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OptiStruct：钢轨接头形状优化的降本之路

TodayCAEer
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形状优化要求您了解要在结构中更改的形状类型。这可能包括找到最佳形状以减少应力集中，以及改变截面以满足特定的设计要求。因此，您需要定义形状修改和节点移动以反映形状变化。形状优化需要使用DESVAR和DVGRID两个Card。可以使用HyperMorph定义它们。然后，这些卡片与目标函数和约束一起包含在OptiStruct输入文件中，以运行形状优化。
在本教程中，您将对轨道接头执行形状优化。导轨节点由壳单元组成，并具有一个Load Case。通过修改接头的形状以满足应力约束，同时最小化质量。
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-5040/rail_joint_original.zip

图1.轨道接头
本教程的优化问题表述为：
Objective：最小化质量。
Constraints：接头的最大von Mises应力< 200 MPa。
Designvariables：形状变量。

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rail_joint_original.hm文件。
3.单击Open。
 rail_joint_original.hm数据库被加载到当前的HyperMesh会话中，替换任何现有数据。

三、提交作业

1.在Analysis页面中，单击OptiStruct面板。
图2.访问OptiStruct面板
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rail_joint_original。
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analysis。
7.将内存选项切换设置为memory default。
8.单击OptiStruct启动OptiStruct作业。
如果作业成功，则新的结果文件应位于写入rail_joint_original.fem的目录中。rail_joint_original.out文件是查找错误消息的好地方，如果存在任何错误，这些错误消息可以帮助调试输入模型。

四、查看结果

HyperView是一个完整的后处理和可视化环境，适用于有限元分析（FEA）、多体系统仿真、视频和工程数据。
1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。
HyperView在HyperMesh Desktop中启动并加载结果文件。
2.在Results工具栏上，单击 以打开Contour面板。    
3.将结果类型设置为Element Stress[2D & 3D] （t）和von Mises。
4.单击Apply。
记下接头的最大von Mises应力。
图3.初始设计的von Mises应力
5.在Page Controls工具栏中，单击 以删除HyperView客户端中的页面。
您现在应该位于HyperMesh客户端的第1 页。
6.单击return退出面板。

五、设置模型

5.1显示节点ID
1.在Tool页面中，单击numbers面板。
2.单击nodes by sets。
3.选择node set。
4.单击select。
此时将突出显示16个节点。
5.单击on以显示节点ID。
6.单击return。
5.2在Rail上构建2D domain
1.在Model Browser的component文件夹中，右键单击PSHELL，然后从上下文菜单中选择Isolate。
为了便于可视化，除PSHELL之外的所有component都处于关闭状态。    
2.在Analysis页面中，单击optimization面板。
3.单击HyperMorph面板。
4.单击domains面板。
5.编辑分区设置。
a)选择partitioning子面板。
b)对于domain angle =，输入50。
c)对于curve tolerance =，输入8.0000。
6.创建domain。
a)选择create子面板。
b)从全局domain切换到2D domain。
c)将所有Element切换到elems。
d)单击elems>by sets。
e)选择rail_set1和rail_set2，然后单击select。
f)单击create。
图4.Rail domain
5.3围绕栏杆开口分割圆形边domain
在此步骤中，您需要将两个圆形domain分别拆分为四个弯曲的边缘domain。
1.选择edit edges子面板。
2.将顶部选择器设置为split。
3.分割第一个圆形edge-domain。    
a)使用domain选择器，选择通过节点1300、1305、1311 和1316 的圆形边缘domain。
b)使用节点选择器，选择节点1311。
c)单击split。
在节点1311 处分割圆形domain，并在节点1311 处创建新控点。
d)使用domain选择器，选择节点1311 和另一个控点之间的圆形边。
e)使用节点选择器，选择节点1316。
f)单击split。
g)分别在节点1305 和1300 处分割弯曲的边。
4.使用导轨另一侧的四个节点分割圆形domain。
a)使用domain选择器，选择通过节点931、926、937 和942 的圆形边缘domain。
b)使用节点选择器，选择节点931。
c)单击split。
d)使用domain选择器，选择节点931 和另一个控点之间的圆形边。
e)使用节点选择器，选择节点926。
f)单击split。
g)分别在节点937 和942 处分割弯曲的边。
图5.分割圆形边之后的Rail domain
5.4合并边缘domain
轨道上的每个圆形domain都在四个节点处被分割，并且每个圆形domain都添加了四个新控点。此操作会在轨道上的每条圆形边上产生五个弯曲的边domain。目标是只有四个domain。在此步骤中，您将合并domain。
1.在edit edges子面板中，从split切换到merge。
2.合并节点926 和924 之间的domain。
a)使用domain选择器，选择从节点926 到预先存在的控点的外部红色曲线。
b)从预先存在的控标到节点942 中选择外部红色曲线。
c)取消选中retain handles。
d)单击merge。
将删除预先存在的handle。
3.合并节点1316 和1300 之间的domain。
图6.合并几个domain后的Rail domain
5.5在Tube上构建2D domain
1.在Model Browser的Component文件夹中，右键单击PSHELL.1，然后从上下文菜单中选择Show。
2.在domains面板中，选择create子面板。
3.将顶部选择器设置为2D domains。  
4.为Element集elem_set1 创建一个domain。
a)单击elems>by sets。
b)选择elem_set1，然后单击select。
c)单击create。
5.为集合elem_set2、elem_set3 和elem_set4 中的Element再创建三个2D domain。
6.单击return并返回到HyperMorph模块。
图7.Rail和Tube Joint上的domain
5.6创建shape
在此步骤中，您将使用创建的domain和手柄创建shape。
1.单击morph面板。
2.修改第一个shape的选定边缘domain的曲率。
a)选择alter dimensions子面板。
更改维度子面板可用于修改所选边缘domain的曲率。
b)将第一个开关设置为curve ratio。
c)将中心计算设置为by edges。
d)在edges only： domains选择器下，将开关设置为hold ends。
保持所选边缘domain的两端允许更改所选边缘的曲率，而不改变其端点。
e)将其他设置保留为默认值。
f)使用domains选择器，选择红色的edge-domains。
Tip：您可能需要放大以方便选择操作。
总共选择了八个边缘domain，并突出显示。    
图8.Morph edge Domains
g)在curve ratio = 中输入20。
h)单击morph。
新的曲率将应用于选定的8 个Edge domain。
3.保存shape sh1。
a)选择save Shape子面板。
b)在shape= 字段中，输入sh1。
c)将作为手柄perturbation切换到as Node perturbation。
d)单击color并更改形状矢量的颜色或保留默认颜色。
e)单击save。

