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对使用复合材料的机翼结构进行制造约束优化

TodayCAEer

22天前浏览916

复合材料的优点之一是可以通过选择合适的铺层厚度、铺层方向、堆叠顺序、铺层材料等来精确控制结构性能。改变许多不同参数的能力提供了更大的灵活性，但与此同时，随着设计变量的数量增加数倍，优化零件变得更加困难。

OptiStruct能够直接或间接优化复合结构的铺层厚度、铺铺层方向和堆叠顺序。自由尺寸优化将每个单元中每层的厚度作为设计变量处理，并通过确定Laminate中每层的最佳厚度分布来优化结构。

出于多种原因，每个复合材料制造商都有自己的层压复合材料可制造性标准。这些额外的制造约束将包含在自由尺寸优化中，以实现可接受的制造解决方案。

OptiStruct支持不同的可制造性约束，这些约束可以通过自由大小优化来定义。本教程将介绍在复合结构的自由尺寸优化中定义制造约束的过程。

在本教程中，您将使用制造约束执行自由尺寸优化。

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-4090/Composite_Wing.zip

本教程的优化问题表述为：

Objective：最小化质量。

Constraints：选定的6 个节点的位移< 3 mm。

Designvariables：设计空间中每个Element的每一层的厚度。

图1.复合机翼模型

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Composite_Wing.hm文件。

3.单击Open。

Composite_Wing.hm数据库被加载到当前的HyperMesh会话中，替换任何现有数据。

三、查看模型设置

在此步骤中，您将使用HyperLaminate来定义、查看和编辑铺层信息。

模型已设置为分析。模型属性、载荷、边界条件和Load Step已经定义。该模型有15 个comps，其中TopSkin和BottomSkin分量是使用复合属性PCOMP定义的。其余component使用PSHELL属性定义，该属性引用材料属性Aluminum。

还可以在此面板中设置尺寸设计变量，以执行尺寸优化。

图2.机翼几何形状

1.在2D页面中，单击HyperLaminate面板。

HyperLaminate打开。

2.在LaminateBrowser的Laminate部分中，单击TopSkin。

TopSkin component属性显示在Laminate definition和Review部分中。Laminate definition部分显示铺层材料、铺层厚度、铺铺层方向等，以图形方式显示在Review部分下。

3.在菜单栏中，单击File>Exit退出HyperLaminate并返回HyperMesh。

四、设置优化

4.1创建设计变量

在此步骤中，您将创建用于自由大小优化的设计变量。

1.在Analysis页面中，单击optimization面板。

2.单击free size面板。

3.选择create子面板。

4.在desvar= 字段中，输入Skins。

5.将type：设置为PCOMP（G）。

6.使用props选择器，选择TopSkin和BottomSkin属性。

7.点击create。

4.2添加最小尺寸制造约束

您应该仍在free size面板中。

在此步骤中，您将最小成员大小控件定义为5.0。成员尺寸控制功能允许您对自由尺寸设计中的构件尺寸进行调整，从而确保生成的结构由易于解析的离散杆件组成。

1.选择parameters子面板。

2.单击desvars=并选择Skins。

3.将minmemboff切换为mindim =，然后输入5.0。

4.单击update。

4.3添加最小厚度制造约束

您应该仍在free size面板中。

在此步骤中，您将定义遵循制造约束的百分比。

·最小Laminate厚度为0.2。

·为所有层定义最小10% 和最大60% 厚度（总Laminate厚度）约束。这意味着对于每个单元，任何层的厚度都不会小于或大于总Laminate厚度的10% 或60%。

·层角度为45 度的铺层厚度与层角度为-45 度的铺层厚度相同。

1.选择composites子面板。

2.单击desvars=并选择Skins。

3.在Laminate厚度下，将最小厚度切换为minimum thickness =并输入0.2。

4.单击update。

上面定义的最小Laminate厚度约束将更新为自由尺寸设计变量。

5.单击edit。

6.在Card Image对话框中，选择PLYPCT。

7.在PLYPCT下，选择BYSET。

8.在DSIZE_NUMBER_OF_PLYPCT= 字段中，输入4。

这指定将在4 个层上定义ply百分比约束。在Card Image对话框中，将显示四行附加行，您可以在其中输入层百分比约束。

PANGLE：应用PLYPCT约束的铺铺层方向。

PPMIN：PLYPCT约束的最小层百分比厚度。

PPMAX：PLYPCT约束的最大层百分比厚度。

PTMAN：可制造的铺层厚度。

图3.

