。一、启动HyperMesh并设置OptiStruct用户配置文件

1.启动HyperMesh。

此时将打开User Profile对话框。

2.选择OptiStruct，然后单击OK。

这将加载用户配置文件。它包括相应的模板、宏菜单和导入阅读器，将HyperMesh的功能缩减为与生成OptiStruct模型相关的功能。

二、导入模型

1.点击File>Import>Solver Deck。

导入选项卡将添加到您的选项卡菜单中。

2.对于File type ，选择OptiStruct。

3.选择文件图标。

此时将打开Select OptiStruct文件Browser。

4.选择保存到工作目录的carm_draw_symm.fem文件。

5.单击Open。

6.单击Import，然后单击Close以关闭Import选项卡。

三、设置优化

3.1 定义对称和拔模方向制造约束

1.在分析页面中，单击optimization面板。

2.单击topology面板。

3.定义最小成员大小。

a)单击review并选择solid.

b)选择parameters子面板。

c)将minmemb off切换为mindim，然后输入16.0。

如果用户没有指定最小成员尺寸，OptiStruct将会根据网格的平均尺寸以及是否选择了制造约束来自动确定最小的成员尺寸，以确保任何结构路径的直径或厚度都不会低于16毫米。

图2.

d)单击update以确认设置的最小成员大小。

4.定义拔模方向。

a)选择draw子面板。

b)将draw type设置为single。

c)使用锚节点和第一个节点选择器，选择图3 中指示的节点。

这两个节点一起定义Z轴正方向的向量。这定义了模具绘制方向沿正Z方向。

图3.

d)使用obstacle： props选择器，选择nondesign属性。

5.定义对称约束。

a)选择pattern grouping子面板。

b)将pattern type设置为1-pln sym。

c)单击anchor node，然后在id= 字段中输入1。

将选择ID为1 的节点。

d)单击first node，然后在id= 字段中输入2。

将选择ID为2 的节点。

e)单击update。

这两个节点一起定义负Z方向的向量。因此，对称平面定义为垂直于Z轴（与Y-Z平面相同）并穿过锚节点的平面。

6.单击return两次以返回到Analysis页面。

四、运行优化

1.在Analysis页面中，单击OptiStruct。

2.单击save as。

3.在Save As对话框中，指定写入OptiStruct模型文件的位置，并在filename中输入carm_draw_symm_complete。

对于OptiStruct求解器模型，建议使用.fem扩展名。

4.单击Save。

input file字段显示在Save As对话框中指定的文件名和位置。

5.将导出选项切换设置为all。

6.将run options切换设置为optimization。

7.将内存选项切换到upper limit（以Mb为单位），然后输入2000。

8.单击OptiStruct运行优化。

作业完成时，窗口中会显示以下消息：

OPTIMIZATION HAS CONVERGED.

FEASIBLE DESIGN (ALL CONSTRAINTS SATISFIED).

如果存在错误消息，OptiStruct还会报告错误消息。文件carm_draw_symm_complete.out可以在文本编辑器中打开，以查找有关任何错误的详细信息。此文件将写入与.fem文件相同的目录。

9.单击Close。

五、查看结果

对于所有迭代，单元密度结果将从OptiStruct输出到carm_draw_symm_complete_des.h3d文件。此外，默认情况下，第一次和最后一次迭代的每个SUBCASE的Displacement和Stress结果输出到carm_draw_symm_complete_s#.h3d文件中，其中# 指定SUBCASE ID。

5.1 查看密度结果的云图

查看模型的变形形状有助于确定边界条件是否定义正确，以及了解模型是否按预期变形。分析结果可在第2 页、第3 页和第4 页中找到。优化迭代结果（Element Densities）加载到第一页中。

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

HyperView在HyperMesh Desktop中启动，所有三个.h3d文件都加载到不同的页面中。

2.在应用程序的右上角，单击next以返回到Design History页面，指示结果对应于优化迭代。

3.在Results工具栏中，单击以打开Contour面板。

4.验证Result type是否设置为Element Densities[s]和Density。

这应该是carm_draw_symm_complete_des.h3d文件中唯一的结果类型。

5.将Averaging method设置为Simple。

6.单击Apply以显示密度云图。

云图全为蓝色，因为结果位于第一个设计步骤或迭代0 上。

7.在Results Browser中，选择列出的最后一个迭代。

为模型的每个Element分配一个图例颜色，指示所选迭代的每个Element的密度。

图4.

5.2 查看单元密度的ISO值图

等值图解提供有关单元密度的信息。Iso值保留等于和高于特定密度阈值的所有Element。选择密度阈值，提供适合您需求的结构。

1.在Results工具栏中，单击以打开ISO Value面板。

2.将Result type设置为Element Densities。

3.单击Apply。

此时将显示ISO图。

4.更改密度阈值。

a)在Current value字段中，输入0.2。

b)在Current value下，移动滑块。

当您更新密度阈值时，模型视窗中显示的Iso值会以交互方式更新。使用此工具可以更好地了解OptiStruct中的材料布局和载荷路径。

将显示密度大于指定值0.2 的模型部分。

图5.Element密度的Iso值图

检查问题:

你的大多数Element的密度是否都趋近于1或0?

如果有许多中间密度的Element，离散参数可能需要调整。离散参数(在优化面板上的opti控制面板中设置)可用于将具有中间密度的Element推向1或0，从而给出更离散的结构。

在这个模型中，细化网格应该提供一个更离散的解决方案;然而，为了本教程的目的，当前的网格和结果是足够的。

需要加固的区域的密度趋向于1.0。不需要加固的区域趋向于密度为0.0。

max=字段是否显示1.0e+00?

在这种情况下，它是。

如果不是，则说明优化的进展还不够。允许更多的迭代和/或减少OBJTOL参数(也在opti控制面板中设置)。

如果调整离散参数，细化网格，和/或降低目标容差不能产生更离散的解决方案(没有一个Element进展到密度值1.0)，请检查优化问题的设置。对于给定的目标函数，某些定义的约束可能无法实现(反之亦然)。

在给定的约束条件下，体积是否被最小化?

是否满足位移约束?

TodayCAEer

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