将创建选定颜色的形状矢量（箭头）。    

图9.形状变量，sh1。
4.单击undo all准备生成下一个形状。
5.在Model Browser中，右键单击Shape，然后从上下文菜单中选择Hide。
6.选择alter dimensions子面板。
7.在domain选择器旁边，单击 以重置并删除之前的任何选择。
8.修改第一个形状的选定边缘domain的曲率。
a)使用domains选择器，选择红色边缘曲线。
图10.Morph Edge Domains For The Second Shape
b)单击morph。    
新的曲率将应用于选定的8 个Edge domain。
9.保存形状sh2。
a)选择save Shape子面板。
b)在shape= 字段中，输入sh2。
c)将作为手柄perturbation切换到as node perturbation。
d)单击color并更改形状矢量的颜色或保留默认颜色。
e)单击save。
图11.形状变量（Shape Variable），sh2
10.单击undo all准备生成下一个形状。
11.在Model Browser中，右键单击Shape，然后从上下文菜单中选择Hide。
12.将新形状创建为现有形状的线性组合。
a)选择apply shapes子面板。
b)使用形状选择器，选择sh1和sh2。
c)在multiplier= 字段中，输入1.0。
d)单击apply。
13.保存形状sh3。
a)选择save Shape子面板。
b)在shape= 字段中，输入sh3。
c)将as node perturbation切换为as handle perturbation。
d)单击color并更改形状矢量的颜色或保留默认颜色。
e)单击save。
新形状sh3 包括来自sh1 和sh2 Shape的影响。    
图12.形状变量，sh3。此形状变量将管子转换为方形横截面。
注意：
14.此时不要点击Undo All，因为会基于这第三个形状变化再创建一个形状。
15.在Model Browser中，右键单击Shape，然后从上下文菜单中选择Hide。
16.在Model Browser的Component文件夹中，右键单击PSHELL，然后单击上下文菜单中的Hide。
为了便于可视化，该component已关闭。
17.修改第一个形状的选定边缘domain的曲率。
a)选择alter dimensions子面板。
b)在domain选择器旁边，单击 以重置并删除之前的任何选择。
c)将顶部选择器从曲线比率切换到distance。
此功能允许您缩短所选domain之间的距离。
d)将end a设置为nodes并处理。
e)使用节点a和节点b选择器，选择图13 中指示的节点。    
图13.
选择节点a和b后，将自动测量节点a和节点b之间的距离，并显示在distance = field中。节点a和节点b之间的距离约为43。
f)在followers （end a） 下，使用手柄选择器选择图13 中向下箭头所示的8 个手柄。
g)在从动件（端b）下，使用手柄选择器选择管子相对面附近的八个手柄。
h)将底部选择器设置为hold middle。
这些component处于打开状态，以便于可视化。
i)在distance= 字段中，输入20。
j)单击morph。
接头将出现一个矩形形状。
18.保存形状sh4。
a)选择save Shape子面板。
b)在shape= 字段中，输入sh4。
c)将作为手柄perturbation切换到as node perturbation。
d)单击color并更改形状矢量的颜色或保留默认颜色。
e)单击save。    
图14.形状变量，sh4
19.单击undo all将网格恢复到基准配置。
20.在Model Browser中，右键单击Shape，然后从上下文菜单中选择Hide。
21.单击return三次以转到主菜单。

