基于Neuber修正法的应力响应优化：高效提升结构性能

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背景介绍

基于Neuber修正法的应力响应优化是一种在结构设计中考虑材料塑性变形能力的方法。这种方法特别适用于存在几何特征导致应力集中的情况，例如阀门的圆弧特征。Neuber修正法通过将线性弹性模型产生的应力水平进行修正，以更准确地预测在塑性区域的实际应力和应变响应。

在阀门设计中，圆弧特征是常见的几何细节，它们在阀门工作时承受高应力。通过应用Neuber修正法，可以对这些圆弧特征进行优化，以减少应力集中并提高阀门的疲劳寿命。优化过程通常涉及以下几个步骤：

1. 有限元分析（FEA）：首先，使用有限元分析软件对阀门进行建模，并施加工作条件下的载荷和边界条件。这将产生一个基于线性弹性材料模型的应力分布图。

2. Neuber修正：然后，应用Neuber修正法来修正有限元分析中超过材料屈服点的应力值。Neuber修正法基于这样一个概念：在某些情况下，当应力超过比例极限或屈服应力时，线性材料模型产生的应力水平将是保守且不现实的。该方法通过考虑塑性变形来修正应力值，使其更接近实际材料在应力集中区域的行为。

3. 优化设计：根据Neuber修正后的应力分布，对阀门的圆弧特征进行优化。这可能涉及调整圆弧的半径、改变几何形状或增加材料厚度等措施，以减少应力集中并提高阀门的强度和刚度。

例如，在一项研究中，通过改变阀体内部圆弧的半径，研究者成功降低了阀门的应力值。通过设定不同的圆弧面半径尺寸，计算在特定压力下阀盖的应力值。结果表明，随着圆弧面半径的增加，阀盖的应力值逐渐减小，从而提高了阀门的可靠性和性能。

总的来说，基于Neuber修正法的应力响应优化为阀门设计提供了一种有效的方法，以提高其在工作环境下的耐用性和可靠性。

本教程演示了Neuber形状优化，以通过改变圆角区域的形状来减少圆角区域的应力集中，同时模型的重量尽量不发生变化。

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-5100/neuber_shape_optimization.zip

以下基于Neuber校正方法的形状优化练习包括：

·在HyperMesh中设置目标、约束和设计变量

·在OptiStruct中提交作业

·在HyperView HyperGraph中查看结果

图1 说明了本教程中使用的结构模型。本教程是一个半对称的阀，它使用一阶四面体建模，并在特定位置施加了力。使用HyperMorph创建形状ID，并创建形状设计变量。static应力响应是通过Neuber校正和由方程定义的质量响应创建的，以最小化质量的变化。为static应力响应定义了设计约束。

图1.模型和加载说明

本教程的优化问题表述为：

Objective：最小化质量的变化。

Constraints：使用Neuber校正方法将静应力降至小于330 MPa的值

Design variables：形状设计变量。

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neuber_shape_optimization.hm文件。

3.单击Open。

neuber_shape_optimization.hm数据库将加载到当前HyperMesh会话中，替换任何现有数据。该数据库包含网格数据、材料数据和创建的形状ID。

三、设置模型

3.1创建属性，再分配属性，因为Valve是实心零件。

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Property。

2.对于Name ，输入PSOLID。

3.对于Card Image，选择PSOLID。

4.对于Material ，选择Aluminum。

5.在Model Browser的component文件夹中，右键单击Valve并分配属性PSOLID。

3.2创建FORCE Load Collector

首先，您将仅显示component，然后施加力。

1.在Model Browser中，右键单击零部件axis，然后选择isolate only。

2.在Model Browser中，右键单击Create>Load Collector。

3.对于Name ，输入Force。

4.在菜单栏中，单击BCs>Create>Forces。

5.切换到nodes并选择AXIS Element（RBE2 Element）的主节点。

6.分配值，如图所示。

图2.应用力

7.单击Create。

3.3创建SPC Load Collector

1.在Model Browser中，右键单击Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入SPC。

3.在菜单栏中，单击BCs>Create>Constraints。

4.对于第一个下拉列表，切换到nodes，对于第二个下拉菜单，选择faces。

5.仅选择dof2，取消选择所有其他dof，然后单击Create.

