二维悬臂梁的形状优化

21天前浏览966

前面给大家介绍了拓扑优化，形貌优化，尺寸优化，自由尺寸优化，现在为大家介绍另外一个优化——形状优化。

形状优化是一种在给定载荷和约束条件下，通过改变结构的形状来达到优化目标的方法。它不改变结构的拓扑结构，即不增加或删除材料，而是通过调整结构的形状来改善其性能，如提高刚度、减少应力集中或改善疲劳寿命等。

形状优化的应用场景非常广泛，它可以用于提高机械零件的性能，如齿轮、轴承座、连杆等；也可以用于提高结构的稳定性，如桥梁、建筑和航空航天结构；还可以用于改善产品的流体动力学性能，如飞机机翼、汽车外壳等。

以悬臂梁的形象优化为例，悬臂梁是一种常见的结构形式，一端固定，另一端自由。在受到载荷作用时，梁的自由端会产生位移和应力集中。通过形状优化，我们可以改变梁的形状，比如在梁的受力区域增加凸起或凹槽，以减少应力集中和增加梁的刚度。这样的优化不仅可以提高梁的承载能力，还可以减少材料的使用，实现轻量化设计。

在本教程中，您将对使用壳单元建模的悬臂梁执行形状优化。

在开始之前，请将本教程中使用的文件复制到您的工作目录。

http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-5000/beamshape.zip

您将使用具有载荷和约束的结构模型。右下角的挠度应限制在3毫米以内。最佳设计将使用尽可能少的材料。

图1.悬臂梁- 结构模型

结构模型被加载到HyperMesh中，用于生成和运行悬臂梁的形状优化。shape扰动向量是使用HyperMorph生成的，HyperMorph可通过HyperMesh接口访问。OptiStruct软件确定最佳shape。然后在HyperView中查看结果。

本教程的优化问题表述为：

Objective：最小化体积。

Constraints：给定梁末端的最大节点位移< 3.0 mm。

Designvariables：使用HyperMorph定义的shape变量。

一、启动HyperMesh并设置OptiStruct用户配置文件

1.启动HyperMesh。

此时将打开User Profile对话框。

2.选择OptiStruct，然后单击OK。

这将加载用户配置文件。它包括相应的模板、宏菜单和导入阅读器，将HyperMesh的功能缩减为与生成OptiStruct模型相关的功能。

二、打开模型

1.单击File>Open>Model。

2.选择保存到工作目录的beamshape.hm文件。

3.单击Open。

beamshape.hm数据库将加载到当前HyperMesh会话中，替换任何现有数据。

三、设置优化

3.1使用HyperMorph创建shape

在此步骤中，您将使用HyperMorph创建shape。

1.在Analysis页面中，单击optimization面板。

2.单击HyperMorph面板。

3.创建域句柄。

a)单击domains面板。

b)选择create子面板。

c)从全局域切换到auto functions并保留默认设置。

d)单击generate。

e)单击return返回到HyperMorph面板。

创建了许多域和手柄，这将使我们能够变形梁的shape。

有两种类型的手柄：全局手柄，由较大的红球表示;和局部手柄，由较小的黄球表示。本教程将仅介绍局部句柄。

4.移动手柄。

a)选择morph面板。

b)选择move handles子面板。

c)将interactive切换到move to node。

d)使用句柄选择器，选择右上角的局部手柄（施加力的位置）。

图2.

e)使用节点选择器，选择梁右侧中间的节点。

光束将更改shape，以便您选择的手柄移动到所选节点的位置。请注意网格如何适应shape的这种变化。

图3.变形shape 1

5.保存shape。

a)选择save shape子面板。

b)在shape= 字段中，输入shape1。

c)单击颜色按钮为shape矢量选择新颜色。

d)在shape= 下，将切换设置为as node perturbations。

e)单击save。

f)单击Yes。

此shape已保存，以后可以与设计变量关联。

6.单击undo all。

模型将返回到原始shape。

7.单击return返回到HyperMorph面板。

8.创建手柄。

a)选择handles面板。

b)选择create子面板。

c)在name = 字段中，输入aux1。

d)使用域选择器，选择顶部边缘域。

Tip：要确保你选择了顶部边缘域，请按住鼠标左键并将鼠标移动到光束的顶部边缘上，直到边缘高亮（白色），然后松开鼠标按钮。

e)将切换设置为by nodes。

f)使用节点选择器，选择位于梁顶部边缘中心的节点。

g)单击create。

h)单击return返回到HyperMorph面板。

将在梁顶部边缘的中心创建一个新手柄'aux1'。

图4.

9.移动手柄。

a)单击morph面板。

b)选择move handles子面板。

c)从move to nodes切换到interactive。

d)使用手柄选择器，选择您刚刚创建的黄色手柄。

将在选定控制柄上创建操纵器轴。

e)在操纵器轴上单击鼠标左键并按住鼠标按钮，指向X轴的正方向。在按住鼠标按钮的同时，沿X轴的正方向拉动所选轴。向下拉大约直到光束的中心，然后松开鼠标按钮。

Note：网格随着手柄沿轴移动而交互式地变形。

10.