六、设置优化

6               
6.1定义形状设计变量并查看动画
1.在Analysis页面中，单击optimization面板。
2.单击shape面板。
3.选择desvar和create子面板。
4.将单个desvar设置为multiple desvars。
5.创建形状设计变量。
a)使用形状选择器，选择sh1、sh2、sh3和sh4。
b)在initial value = 字段中，输入0.0。
c)在lower bound = 字段中，输入-1.0。
d)在upper bound = 字段中，输入1.0。
e)单击create。
将创建四个具有相同初始值、下限和上限的设计变量。HyperMesh会自动将设计变量分别链接到每个形状，并为每个设计变量分配与其关联形状相同的名称。    
6.为形状添加动画效果。
a)单击animate。
b)单击simulation=并选择SHAPE-sh1（1）。
c)将data type= 设置为Perturbation vector。
d)单击modal。
e)单击next，然后单击animate以查看下一个形状变量，依此类推。
7.单击return三次以返回Optimization面板。
6.2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PSHELL.1。
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。
5.单击return返回Optimization面板。
6.3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。
6.4创建设计约束
1.单击dconstraints面板。
2.在constraint= 字段中，输入con。
3.单击response =并选择Stress。    
4.选中upper bound旁边的框，然后输入200。
5.使用loadsteps选择器，选择STEP。
6.单击create。
7.单击return返回Optimization面板。
6.5定义用于形状优化的控制卡
如果未定义此控制卡，则质量检查将终止优化，并且不会获得收敛结果。
1.在Analysis页面中，单击control cards面板。
2.在Card Image对话框中，单击PARAM。
3.选择CHECKEL。
4.将CHECKEL_V1 设置为NO。
5.单击return两次。

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rail_joint_opt。
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rail_joint_opt.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

7               
8               
8.1查看形状优化结果
1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。    
HyperView将启动并加载结果。此时将显示一个消息窗口，告知模型和结果文件已成功加载到HyperView中。
2.在Results工具栏上，单击 以打开Contour面板。
3.将Result type设置为Shape Change [v]和mag。
Shape Change [v] 应该是rail_joint_opt_des.h3d文件中唯一的结果类型。
4.单击Apply。
将显示形状更改。云图全部为蓝色，因为您的结果位于第一个设计步骤或迭代0 上。
5.在Results Browser中，选择最后一次迭代。
为模型的每个Element分配一个图例颜色，指示所选迭代的每个Element的密度。形状优化结果将应用于模型。
图15.
图16.形状变化聚合（缩放2x）
8.2查看应力的云图
1.在应用程序的右上角，单击 以进入第2 页。    
2.在Results工具栏上，单击 以打开Contour面板。
3.将结果类型设置为Element Stress[2D & 3D] [t]和von Mises。
4.在Results Browser中，选择最后一次迭代。
5.单击Apply。
应力云图显示在应用于模型的形状更改的顶部。验证此值是否在指定的约束值附近。
图17.最后一次迭代的von Mises应力（最大值< 200 MPa）
8.3查看结果
您的设计目标是最小化获得的体积吗？如果没有，您能解释一下原因吗？
您的设计约束是否得到满足？
哪个形状在这个问题设置中影响最大？
柔度降低的百分比是多少？
是否可以在接头中引入尺寸优化？
 


来源：TodayCAEer
OptiStructHyperMeshHyperViewSTEPS形状优化系统仿真ADS控制
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：2025-04-30
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