形貌优化的定义：

形貌优化是一种在给定边界条件下改善结构性能的方法，特别适用于薄壁结构的优化，比如本篇文章将介绍的，提高防溅罩的模态频率。在边界条件确定的情况下，可以通过以下步骤进行形貌优化：

1. 定义设计变量：首先需要定义哪些节点可以移动，以及移动相关的参数，例如起筋的拔模角、筋的高度和宽度等。

2. 创建响应：为目标定义一个响应，例如在防溅罩的情况下，可能是提高结构的模态频率或减少特定载荷下的位移。

3. 定义设计约束：设置优化过程中需要满足的约束条件，如模态频率的最小值或最大位移限制。

4. 定义优化目标：选择优化目标，比如最小化结构重量或最大化模态频率。

5. 进行优化分析：使用OptiStruct进行优化分析时，工具会根据定义的设计变量、响应、约束和目标进行迭代计算，直到找到最优解。

6. 结果验证：优化后，需要对结果进行验证，确保优化结构满足所有设计要求。

此外，形貌优化还可以与其他优化技术结合使用，如拓扑优化和尺寸优化，后续会为大家介绍到应用案例，拓扑优化与形貌优化的结合，在祛除材料的同时完成起筋，以实现更全面的结构性能提升。通过形貌优化，可以在不增加材料厚度的情况下，通过改变结构的形状来提高其性能，这在汽车工业和其他需要轻量化设计领域中尤为重要。

在本教程中，您将为汽车防溅罩生成的加筋特征进行初步设计。目标是使用形貌优化来确定可设计区域中筋的位置，从而增加一阶模态的固有频率。

图1.有限元网格。有限元网格包含可设计（红色）和不可设计（蓝色）材料，本教程的优化三要素如下：

Objective：最大化一阶模态的频率。

Constraint：可设计空间的体积上限约束为40%。

Design Variables：设计空间中每个Element的密度。

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-2020/sshield_newdesign.zip

·http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-2020/sshield_opti.zip

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、导入模型

1.点击File>Import>Solver Deck。

导入选项卡将添加到您的选项卡菜单中。

2.对于File type ，选择OptiStruct。

3.选择文件图标。

此时将打开Select OptiStruct文件Browser。

4.选择保存到工作目录的sshield_opti.fem文件。

5.单击Open。

6.单击Import，然后单击Close以关闭Import选项卡。

三、创建载荷和边界条件

3.1创建约束Load Collector

1.在Model Browser中，右键单击并从上下文菜单中选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入constraints。

3.单击Color并从调色板中选择一种颜色。

4.将Card Image设置为None。

3.2创建EIGRL Load Step Input

1.在Model Browser中，右键单击并从上下文菜单中选择Create>Load Step Inputs。

2.对于Name ，输入EIGRL。

3.对于Config type ，选择Real Eigen value extaction。

4.对于Type，从下拉菜单中选择EIGRL。

Entity Editor将更新以显示EIGRL卡的字段。

5.对于V2，输入3000。

6.对于ND，输入2。

此Load Step Inputs定义了执行模态分析所需的数据，并指定求解器在0到3000 Hz的频率范围内计算前两阶模态。

图2.

3.3Create Constraints

在此步骤中，您将在螺栓位置创建约束。

1.在Model Browser的Load Collectors条目中，右键单击Constraints，然后从上下文菜单中选择Make Current。

2.在Analysis页面中，单击constraints。

3.选择Create子面板。

4.双击nodes并选择by id，然后在id= 字段中输入1075、1076。

5.约束所有dof。

选择到的dof将受到限制，而没有选择到的dof是自由的。dof1、2 和3 是x、y和z平移dof。dof4、5 和6 是x、y和z旋转dof。

6.单击create。

7.单击return转到主菜单。

现在创建了两个约束。约束对象（三角形）显示在所选节点处。数字123456 显示在约束符号旁边，表示所有dof均受约束。

3.4创建Load Step

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Step。

2.对于Name ，输入frequencies。

3.将Analysis type设置为normal modes。

4.定义SPC。

a)对于SPC，请单击Unspecified>Loadcol。

b)在Select Loadcol对话框中，选择constraints，然后单击OK。

5.定义METHOD（STRUCT）。

a)对于METHOD（STRUCT），单击Unspecified>Loadcol。

b)在Select Loadcol对话框中，选择EIGRL，然后单击OK。

6.单击输入字段（=），从load step inputs列表中选择EIGRL。

7.单击Create。

已创建一个OptiStruct Load Step，该步骤引用Load Collector spc中的约束和load step inputs EIGRL中的特征值提取数据。

8.单击return转到主菜单。

四、提交作业

1.在Analysis页面中，单击OptiStruct面板。

图3.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sshield_analysis。

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.清除options字段。

9.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sshield_analysis.fem的目录中。sshield_analysis.out文件是查找错误消息的好地方，如果存在任何错误，这些消息可以帮助调试输入模型。

