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OptFuture教程|线性静力分析流程

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OptFuture是国内第一款云化版的拓扑优化和生成式设计软件,由北京优解未来科技有限公司完全自主研发,致力于建立集设计、仿真和优化、制造工艺的一站式云CAX平台,可广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等工业领域。在产品设计初期,工程师能够以更加智能的方式创建仿真模型,对设计方案进行快速评估,识别潜在设计风险。    
OptFuture软件于2023年2月底上线了公测版(cae.optfuture.cn),本次公测主要包括结构静力学、模态分析、拓扑优化等模块。下面以发动机壳体为例简要介绍软件的用户界面及使用方法。    
     

   
OptFuture用户界面    

   
整个用户界面由菜单栏、项目树、图形区和标题页四个部分组成,下面依次进行说明。

① 菜单栏:包含开始、前处理与后处理三部分

开始:可访问软件中的各种功能,如文件管理、日志、脚本等;方便管理仿真分析中的各种数据和文件。

前处理:提供仿真分析过程中的导航和控制功能,可快速、灵活地切换不同的仿真分析任务以及边界条件设置。

后处理:对数值计算结果进行处理、分析和展示。  
② 项目树:查看和管理仿真项目中的各种数据和设置,如几何模型、网格划分、边界条件、求解器设置、计算结果等,使用户可以方便地进行前处理和后处理等工作
③ 图形区:用于显示仿真模型的几何形状、网格划分情况、边界条件、仿真结果等信息。
④ 项目标题栏:实现多个项目间的快捷切换功能


   
演示案例    

   

下面以发动机壳体的静力学仿真分析为例简要介绍软件的使用方法。


 


Step1    

   
导入几何模型    

单击菜单栏开始页中的导入按钮,选择本地导入,将发动机壳体的stp/step文件拖拽到弹窗的对应位置,点击确认。


下图展示了发动机壳体的几何模型导入后的效果。



Step2    

   
新建材料,并为模型赋予材料    
通过项目树中的材料右键进入材料数据库,选择自定义材料,在通用、力学等材料属性类型中定义材料参数,保存数据后,单击添加至项目树按钮,将自定义的材料属性添加到项目树。定义材料属性后,右键单击项目树中导入的几何模型,选择赋予材料,将自定义的材料属性赋予到模型之上。本案例采用的材料属性如下:密度2685kg/m³,弹性模量71GPa,泊松比0.3。  



Step3    

   
划分网格    

右键单击项目树中网格按钮,选择添加网格,选择网格划分的对象,单击图形区中发动机壳体的几何模型。在单元尺寸选项处选择用户定义,使用的网格尺寸为8mm,对模型进行网格划分。




Step4    

   
创建分析工况    
通过菜单栏切换至前处理模块,在力学模块下添加分析类型。  
 




Step5    

   
施加边界条件    
通过项目树中线性静力算例,右键单击载荷与约束选项,添加相应的边界条件。  
本案例在发动机壳体气缸套的圆柱面添加均布压强载荷为5MPa;发动机壳体 位置添加Y向集中力100N;同时固定发动机壳体螺栓位置。




Step6    

   
求解    

右键单击项目树中的线性静力分析步,选择求解选项,在图形区出现求解进程监督,可查看当前仿真分析的状态和进度,如网格划分进度、求解器状态、仿真结果等,方便及时掌握仿真分析的进展情况。等待求解步骤完成后,单击菜单栏中的后处理,可对求解结果进行分析。




 

算例结果对比


   

单击菜单栏上的后处理按钮,切换至后处理页面,在图形区的结果选项中可选择查看模型的位移云图和应力云图,ANSYS和OptFuture的位移云图、应力云图对比如下所示。

(图1  位移场)

(图2  应力云图)


OptFuture和ANSYS的发动机壳体静力学仿真结果如下表所示。


具体计算结果中,OptFuture求解的X、Y、Z向最大位移分别为0.052mm、0.049mm、0.036mm,而ANSYS求解的X、Y、Z向最大位移分别为0.052mm、0.050mm、0.037mm。OptFuture求解的最大Von-Mises应力为38.16MPa,ANSYS求解的最大Von-Mises应力为38.481MPa。由此可见,OptFuture软件的求解精度跟主流商业软件基本一致

由以上算例可以看出,OptFuture的用户界面简洁、清晰,是一款具备强大计算能力的软件,目前已实现了高效的结构静力学分析、模态分析、拓扑优化设计等功能,与主流商业软件的精度对比良好,具备复杂问题的仿真能力。




来源:OptFuture优解未来
静力学拓扑优化通用航空航天汽车建筑材料控制人工智能螺栓ANSYS
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首次发布时间:2024-10-26
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优解未来 | 千里挑一,一场面向全球的发动机支架设计挑战赛

