強大的優(yōu)化設(shè)計軟件Altair OptiStruct功能介紹

OptiStruct是一款優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計軟件,它以有限元方法作為數(shù)值計算方法,并帶有強大的優(yōu)化算法,可以用于概念設(shè)計和細化設(shè)計。它的主要優(yōu)化設(shè)計功能包括:拓撲優(yōu)化,尺寸優(yōu)化,形狀優(yōu)化和形貌優(yōu)化。下面分別予以介紹。

1 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計——拓撲優(yōu)化

在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初,我們對于要設(shè)計的結(jié)構(gòu)只有一個功能和力學(xué)性能上的要求,但是它到底應(yīng)該采用一個什么樣的結(jié)構(gòu)呢?此時我們可以借鑒前輩們已經(jīng)設(shè)計過的類似的結(jié)構(gòu),但是如果想要創(chuàng)造一個新結(jié)構(gòu)出來,合理的方法是進行拓撲優(yōu)化,得到一個初始結(jié)構(gòu)。

我們通過一個簡單的例子來說明上述問題。

比如,我們想設(shè)計一個夾子,它大概應(yīng)該是下圖的形狀,它在A,B兩點承受的最大力是100N,這兩個力就是夾持力。在夾持的過程中,D點是始終不會動的,我們希望所設(shè)計的這個夾子在夾持物體時,AB之間的相對變形不要超過0.07mm。在上述要求下,我們希望盡量地節(jié)省材料,從而節(jié)省成本。

顯然,我們可以想象,我們最后設(shè)計的結(jié)構(gòu)不應(yīng)該是這樣一塊整板,而是在中間挖去了很多材料的結(jié)構(gòu)。但是它將是一種什么樣的結(jié)構(gòu)呢?

我們隨便用哪一款三維軟件創(chuàng)建上述簡單模型后,導(dǎo)入到optistruct中,劃分得到有限元模型,并施加邊界條件,進行拓撲優(yōu)化,優(yōu)化的結(jié)果如下圖。

有了這個圖,我們基本上明白了。哦,原來應(yīng)該采用這種形狀,既能夠滿足前面提出的要求,而且又最節(jié)省材料。根據(jù)上述優(yōu)化的結(jié)果,我們就可以在三維軟件中創(chuàng)建一個初始的結(jié)構(gòu),然后再根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)則進行修改,從而得到一個滿足力學(xué)性能要求的最省材料的基本結(jié)構(gòu)。

2 尺寸優(yōu)化

繼續(xù)考慮上面拓撲優(yōu)化后的夾子。

現(xiàn)在我們有進一步的問題。上圖中的各根桿件,該采取什么截面形式,以及該截面的尺寸(例如,空心管的外徑及壁厚),我們并不知道該如何設(shè)定,此時可以使用optistruct的尺寸優(yōu)化技術(shù)。

使用尺寸優(yōu)化技術(shù),optistruct會充分使用各種優(yōu)化設(shè)計算法,在一定的范圍內(nèi)變化這些我們所給定的尺寸,以尋求在最省材料的基礎(chǔ)上又能保證剛度和強度的夾子。

3 形狀優(yōu)化

考慮下面的問題。

一根懸臂梁,長100mm,高10mm,厚1mm,左端固定,右端施加一個豎直向下的集中力100N?，F(xiàn)在希望在保證右下角點位移小于3mm的前提下,進行懸臂梁形狀的優(yōu)化,使得其用材最少。

使用Optistruct創(chuàng)建上述幾何模型,并劃分網(wǎng)格得到有限元模型,并創(chuàng)建邊界條件進行形貌優(yōu)化后,得到的結(jié)果如下圖

上圖說明了,這種變截面梁才是合適的形狀,而非等截面梁。

實際上,從材料力學(xué)的角度,我們也很容易解釋這個問題。越是靠近固定端的地方,截面的彎矩越大,從而應(yīng)力越大。而越是遠離固定端的地方,截面彎矩越小,從而應(yīng)力越小。這樣,為了充分發(fā)揮材料的承力性能,我們就應(yīng)該在承力大的地方,多用材料;而在承力小的地方,少用材料。

這實際上就是材料力學(xué)中說的等截面梁。

除了上述整體的形狀優(yōu)化方法以外,OPTISTRUCT還提供了局部形狀優(yōu)化技術(shù),可以對局部應(yīng)力較大的區(qū)域進行形狀優(yōu)化,從而得到減小應(yīng)力的目的。

4 薄壁結(jié)構(gòu)的表面加筋設(shè)計——形貌優(yōu)化

有時候,當(dāng)我們設(shè)計出一種薄壁結(jié)構(gòu)后,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的剛度不夠。為了改善該結(jié)構(gòu)的強度和剛度,我們可以整體加厚,但是我們發(fā)現(xiàn)這樣又很浪費材料。那么該怎么辦呢?

采取表面加筋或者是用強化壓痕的方式可以達到目的。

但是我們該如何加筋或者制造壓痕,才能滿足這個要求呢?

Optistruct提供了專門的形貌優(yōu)化模塊以做到這一點。

舉一個例子。

一個100mm*100mm*1mm的平板,一條邊上的兩個角點固定三個平移自由度,另外一條邊上一個角點固定Z自由度,剩余的角點上施加一垂直于板面的集中力100N。現(xiàn)在要使得加力點的位移最小,那么該如何在表面起筋呢?

使用Optistruct創(chuàng)建上述幾何模型,并劃分網(wǎng)格得到有限元模型,并創(chuàng)建邊界條件進行形貌優(yōu)化后,得到的結(jié)果如下圖

這意味著,可以按照上述云圖來起筋。上圖中紅色區(qū)域意味著是可以凸起的部分,藍色區(qū)域則是保持原狀的部分。使用上述起筋的方式,就可以得到我們所希望的較高剛度的板件。

評論

充分使用上述四種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù),可以對一個結(jié)構(gòu)從無到有,從粗到精地進行設(shè)計。很多有限元軟件都可以做到這里面的尺寸優(yōu)化。但是對于拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化,optistruct可謂匠心獨運,技高一籌。充分使用optistruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù),可以幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師在最短的時間內(nèi)得到創(chuàng)新的、合理的、省材料的結(jié)構(gòu)。它的確是結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師不可多得的好工具。