支架的一阶模态频率是指支架在自由振动条件下的最低固有频率，这个频率是支架结构的动力特性之一，不受外力载荷的影响。提升支架的一阶模态频率对于确保结构的稳定性和可靠性至关重要，原因如下：

1、避免共振：如果支架的固有频率与外部激励（如发动机振动、路面不平等因素）的频率接近或重合，就会发生共振现象。共振会导致支架产生过大的振动和噪声，甚至可能引起结构的破坏。通过提升一阶模态频率，可以确保支架的固有频率远离这些激励源的频率范围，从而避免共振的发生。

2、提高结构稳定性：一阶模态频率是支架结构的最低振动频率，提升这个频率可以增加结构的刚度，减少在正常工作条件下的振动幅度，提高结构的稳定性和使用寿命。

3、降低噪声和振动：提升一阶模态频率有助于降低由于振动引起的噪声和不适感，这对于提高乘客的舒适度和设备的可靠性非常重要。

4、设计优化：通过模态分析，可以确定支架的薄弱部位，并进行针对性的加强，以提高支架的整体性能。模态分析结果可以为悬置支架的设计优化提供重要依据，例如，如果发现某个方向上的固有频率过低，可以通过增加支架的刚度、改变结构形状或材料等方式来提高固有频率。

本篇文章通过形貌优化在支架上合理添加加强筋，提升其一阶频率性能，从而提高其结构刚度和强度，优化材料使用，降低成本，并改善制造工艺。

提升一阶模态频率的好处包括：

1、提高安全性：避免共振可以减少由于过大振动引起的结构破坏风险，从而提高整个系统的安全性。

2、延长使用寿命：减少振动和噪声可以降低材料疲劳，延长支架的使用寿命。

3、提升乘坐舒适性：对于汽车等交通工具来说，降低振动和噪声可以提升乘客的乘坐舒适性。

4、满足设计标准：在某些应用中，如汽车发动机悬置支架，一阶固有频率需大于特定的值（如大于600Hz）以满足设计标准。

在本教程中，您将对使用通过集中质量建模的L型支架执行形貌优化。

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-3010/Lbkttopog.zip

支架使用shell单元进行建模。目标是通过在支架中引入起筋或冲压结构来最大化一阶频率。这可以通过使用形貌优化来实现。孔周围的区域被指定为不可设计，而支架的大部分可用于开发加劲筋。

