CAE軟件操作小百科（30）

吳一帆

1 基于有限元技術的結構優化有哪幾種類型，其依靠的軟件平臺有哪些？

有限元結構優化類型可分為：1）結構拓撲優化；2）結構尺寸優化；3）結構形貌優化；4）結構自由形貌優化；5）結構形狀優化；6）結構自由形狀優化.其中：拓撲優化和形狀優化一般針對三維連續結構的材料分布優化以及結構外形優化；形貌優化一般針對殼體等近似二維結構的加強筋分布以及厚度分布優化.

有限元優化的軟件平臺眾多，應用較廣泛的有HyperWorks中功能強大的OptiStruct和HyperStudy，能夠調用多種求解器的Tosca，能進行動力學結構優化的LSTasc和Genesis，以及能進行系統參數優化的Isight等.

2 OptiStruct結構優化模型有幾大關鍵因素？

對于所有的優化模型，一般有4個關鍵因素.

1）優化變量區域定義（topology）：該步驟定義所需要進行優化計算的模型區域，未定義的部分保持初始構型.

2）選擇優化響應（responses）：該步驟設定優化問題中的響應，計算過程根據優化響應構造優化構型.

3）優化約束（dconstraints）：該步驟設定優化中對響應的約束，通過約束響應獲得滿足要求的優化結果.

4）優化目標（objective）：該步驟確定優化的方向，例如剛度最大化、柔度最小化、等效應力最小化等.在OptiStruct中，優化設置大多都在優化板塊設定，見圖1.

3 在OptiStruct中，常用的優化類型對應的優化響應有哪些？

該軟件能夠優化的問題包括靜力、模態和屈曲等力學問題.常用的優化響應有以下幾種：1）質量分數（massfrac）和體積分數（volumefrac），二者都是全局響應；2）靜態應力（static stress）和位移（static displacement）；3）加權柔度（weighted comp），通常用在考慮多個子工況的問題中；4）組合柔度指數（compliance index），是在典型的拓撲優化問題中使用的一種考慮多個頻率和靜態子工況組合的方法；5）von Mises應力（von Mises stress），在拓撲優化和自由尺寸優化中，von Mises應力可以通過DTPL或DSIZE卡片擴展行中的STRESS選項來定義.優化響應設置界面見圖2.

4 在OptiStruct中，優化問題中常用的優化目標有哪些？

在優化模型中一般可以設置的優化目標有以下幾類：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）.優化目標設定界面見圖3.

5 優化軟件平臺與其他求解器的聯合應用有哪些？

對于優化軟件如OptiStruct來說，一般可以優化包括靜力、模態和屈曲等類型的問題，但是由于其求解器是自帶的Radioss Bulk，所以優化范圍受到限制，例如對于大變形、高速沖擊等力學問題，該軟件的優化能力十分有限.通常，單獨的優化軟件都會因為自身求解器的能力限制而使得優化的能力受到限制，所以有時為優化一些比較復雜的力學模型或比較復雜的工況，可以用聯合優化的方法，通過調用其他求解器優化之前的求解工作，將計算結果通過優化軟件進行更新迭代，以達到對復雜模型的優化效果.

目前OptiStruct的聯合求解能力有限，所以可以采用其他優化軟件進行聯合優化工作，例如聯合優化能力較強的Tosca，其接口豐富，可以調用較多的求解器（如Abaqus，ANSYS，Nastran等），大大拓寬其所能優化的范圍，可以在非線性、大變形等求解器擅長問題的領域取得較好的優化效果.針對沖擊動力學問題的優化，可以使用LSTasc與LSDYNA進行聯合優化或者Genesis與LSDYNA進行聯合優化，均能取得較好的效果.

6 在OptiStruct中，優化問題中如何設置多目標優化？

由于界面中只能選定某個優化響應作為優化目標，所以在進行多目標設定時，可以在優化模板中采用dequation進行編輯包含多個目標響應的表達式，通過將該表達式作為優化目標實現多目標優化.首先定義多個需要進行優化的目標函數，其次定義一個類型為function的響應，定義好之后通過edit進行選擇該function所包含的響應以及該表達式的形式，之后將該function響應選定為優化目標即可.編輯function形式界面見圖4，選擇function包含的多個響應界面見圖5.

（摘自同濟大學鄭百林教授《CAE操作技能與實踐》課堂講義）

（待續）