拓扑与形貌的组合优化

复合材料在飞机结构的应用中已广受欢迎。对创新设计的需求带来了巨大的挑战。在本教程中，您将使用OptiStruct执行复合材料飞机下腹部整流罩的优化驱动设计方法。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-3200/fairing.zip该设计采用三个阶段的方法：Phase 1：综合设计参考（自由尺寸优化）概念设计综合自由尺寸优化确定每个铺层方向的最佳铺层形状和贴片位置。Phase 2：设计微调（尺寸优化）设计微调尺寸优化确定每个铺层束的最佳厚度。Phase 3：plies堆叠顺序优化铺层叠顺序优化优化获得最优叠放顺序。该过程扩展了三种重要且先进的优化技术;自由尺寸优化、尺寸优化和plies堆叠顺序优化。通过将这三种技术串联在一起，OptiStruct为复合材料plies压板的设计和优化提供了一个独特而全面的流程。该流程通过从前一个设计阶段自动生成后续阶段的输入数据，实现自动化并集成到Altair Simulation中。Model定义下腹部整流罩的有限元模型是在HyperMesh中生成的。考虑了碳纤维的材料属性，并使用二维单元的正交各向异性材料（MAT8） 表示。整流罩采用厚度均匀的plies四个方向（0°、90°、45° 和-45°）建模。在PCOMP卡中应用SMEAR选项以消除堆栈偏置。定义了两个Load Case来表示工作条件- 内部均匀压力载荷为0.02MPa和外部重力载荷6.75g。整流罩边界是沿其边缘铆接到周围的结构上。两个设备质量，每个重2 公斤和3 公斤，通过RBE3单元安装到整流罩上。整流罩的设计考虑了两个主要性能标准：第一固有频率至少为20Hz，最大应变小于1000 微应变。 图1.第1 阶段：参考设计综合（自由尺寸优化）在自由尺寸优化中，每个可设计单元的厚度被定义为一个设计变量。将此概念应用于复合材料设计意味着设计变量是每个单元的每个超plies的厚度（plies方向的可设计总厚度）。在概念设计阶段定义了以下优化设置，以确定给定材料比例的最刚性设计。为了获得更有意义的结果，制造约束被纳入，并自动贯穿所有设计阶段。Objective：最小化两种Load Case的加权柔度。Constraints：体积分数< 0.3Design variables：每个铺层方向的单元厚度。Manufacturing：0°铺层的铺层率不超过80%。Constraints：可制造的铺层厚度为0.1；平衡约束，确保+45s和-45s的厚度分布相等。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、导入模型1.点击File>Import>Solver Deck。导入选项卡将添加到您的选项卡菜单中。2.对于File type ，选择OptiStruct。3.选择文件图标。此时将打开Select OptiStruct文件Browser。4.选择保存到工作目录的fairing.fem文件。5.单击Open。6.单击Import，然后单击Close以关闭Import选项卡。三、设置优化1 2 3 3.1创建自由尺寸的优化设计变量1.在Analysis页面中，单击optimization面板。2.单击free size面板。3.创建设计变量整流罩。a)选择create子面板。b)在desvar= 字段中，输入fairing。c)将type设置为PCOMP（G）。d)使用props选择器，选择fairing_ply。e)单击create子面板。设计可变整流罩是为自由尺寸的优化而创建的。4.定义对ply percentage和ply balance的制造约束。a)选择composites子面板。b)验证是否在desvar= 字段中选择了整流罩。 c)单击edit。d)在DSIZEcard image中，选择PLYPCT。e)将Ply Percentage Options设置为BYANG。f)在DSIZE_NUMBER_OF_PLYPCT = 字段中，输入1。PLYPCT连续行被添加到DSIZE数据输入中。g)选择PLYMAN。PLYMAN连续行将添加到DSIZE数据输入中。h)选择BALANCE。i)在DSIZE_NUMBER_OF_BALANCE= 字段中，为1.BALANCE延续行将添加到DSIZE数据输入中。j)定义PLYPCT、BALANCE和PLYMAN约束，如图1 所示。图1.DSIZE数据输入域k)单击return返回到合成面板。l)单击update。5.单击return并返回到Optimization面板。3.2创建优化响应1.在Analysis页面中，单击optimization。2.单击Responses。3.创建体积分数响应。 a)在responses= 字段中，输入Volfrac。b)在响应类型下方，选择volumefrac。c)将regional selection设置为total和no regionid。d)单击create。4.创建加权分量响应。a)在responses= 字段中，输入wcomp。b)在响应类型下方，选择weighted comp。c)单击loadsteps，然后选择所有Load Step。d)将Gravity和Pressure的加权因子更改为1.0。e)单击return。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_vol。3.单击response =并选择volfrac。4.选中upper bound旁边的框，然后输入0.3。5.单击create。6.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wcomp。4.单击create。5.单击return两次以退出Optimization面板。 3.5定义输出请求在此步骤中，您将定义复合材料应变和应力结果的输出控制。OUTPUT，FSTOSZ （free size to size） 用于输出ply-based的输入模型，以实现尺寸优化。1.在Analysis页面中，单击control cards面板。2.定义GLOBAL_OUTPUT_REQUEST卡。a)在Card Image对话框中，单击GLOBAL_OUTPUT_REQUEST。