202 Altair OptiStruct结构优化介绍_v2023

汤凯利 / 技术工程师 / 2023.4

OptiStruct

HyperStudy

System Level Component Level

Concept Design Detailed Design

INSPIRE

工业界验证过 的结构线性和非线性求解器

Industry-proven structural analysis solver for linear and nonlinear problems

结构设计优化领域的 领导者

Market leader for structural design optimization

基于 现代 有限元方法和多体动力学技术

Based on modern finite element and multi-body dynamics technology

高级 分析和优化算法

Advanced analysis and optimization algorithms

帮助创造出具有 创新性、轻量化 和 结构高效 的设计方案

Helps develop innovative, lightweight and structurally efficient designs

分析与优化 强度、耐久 与 NVH 性能

Analyze and optimize strength, durability and NVH performance

Altair OptiStruct 于 1994 年商业化推出， 无缝集成 了结构优化和仿真分析，基础常用的优化功能包括以下 6 种。

改结构

复合材料

加强筋

改局部

改形状

改参数

DOE 实验设计

Approximation

响应面

Optimization

优化

Stochastic

统计学分析

汽车

500kg Weight Saving

航 空

Queen Elizabeth Class Aircraft Carrier Structural Design

Aircraft Carrier Alliance selected Altair as structures design solution partner

船舶

Copyright © 2013 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.

Queen Elizabeth Class Aircraft Carrier

Sponson Structure IWO Aircraft Lift

Flight Control Module

Bents

Stern Platform

Rudder Integration

Deck Grillages

Double Bottom

Forward Sponson IWO Ballast

Stabiliser Integration

Deck Lights

Aircraft Lift Opening Box Girder

船舶

Flight Control Module

船舶

铝制皮带轮减重 10%

电子

建筑

电磁规范

(Frequency 1.8GHz, Return Loss <-10dB, Bandwidth 600MHz)

振动

(Power Spectral Density in x, y, z Directions–0.3g 2 /Hz max)

冲击

(Three impacts in each directions at 15g for 11ms)

热

-54 o C to 55 o C

Altair Feko + HyperStudy

Altair OptiStruct

Altair OptiStruct

Altair OptiStruct

仿真驱动的天线多物理场设计

在 Flux 中建立参数化模型

HyperStudy

模型设置

执行 DoE 作业

基于 DoE 数据

拟合响应面

基于响应面

执行优化

Models connection

+ Prepare post-processing py file

形状与参数优化

一进十出管路案例

机翼案例

前臂最大应力明显降低

OptiStruct 给出的最优化设计概念

寻找材料在空间的最优分布 ; 设计空间： 1D 、 2D 、 3D

设计空间每个单元的相对密度作为设计变量 ; 罚因子 p 可控制获得更加离散化结果

Courtesy TECOSIM GmbH, Ruesselsheim

原始支架失效

希望减小支架应力

拓扑优化过程及结果

设计方案

设计细节调整

设计空间

最终设计

设计问题

为基准 SUV 车架寻找新的设计方案

性能目标

扭转、弯曲模态

扭转、弯曲刚度

质量 : -25%

使用方法

2 个阶段的拓扑优化 + 尺寸优化

细化模型拓扑优化

对模型进行粗略地拓扑优化

定义设计空间、载荷、边界条件

第一个概念设计

形状及尺寸优化

最终设计

最终概念设计

主要零件由冲压制造

中间段 C 型截面

车身悬置结构通过焊接安装

每节约 1 磅的价值是 $0.25

Initial Design

Final Design

Free-Size Optimization

What are the most efficient ply shapes?

Size Optimization

How many plies of each ply shape

to meet engineering targets?

Shuffling

What is the exact stacking sequence to meet manufacturing requirements?

Ply Slicing

Determines ply shapes

Model Representation

Composite free size optimization – optimized

ply shapes

Ply shape interpretation

Ply sizing optimization – optimized ply thicknesses

Ply stacking sequence optimization

寻找最优加强筋布局

产品设计要求： 安装点的最大变形量 小于 1mm

目标函数：加载点位移最小

伟巴斯特车顶系统中国有限公司研发中心

测量板中心的加速度功率谱密度

盖板刚度提供 : 20% 零件成本降低 : 30%

新的 free-shape 方法 , GRID

DSHAPE(GRID) VS DSHAPE(CLASSIC)

相比传统自由形状优化更自由的形状改变，更多的设计自由度

允许节点沿壳单元法向移动

支持 BOUND , GRIDCON (PLANAR) Barrier (BMFACE) 定义形状限制

经典自由形状优化不支持部分分析类型，如随机响应分析。而 GRID 方法没有这一限制

GRID 方法会得到更光滑的形状

使用 HyperMorph 进行网格参数化

变形得到的形状作为优化的变量

基于网格，无需 CAD

复杂形状轻松创建

设计变量

板单元厚度

梁截面尺寸

连接刚度

质量

….

快速建立尺寸变量及属性关联

可以根据需要使用中间变量

自定义变量与属性关系式

可优化多种标准梁截面尺寸和截面属性

可优化任意梁截面尺寸

可考虑各种应力响应

问题描述

质量最小

约束应力和屈曲

方法 Methodology

重新设置 NASTRAN 模型

尺寸优化 (558 个设计变量，包括壳厚度，梁截面 )

初始模型 Nastran 格式导入

每个板块厚度单独定义 (2754 PSHELLs)

每个 Bar 单元单独定义 (5542 PBARs)

导入 HyperMesh 重新组织设置

厚度属性定义 ( 81 PSHELLs)

Bar 属性定义 (159 PBARs)

优化结果

问题描述

使用焊接件取代铝铸座椅

目标质量 : 2.5kg

6 个工况

Erecting cycle

Curve driving

Acceleration

方法： 2 个阶段优化

拓扑优化得到初始设计

对梁结构尺寸优化降低质量

Pro/E 生成最终设计

为什么考虑制造约束 ?

