HyperWorks在优化设计中常见的问题及解决方案（一）

2016-09-27 by:CAE仿真在线来源:互联网

近些天,总有一些搞优化设计研究的学者或工程师向我询问用HyperWorks做结构优化设计的设置步骤、方法和注意事项。由于小硕在研究生期刊主要从事并联机器人构型的优化设计研究,且在Altair公司从事过优化设计的工作。现将自己整理的关于HyperWorks的优化问题进行罗列和分享。

问题一:在拓扑优化中,是否可以通过 DRESP1卡片,在设计空间中增加应力约束条件?

解答:通过 DRESP1 卡片进行局部应力约束是非法的。拓扑优化中设置应力的方法有1)、在Topology面板的Parameter子面板设置;

2)、在Response面板下的响应类型中有static stress中设置 ;

但方法1是对结构整体应力的约束,在拓扑优化设计中能用OptiStruct求解并不报错;方法2是对结构进行局部应力的约束,在拓扑优化设计中OptiStruct求解会报错,因为此时在有限元中的刚度矩阵K是随着材料的去除而在时时变化,并不是一个特定的矩阵。

问题二:在质量/体积约束条件已经存在的前提下,是否可以在其基础上再增加全局应力约束条件?

解答:我们不建议用户同时使用质量/体积约束和全局应力约束条件。很多情况下,由于前者的存在,使得全局应力约束条件往往得不到满足。

问题三:在拓扑优化阶段,为什么我设置了全局应力约束条件,在某些局部,应力水平依然超过了全局应力约束的要求?

解答:全局应力约束亦是在优化分析的过程中,将整体模型的应力水平控制在一个合适的范围中,在优化结果中可能出现应力水平依然超过全局应力约束值,但这并不影响优化结果。若在优化问题中处理局部应力集中问题,一般采用详细设计阶段的三大优化方法,即尺寸优化(size optimization),形状优化(shape optimization),自由形状优化(free shape optimization)以及这三者的结合应用进行解决。在拓扑优化的过程中,OptiStruct 将自动忽略那些人工引入的应力集中问题,例如刚性连接(rigid connection),以及那些由于尖锐的几何过渡导致的应力集中问题。

问题四:在典型的航空/航天零部件产品:蒙皮+加强筋式的结构中,执行优化设计的顺序是怎样的?

解答:优化设计分为概念设计阶段和详细设计阶段。其中,概念设计阶段包括拓扑优化设计、形貌优化设计和自由尺寸优化设计;详细设计阶段包括尺寸优化设计、自由尺寸优化设计和形状优化设计。在执行优化设计中,建议用户先通过拓扑优化(topology optimization)进行加强筋布局优化,然后通过尺寸优化(size optimization),优化蒙皮及加强筋厚度。

问题五:在自由形状优化(free‐shape optimization)中,如何避免由于负雅各比值(negative jacobian)导致的求解失败?

解答:事实上在自由形状优化的过程中,如果优化问题设置适当,是极少遭遇由于负雅各比值导致的迭代失败的。以下是一些建议,以避免出现上述情况:

1)、在进行优化迭代之前,优化网格质量。

2)、在自由形状优化定义中,增大参数 NSSMOOTH 的取值。

3)、为设计空间(design space)限制定义合理的取值。

4)、使用精确性优先(optimized for accuraty)方法。

问题六:拓扑优化是否对网格尺寸有特定的要求?

解答:基于密度法的拓扑优化结果,其结果必然与网格尺度相关。较为精细的网格会带来更为可靠的优化结果。此外,巨大的网格会导致棋盘格现象(checkerboardding,即密度值在单元间急剧下降过渡)。较高的网格密度,使用二阶单元,以及通过最小成员尺寸控制(minimum member size control)可以有效地防止棋盘格现象的发生。

问题七:有什么方法可以控制优化迭代步长(optimizationstep size)?

解答:用户可以通过改变扰动容限(move limits,即在每一步优化迭代中允许设计变量扰动的最大幅度)的方式控制优化迭代步长。在 OptiStruct 中,针对不同的优化类型,定义的方式有些许的不同。用户具体可以参考 DOPTPRM卡片中的 DELTOP 参数,DELSHP 参数,DELSIZ 参数;以及在面对尺寸和形状优化问题中的 DESVAR 卡片。在HyperMesh 用户界面中,该功能的具体路径为:ANALYSISPAGE‐optimization panel‐opticontrol

问题八:如何进行OptiStruct 重启动分析?

解答:如果希望继续进行一个已有的 OptiStruct 作业,用户需要提交两个文件: filename.fem 文件(输入文件)以及 filename.sh 文件(包括在上一次分析最后一步迭代结束时,设计变量的更改情况)。重启动 OptiStruct中的restart进行重新求解即可。

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