使用自由形状优化实体支架

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自由形状优化是一种在产品详细设计阶段常用的优化技术，尤其适用于解决局部特征处理的问题。以汽车支架为例，当支架的某些部分因为载荷集中或设计不合理导致应力过高时，可以通过自由形状优化来调整节点位置，从而改善应力分布，提高结构性能。

自由形状优化与形状优化的主要差异在于设计变量的自由度。在传统的形状优化中，设计变量通常是预先定义的形状扰动，这些扰动定义了结构可能的形状变化。而自由形状优化则允许结构的外边界节点自由移动，无需预先定义形状扰动，这样可以更灵活地探索更广泛的设计空间，减轻了用户定义形状扰动的负担。

在实际应用中，自由形状优化可以采用两种算法：classic和vertex morphing。classic方法适用于2D单元，其中节点可以沿着单元的法向移动。而vertex morphing方法则允许任意节点移动，包括面内节点和外侧节点，提供了更大的设计自由度。

例如，在汽车天窗的玻璃框架支架设计中，通过自由形状优化可以显著降低局部应力，优化后的支架根部应力下降超过50%，且应力分布更加平缓，有效避免了应力集中导致的结构失效。

此外，自由形状优化还可以与其他类型的优化结合使用，例如同时进行形状优化和自由形状优化，以实现更全面的结构性能提升。通过这种方式，工程师可以在减轻结构重量的同时，确保结构的完整性和功能性。

此外，自由形状优化还可以根据制造要求施加各种约束，如挤压约束、拔模约束、对称约束等，以确保优化结果符合实际制造工艺的需求。

在本教程中，您将使用Free Shape优化方法对实心支架模型执行形状优化。这种优化的目的是通过改变支架模型的几何形状来减少应力。

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-5020/free_Shape3D.zip

图1.

本教程的优化问题表述为：

Objective：最小化（Max von Mises应力）。

Constraints：无约束。

Design Variables：网格垂直于表面移动。

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free_shape3D.hm文件。

3.单击Open。

free_shape3D.hm数据库将加载到当前HyperMesh会话中，替换任何现有数据。

三、设置优化

3.1创建自由形状设计变量

1.在Analysis页面中，单击optimization面板。

2.单击free Shape面板。

3.在name= 字段中，输入shape。

4.使用节点选择器，选择图2 中所示的节点。仅选择同样位于壳上的面节点。

图2.自由形状的设计空间

5.单击create。

6.单击return转到主菜单。

3.2创建优化响应

1.在Analysis页面中，单击optimization。

2.单击Responses。

3.创建static应力响应。

a)在response= 字段中，输入Stress。

b)将响应类型设置为static stress。

c)使用props选择器，选择stress_faces。

d)将响应选择器设置为von mises。

e)在von mises下，选择both surfaces。

f)单击create。

4.单击return返回Optimization面板。

3.3定义目标函数

1.创建目标参考。

a)单击obj reference面板。

b)在dobjref= 字段中，输入MAX_STR。

c)单击response=并选择stress。

d)选择pos reference=。

默认情况下，将分配值1.0。

e)单击create。

f)单击return返回Optimization面板。

2.定义目标。

a)单击objective面板。

b)选择minmax。

c)使用dobjrefs= 选择器，选择MAX_STR。

d)单击create。

e)单击return返回Optimization面板。

3.4定义SHAPE卡

默认情况下，_s#.h3d文件中仅提供位移和应力结果。要在HyperView中应用于模型的形状更改之上获得分析结果（位移/应力/温度），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Free_Shape3D。

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Free_Shape3D.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。

五、查看结果

5.1查看形状结果

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

HyperView在HyperMesh Desktop中启动，并在第2 页加载Free_Shape3D_des.h3d文件，在第3 页加载Free_Shape3D.h3d文件。

2.在应用程序的顶部右侧，使用导航按钮导航到Design History（第2 页）。

图3.

3.在Results Browser中，选择最后一次迭代（Iteration 8）。

图4.

4.在Results工具栏上，单击以打开Deformed面板。

5.将Result type：设置为Shape change。

6.单击Apply。

形状优化结果将应用于模型。

图5.

5.2查看应力的云图

1.在应用程序的顶部右侧，使用导航按钮导航到Subcase 1 - step（第3 页）。

图6.

2.在Results Browser中，选择最后一次迭代（iteration 8）。

图7.

3.在Results工具栏上，单击以打开Contour面板。

4.将结果类型设置为Element Stress[2D & 3D]。

5.将应力类型设置为von Mises。

6.单击Apply。

应力云图显示在应用于模型的形状更改的顶部。

图8.

六、使用移动约束设置新的自由形状优化仿真

在上一次运行中，未对DSHAPE网格的移动应用任何约束。因此，网格可以自由移动，零件厚度会增加。

图9.无约束的自由形状结果

然而，在实践中，由于可制造性，网格的移动会受到某种限制。对于本教学案例，厚度必须保持不变，以避免与其他零件发生任何干扰。

在此步骤中，您将在DSHAPE网格上定义约束，以便设计空间的厚度保持不变。

将为设计空间的弯曲和平面部分单独创建对自由形状设计网格的约束。设计空间中被分组为curved的部分，被分组为flat的部分。

图10.弯曲和平面零件上的设计空间

弯曲零件上的约束将使用局部直角坐标系创建（平面零件上的其他约束不需要局部坐标系）。因此，需要首先创建一个局部直角坐标系（z轴将指向垂直于DSHAPE曲面）。

1.在应用程序的右上角，单击/ 返回第1 页和HyperMesh客户端。

2.在HyperMesh中，单击return。

3.定义局部坐标系。

a)在1D页面中，单击systems面板。

b)选择create by axis direction子面板。

c)单击nodes>by id，然后在id= 字段中输入20999。

d)单击origin并在id= 字段中输入20999。

e)单击x-axis并在id= 字段中输入15989。

f)单击xy-plane并在id= 字段中输入19462。

g)单击create。

h)单击return。

图11.本地坐标系

4.在Analysis页面中，单击optimization面板。

5.单击free Shape面板。

6.选择gridcon子面板。

7.在没有任何坐标系的平整零件上创建约束。

a)单击desvar=并选择shape。

b)将约束类型设置为planar。

c)使用节点选择器，选择图12 中所示的节点。

图12.自由形状设计空间的约束

d)将向量定义设置为vectors。

e)使用N1、N2 和N3 选择器，选择平面几何体上的三个节点。

图13.定义平面的三个节点

f)单击add。

这些节点将仅在指定的平面上移动。

8.使用局部坐标系在弯曲零件上创建约束。

a)将约束类型设置为vector。

b)使用节点选择器，选择图14 中所示的节点。

仅选择弯曲零件上的节点。

图14.弯曲零件上自由形状设计空间的约束

c)将方向选择器设置为local system，然后单击您创建的局部坐标系。

d)将矢量定义开关设置为vector。

e)将vector下的方向定义设置为z-axis。

f)单击add。

9.单击return两次以返回主菜单。

七、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Free_Shape3D_const。

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Free_Shape3D_const.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。

八、查看结果

按照前面描述的步骤，了解如何使用HyperView对结果（无约束的优化结果）进行后处理，并比较最终的形状变化和应力结果。

图15.

来源：TodayCAEer

著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载

首次发布时间：2025-04-16

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四、运行优化

五、查看结果

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