吳一帆



1 基于有限元技術(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有哪幾種類型,其依靠的軟件平臺有哪些?
有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化類型可分為:1)結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化;2)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化;3)結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化;4)結(jié)構(gòu)自由形貌優(yōu)化;5)結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化;6)結(jié)構(gòu)自由形狀優(yōu)化.其中:拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化一般針對三維連續(xù)結(jié)構(gòu)的材料分布優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化;形貌優(yōu)化一般針對殼體等近似二維結(jié)構(gòu)的加強筋分布以及厚度分布優(yōu)化.
有限元優(yōu)化的軟件平臺眾多,應(yīng)用較廣泛的有HyperWorks中功能強大的OptiStruct和HyperStudy,能夠調(diào)用多種求解器的Tosca,能進行動力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的LSTasc和Genesis,以及能進行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的Isight等.
2 OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型有幾大關(guān)鍵因素?
對于所有的優(yōu)化模型,一般有4個關(guān)鍵因素.
1)優(yōu)化變量區(qū)域定義(topology):該步驟定義所需要進行優(yōu)化計算的模型區(qū)域,未定義的部分保持初始構(gòu)型.
2)選擇優(yōu)化響應(yīng)(responses):該步驟設(shè)定優(yōu)化問題中的響應(yīng),計算過程根據(jù)優(yōu)化響應(yīng)構(gòu)造優(yōu)化構(gòu)型.
3)優(yōu)化約束(dconstraints):該步驟設(shè)定優(yōu)化中對響應(yīng)的約束,通過約束響應(yīng)獲得滿足要求的優(yōu)化結(jié)果.
4)優(yōu)化目標(objective):該步驟確定優(yōu)化的方向,例如剛度最大化、柔度最小化、等效應(yīng)力最小化等.在OptiStruct中,優(yōu)化設(shè)置大多都在優(yōu)化板塊設(shè)定,見圖1.
3 在OptiStruct中,常用的優(yōu)化類型對應(yīng)的優(yōu)化響應(yīng)有哪些?
該軟件能夠優(yōu)化的問題包括靜力、模態(tài)和屈曲等力學(xué)問題.常用的優(yōu)化響應(yīng)有以下幾種:1)質(zhì)量分數(shù)(massfrac)和體積分數(shù)(volumefrac),二者都是全局響應(yīng);2)靜態(tài)應(yīng)力(static stress)和位移(static displacement);3)加權(quán)柔度(weighted comp),通常用在考慮多個子工況的問題中;4)組合柔度指數(shù)(compliance index),是在典型的拓撲優(yōu)化問題中使用的一種考慮多個頻率和靜態(tài)子工況組合的方法;5)von Mises應(yīng)力(von Mises stress),在拓撲優(yōu)化和自由尺寸優(yōu)化中,von Mises應(yīng)力可以通過DTPL或DSIZE卡片擴展行中的STRESS選項來定義.優(yōu)化響應(yīng)設(shè)置界面見圖2.
4 在OptiStruct中,優(yōu)化問題中常用的優(yōu)化目標有哪些?
在優(yōu)化模型中一般可以設(shè)置的優(yōu)化目標有以下幾類:1)目標最小化(min);2)目標最大化(max);3)目標中的最小值最大化(minmax);4)目標中的最大值最小化(maxmin).優(yōu)化目標設(shè)定界面見圖3.
5 優(yōu)化軟件平臺與其他求解器的聯(lián)合應(yīng)用有哪些?
對于優(yōu)化軟件如OptiStruct來說,一般可以優(yōu)化包括靜力、模態(tài)和屈曲等類型的問題,但是由于其求解器是自帶的Radioss Bulk,所以優(yōu)化范圍受到限制,例如對于大變形、高速沖擊等力學(xué)問題,該軟件的優(yōu)化能力十分有限.通常,單獨的優(yōu)化軟件都會因為自身求解器的能力限制而使得優(yōu)化的能力受到限制,所以有時為優(yōu)化一些比較復(fù)雜的力學(xué)模型或比較復(fù)雜的工況,可以用聯(lián)合優(yōu)化的方法,通過調(diào)用其他求解器優(yōu)化之前的求解工作,將計算結(jié)果通過優(yōu)化軟件進行更新迭代,以達到對復(fù)雜模型的優(yōu)化效果.
目前OptiStruct的聯(lián)合求解能力有限,所以可以采用其他優(yōu)化軟件進行聯(lián)合優(yōu)化工作,例如聯(lián)合優(yōu)化能力較強的Tosca,其接口豐富,可以調(diào)用較多的求解器(如Abaqus,ANSYS,Nastran等),大大拓寬其所能優(yōu)化的范圍,可以在非線性、大變形等求解器擅長問題的領(lǐng)域取得較好的優(yōu)化效果.針對沖擊動力學(xué)問題的優(yōu)化,可以使用LSTasc與LSDYNA進行聯(lián)合優(yōu)化或者Genesis與LSDYNA進行聯(lián)合優(yōu)化,均能取得較好的效果.
6 在OptiStruct中,優(yōu)化問題中如何設(shè)置多目標優(yōu)化?
由于界面中只能選定某個優(yōu)化響應(yīng)作為優(yōu)化目標,所以在進行多目標設(shè)定時,可以在優(yōu)化模板中采用dequation進行編輯包含多個目標響應(yīng)的表達式,通過將該表達式作為優(yōu)化目標實現(xiàn)多目標優(yōu)化.首先定義多個需要進行優(yōu)化的目標函數(shù),其次定義一個類型為function的響應(yīng),定義好之后通過edit進行選擇該function所包含的響應(yīng)以及該表達式的形式,之后將該function響應(yīng)選定為優(yōu)化目標即可.編輯function形式界面見圖4,選擇function包含的多個響應(yīng)界面見圖5.
(摘自同濟大學(xué)鄭百林教授《CAE操作技能與實踐》課堂講義)
(待續(xù))