图1.L型支架布局

本教程的优化问题表述为：

Objective：最大化一阶频率。

Constraints：起筋尺寸和布局。

Design variables：垂直于壳中面的节点的扰动。

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Lbkttopog.hm文件。

3.单击Open。

Lbkttopog.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定义形貌设计变量

对于形貌优化，需要定义设计空间和定义起筋。

在此步骤中，将使用拉延筋宽度为15 mm、拉延筋高度为5 mm和拔模角度为85 度的值。拉延筋图案的对称性应沿设计空间的对称线强制。

1.在Analysis页面中，单击optimization面板。

2.单击topography面板。

3.创建形貌优化设计空间定义。

a)选择create子面板。

b)在desvar= 字段中，输入topo。

c)使用props选择器，选择design。

d)单击create。

已创建形貌优化设计空间定义topo。organization到设计Component中的所有Element现在都包含在设计空间中。

4.为设计空间形貌创建定义起筋。

a)选择bead params子面板。

b)验证desvar = 字段是否设置为topo，这是新创建的设计空间的名称。

c)在minimum width= 字段中，输入15.0。

此参数控制模型中起筋的宽度。建议的值介于平均单元宽度的1.5 到2.5 倍之间。

d)在draw angle= 字段中，输入85.0（这是默认值）。

此参数控制起筋侧面的角度。建议的值介于60 到75 度之间。

e)在起筋高度= 中，输入5.0。

此参数设置要绘制的起筋的最大高度。

f)选择buffer zone。

此参数在设计域中的Element和设计域外的Element之间建立缓冲区。

g)将拉伸方向切换为normal切换为elements。

此参数定义形状变量的创建方向。

h)将边界跳转到load和spc。

这会告诉OptiStruct将应用载荷或约束的节点保留在设计空间之外。

i)单击update。

已为设计空间topo创建定义起筋。根据这些信息，OptiStruct将在整个设计变量域中自动生成起筋变量定义。

6.添加模式组约束。

a)选择pattern grouping子面板。

b)单击desvar =并选择topo。

c)将pattern type设置为1-pln sym。

d)单击anchor node，然后在id= 字段中输入337。

e)单击first node，然后在id= 字段中输入613。

f)单击update。

7.更新Design variables的边界。

a)选择bounds子面板。

b)验证desvar=字段是否设置为topo，这是设计空间的名称。

c)在Upper Bound= 字段中，输入1.0。

控制网格移动的变量的上限（Real > LB，默认值= 1.0）。这会将网格移动的上限设置为UB*HGT。

d)在Lower Bound= 字段中，输入0.0。

e)单击update。

上限将网格移动的上限设置为等于UB*HGT，下限将网格移动的下限设置为等于LB*HGT。

8.单击return转到优化面板。

3.2创建优化响应

1.在Analysis页面中，单击optimization。

2.单击Responses。

3.创建频率响应。

a)在responses= 字段中，输入FREQ。

b)在响应类型下方，选择frequency。

c)对于Mode Number ，输入1.0。

d)单击create。

响应FREQ是针对提取的第一模态的频率定义的。

4.单击return返回Optimization面板。

3.3定义目标函数

1.单击objective面板。

2.验证是否选择了max。

3.单击response并选择FREQ。

4.使用loadsteps选择器，选择STEP。

5.单击create。

6.单击return两次以退出Optimization面板。

四、保存数据库

1.在菜单栏中，单击File>Save As>Model。

2.在Save As对话框中，输入Lbkttopog.hm作为文件名，并将其保存到您的工作目录中。

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，并在文件名中输入Lbkttopog。

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。文件Lbkttopog.out可以在文本编辑器中打开，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：

Lbkttopog.hgdata

HyperGraph文件，包含目标函数的数据、百分比约束冲突和每次迭代的约束。

Lbkttopog.hist

包含目标函数和冲突最严重约束的迭代历程的OptiStruct迭代历程文件。可用于迭代历程的xy图。

Lbkttopog.html

HTML优化报告，给出问题表述和最终迭代结果的摘要。

Lbkttopog.us

OSSmooth文件，默认密度阈值为0.3。您可以编辑文件中的参数以获得所需的结果。

Lbkttopog.out

OptiStruct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Lbkttopog.fem文件时标记的警告和错误。

Lbkttopog.sh

Shape文件进行最终迭代。它包含分析中每个单元的材料密度、空隙尺寸参数和空心方向角。此文件可用于重新启动运行。

Lbkttopog.stat

包含有关用于完整运行的CPU时间的信息，以及用于读取输入模型、装配、分析、收敛等的CPU时间的分解。

Lbkttopog_des.h3d

包含优化结果的HyperView二进制文件。

Lbkttopog_s#.h3d

包含线性static分析的HyperView二进制结果文件，依此类推。

Lbkttopog.grid

一个OptiStruct文件，其中写入扰动网格数据。

六、查看结果

形状云图信息从OptiStruct输出所有迭代。此外，默认情况下，将输出第一次和最后一次迭代的特征向量结果。本节介绍如何在HyperView中查看这些结果。

6.1查看形状云图，并更改为瞬态动画

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

HyperView在HyperMesh Desktop中启动并加载Lbkttopog_des.h3d文件。

2.在Animation工具栏上，将动画模式设置为Transient。

图2.

3.单击以启动动画。

4.单击以打开Animation Controls面板。

5.移动Max Frame Rate滑块以调整动画速度。

6.2查看优化的频率差

1.在应用程序的顶部右侧，单击以继续第3 页，其中包含第一次和最后一次迭代的结果。

2.在Results Browser中，选择第一次迭代（Iteration 0）。

从分析中请求的所有模式的频率都显示在Subcase下拉列表中。

图3.迭代0 的第一个模式的频率

查看最后一次迭代的频率值。经观察，第一次和最后一次迭代的第一模式的频率分别从48 Hz左右变为93 Hz左右。

图4.迭代12 的第一种模式的频率

6.3应用优化的形貌

1.在应用程序的顶部右侧，单击以返回Design History页面（第2 页）。

2.在Animation工具栏上，单击以将Current time设置为最后一步。

图5.形貌结果

来源：TodayCAEer

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