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使用等效静载荷法进行拓扑优化-OS-T：2098

文摘   2024-11-16 08:00   重庆  
等效静载荷法（Equivalent Static Load Method，简称ESL）是OptiStruct中用于处理动态载荷优化的一种技术。适用于在动态载荷下进行设计优化的情况。ESL方法能够将动态/非线性分析的响应在静态分析中模拟出来，通过计算等效的静态载荷，使得可以在概念设计阶段和设计微调阶段使用拓扑、自由尺寸、拓扑形状、尺寸、形状和自由形状优化等技术。（是整车开发项目中对于碰撞性能的指标，通常选择转化为线性分析的指标，这对于计算效率能够有大幅度提升）
在ESL优化过程中，每个时间步的动态/非线性分析响应都会被计算出一个对应的等效静态载荷。这些等效静态载荷被视为单独的载荷工况，并在后续的线性响应优化循环中使用。优化循环中的更新设计会被反馈到分析中进行验证和整体收敛性检查。根据这次验证的结果，解决方案会收敛，或者为更新的几何形状计算一组新的等效静态载荷，然后重复整个过程直到收敛。
ESL方法在OptiStruct中是完全自动化的，并且对于瞬态、动态和非线性解决方案的响应优化非常有效。它提供了以下好处：
可以在概念设计阶段和设计微调阶段应用。
由于优化过程中的设计更新，设计会针对更新的载荷进行优化。
对于多体动力学（MBD）问题，ESL方法已经实现，包括柔性体的优化。可以应用尺寸、形状、自由形状、拓扑、拓扑形状、自由尺寸和材料优化到柔性体上。响应包括质量、体积、质心、惯性矩、应力、应变、柔度（应变能量）和柔性体的位移。位移响应是考虑了定义在柔性体上的局部边界条件。
在进行结构优化时，必须为每个柔性体指定边界条件。在动态分析中，柔性体和刚体通过各种关节连接形成多体系统。在对柔性体执行ESL方法时，这些关节不包括在这个基于静态子案例的结构优化中。这意味着每个柔性体将有6个刚体模态。必须移除每个柔性体的6个刚体模态以进行结构分析。必须固定每个灵活体的确切6个自由度（DOF）以移除6个刚体模式。如果在柔性体中固定了超过6个DOF，额外固定的DOF将成为柔性体的约束，这可能不会得到最优解，并且可能会增加所需的ESL外部循环次数。
此外，ESL方法还扩展到支持非线性响应优化，包括显式动态分析等。
在本教程中，您将使用等效静载荷法（ESL） 设置MBD系统的优化问题。
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-2098/Excavator_MBD.zip
您将在HyperMesh中设置模型，并使用OptiStruct运行拓扑优化作业。
优化的目标是最大化挖掘机模型下臂的刚度，同时将质量保持在允许值以下。模型单位为kg、N、m和s。
图1.挖掘机的造型
本教程的优化问题表述为：
Objective：在等效静态载荷步中最小化最大柔度。
Constraints：体积分数上限。
Design variables：下臂（柔性体）component中的单元密度。
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、打开模型
1单击File>Open>Model。
2选择保存到工作目录的Excavator_MBD.hm文件。
3单击Open。    
 Excavator_MBD.hm数据库被加载到当前的HyperMesh会话中，替换任何现有数据。
三、提交作业
该模型已经设置了挖掘机MBD分析，所有物体都定义为刚体。
1在Analysis页面中，单击OptiStruct面板。
图2.访问OptiStruct面板
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excavator_MBD_analysis。
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analysis。
7将内存选项切换设置为memory default。
8清除options字段。
9单击OptiStruct启动OptiStruct作业。
如果作业成功，则新的结果文件应位于写入excavator_MBD_analysis.fem的目录中。excavator_MBD_analysis.out文件是查找错误消息的好地方，如果存在任何错误，这些错误消息可以帮助调试输入模型。
四、查看结果
1当对话框中收到消息ANALYSIS COMPLETED时，关闭对话框。
2在OptiStruct面板中，单击HyperView。
当前运行的结果会自动加载到HyperView中。
3在Animation工具栏中，单击 以启动动画并查看MBD模型。    
4在Page Controls工具栏上，单击 以删除页面，关闭HyperView，然后返回到HyperMesh。
五、设置优化
1          

