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拓扑与形貌的组合优化

文摘   2024-12-09 08:23   重庆  
前面分别介绍了拓扑优化和形貌优化，不过都是独立的，但是在实际产品开发中，用一种优化方式是不够的，拓扑优化和形貌优化是结构设计中常用的两种优化方法，它们各自有独特的优势：
1. 拓扑优化：主要关注材料分布的最优方式，即在给定载荷和约束条件下，确定材料的最佳布局，以实现重量最小化或性能最大化。
2. 形貌优化：则侧重于优化材料表面的形状，如起筋、凹凸等，以改善结构的局部性能，如减少应力集中、提高疲劳寿命或改善流体动力学特性。
组合优化的优势：
1. 性能提升：通过同时考虑拓扑和形貌，可以获得比单独优化任一因素更优的结构性能。例如，优化后的结构可能在减轻重量的同时，还能提高局部强度或刚度。
2. 设计灵活性：组合优化提供了更多的设计自由度，允许工程师探索更广泛的设计方案，从而找到最佳解决方案。
3. 资源利用：通过优化材料的使用，可以减少材料浪费，提高材料利用率，这对于成本敏感的应用尤为重要，大批量的产品亦是如此，以汽车为例，每一辆车减重一公斤，放在汽车的整个制造生命周期，会得到非常夸张的降本效果。
4. 创新设计：组合优化可以引导发现传统设计方法难以实现的创新结构，这些结构可能具有独特的性能特点。
5. 响应多样性：在面对复杂载荷和多目标优化问题时，组合优化能够更好地平衡不同性能指标，实现多目标的最优平衡。
6. 适应性：组合优化能够更好地适应多变的设计要求和工作环境，提高结构的适应性和鲁棒性。
7. 计算效率：虽然组合优化的计算过程可能比单一优化更复杂，但综合来看计算效率是比单一优化高的。
拓扑与形貌组合优化能够提供一个更全面、更精细的设计优化框架。
在本教程中，您将使用OptiStruct对滑块悬架执行拓扑和形貌组合优化。
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-3100/combined.zip
本教程的目标是增加滑块悬架的刚度，同时使其更轻。这需要同时使用拓扑和形貌优化。
滑块悬架的有限元模型包含力和边界条件。该结构由四边形单元组成，具有线性静力学和模态SUBCASE。描述了定义拓扑和形貌优化设计空间、响应、约束和目标函数的步骤。优化后的结构对于线性静力学和正则模态SUBCASE来说都更强，并且具有起筋和更少的材料。
图1.Disk Drive滑块
在磁盘驱动器滑块悬架上执行组合拓扑和形貌优化，以最大化刚度和加权模态。第七阶模态的下限限制为12 cycles/ms。
Objective Function：最小化组合的加权柔度和加权模态。
Constraints：第7 模态> 12cycles/ms。
Design variables：Element密度和节点形貌。
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combined.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
1          

 

2          

 

3          

 

