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OptiStruct赋能铸造零件：含制造约束的自由形状优化实践

TodayCAEer

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正如前面关于钣金支架局部应力优化的文章所介绍的，如果对于铸件不施加制造约束，节点流动可能会超出设计空间，增加制造成本，估需要施加制造约束，规避问题，现在我们将案例进一步拓展到铸造零件上。

在本教程中，您将使用自由形状优化方法以及制造约束（例如对称和网格障碍约束）对实体模型执行形状优化。此优化的目标是通过更改模型的几何结构来降低应力。

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-5060/freeshape3d_mfg.zip

图1.

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freeshape3D_mfg.hm文件。

3.单击Open。

freeshape3D_mfg.hm数据库被加载到当前的HyperMesh会话中，替换任何现有数据。

三、设置优化

3.1创建自由形状设计变量

1.在Analysis页面中，单击optimization面板。

2.单击free Shape面板。

3.创建设计变量shape。

a)选择create子面板。

b)在desvar= 字段中，输入shape。

c)单击nodes>by sets。

d)选择shape_nodes，然后单击select。

e)单击create。

图2.自由形状的设计空间

4.更新形状设计变量的参数。

a)选择parameters子面板。

b)将direction设置为grow。

c)在mvfactor= 字段中，输入0.5。

d)在nsmooth= 字段中，输入10。

e)单击update。

图3.

5.单击return两次以退出面板。

3.2将壳单元转换为创建屏障网格面

1.在2D页面中，单击elem types面板。

2.单击elems by collector。

3.选择barrier，然后单击select。

4.选择2D & 3D子面板。

5.在tria3 字段中，单击CTRIA3并选择BMFACE。

6.在quad4 字段中，单击CQUAD4并选择BMFACE。

7.单击update。

3.3定义1-Plane Symmetry约束

自由形状的制造约束选项包括：（拔模方向约束、拉伸约束、阵列分组：1 平面对称约束、最大增长/收缩距离控制、侧面约束和网格障碍约束）。

1.在Analysis页面中，单击optimization面板。

2.单击free Shape面板。

3.在desvar= 字段中，输入shape。

4.选择pattern grouping子面板。

5.选择模式类型为1-pln sym。

自由形状的1 平面对称约束将产生对称设计，而不管初始网格、边界条件或载荷如何。对称平面是通过指定锚点和第一个节点来定义的。然后，对称平面将垂直于从锚节点到第一个节点的矢量，并穿过锚点。

6.单击anchor node并在id= 字段中输入1。

将选择ID为1 的节点。

7.单击first node并在id= 字段中输入2。

将选择ID为2 的节点。

8.单击update以更新设计变量。

图4.定义1 平面对称

3.4定义Mesh Barrier约束

在本练习中，网格屏障已创建，component名称为barrier。

网格屏障约束允许控制设计边界/表面的总变形范围;Mesh Barrier将约束设计边界/曲面在受限设计空间内变形，并且永远不会穿透barrier。

屏障应由单元数量尽可能少的壳单元构成。

1.在自由形状面板中，单击sidecon子面板。

2.单击desvar =并选择shape。

3.在Barrier mesh旁边，单击component=并选择barrier。

4.单击update。

5.单击return返回主菜单。

图5.Mesh Barrier component

3.5创建优化响应

1.在Analysis页面中，单击optimization。

2.单击Responses。

3.创建质量响应，该响应是为模型的总体积定义的。

a)在responses= 字段中，输入mass。

b)在响应类型下方，选择mass。

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

d)单击create。

4.创建static应力响应。

a)在response= 字段中，输入Stress。

b)将响应类型设置为static stress。

c)将实体选择器设置为elems，然后单击elems>by sets并选择stress。

d)将响应选择器设置为von mises。

e)在von mises下，选择both surfaces。

f)单击create。

5.单击return返回Optimization面板。

3.6创建设计约束

1.单击dconstraints面板。

2.在constraint= 字段中，输入stress。

3.单击response =并选择stress。

4.选中upper bound旁边的框，然后输入62。

5.使用loadsteps选择器，选择ls2。

6.单击create。

7.单击return返回Optimization面板。

3.7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Mass。

4.单击create。

5.单击return两次以退出Optimization面板。

3.8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中应用于模型的形状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filename中输入freeshape3d_mfgopt。

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。可以在文本编辑器中打开freeshape3d_mfgopt.out文件，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查看形状结果

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

HyperView将启动，freeshape3d_mfgopt_des.h3d文件将在第1 页中打开，freeshape3d_mfgopt_s4.h3d文件将在第2 页打开。

2.在应用程序的顶部右侧，单击以移至第2 页

3.在Results Browser中，选择Iteration 14，这是最终迭代结果。

4.在Results工具栏上，单击以打开Deformed面板。

5.将Result type：设置为Shape change（v）。

6.单击Apply。

形状优化结果将应用于模型。

5.2查看应力的云图

1.在Results工具栏上，单击以打开Contour面板。

2.将结果类型设置为Element Stress（2D & 3D）（t）。

3.将应力类型设置为von Mises。

4.在selection下，将选择器设置为Elements。

5.单击Elements>By set，然后选择stress。

6.单击Add并关闭。

7.单击Apply。

图6.最终形状上的von Mises应力云图

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：2025-05-09

最近编辑：9小时前

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