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疲劳工况下的自由形状优化：提升结构耐久性的关键策略

TodayCAEer

3天前浏览46

疲劳工况下的自由形状优化，它通过改变零件的几何形状来减少应力集中，从而提高零件的疲劳寿命。在这种优化过程中，设计变量不再是传统的尺寸或形状参数，而是零件表面上每个节点的位置。这样，优化算法可以更自由地调整零件的形状，以寻找最佳的疲劳性能。

在本教程中，您将在扭矩控制臂上执行自由形状的疲劳优化。这种优化的目标是通过改变模型的几何形状来延长控制臂的疲劳寿命。

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-5070/tarm_fatigue.zip

扭矩控制臂承受制动力和垂直力的作用。应用两个以1Hz采集、时长为279 秒的载荷时间历程。控制臂的材料是钢，它具有S-N曲线。

图1.用于疲劳优化的控制臂模型

图2.Vertical Force的加载时间历程

图3.制动力的加载时间历程

图4.钢的S-N曲线

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、设置模型

2.1启动Process Manager并导入模型

1.启动Process Manager。

a)在菜单栏中，单击Tools>Fatigue Process>Create New。

此时将打开Create New Session对话框。

b)在New Session Name字段中，输入会话名称。

c)在Working Folder字段中，导航到您的工作目录。

d)单击Create。

将创建一个新文件来保存当前加载的疲劳流程模板的实例，进程管理器打开。

2.导入模型。

a)在面板区域中，将Model File type设置为OptiStruct。

b)在Model file path字段中，单击并打开您保存到工作目录的tarm_fatigue.fem文件。

c)单击Import。

图5.

控制臂模型已加载。此模型包括两个static SUBCASE、Element Set和材料static属性等的完整定义。

3.单击Apply。

2.2创建Fatigue Subcase

应在Process Manager中选择Fatigue Subcase任务。

1.在面板区域的Create new fatigue subcase字段中，输入fatsub。

2.单击Create。

3.在Select existing fatigue subcase字段中，选择新创建的疲劳子fatsub。

FatSub被选为Active Fatigue SUBCASE。以下过程（分析参数、疲劳单元和属性、载荷序列等）中的定义将适用于此SUBCASE。

图6.

4.单击Apply。

将保存当前定义。

2.3应用疲劳分析参数

应在Process Manager中选取Analysis Parameters任务。

1.将Analysis type设置为S-N。

2.将Stress combination method设置为Abs. Max. Principal。

3.将Mean stress correction设置为GOODMAN。

4.将FEA应力单位设置为MPA。

5.将Rainflow type设置为LOAD。

6.在Gate字段中，输入0.0。

7.在Certainty of survival 字段中，输入0.5。

8.单击Apply。

将保存当前定义。

图7.

2.4应用疲劳单元和材料

应在Process Manager中选择Elements and Materials任务。

1.在面板区域中，单击Add。

此时将打开Material Data对话框。

2.将Element entity type设置为Property-PSHELL。

3.将Element entity name设置为shells。

4.在Ultimate Stretch strength （UTS）字段中，输入1800。

5.将Input method设置为UTS中的Estimate 。

6.单击以查看SN曲线定义，然后单击Close。

SN Method description对话框介绍了如何生成SN材料参数。

7.将Material type设置为Steel，然后单击Estimate。

SN曲线定义的所有数据都是自动估计的。

8.单击Plot SN Curve以显示SN曲线，然后单击Close。

9.将壳单元中的应力层结果设置为TOP和BOTTOM。

10.将Surface finish设置为No Finish。

11.将表面处理设置为No处理。

12.在Fatigue strength reduction factor之后将字段留空。

13.单击Save以保存所选Element的SN数据定义。

14.单击Apply。

将保存当前定义。

图8.