9.在第一个COMP PLYPCT行中，编辑约束。

a)对于PANGLE，输入0。

这将定义为层角度为0 度的层定义层百分比约束。

b)对于PPMIN （PPMIN），输入0.1。

c)对于PPMAX，输入0.6。

d)将PTMAN字段留空。

这定义了对于每个单元，层角度为0 的层的厚度应不小于总厚度的10% 或大于60%。

10.在第二个COMP PLYPCT行中，编辑约束。

a)对于PANGLE，输入45。

b)对于PPMIN （PPMIN），输入0.1。

c)对于PPMAX，输入0.6。

d)将PTMAN字段留空。

11.在第3 行COMP PLYPCT中，编辑约束。

a)对于PANGLE，输入-45。

b)对于PPMIN （PPMIN），输入0.1。

c)对于PPMAX，输入0.6。

d)将PTMAN字段留空。

12.在第二个COMP PLYPCT行中，编辑约束。

a)对于PANGLE，输入90。

b)对于PPMIN （PPMIN），输入0.1。

c)对于PPMAX，输入0.6。

d)将PTMAN字段留空。

13.选择BALANCE。

BALANCE：约束确保两个层的厚度始终相等。

BALANCE：BALANCE标志，表示应用了平衡约束。

BANGLE1：应用了BALANCE约束的第一个铺铺层方向。

BANGLE2：应用BALANCE约束的第二个铺铺层方向。

14.在BALANCE行中，编辑约束。

a)对于BANGLE1，输入45。

b)对于BANGLE2，输入-45。

这定义了层角度为45 和-45 的层将始终具有相同的厚度。

15.单击return从面板返回。

16.点击update将上述定义的制造约束更新为自由尺寸设计变量。

17.单击return从自由大小面板返回。

4.4创建优化响应

1.在Analysis页面中，单击optimization。

2.单击Responses。

3.创建质量响应，该响应是为模型的总体积定义的。

a)在responses= 字段中，输入mass。

b)在响应类型下方，选择mass。

c)将regional selection设置为total和no regionid。

d)单击create。

4.创建displacement响应。

a)在response= 字段中，输入disp。

b)在响应类型下方，选择static displacement。

c)单击nodes>by sets，然后选择Nodes并单击select。

选择机翼末端侧的6 个节点。

d)将置换类型设置为dof3。

dof1， dof2， dof3：在X、Y和Z方向上平移。

dof4， dof5， dof6：绕X、Y和Z轴旋转。

total disp：x、y和z方向的平移位移的合力。

total Rotate：x、y和z方向的旋转位移的结果。

e)单击create。

5.单击return返回Optimization面板。

4.5创建设计约束

1.单击dconstraints面板。

2.在constraint= 字段中，输入disp_constr。

3.单击response =并选择disp。

4.选中upper bound旁边的框，然后输入2.0。

5.使用loadsteps选择器，选择Subcase1 和Subcase2。

6.单击create。

7.单击return返回Optimization面板。

4.6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mass。

4.单击create。

5.单击return两次以退出Optimization面板。

五、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filename中输入Wing_FreeSize_with_PLYPCT。

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文件Wing_FreeSize_with_PLYPCT.out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。

六、查看结果

OptiStruct提供所有迭代的单元厚度、铺层厚度信息，并写出位移和von Mises应力结果以进行线性static分析。本节介绍如何在HyperView中查看结果。

6.1查看单元和铺层厚度的云图

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

HyperView在HyperMesh Desktop中启动并加载所有.h3d结果文件。

2.在Results工具栏上，单击以打开Contour面板。

3.将Result type设置为Element thicknesses和Thickness。

4.单击Apply。

将显示选定迭代的总Laminate厚度的云图。

5.在Results Browser中，选择最后一个设计迭代结果。

图4.

等高厚度是当前设计的最佳Laminate厚度分布。

6.2查看铺层厚度的云图

由于只有TopSkin和BottomSkin component位于自由尺寸设计空间中，并且只有这两个component的厚度在变化，因此仅查看这两个component很方便。此外，为了便于可视化，将两个表面分开也很方便，因为它们彼此非常接近。

1.在Results工具栏上，单击打开Iso面板。

2.单击Apply。

将显示模型的等轴测视图。

3.在Results Browser中，单击以激活Component视图。

图5.

4.从Results Browser的视图控件中，单击（Isolate Shown），然后单击BottomSkin和TopSkin component。

这两个component是隔离的。

5.在Visualization工具栏上，单击以打开Exploded View面板。

6.单击Add添加新的分解视图。

7.单击其中一个component以选择它进行转换。

8.在Translate下，将Direction设置为X Axis。

9.在Distance字段中，输入5。

10.单击+沿X轴正方向移动所选元件。重复上述步骤，直到component移动到足以查看两个component为止。

图6.Laminate优化厚度云图

11.在Results工具栏上，单击以打开Contour面板。

12.将Result type设置为Ply Thickness和Thickness。

13.将Entity with Layer设置为1。

14.单击Apply。

将显示第一个铺层厚度云图。您可以重复这些步骤来绘制Ply 2、Ply 3 和Ply 4 或Max的厚度，依此类推。

图7.第一层优化厚度云图

验证是否满足所有制造约束（厚度百分比、平衡和最小Laminate厚度）。此外，在文本编辑器中打开Wing_FreeSize_with_PLYPCT.out文件，并验证在最后一次迭代中是否满足位移约束。

来源：TodayCAEer

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首次发布时间：2025-04-03

最近编辑：22天前

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