3.1创建Topology Design variables
1.在Analysis页面中，单击optimization。
2.单击topology。
3.选择create子面板。
4.在desvar= 字段中，输入pin。
5.将type：设置为PSHELL。
6.使用props选择器，选择1pin。
7.验证基础厚度是否为0.0。
值为0.0 意味着特定单元的厚度可以变为零，因此变为空值。
8.单击create。
9.重复上述步骤，创建一个标记为bend的设计变量，并为其分配3bend属性。
10.单击return。
3.2定义形貌设计变量
对于形貌优化，需要定义设计空间和定义起筋。
1.在Analysis页面中，单击optimization面板。
2.单击topography面板。
3.创建形貌优化设计空间定义。
a)选择create子面板。
b)在desvar= 字段中，输入tpg。
c)使用props选择器，选择1pin和3bend。
d)单击create。
已创建形貌优化设计空间tpg。1pin和3bend Component中的所有Element现在都包含在设计空间中。
4.为设计空间tpg创建定义起筋。
a)选择bead params子面板。    
b)验证desvar = 字段是否设置为tpg，这是新创建的设计空间的名称。
c)在minimum width=字段中，输入0.4。
此参数控制模型中起筋的宽度。建议的值介于平均单元宽度的1.5 到2.5 倍之间。
d)在draw angle=字段中，输入60.0（这是默认值）。
此参数控制起筋侧面的角度。建议的值介于60 到75 度之间。
e)在draw height= 中，输入0.15。
此参数设置要拉伸起筋的最大高度。
f)选择buffer zone。
此参数在设计域中的Element和设计域外的Element之间建立缓冲区。
g)将绘制方向切换为normal切换为elements。
此参数定义形状变量的创建方向。
h)将边界跳转到load和spc。
这会告诉OptiStruct将应用载荷或约束的节点保留在设计空间之外。
i)单击update。
已为设计空间tpg创建了定义起筋。根据这些信息，OptiStruct将在整个设计变量域中自动生成起筋变量定义。
2.添加模式组重复约束。
使用1面对称拉延筋，因为它是最简单的，并且可以同时对称。
a)选择pattern grouping子面板。
b)单击desvar =并选择tpg。
c)将pattern type设置为1-pln sym。
d)单击anchor node，然后在id= 字段中输入41。
e)单击first node，然后在id= 字段中输入53。
f)单击update。
2.更新Design variables的边界。
a)选择bounds子面板。
b)验证desvar = 字段是否设置为tpg，这是设计空间的名称。
c)在Upper Bound= 字段中，输入1.0。    
控制网格移动的变量的上限（Real > LB，默认值= 1.0）。这会将网格移动的上限设置为UB*HGT。
d)在Lower Bound= 字段中，输入0.0。
e)单击update。
上限将网格移动的上限设置为等于UB*HGT，下限将网格移动的下限设置为等于LB*HGT。
2.单击return转到优化面板。
3.3创建优化响应
由于此问题是线性static和模态分析的组合，因此您尝试最小化两种Load Case的柔度并增加频率，同时约束第七个频率。因此，定义了两个响应：freq和comb。
1.在Analysis页面中，单击optimization。
2.单击Responses。
3.创建频率响应。
a)在responses= 字段中，输入freq。
b)在响应类型下方，选择frequency。
c)对于Mode Number ，输入7.0。
d)单击create。
响应freq定义为提取的第七阶模态的频率。
4.创建柔度索引响应。
a)在response= 字段中，输入comb。
b)将响应类型设置为compliance index。
c)使用loadsteps选择器，选择force。
d)将选项切换为将归一化因子定义为autonorm。
e)在Mode和Weight字段中，输入模态编号及其相应的权重。
Mode Weight
1 1.0
2 2.0
3 1.0
4 1.0
5 1.0
6 1.0
f)单击create。
2.单击return返回Optimization面板。  
3.4创建设计约束
1.单击dconstraints面板。
2.在constraint= 字段中，输入frequency。
3.单击response =并选择freq。
4.选中lower bound旁边的框，然后输入12。
5.使用loadsteps选择器，选择frequency。
6.单击create。
7.单击return返回Optimization面板。
3.5定义目标函数
1.单击objective面板。
2.验证是否选择了min。
3.单击response=并选择comb。
4.单击create。
5.单击return两次以退出Optimization面板。
3.6定义优化控制卡
1.在Analysis页面中，单击Optimization面板。
2.单击opti control面板。
3.选择MINDIM，然后输入0.25。
通常建议最小成员尺寸以避免棋盘格。它还确保结构具有此卡中指定的最小尺寸。
4.选择MATINIT，然后输入1.0。
MATINIT在拓扑优化中声明初始材料分数。MATINIT具有多个基于以下条件的默认值：如果mass是目标函数，则MATINIT默认值为0.9。对于Constrained mass，默认值重置为constraint值。如果mass不是目标函数且不受约束，则默认值为0.6。
5.单击return两次以退出面板。
3.7设置模态跟踪
在优化过程中，频率及其振型可能会因单元密度的变化和其他设计更改而改变顺序。要解决此问题，请定义一个参数来跟踪频率，以便在优化运行期间仅跟踪预期频率。
1.在Analysis页面中，单击control cards面板。
2.在Card Image对话框中，单击PARAM。
3.选择MODETRAK。
4.将MODET_V1 设置为Yes。    
5.单击return。
PARAM按钮现在为绿色，表示它处于活动状态。
6.单击return返回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，并在文件名中输入comb_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.将内存选项切换设置为memory default。
8.单击OptiStruct运行优化。
作业完成时，窗口中会显示以下消息：如果存在错误消息，OptiStruct还会报告错误消息。可以在文本编辑器中打开comb_complete.out文件，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。
OPTIMIZATION HAS CONVERGED.
FEASIBLE DESIGN (ALL CONSTRAINTS SATISFIED).
9.单击Close。
五、查看结果
4          

 

5          

 

5.1对形状结果更改进行后处理
1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。
HyperView启动。
2.在Results工具栏上，单击 以打开Deformed面板。
3.在Deformed shape下，定义变形形状设置。
a).将Result type设置为Shape Change（v）。
b).将Scale设置为Scale factor。
c).将Type设置为Uniform。
d).在Value字段中，输入1.0。
4.在Undeformed shape下，将Show设置为None。    
5.单击Apply。
将显示由于形貌优化而导致的形状变化。
6.在Results Browser中，将Load Case和simulation设置为25th iteration。
图2.应用于滑块悬架的形貌结果
5.2绘制最佳材料分布云图
1.在Results工具栏上，单击 以打开Contour面板。
2.将Result Type设置为Element Densities （s）和Density。
3.将Averaging method设置为Simple。
4.单击Apply以显示密度云图。
5.3添加最佳材料分布的ISO表面
1.在Results工具栏上，单击 以打开ISO值面板。
2.将Result Type设置为Element Densities （s）和Density。
3.将Show values设置为Above。
4.点击Apply显示密度ISO图。
5.在Current value字段中，输入0.3。
将显示ISO图。模型中密度大于0.3 的部分将显示在with density contour中，其余部分将从显示中删除。    
图3.
         

 

    
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