HyperWorks 常见问题解答（优化问题设置3）

本文摘要（由AI生成）：在上述问题中，我们可以看到涉及到结构优化和分析的多个方面，包括集中力载荷与强制位移的区别、初始材料比的设定、优化类型的联合使用、拓扑优化与分析结果的差异、优化迭代历程的跟踪、屈曲约束条件的设置、刚体模态的输出以及形貌优化中响应的选择等。下面我将对这些问题进行详细的解答和分析。

问题21：集中力载荷与强制位移的区别

集中力载荷和强制位移是两种不同的加载方式，它们在结构分析和优化中有着不同的应用和影响。集中力载荷是指在结构的某一点上施加的力，这种方式更侧重于评估结构在特定载荷下的响应，如应力和变形。而强制位移则是在结构的某一点或多点施加位移，这种方式更侧重于评估结构的刚度和柔度。 在进行结构优化时，我们的目标通常是提高结构的刚度，即减少在给定载荷下的变形。因此，在使用集中力载荷的情况下，我们会尝试最小化柔度，即减少结构的变形。而在强制位移的情况下，我们则需要增加结构的反作用力来提高刚度，这通常意味着需要最大化柔度。

问题22：OptiStruct初始材料比的设定

在OptiStruct进行优化时，初始材料比是一个重要的参数，它影响着优化过程的开始和结果。如果目标函数是最小化体积或质量，初始材料比默认设为0.9。如果有质量或体积约束，初始材料比会根据约束条件进行调整。如果没有相关的目标函数或约束条件，初始材料比则默认为0.6。这些设置都是为了确保优化过程能够有效开始，并逐步逼近最优解。

问题23：如何将初始材料比设置为1.0

用户可以通过在DOPTPRM卡片中设置MATINT参数为1.0来改变OptiStruct在第一步迭代时的初始材料比。这个设置可能会导致优化过程的初始状态与默认状态有所不同，因此需要根据具体的优化目标和约束条件来决定是否使用这个设置。

问题24：联合使用多种优化类型

OptiStruct允许用户联合使用多种优化类型，如尺寸优化、形状优化和形貌优化等。在实际应用中，建议用户首先分别对模型使用各种优化方法，以便更好地理解每种方法的影响。然后，可以在HyperMesh的Optimization菜单中独立选择和设置各种优化手段，OptiStruct会自动将它们联合起来进行优化迭代。

问题25：拓扑优化与分析结果的差异

在进行拓扑优化时，初始迭代的结果可能与仅进行分析时的结果有所不同。这主要是因为设计空间材料密度的设置不同。在分析中，材料密度通常被设定为1.0，而在拓扑优化中，初始材料密度会根据优化问题的设置而有所不同。这种差异可能会导致优化结果在初始迭代时与分析结果存在差异。

问题26：跟踪监测优化迭代历程

OptiStruct提供了迭代历史文件（.hgdata），用户可以使用HyperGraph工具打开这个文件，动态监测优化迭代过程中的目标函数、设计变量、设计约束等信息。这有助于用户了解优化过程的进展，并根据实时数据调整优化策略。

问题27：增加屈曲约束条件的问题

在拓扑优化中增加屈曲约束条件是有挑战性的。当设计空间中的某些部分的材料密度逼近0时，可能会导致结构不稳定问题。此外，低密度材料对结构稳定性的影响很大，但对刚度贡献有限。因此，在优化问题中使用屈曲约束应谨慎，并通常只适用于初始厚度不为0的壳单元结构。

问题28：输出刚体模态

要在OptiStruct中输出刚体模态，可以在输入文件的I/O Options中添加OSDIAG,46,1命令。这将允许用户识别和分析结构的刚体运动，对于理解和改进结构的动态特性很有帮助。

问题29：形貌优化中的体积/质量响应

虽然理论上体积/质量响应可以用于形貌优化，但实际上这种响应在形貌优化中表现出极低的敏感性。因此，建议用户在进行形貌优化时，避免使用体积/质量作为优化响应。

问题30：合并不同工况中的同种类型响应

在OptiStruct中，可以通过DEQATN卡片合并不同工况中的同种类型响应。结合DRESP2和DRESP1L卡片，用户可以创建复杂的响应组合，以满足特定的优化目标和约束条件。

通过上述分析，我们可以看到OptiStruct提供了丰富的优化工具和功能，用户可以根据自己的需求和目标，灵活地选择和组合这些工具，以达到最佳的优化效果。同时，了解和掌握这些工具的使用方法和原则，对于提高优化效率和质量至关重要。

问题21：使用集中力载荷（force）和强制位移（prescibeddisplacement）有什么区别？

解答：为了增加结构的刚度，可以使用的方法有：

（1）在给定集中力载荷的情况下，最小化柔度。

（2）在强制位移的情况下，最大化柔度。柔度的定义为：Compliance ~ Force •  Displacement。

当使用强制位移方法时，其反作用力必须增加以增加结构的刚度，则意味着柔度必须最大化。当使用集中力方法时，刚度越好的结构意味着其变形越小，为了达到这一目的，则意味着柔度必须最小化。

问题22：在 OptiStruct进行第一步迭代（iteration0）的时候，其初始材料比（materialfraction）是多少？

解答：如果优化问题设置的目标函数是最小化体积或者最小化质量，OptiStruct在默认情况下，会将初始材料比设置为 0.9。如果在优化问题的设置中增加了质量约束或者体积约束，那么OptiStruct 在初始迭代时会将材料比设置为质量/体积约束的边界值。如果在优化问题中，既没有设置质量/体积响应作为目标函数，也没有将质量/体积响应作为设计约束条件，那么初始材料比将被默认设定为0.6。