11.图5.变形shape 2

12.设置biasing。

a)选择set biasing子面板。

b)使用手柄选择器，选择aux1。

c)选择makeretroactive。

d)将bias切换到screen edit。

数字1.000 出现在手柄'aux1' 旁边。

e)单击数字并按住鼠标按钮，直到值显示为1.500。

Tip：如果你向上移动鼠标，数字会增加，如果你向下移动鼠标，数字就会减少。

f)单击update。

顶部边缘的曲率已更改。

图6.变形shape 3

13.保存shape。

a)选择save shape子面板。

b)在shape= 字段中，输入shape2。

c)单击颜色按钮为shape矢量选择新颜色。

d)在shape= 下，将切换设置为as node perturbations。

e)单击save。

f)如果您想在全局和变形体积手柄处保存节点的扰动，请单击Yes。

此shape现在已保存，以后可以将其关联到设计变量。

14.单击undo all。

模型将返回到其原始shape。

15.单击return两次以返回到Optimization面板。

3.2创建shape设计变量

1.单击shape面板。

2.选择desvar子面板。

3.将设计变量选项从single desvar切换到multiple desvars。

4.使用shape选择器，选择shape1和shape2。

5.单击create。

6.单击return返回Optimization面板。

使用之前保存的shape创建两个shape设计变量。

3.3创建优化响应

1.在Analysis页面中，单击optimization。

2.单击Responses。

3.创建体积响应，它定义设计空间的体积分数。

a)在responses= 字段中，输入vol。

b)在响应类型下方，选择volume。

c)将regional selection设置为total和no regionid。

d)单击create。

4.创建displacement响应。

a)在response= 字段中，输入disp。

b)在响应类型下方，选择static displacement。

c)单击nodes>by id，然后在id= 字段中输入1115。

d)将置换类型设置为dof1。

dof1， dof2， dof3：在X、Y和Z方向上平移。

dof4， dof5， dof6：绕X、Y和Z轴旋转。

total disp：x、y和z方向的平移位移的合力。

total Rotate：x、y和z方向的旋转位移的结果。

e)单击create。

5.单击return返回Optimization面板。

3.4创建设计约束

1.单击dconstraints面板。

2.在constraint= 字段中，输入constr。

3.单击response =并选择disp。

4.选中upper bound旁边的框，然后输入3.0。

5.使用loadsteps选择器，选择Load。

6.单击create。

7.单击return返回Optimization面板。

3.5定义目标函数

1.单击objective面板。

2.验证是否选择了min。

3.单击response并选择vol。

4.单击create。

5.单击return两次以退出Optimization面板。

3.6定义SHAPE卡

默认情况下，_s#.h3d文件中仅提供位移和应力结果。要在HyperView中应用于模型的shape更改之上获得分析结果（位移/应力/温度），需要定义SHAPE卡。

1.在Analysis页面中，单击control cards面板。

2.在Card Image对话框中，单击SHAPE。

3.将FORMAT设置为H3D。

4.将TYPE设置为ALL。

5.将OPTION设置为ALL。

6.单击return两次返回主菜单。

四、运行优化

1.在Analysis页面中，单击OptiStruct。

2.单击save as。

3.在Save As对话框中，指定写入OptiStruct模型文件的位置，并在文件名中输入beamshape。

对于OptiStruct求解器模型，建议使用.fem扩展名。

4.单击Save。

input file字段显示在Save As对话框中指定的文件名和位置。

5.将导出选项切换设置为all。

6.将run options切换设置为optimization。

7.将内存选项切换设置为memory default。

8.单击OptiStruct运行优化。

作业完成时，窗口中会显示以下消息：

OPTIMIZATION HAS CONVERGED.

FEASIBLE DESIGN (ALL CONSTRAINTS SATISFIED).

如果存在错误消息，OptiStruct还会报告错误消息。文件beamshape.out可以在文本编辑器中打开，以查找有关任何错误的详细信息。此文件将写入与.fem文件相同的目录。

9.单击Close。

五、查看结果

5.1查看shape结果

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

HyperView在HyperMesh Desktop中启动，并在第1 页上加载beamshape_des.h3d，在第2 页上打开beamshape_s2.h3d。

2.使用导航按钮导航到第1 页上的Design History。

图7.

3.在Results Browser中，选择迭代。

图8.

4.在Results工具栏上，单击以打开Contour面板。

5.将Result type：设置为Shape change （v）和Mag。

6.单击Apply。

形状优化结果将应用于模型。

图9.

5.2查看位移的云图

1.在应用程序的顶部和右侧，使用导航按钮移动到第2 页。

2.在Results Browser中，选择最后一次迭代。

图10.

3.在Results工具栏上，打开Deformed面板。

4.将Result type：设置为Shape Change （v）。

5.单击Apply。

将显示光束的优化shape。

6.在Results工具栏上，单击以打开Contour面板。

7.将Result type：设置为Displacement （v）和Mag。

8.单击Apply。

9.在Annotations工具栏上，单击以打开Measures面板。

10.选择Static MinMax Result。

节点1115 的位移在约束值范围内。

图11.

来源：TodayCAEer

著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载

首次发布时间：2025-04-10

最近编辑：21天前

TodayCAEer

本科签名征集中

获赞 25粉丝 94文章 334课程 1

作者推荐

可试听

ANSA的网格划分与模型装配

¥100

还没有评论