6.选择Valve的侧面，然后只选择dof1、dof2和dof3。

7.单击Create。

8.同样，选择Valve的其他侧面，并仅选择dof1和dof2。

图3.应用约束

3.4创建Load Step

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Step。

默认的load step inputs显示在Entity Editor中。

2.对于Name ，输入Static。

3.对于Type，从下拉菜单中选择linear static。

4.对于SPC，请选择SPC。

5.对于load定义，选择force。

3.5创建设计方程式

1.在Analysis页面中，单击optimziation>dequations面板。

2.在dequation = 字段中，输入Delta。

3.在edit equation字段中，输入delta（x）=x-9.892e-02。

图4.设计方程

4.单击Create。

Note：Delta（x）的质量发生了变化;其中，x代表形状变化的实际质量，阀门的质量为9.892e-02 kg。

5.选择Tools>mass Calc>comps，选择valve并单击calculate。

图5.阀门质量

3.6创建Shape Optimization设计变量

1.在Analysis页面中，单击optimization>shape面板。

2.切换desvar子面板。

3.对于desvar =，输入Variable作为设计变量的名称。

4.对于shape =，输入Fillet_shape。

5.对于下限，输入0，对于上限，输入1。

6.单击create和return。

图6.创建设计变量

Note：阀形状的潜在变化在圆角半径中增加。

3.7创建优化响应

1.创建Mass Response类型

1.在Analysis页面中，单击optimization>responses面板。

2.对于响应=，输入Mass。

3.在下拉列表中，选择response键入作为mass，然后单击return。

图7.质量响应

2.创建Static Stress响应类型

1.在Analysis页面中，单击optimization>responses面板。

2.对于response，输入Neuber。

3.从下拉列表中，选择static stress作为response type。

4.单击elems>by collector>Valve。

5.选择neuber correction，如图所示。

图8.static应力响应

6.单击create。

3.创建函数响应类型

1.在Model Browser中，选择Optimization View。

2.右键单击并选择Window>Create>Responses。

3.对于Name ，输入Delta_Response。

4.对于Function，选择Response type。

5.对于Function ID，选择Delta，即在上一步中创建的Dequation。

6.展开响应列表，然后选择Optiresponse作为质量。

图9.函数响应类型

Note：为了创造质量响应的变化，这里使用了函数响应。

3.8创建设计约束

1.单击dconstraints面板。

2.在constraint= 字段中，输入Constraints。

3.单击response type并选择neuber，这是一种static应力响应类型。

4.选择loadstep 1 - Static。

5.选择upper bound并输入值330。

3.9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键入并选择Delta_Response。

4.单击Create。

3.10定义SHAPE卡

默认情况下，.h3d文件中仅提供位移和应力结果。为了在HyperView中应用于模型的形状更改之上查看位移/应力结果，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neuber_based_opimization。

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。

9.单击Close。

五、查看结果

以下步骤演示了如何在HyperView中查看具有优化形状的云图。

使用Neuber校正方法查看模型中的变形形状和应力是有帮助的。

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

HyperView将启动并加载结果。此时将显示一个消息窗口，告知模型和结果文件已成功加载到HyperView中。

2.转到Results选项卡。

3.在Results选项卡中，选择Iteration 23，即最后一次迭代。

图10.迭代选择

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），然后单击Apply以绘制Element的云图。

图11.形状更改结果

6.将Result type设置为Neuber stress。

7.单击Apply。

图12.单元应力结果

8.打开一个新的HyperView HyperGraph窗口，然后选择File>Open>Session。

9.选择可查看质量变化和更改形状后优化的质量。

图13.会话绘图结果

10.查看目标函数和总质量数的绘图结果。

图14.目标函数和总质量图

来源：TodayCAEer

OptiStruct HyperMesh HyperView 疲劳形状优化 ADS UM 铸造多体动力学材料

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首次发布时间：2025-05-17

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