问题23：在 OptiStruct进行第一步迭代（iteration 0）的时候，如何将初始材料比设置为 1.0？

解答：用户可以通过 DOPTPRM卡片中的 MATINT 参数，将第一步迭代时的初始材料比设置为 1.0。

问题24：我是否可以将多种优化类型联合使用？例如尺寸优化+形状优化，或者尺寸优化+形貌优化。

解答：完全可以。在 OptiStruct中，任何类型的优化都是可以被联合使用的。但是我们建议用户在实际运用时，在联合使用各类优化迭代方法之前，首先对待优化的模型分别单独使用各种优化方式，并观察其结果。这可以帮助您更好的理解各类优化类型及其结果对模型最终性能的影响，并帮助您做出更好的决策，选择哪些优化方式，并如何联合使用这些优化方式。如果您希望联合使用各种优化手段，那么只需要在 HyperMesh 前处理界面中，进入 Optimization菜单中，分别独立的选择各种优化手段（拓扑，尺寸，形貌……），完成各自的设计变量，设计约束定义。在递交求解的过程中，OptiStruct 会自动将这些优化手段联合起来，并开始进行优化迭代。在 OptiStruct 在线帮助文档中，有若干联合使用各类优化方法的例子，可以帮助您更好的了解这一工具。

问题25：在进行拓扑优化时，为什么使用 OptiStruct进行优化求解时，在初始迭代（iteration0）时得到的结果和仅仅使用 ANALYSIS功能时得到的结果有一定的差异？

解答：二者的结果都是正确的。造成这一差异的主要原因是由设计空间材料密度（designspace material density，材料比，又称material fraction。注意：该概念需要与描述材料性能中的材料物理密度相区别）设置与仅仅进行 ANALYSIS 时的密度有差别的。在仅仅进行 ANALYSIS分析时，设计空间材料密度被强制设定为 1.0。而在拓扑优化的第一步迭代（iteration 0）时，设计空间材料密度则取决于优化问题的设置而有所不同（初始设计空间材料密度<1），除非用户在 DOPTPRM 卡片中，将 MATINIT参数设置为 1.0。因此，仅仅使用 ANALYSIS卡片和拓扑优化初始迭代（iteration 0）时得到的结果会有一定的差异。在拓扑优化中，如果将质量/体积响应作为目标函数，则初始设计空间材料密度将被置为 0.9；如果将质量/体积响应作为设计约束条件，那么初始设计空间材料密度将被置为设计约束条件的边界值；如果质量/体积响应既没有作为设计目标函数，也没有作为设计约束条件出现，那么初始设计空间材料密度将被置为0.6。

问题26：如何在 OptiStruct进行迭代时，跟踪监测优化迭代历程？

解答：在OptiStruct 正在进行优化迭代时，您可以通过 AltairHyperWorks 中强大的时间历程后处理工具 HyperGraph，打开优化工作目录下的迭代历史文件（iteration historyfile）.hgdata，然后可以动态的监测包括目标函数，设计变量，设计约束条件等与优化迭代相关的各类信息。在 Edit Curves 中点击 Apply按钮，曲线将被实时更新。

问题 27：能否在拓扑优化或自由尺寸优化中，增加屈曲约束条件？

解答：在进行拓扑优化时设置屈曲约束条件有以下问题：

（1）与在拓扑优化中通过响应函数施加应力约束条件类似，在拓扑优化中，增加屈曲约束条件也是有其局限性的。在结构中的某些部分消失时，并不存在结构不稳定问题。当设计空间中的某些部分的密度突然发生改变，并逼近 0 时，容易导致拓扑奇异问题（singular  topology）。基于梯度法的优化算法很难对这种问题做出有效的响应。例如，考察某一中间开口的平板结构，该结构是否出现失稳现象的关键是开口附近区域的材料分布状态。为了增强结构的稳定性，优化流程通常会尝试在开口区域附近增加材料，而不是去除材料以在开口区域获得更好的形态。这种现象阻止了优化引擎在该结构上寻找有意义的拓扑/形状。

（2）低密度材料（材料空间分布密度，非材料物理密度）对结构的刚度贡献是非常有限的，但是此类材料对结构稳定性却往往有非常大的影响，会对结构最大屈曲载荷有很显著的改变。很多时候，仅仅增加一小团块低密度材料，都会显著改变结构的屈曲性能。

（3）低密度材料区域的屈曲模态对整个结构而言是没有意义的。如何从优化结果中滤除这些屈曲模态，并用于结构稳定性分析是很有挑战性的综上所述，在优化问题中使用屈曲约束能且仅能使用在下面这种情况：即初始厚度不为0的壳单元结构。

问题28：如何输出模型的刚体模态（Rigid BodyModes）？

解答：为了输出刚体模态，只需要在 OptiStruct Input Deck 的I/O Options 中添加命令 OSDIAG,46,1即可。

问题29：在形貌优化中，是否可以使用体积/质量作为响应？

解答：理论上讲，体积/质量响应是可以应用在各类优化场合的。但是，在形貌优化中，最终的优化结果对体积/质量响应体现出及其的不敏感性。因此，我们建议客户尽量避免在形貌优化中使用体积/质量进行响应。

问题30：是否可以将源自不同工况（Loadstep）中的同种类型响应（Response）进行合并？

解答：可以。在OptiStruct 中，是通过联合使用 DEQATN 卡片，DRESP2 卡片以及DRESP1L 卡片实现的。其中，DEQATN 卡片用于合并一系列已有的响应。

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