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基于复合材料的车架尺寸优化

文摘   2025-01-31 08:28   重庆  
关于复合材料，以及尺寸优化的内容不在赘述。根据查询的资料，在实际应用中，例如在全地形运输车辆的车架设计中，通过这些优化步骤（尺寸优化只是其中一步），复合材料车架的质量可以从原钢制车架的52.3kg减少到28.4kg，减重幅度达到45.7%。。
在本教程中，您将对复合结构执行铺层厚度优化。
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-4020/bicycle_frame.zip
图1.自行车车架模型
本教程的优化问题表述为：
Objective：最小化体积。
Constraints：A给定的最大节点位移。
Design variables：thickness。
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bicycle_frame.hm文件。
3.单击Open。    
 bicycle_frame.hm数据库被加载到当前的HyperMesh会话中，替换任何现有数据。
三、设置模型
1          

 

2          

 

3          

 

3.1创建Load Collectors
1.在Model Browser中，右键单击并从上下文菜单中选择Create>Load Collector。
默认Load Collector显示在Entity Editor中。
2.对于Name ，输入crank。
3.单击Color并从调色板中选择一种颜色。
4.将Card Image设置为None。
5.创建另一个Load Collector 。
a)对于Name ，输入spcs。
b)对于Card Image，选择None。
3.2创建载荷
1.在Model Browser的Load Collectors文件夹中，右键单击crank，然后从上下文菜单中选择Make Current。
2.创建力。
a)在Analysis页面中，单击forces面板。
b)选择create子面板。
c)将entity选择器设置为nodes，然后选择位于刚性spider中心的节点。
d)将坐标系切换设置为global system。
e)在magnitude = 字段中，输入-100.0。
f)将方向定义设置为z-axis。
g)单击create。
h)单击return。
在踏板点位置创建力。
3.创建一个moment。
a)在Analysis页面中，单击moments面板。
b)选择create子面板。
c)将实体选择器设置为nodes，然后选择位于刚性spider中心的节点。
d)将坐标系切换设置为global system。
e)在magnitude = 字段中，输入100.0。  
f)将方向定义设置为x-axis。
g)单击create。
h)单击return。
在踏板点位置创建一个力矩。
Note：这是一个简化的加载模型，代表一个人的脚踩踏板的转换载荷。
图2.施加到自行车中轴的载荷
3.3创建约束
1.在Model Browser的Load Collectors文件夹中，右键单击spcs，然后从上下文菜单中选择Make Current。
2.在Analysis页面中，单击constraints面板。
3.选择create子面板。
4.将entity选择器设置为nodes，然后通过单击刚性spider的中心来选择要约束结构的节点。    
图3.应用于框架后轮位置的SPC
图4.应用于头管上部和下部的SPC
5.约束所有dof。
带有勾选的自由度将被约束，而未勾选的自由度将是自由的。自由度1、2和3分别是x、y和z方向的平移自由度。自由度4、5和6分别是x、y和z方向的旋转自由度。
6.单击create。
7.单击return。    
约束将应用于所选节点。
3.4创建Load Step
1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Step。
2.对于Name ，输入crank。
3.将Analysis type设置为linear static。
4.定义SPC。
a)对于SPC，请单击Unspecified>Loadcol。
b)在Select Loadcol对话框中，选择spcs，然后单击OK。
5.定义LOAD。
a)对于LOAD，单击Unspecified>Loadcol。
b)在Select Loadcol对话框中，选择crank，然后单击OK。
3.5创建设计变量
1.在2D页面中，单击HyperLaminate面板。
HyperLaminate打开。
2.创建设计变量thk1。
a)在LaminateBrowser中，展开设计变量，右键单击DESVAR，然后从上下文菜单中选择New。
将添加一个新的设计变量，默认情况下名为NewDv1。
b)在Desvar字段中，输入thk1。
c)在Initial value字段中，输入1.0。
d)在Lower bound字段中，输入0.0。
e)在Upper bound字段中，输入2.0。
f)单击Apply。
3. 使用与thk1 相同的值，再创建四个名为thk2、thk3、thk4 和thk5 的设计变量。
Tip：右键单击thk1并从上下文菜单中选择Duplicate来快速创建相同的设计变量。
4.检查PCOMP分支以查看模型中的所有PCOMP。
5.选择seat_tube PCOMP。
将显示Laminate的详细信息。
6.单击中间面板顶部Optimization旁边的复选框。
铺层叠层顺序表中出现了新的字段，允许将设计变量与铺层厚度或铺层方向相关联。
7.在铺层顺序表的第1 行中，将Thickness Designvar设置为thk1。    
8.更改其他行的Thickness Designvar，如图5 所示。
图5.
9.单击Update Laminate。
设计变量thk（i） 现在与该Laminate的层（i） 的厚度相关联。在本例中，ply（11-i） 也是如此，因为这是一个对称的Laminate。
10.对TOP_tube和down_tube使用与seat_tube属性相同的DV重复此过程。
11.在菜单栏中，单击File>Exit。
四、设置优化
4          

 

4.1创建优化响应
1.在Analysis页面中，单击optimization。
2.单击Responses。
3.创建体积响应，它定义设计空间的体积分数。
a)在responses= 字段中，输入volume。
b)在响应类型下方，选择volume。
c)将regional selection设置为total和no regionid。
d)单击create。
4.创建displacement响应。
a)在response= 字段中，输入disp。
b)在响应类型下方，选择static displacement。
c)使用节点选择器，选择支架底部施加载荷的节点。
d)将置换类型设置为total disp。
dof1、dof2、dof3：在X、Y和Z方向上平移。
dof4、dof 5、dof 6：绕X、Y和Z轴旋转。
total disp：x、y和z方向的平移位移的合力。
total Rotate：x、y和z方向的旋转位移的结果。
e)单击create。
5.单击return返回Optimization面板。
4.2创建设计约束    
1.单击dconstraints面板。
2.在constraint= 字段中，输入Disp。
3.单击response =并选择disp。
4.选中upper bound旁边的框，然后输入1.8。
5.使用loadsteps选择器，选择crank。
6.单击create。
7.单击return返回Optimization面板。
在响应disp上定义约束。它指出，任何解决方案（最小体积）都需要具有小于1.8 mm的位移才可行。
4.3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volume。
4.单击create。
5.单击return两次以退出Optimization面板。
五、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bicycle_frameOPT。
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bicycle_frameOPT.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。
六、查看结果
在此步骤中，您将查看设计变量和目标历程记录。
1.在Page Controls工具栏中，单击 以打开HyperView会话。
2.在菜单栏中，单击File  >  Open  >  Session。
3.在Open Session File对话框中，导航到您的工作目录并打开bicycle_frameOPT_hist.mvw文件。
此文件包含目标、约束和设计变量相对于迭代历程记录的图。
第一页显示目标函数。
图6.每次迭代的目标函数（Volume）
第二页显示最大约束冲突。
图7.每次迭代的最大约束冲突（% [disp > 1.8 mm]）
接下来的页面显示了组合在一起的设计变量（DV），以便比较不同层的行为。可以通过打开bicycle_frameOPT.hgdata文件来创建此图。    
图8.为每次迭代设计变量值
         

 

    
TodayCAEer
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