强大的优化设计软件Altair OptiStruct功能介绍

OptiStruct是一款优秀的结构分析和优化设计软件,它以有限元方法作为数值计算方法,并带有强大的优化算法,可以用于概念设计和细化设计。它的主要优化设计功能包括:拓扑优化,尺寸优化,形状优化和形貌优化。下面分别予以介绍。

1 结构的初步设计——拓扑优化

在结构设计之初,我们对于要设计的结构只有一个功能和力学性能上的要求,但是它到底应该采用一个什么样的结构呢?此时我们可以借鉴前辈们已经设计过的类似的结构,但是如果想要创造一个新结构出来,合理的方法是进行拓扑优化,得到一个初始结构。

我们通过一个简单的例子来说明上述问题。

比如,我们想设计一个夹子,它大概应该是下图的形状,它在A,B两点承受的最大力是100N,这两个力就是夹持力。在夹持的过程中,D点是始终不会动的,我们希望所设计的这个夹子在夹持物体时,AB之间的相对变形不要超过0.07mm。在上述要求下,我们希望尽量地节省材料,从而节省成本。

显然,我们可以想象,我们最后设计的结构不应该是这样一块整板,而是在中间挖去了很多材料的结构。但是它将是一种什么样的结构呢?

我们随便用哪一款三维软件创建上述简单模型后,导入到optistruct中,划分得到有限元模型,并施加边界条件,进行拓扑优化,优化的结果如下图。

有了这个图,我们基本上明白了。哦,原来应该采用这种形状,既能够满足前面提出的要求,而且又最节省材料。根据上述优化的结果,我们就可以在三维软件中创建一个初始的结构,然后再根据结构设计的规则进行修改,从而得到一个满足力学性能要求的最省材料的基本结构。

2 尺寸优化

继续考虑上面拓扑优化后的夹子。

现在我们有进一步的问题。上图中的各根杆件,该采取什么截面形式,以及该截面的尺寸(例如,空心管的外径及壁厚),我们并不知道该如何设定,此时可以使用optistruct的尺寸优化技术。

使用尺寸优化技术,optistruct会充分使用各种优化设计算法,在一定的范围内变化这些我们所给定的尺寸,以寻求在最省材料的基础上又能保证刚度和强度的夹子。

3 形状优化

考虑下面的问题。

一根悬臂梁,长100mm,高10mm,厚1mm,左端固定,右端施加一个竖直向下的集中力100N。现在希望在保证右下角点位移小于3mm的前提下,进行悬臂梁形状的优化,使得其用材最少。

使用Optistruct创建上述几何模型,并划分网格得到有限元模型,并创建边界条件进行形貌优化后,得到的结果如下图

上图说明了,这种变截面梁才是合适的形状,而非等截面梁。

实际上,从材料力学的角度,我们也很容易解释这个问题。越是靠近固定端的地方,截面的弯矩越大,从而应力越大。而越是远离固定端的地方,截面弯矩越小,从而应力越小。这样,为了充分发挥材料的承力性能,我们就应该在承力大的地方,多用材料;而在承力小的地方,少用材料。

这实际上就是材料力学中说的等截面梁。

除了上述整体的形状优化方法以外,OPTISTRUCT还提供了局部形状优化技术,可以对局部应力较大的区域进行形状优化,从而得到减小应力的目的。

4 薄壁结构的表面加筋设计——形貌优化

有时候,当我们设计出一种薄壁结构后,发现该结构的刚度不够。为了改善该结构的强度和刚度,我们可以整体加厚,但是我们发现这样又很浪费材料。那么该怎么办呢?

采取表面加筋或者是用强化压痕的方式可以达到目的。

但是我们该如何加筋或者制造压痕,才能满足这个要求呢?

Optistruct提供了专门的形貌优化模块以做到这一点。

举一个例子。

一个100mm*100mm*1mm的平板,一条边上的两个角点固定三个平移自由度,另外一条边上一个角点固定Z自由度,剩余的角点上施加一垂直于板面的集中力100N。现在要使得加力点的位移最小,那么该如何在表面起筋呢?

使用Optistruct创建上述几何模型,并划分网格得到有限元模型,并创建边界条件进行形貌优化后,得到的结果如下图

这意味着,可以按照上述云图来起筋。上图中红色区域意味着是可以凸起的部分,蓝色区域则是保持原状的部分。使用上述起筋的方式,就可以得到我们所希望的较高刚度的板件。

评论

充分使用上述四种结构优化设计技术,可以对一个结构从无到有,从粗到精地进行设计。很多有限元软件都可以做到这里面的尺寸优化。但是对于拓扑优化、形貌优化、形状优化,optistruct可谓匠心独运,技高一筹。充分使用optistruct的结构优化技术,可以帮助结构设计工程师在最短的时间内得到创新的、合理的、省材料的结构。它的确是结构设计工程师不可多得的好工具。