更容易解析优化结果

应用标准制造工具 / 流程

优化后结构不能制造

能实现的制造约束

最大 / 最小尺寸

拔模方向

模式重复

模式组

挤压约束

……

尺寸控制

尺寸控制

挤压约束

离散系数

模式重复

对称

拨模约束

悬空角度

增材制造过程中不需要使用支撑的结构角度

OSSmooth 处理优化以后的结果，快速生成几何模型和可分析的有限元模型

Geometry Recovery and Remeshing

FE > Surf and Meshline toolkits available in OSSmooth

PARASOLID and STEP export

Meshing parameters for reanalysis

Draw Recovery

Recover draw direction from input deck

Results in cleaner geometry

Simpler surface interpretation

Connection Detection

Captures ‘hanging load paths’ below density threshold

More robust design interpretation

Ply Shape Interpretation

Ply shape interpretation from free sizing results

Ply boundary smoothing

Small ply area and disconnected patch treatment

Creates sizing cards automatically

通过 OSSmooth 模块导出优化结果的几何文件

等值面几何提取和网格重划分

可直接导出 IGES, STL ， Parasolid, H3D 等几何格式

可直接导出可分析的有限元文件

拔模恢复

使用优化中拔模方向生成光滑的几何表面

生成更加简洁、完整的几何

生成的几何更易于设计诠释

连接性探测

捕捉在设计结果中悬空的部分

给定的容差下找到小于密度阀值的连接区域

更稳健的结果解释工具

保留部件属性定义

保留边界条件

快速验证优化结果

铺层形状生成

基于 FE 的铺层需要手动调整

OSS mooth 可自动处理铺层形状

光滑铺层形状边界，处理铺层中的碎片

未连接的铺层区域可创建为单独的铺层

OptiStruct 尺寸优化模型自动重建

去除小区域 = 0.001 ( 按面积比例 )

优化得到的铺层形状

去除小区域 = 0.003 ( 按面积比例 )

OptiStruct 支持的基本响应类型

全面支持的响应类型

形状变量

使用 HyperMorph 进行网格参数化

变形得到的形状作为优化的变量

基于网格，无需 CAD

复杂形状轻松创建优化形状变量

尺寸变量

Gauge 批量创建厚度变量

其它参数

在 HyperMesh 中创建供 HyperStudy 调用

Map to surface

集成 MotionSolve 、 RADIOSS 求解能力

基于等效静态载荷法（ ESLM ）

波音公司 使用 ESLM 方法 获得性能最佳、成本最低的飞 机起落 架

质量减少： 2.1 Kg

*Geo Metro Model from the NHTSA website

~ 19% Displacement Reduction

更多引领变革的 优化技术

几何复杂

多孔

重量轻

良好的热性能

Phase 1

Images courtesy of Altair, Materialise and Renishaw

Phase 2

FEM to 3-maticSTL > Magics

FEM

Build Processors

Conceptual Optimization

Design Interpretation

Geometry creation

Evaluation of design

Geometry validation

Baseline CAD

Manufacturing

Image courtesy of RUAG Space

Design Process for AM

Sentinel-1 AM Bracket successfully completed its qualification test campaign!

Results exceed requirements:

1 st Eigenfrequency: Requirement: > 70 Hz Simulation (OptiStruct) > 91.44 Hz Test: > 90.9 Hz

2 nd Eigenfrequency: Simulation (OptiStruct) > 106.9 Hz Test: 107.6 Hz

Image courtesy of RUAG Space

43% weight reduction (from 1.626 kg to 0.936 kg)

Increased Eigen frequency (70Hz  90 Hz)

Improved static behaviour, strength, stiffness, stability

918g

326g

64%

A320 引擎舱支架优化案例

“OptiStruct allowed us to maximise the weight saving benefits of the ALM process.”

— Jon Meyer

EADS Innovation Works

多工况优化通过多模型优化（ Multi-Model Optimization, MMO) 实现。 MMO 用于在一次优化计算中计算多个具有相同设计变量的模型，保证这些模型中相同的设计变量最终得到相同的优化结果。

模型可以不同

荷载可以不同

参数可以不同

目标函数、约束及响应可以单独定义，也可组合定义

SMO

MMO

4 静态工况

Min 加权柔度

约束体积分数

3 静态工况

Min 加权柔度

约束体积分数

通过绑定接触设置控制肋板和侧板的连接关系

多材料优化（ MMO ）可用于优化不同零件应用不同材料的问题。该方法提供了对结构内材料放置的初始概念级别的观察，可以评估多个材料的分布。

4. 多材料优化

合力及合力矩响应

自定义力及弯矩的计算截面

如定义右图圆形截面的力及弯矩的影响

标准的拓扑优化不考虑结构截面可能损坏的设计可行性

基于结构失效安全的拓扑模型

考虑上述结构破坏情况

通过损伤 / 失效区域操控设计空间

生成多个模型 – 每一个对应一个失效区域

Not fail-safe

Fail-safe

案例

机舱失压

目标：最小化柔度

设计约束 :

10% 的体积百分比

最小成员尺寸

对称

单轴、多轴疲劳

支持高周（ SN ）及低周（ EN ）疲劳分析

焊点、焊缝疲劳

支持所有类型优化

Reduce the effects of probabilistic characteristics of design parameters on design performance

Increased Performance

Increased Performance

Reliability-based Optimum

变量分组数

起始点个数

实时预测结构的全局位移结果

集成自动机器学习 ( AutoML ) 功能

自动预测结构的位移结果

拖动变量值，实时显示变形云图