Optistruct優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

2.拓?fù)鋬?yōu)化

　　將原支架中間的孔填平，重新尋找最優(yōu)的空間布局。

　　優(yōu)化描述為：

　　◎優(yōu)化目標(biāo)：最小化單元應(yīng)變能;

　　◎優(yōu)化約束：質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.3～1.0);

　　◎優(yōu)化變量：設(shè)計(jì)區(qū)域每個(gè)單元的單元密度。

　　具體步驟為：

　　1)先建立支架的受力工況(受力分析);

　　2)再建立優(yōu)化工況，包括優(yōu)化變量、優(yōu)化約束和優(yōu)化目標(biāo)(該目標(biāo)是建立在受力工況條件下的)。

　　此外，注意到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，還需要對(duì)結(jié)果添加對(duì)稱約束，如圖3所示。

　　為了增加離散化和減小材料堆積，需要設(shè)置最小和最大成員尺寸，其中最小成員尺寸要大于3倍的單元平均尺寸，最大成員尺寸要大于6倍的單元平均尺寸，設(shè)置如圖4所示。拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，如圖5所示。

　　3.形貌優(yōu)化

　　形貌優(yōu)化是一種形狀最佳化方法，即在板形結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強(qiáng)肋分布的概念設(shè)計(jì)方法，用于設(shè)計(jì)薄壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化壓痕，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)能滿足強(qiáng)度、頻率等要求。與拓?fù)鋬?yōu)化不同的是，形貌優(yōu)化不刪除材料，而是在設(shè)計(jì)區(qū)域中根據(jù)節(jié)點(diǎn)的擾動(dòng)生成加強(qiáng)筋。

　　形貌優(yōu)化的變量是通過(guò)生成內(nèi)部形狀變量來(lái)求解形貌優(yōu)化問(wèn)題，需要設(shè)置肋的最大高度和起肋角。和拓?fù)鋬?yōu)化類似，它也可以設(shè)置對(duì)稱約束條件。

　　優(yōu)化描述為：

　　◎優(yōu)化目標(biāo)：最小化單元應(yīng)變能;

　　◎優(yōu)化約束：質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.3～1.0);

　　◎優(yōu)化變量：通過(guò)節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)形成的形狀變量。

　　形貌優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

4.拓?fù)鋬?yōu)化與形貌優(yōu)化的聯(lián)合優(yōu)化

　　實(shí)際中，經(jīng)常把拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化相結(jié)合。即在一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題中，同時(shí)有兩種變量：?jiǎn)卧芏茸兞亢凸?jié)點(diǎn)擾動(dòng)形成的形狀變量。

　　優(yōu)化描述為：

　　◎優(yōu)化目標(biāo)：最小化單元應(yīng)變能;

　　◎優(yōu)化約束：質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.3～1.0);

　　◎優(yōu)化變量：?jiǎn)卧芏茸兞亢屯ㄟ^(guò)節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)形成的形狀 變量。

　　優(yōu)化的結(jié)果，如圖7所示。

　　5.結(jié)果的導(dǎo)出

　　優(yōu)化的結(jié)果可以導(dǎo)出幾何格式，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用OSSmooth工具，導(dǎo)出stl格式的文件，如圖8所示。

　　6.改進(jìn)結(jié)果的比較

　　根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行抽象，新結(jié)構(gòu)如圖9所示。兩種結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力對(duì)比如圖10所示，可知優(yōu)化后，斷裂處應(yīng)力值減小了55.6%。

　　三、橡膠套的自由形狀優(yōu)化

　　1.問(wèn)題說(shuō)明

　　一款發(fā)動(dòng)機(jī)上的減震套發(fā)生破壞，初步斷定破壞是受扭矩所導(dǎo)致?，F(xiàn)在采用自由形狀優(yōu)化來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

　　2.自由形狀優(yōu)化說(shuō)明

　　形狀優(yōu)化是通過(guò)結(jié)構(gòu)形狀的改變，得到結(jié)構(gòu)的最佳形狀，以達(dá)到減小應(yīng)力集中、增加結(jié)構(gòu)剛度等目的。在形狀優(yōu)化問(wèn)題中，需要定義形狀變量的修改及節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，以反映形狀 的改變。通過(guò)HyperMorph可以建立形狀優(yōu)化需要的變量。

　　而自由形狀優(yōu)化的基本思想與其他形狀優(yōu)化技術(shù)有所不同，其外部邊界節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)由軟件自動(dòng)確定。3.優(yōu)化過(guò)程

　　為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確，在需要優(yōu)化的區(qū)域設(shè)置一層殼單元，如圖11所示。

　　優(yōu)化過(guò)程描述為：無(wú)約束的自由形狀優(yōu)化

　　◎優(yōu)化目標(biāo)：最小化單元應(yīng)變能(受扭矩影響);

　　◎優(yōu)化變量：節(jié)點(diǎn)的線性擾動(dòng)和二次擾動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)矢量;

　　優(yōu)化結(jié)果如圖12所示。

　　4.結(jié)果對(duì)比

　　根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，作出新襯套與原襯套對(duì)比(見(jiàn)圖13)，結(jié)果對(duì)比如圖14所示。通過(guò)對(duì)比可知，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，斷裂位置應(yīng)力值減小了41.6%。

　　四、總結(jié)和展望

　　本文主要介紹了拓?fù)?/strong>優(yōu)化、形貌優(yōu)化以及自由形狀優(yōu)化功能在結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的應(yīng)用。