 

2          

 

3          

 

4          

 

4.1将刚体更改为柔性体
在此步骤中，您将定义body的拓扑优化Lower_Arm。它最初被建模为刚体，需要转换为柔性体以进行优化。
1.在Analysis页面中，单击bodies面板。
2.选择update子面板。
3.双击body=并选择Lower_Arm。
4.单击review。
下臂component将突出显示。体类型PRBODY显示为type=，表示下臂被建模为刚体。您将此刚体更新为柔性体类型，并在此主体上定义拓扑优化。
5.单击type=并选择PFBODY。
6.在nmodes= 字段中，输入20。
这会将CMS方法中包含的模态数增加到20种。
图3.更新Lower_Arm的Body Type
7.单击update。
左下角会显示一条消息，显示已更新为新的类型。
8.单击return。
4.2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L_Arm_Topology。
5.将type：设置为PSOLID。
6.使用props选择器，选择lowerarm。
7.单击create。
8.更新设计变量的参数。
a)选择parameters子面板。
b)将minmemb关闭为mindim=，然后输入0.05。    
c)单击update。
9.单击return。
4.3创建优化响应
1.在Analysis页面中，单击optimization。
2.单击Responses。
3.创建体积分数响应。
a)在responses= 字段中，输入Volfrac。
b)在响应类型下方，选择volumefrac。
c)将区域选择设置为by entity和no regionid。
d)使用props选择器，选择lowerarm。
e)单击create。
4.创建柔度响应。
a)在response= 字段中，输入Comp。
b)在响应类型下方，选择compliance。
c)将regional selection设置为total和no regionid。
d)单击create。
2.单击return返回Optimization面板。
4.4创建设计约束
1.单击dconstraints面板。
2.在constraint= 字段中，输入Vol_Constr。
3.单击response =并选择Volfrac。
4.选中upper bound旁边的框，然后输入0.5。
5.单击create。
6.单击return返回Optimization面板。
在响应Volfrac上定义约束。该约束将强制设计空间中使用的体积分数小于0.5。
4.5定义目标引用
1.在Analysis页面的Optimization面板中，单击obj reference面板。
2.在dobjref= 字段中，输入MAX_Compin。
3.选择pos reference，然后输入1.0。
4.选择neg reference，然后输入-1.0。
5.单击response并选择Comp。
6.将loadsteps选择选项设置为all。    
这可确保设计目标参考包括通过ESL方法计算的所有Load Step的柔度。
7.单击create。
8.单击return返回Optimization面板。
4.6定义目标函数
1.单击objective面板。
2.验证是否选择了minmax。
3.单击dobjrefs并选择MAX_Comp。
4.单击create。
5.单击return两次以退出Optimization面板。
六、保存数据库
1.在菜单栏中，单击File>Save As>Model。
2.在Save As对话框中，输入excavator_MBD_Topology.hm作为文件名，并将其保存到您的工作目录中。
七、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excavator_MBD_Topology。
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：
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。可以在文本编辑器中打开excavator_MBD_Topology.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。
9.单击Close。    
八、查看结果
1.在命令窗口中收到消息OPTIMIZATION HAS CONVERGED时，关闭DOS窗口。
2.在OptiStruct面板中，单击HyperView。
结果将加载到HyperView中。
3.在Results Browser中，选择最终的Outerloop迭代以加载优化的拓扑结果。
图4.
4.在Results工具栏中，单击 以打开ISO Value面板。
5.将Result type设置为Element densitysities （s）。
6.单击Apply。
仅显示Element密度高于Current value字段中显示的Element。
图5.
7.更改密度阈值。
a)在Current value字段中，输入0.5。
b)在Current value下，移动滑块。
8.将Show values设置为Above。
9.在Model Browser的component文件夹中，右键单击Lower_Arm，然后从上下文菜单中选择Isolate。    
10.在Iso Value面板的Clipped geometry下，选择Features以可视化完整的设计空间。
图6.
         

 

    
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