b)选择CSTRAIN和CSTRESS。c)定义图2 中所示的选项 ，将所有单元的所有复合应变和复合应力结果输出到H3D文件中。d)单击return。图2.请求将CSTRAIN和CSTRESS结果输出到.h3d文件3.定义OUTPUT卡。a)单击OUTPUT。b)在number_of_outputs字段中，输入1。c)将KEYWORD设置为FSTOSZ。d)将FREQ设置为YES。e)单击return。OptiStruct在自由尺寸优化后自动生成尺寸模型。 图3.请求阶段2 的Free-size to Size （FSTOSZ） 优化输出文件四、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fairing_freesize。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fairing_freesize.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。写入run目录的默认文件包括： fairing_freesize.outOptiStruct输出文件包含有关文件设置、优化问题设置、运行所需RAM和磁盘空间量的估计值、所有优化迭代的信息以及计算时间信息的特定信息。查看此文件，了解在处理fairing_freesize.fem文件时标记的警告和错误。fairing_freesize_des.h3d包含优化结果的HyperView二进制文件。fairing_freesize_s#.h3d包含线性static分析的HyperView二进制结果文件，依此类推。fairing_freesize_sizing.*.fem在自由调整阶段生成的基于plies的调整优化输入文件。此生成的卡组包含描述基于ply的复合模型的PCOMPP、STACK、PLY和SET卡，以及定义优化数据的DCOMP、DESVAR和DVPREL卡。* 符号表示最终迭代编号。fairing_freesize_sizing.*.incASCII包含文件包含与输入模型中相同的基于ply的建模和优化数据。* 符号表示最终迭代编号。五、查看结果3.6查看单元厚度结果1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。HyperView将启动并打开fairing_freesize.mvw会话文件，其中包含三个页面，其中包含三个H3D文件的结果。Page 1优化结果是fairing_freesize_des.h3d。Page 2SUBCASE 1 在fairing_freesize_s1.h3d中的分析结果。Page 3SUBCASE 2 在fairing_freesize_s2.h3d中的分析结果。 2.确认您位于第1 页。3.在Results工具栏上，单击 以打开Contour面板。4.在Results Browser中，选择最后一次迭代。图4.选择Final Iteration5.单击Apply。6.在Standard Views工具栏上，单击 以查看X-Y平面中的结果。自由尺寸优化的单元厚度结果如图5 所示。以红色或趋向于红色的颜色（来自图例）表示的区域可以解释为较粗的区域，而以蓝色或趋向于蓝色的区域表示的区域是较薄的区域。上面所示的云图是总厚度分布，其中包括每个铺层方向的贡献，即0、+/-45 和90 的厚度贡献。它还指示每个方向的铺层的形状和布局，如铺层厚度图中所示。 图5.自由尺寸优化后的单元厚度云图3.7查看铺层厚度结果1.在Contour面板中，将Result type设置为Ply Thicknesses （s）。2.选择其他绘图选项，如图6 所示。图6.铺层厚度云图3.在Results Browser中，选择最后一次迭代。4.单击Apply。生成0 度超级plies的厚度分布。它表示0 度铺层束的铺层形状和补丁位置。 图7.铺层厚度云图.的0 度超级铺层5.通过在云图面板中分别选择图plies2、3 和4，为超铺plies2 （45°）、3 （-45°） 和4 （90°） 创建铺plies厚度云图。由于应用了平衡约束，+45° 和-45° 超级铺层的厚度分布相同。图8.铺层厚度云图。-45/+45 度超铺层图9.铺层厚度云图.90 度超铺层3.8通过Element集查看铺层束优化的超级铺层厚度随后表示为铺层束。默认情况下，每个纤维取向（超级铺层）输出四个铺层束，基于OptiStruct中的智能算法。这些铺层束表示通过单元集的每个纤维取向的铺层的形状和位置。在这种情况下，在自由尺寸优化收敛后，总共会创建16 个铺层束：单元集1 到4 表示0 度超级铺层的铺层束;单元集5 到8 表示用于+45° 超级铺层的铺层束;单元集9 到12 表示铺层束-45° 超级plies;单元集13 到16 表示用于90° 超级铺层的铺层束。1.返回到HyperMesh会话。2.将求解器deck fairing_freesize_sizing.*.inc（位于文件fairing_freesize.fem所在的同一目录中）导入到当前会话中。3.在Model Browser中，右键单击Load Collectors文件夹，然后从上下文菜单中选择Hide。所有Load Collector的显示均处于关闭状态。4.在Analysis页面中，单击entity sets面板。5.单击review并选择set 5。组5 表示+45° 方向超级铺层的铺层束1。Tip：您可以在Model Browser的Plies文件夹中查看ply束。单击任何铺层可在Entity Editor中查看其对应的卡数据。 图10.Element集5 表示+45 度超级铺层的铺层束16.查看Element集6 到8。图11.单元组6 代表+45 度超级铺层的铺层束2 图12.Element集7 表示+45 度超级铺层的铺层束3图13.Element集8 表示+45 度超级铺层的铺层束4通过单元集指示的铺层的形状可以在设计阶段2：设计微调（尺寸优化）中按原样使用，也可以通过更新HyperMesh中的单元集来轻松修改以提高可制造性。在这种情况下，Element集按原样使用。 来源：TodayCAEer