2.5应用加载时间历程记录

应在Process Manager中选择Loading Information任务。

1.在Process Manager的Loading Information下，选择Load-Time History。

2.hist_y，创建加载时间历程记录。

a)在面板区域中，单击Add by File。

此时将打开Load Time History对话框。

图9.

b)在Load-time history name字段中，输入hist_y。

c)将Load-time history type设置为CSV。

d)在Select load-time history file字段中，单击并打开tarm_loadY.csv文件。

e)单击Import。

f)单击Plot L-T以显示加载时间历程记录。

g)单击Save将新的加载时间历程记录写入HyperMesh数据库。

h)关闭Load Time History对话框。

3.通过导入文件tarm_loadX.csv创建另一个加载时间历程记录hist_x。

4.单击Apply。

将保存当前定义。

2.6加载序列定义

应在Process Manager中选择Loading Sequence任务。

在此步骤中，将创建一个由两个载荷时间历程组成的事件，换句话说，在分析过程中请求由两个载荷时间历程引起的应力的线性叠加。使用此事件，构建一个加载序列。

1.添加加载定义。

a)在面板区域中，单击Add。

此时将打开Loading Definition对话框。

图10.

b)将Select static loadcase设置为loadx。

c)将Select load-time history设置为hist_x。

d)在Scale字段中，输入1.0。

e)选择Create new，然后输入Event1。

f)单击Save。

2.添加另一个加载定义。

a)单击Add。

此时将打开Loading Definition对话框。

b)将Select static loadcase设置为loady。

c)将Select load-time history设置为hist_y。

d)在Scale字段中，输入1.0。

e)选择Existing，然后选择Event1。

f)单击Save。

3.单击Apply。

疲劳问题设置现已完成。

图11.

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upper。

a)选择create子面板。

b)在desvar= 字段中，输入upper。

c)单击nodes>by sets。

d)选择node set upper，然后单击select。

e)单击create。

4.更新设计变量upper的参数。

a)选择parameters子面板。

b)选择options。

c)在nsmooth= 字段中，输入10。

d)在mvfactor= 字段中，输入0.25。

e)单击update。

5.重复步骤3 和4 以创建名为lower的新设计变量，并将node设置为lower。

6.单击return退出面板。

3.2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volume。

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.创建疲劳响应。

a)在response= 字段中，输入life。

b)将响应类型设置为fatigue。

c)使用props选择器，选择shells。

d)切换到no regionid。

e)在no regionid下，选择life。

f)单击create。

5.单击return返回Optimization面板。

3.3创建设计约束

1.单击dconstraints面板。

2.在constraint= 字段中，输入con_life。

3.单击response =并选择life。

4.选中lower bound旁边的框，然后输入2.0E4。

5.使用loadsteps选择器，选择fatsub。

6.单击create。

7.单击return返回Optimization面板。

3.4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Volume。

4.单击create。

5.单击return两次以退出Optimization面板。

3.5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

应在Process Manager中选择Submit Analysis任务。

1.在面板区域中，将.fem文件另存为字段.

2.在Select File对话框中，选择要保存文件的目录，然后将文件另存为tarm_fatigue_opti.fem。

3.将Run options设置为optimization。

4.单击Submit。

图12.

OptiStruct运行疲劳优化。

如果作业成功，则可以在写入OptiStruct模型文件的目录中看到新的结果文件。写入目录的默认文件为：

tarm_fatigue_opti.0.4.fat：一个ASCII格式的文件，其中包含迭代步骤中每个疲劳SUBCASE的疲劳结果。

tarm_fatigue_opti_s4.h3d：Hyper 3D二进制结果文件，包含static分析结果和无疲劳形状优化结果。

tarm_fatigue_opti.out：OptiStruct输出文件，包含有关文件设置、疲劳问题设置、计算时间信息等的特定信息。查看此文件是否有警告和错误。

tarm_fatigue_opti.stat：分析过程摘要，提供分析/优化过程中每个步骤的CPU信息。

五、查看结果

应在Process Manager中选择Post Processing任务。疲劳优化成功完成后，它将自动进入此任务。

1.在面板区域中，单击Load H3D Results（HV）。

图13.

HyperView将打开并加载tarm_fatigue_opti_s4.h3d结果文件，以便在形状结果之上获得寿命结果。

2.在Results Browser中，选择最后一次迭代（Iteration 11）。

3.在Animation工具栏上，单击以停止动画。

4.将动画模式设置为。

此时将显示形状结果顶部的Life Contour。

5.在Results工具栏上，单击以打开Contour面板。

6.在Legend选项卡中，单击Edit Legend来编辑图例，使其与图14 和图15 相同。

7.单击Exit退出疲劳进程管理器。

图14.迭代0.volume = 4.674E+02 的寿命云图，最小寿命= 2.053E+04。

图15.迭代11 的寿命云图.volume = 3.78213E+02，最小寿命= 2.053E+04。

来源：TodayCAEer

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首次发布时间：2025-05-18

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