01前言航空界有句名言,“为减轻每一克重量而奋斗”。以波音737飞机为例,起飞重量约65吨,若机身减轻一磅(大约454g),则燃油成本可减少数十万美元/年。GE(通用电气)航空也曾预估,从一架飞机推算到整个航空行业,减重一磅将节约燃油成本1000万美元/年。减重通常有两种方式,一种是使用重量更轻、性能更强的先进材料来替代现有材料,另一种是对现有零部件进行轻量化结构设计。GrabCAD是一个由100多万设计师和仿真师组成的在线社区,在世界范围内具有较高影响力。2013年,GE航空在GrabCAD发起了一场面向全球设计师的挑战赛——发动机支架轻量化结构设计,累计收到超过1000件参赛作品,第一名获奖作品减重约84%。02GE设计挑战赛介绍对于飞机发动机的关键部件,今天的设计师面临更多精细化设计挑战,一方面是强度和刚度的性能要求,另一方面是尺寸和重量。近些年,国外厂商开发了拓扑优化和生成式设计等新一代软件工具,以帮助设计师更快更好的进行零件结构设计。同时,增材制造正在消除传统制造的工艺限制,使设计师能够设计几乎任何形状,不会因为制造而牺牲性能。2.1支架模型喷气发动机上的装载支架(见图1)起着非常重要的作用,既要支撑发动机的重量,又要保证不会断裂或翘曲。发动机上还有许多类似的承载部件,过往均是基于传统制造技术进行设计的,因此在重量和性能方面还有较大的优化设计空间,以使整个发动机显著减重。图1GE发动机和支架模型2.2设计要求本次结构设计大赛,发动机支架需要满足以下要求:①材料选用Ti-6Al-4V(见表1),使用温度24℃②最小特征尺寸或壁厚不小于1.3mm③接口要求接口1:直径19mm的销钉(见图2),视为刚体接口2~5:M10螺栓(见图2),视为刚体④载荷条件(见图2)工况1:静态轴承载荷35562N,垂直向上工况2:静态轴承载荷37784N,水平向右工况3:静态轴承载荷42230N,斜向上,与垂直方向夹角42°工况4:静态扭转轴承载荷22226N,绕销钉的中点处旋转向内图2载荷与约束表1Ti-6Al-4V材料属性2.3竞赛规则本次大赛的所有方案,均先开展仿真分析和性能评估,依据满足性能要求下质量最轻原则,选择前10名方案进行增材制造和测试考核,逐渐施加载荷至最大静态载荷,若出现破坏,则停止加载;若未破坏,则继续加大载荷直至破坏,记录最终的承载极限。评审团由来自通用电气和GrabCAD的5名专家组成。参赛作品仅接收STEP或IGES文件,凡是不符合重量、尺寸和安装接口要求的设计方案,将被取消参赛资格。2.4比赛结果本次参赛作品的提交有效期是2013年6月~11月,入围作品由通用电气航空3D打印,并交送通用电气全球研究(GRC)进行测试考核,前10名可获得奖金1000~7000美元。GE发动机支架的初始模型重量为2052g,冠军ArieKurniawan的参赛作品减重了约84%,仅为341.5g,且前10名参赛作品均减重在80%左右(见图3)。图3获奖作品03优解设计案例根据本文2.2节的设计要求,优解未来团队对4种载荷工况分别进行了拓扑优化设计,优化目标为最大化刚度,体分比为16%,对应的最优拓扑构型见图4。观察可知,每种工况下的传力路径都有较为明确的几何特征。图4单一工况下最优构型通过加权系数方式对工况1、工况2、工况3和工况4进行工况组合,可获得数百种多工况方案(见图5,仅展示部分),深入探索组合形式对最优构型的性能影响。利用上述4种单一工况分别对多工况的最优构型进行校核,统计结果显示,工况1和工况2的权重系数大一些,更有利于降低最优构型的应力值。图5多工况下最优构型根据多工况组合方案的统计结果,优解未来团队挑选了一款重量最轻且满足性能指标的最优拓扑构型(见图6)。利用4种单一工况分别进行强度校核(见图7),应力结果均满足Ti-6Al-4V材料的安全使用要求。此外,还进行了疲劳分析和屈曲分析,优解作品-A具有较高的使用寿命和失稳载荷。图6优解作品-A图7多工况下的应力分布04总结依据满足性能要求下质量最轻原则,大赛评审组对1000多件参赛作品,先通过仿真手段筛选前10名方案,再进行实物试验考核和最终成绩排名,印度尼西亚的年轻工程师MArieKurniawan获得了2013年挑战赛第一名,主要依赖于新一代结构优化设计软件,而他没有任何航空设计经验(见图8,源自《HowGEPlanstoActLikeaStartupandCrowdsourceBreakthroughIdeas》)。图8参考资料索引证明优解未来团队依据大赛的仿真要求,利用工况1、工况2、工况3和工况4分别进行了强度校核,统计结果详见表2,其中应力是指最大von-Mises应力,发动机支架在优化前的初始重量为2052g,单元类型和网格尺寸均一致,单元数量在100万左右,可满足高精度计算要求。结果显示,优解作品-A的重量为339.8g,4种单一载荷工况下的最大应力均未超过910MPa(屈服强度903MPa),性能优于大赛第一名获奖作品,且应力值降低16%~31%。表2优解作品与2013年获奖作品的指标对比尽管这次挑战赛已过去近10年,但通过1000多件参赛作品可以看出(部分作品详见附图),全球结构设计师在作品上融入了各种奇思妙想,并应用了最先进的新一代结构优化设计软件,大赛作品展现出“百花齐放”的视觉盛宴。提升性能且极致减重,是航空/航天/汽车等领域的永恒追求目标,而现代工业产品面临更为复杂的精细化设计要求,需要充分考虑成本、工艺、性能、重量、周期等综合因素,仅凭设计师经验已难以胜任。新一代结构优化设计软件,集成了拓扑优化、AI人工智能、云计算、制造工艺约束等关键技术,达到设计、仿真、工艺和制造的一体化效果,满足“设计即产品、设计即制造”要求。此处仅展示部分作品,图片源自官网(https://grabcad.com/challenges/ge-jet-engine-bracket-challenge)<<滑动查看下一张图片>>来源:OptFuture优解未来

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