写入目录的默认文件为：

sshield_analysis.html：HTML报告，提供问题表述和分析结果的摘要。

sshield_analysis.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、每次优化迭代的信息以及计算时间信息。查看此文件是否有警告和错误。

sshield_analysis.h3d：HyperView二进制结果文件。

sshield_analysis.res：HyperMesh二进制结果文件。

sshield_analysis.stat：Summary，提供分析过程中每个步骤的CPU信息。

sshield_analysis.mvw：HyperView超广角会话文件。

sshield_analysis_frames.html：HTML文件，用于使用Browser通过HyperView Player对.h3d进行后处理。它与_menu.html文件相关联。

sshield_analysis_menu.html：HTML文件，使用Browser通过HyperView Player对.h3d进行后处理。

五、查看结果

默认情况下，特征向量结果从OptiStruct输出，用于正则模态分析。本节介绍如何在HyperView中查看结果。

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

HyperView在HyperMesh Desktop的第2 页内启动，并显示sshield_analysis.mvw会话文件，该文件与sshield_analysis.h3d文件链接。

2.在Animation工具栏中，将动画模式设置为。

3.在ResultsBrowser中，单击Mode 1。

Browser显示计算在0 到3000Hz之间的前两个固有频率。

图4.

4.定义变形设置。

a)在Results工具栏中，单击以打开Deformed面板。

b)将Result type设置为Eigen mode （v）。

c)将Scale设置为Model units。

d)将Type设置为Uniform。

e)在Value字段中，输入10。

f)单击Apply。

5.为模型制作动画。

a)在Animation工具栏中，单击。

b)在60 和1 之间移动Max Frame Rate滑块以提高或减少动画速度。

Tip：你也可以更改Angular Increment的默认值来优化你的动画。

c)单击start以启动动画。

应该看到第一个频率的模式形状的动画。

d)单击stop可停止动画。

6.在Page Control工具栏上，单击Page Delete图标以删除HyperView页面。

图5.

六、设置优化

6.1创建Topology Design variables

1在Analysis页面中，单击optimization。

2单击topology。

3选择create子面板。

4在desvar= 字段中，输入shield。

5将type：设置为PSHELL。

6使用props选择器，选择design。

7对于基础厚度，输入0.300。

8单击create。

已创建优化设计空间定义shield。引用设计属性Collector的所有Element（organization到design Component中的Element）现在都包含在拓扑设计空间中。这些壳的厚度可以在0.300 （基础厚度）和PSHELL卡上的T字段定义的最大厚度之间变化。

本练习的目的是确定在可设计区域中定位筋的位置。因此，定义了非零基础厚度，即壳体的原始厚度。最大厚度（由PSHELL卡上的T字段定义）应为加强筋的允许深度。

目前，PSHELL卡上的T字段仍设置为0.300（原始外壳厚度）。您需要将其更改为1.0，以便通过拓扑优化可以获得最大高度为0.7 个单位的筋板。

9单击return。

10编辑设计属性的厚度。

a)在Model Browser的Properties文件夹中，点击design。

b)在Entity Editor的T字段中，输入1.000。

6.2创建优化响应

1在Analysis页面中，单击optimization。

2单击Responses。

3创建体积分数响应。

a)在responses=字段中，输入volfrac。

b)在响应类型下方，选择volumefrac。

c)将区域选择设置为total和no regionid。

d)单击create。

4创建频率响应。

a)在responses=字段中，输入freq1。

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freq1 定义为提取的第一阶模态的频率。

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max。

3单击response=并选择freq1。

4使用loadsteps选择器，选择frequencies。

5单击create。

6单击return两次以退出Optimization面板。

6.4定义约束

定义为objective的响应不能约束。在这种情况下，您无法约束响应freq1。需要为响应volfrac定义上限约束。

1单击dconstraints。

2在constraint= 字段中，输入volume_constr。

3选中upper bound旁边的框，然后输入0.40。

4单击response =并选择volfrac。

5单击create。

6单击return返回Optimization面板。

在响应volfrac上定义约束。约束是值为0.40 的上限。该约束适用于所有SUBCASE，因为volumefrac响应是全局响应。在此步骤中，您将允许拓扑优化使用它可以附带的ribsvconstr附带的volume。

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sshield_optimization。

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sshield_optimization.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。

写入run目录的默认文件包括：

sshield_optimization.mvw：HyperView会话文件。

sshield_optimization.HM.comp.cmf：HyperMesh命令文件，用于根据元件的密度结果值将元件组织成元件。此文件仅用于OptiStruct拓扑优化运行。

sshield_optimization.out：OptiStruct输出文件，包含有关文件设置、优化问题的设置、运行所需的RAM和磁盘空间量的估计、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sshield_optimization.fem文件时标记的警告和错误。

sshield_optimization.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。

sshield_optimization.hgdata：包含目标函数数据、百分比约束冲突和每次迭代的约束的HyperGraph文件。

sshield_optimization.oss：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。

sshield_optimization.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、汇编、分析、收敛等的CPU时间的分解。

sshield_optimization.his_data：包含迭代次数、目标函数值和每次迭代的约束违规百分比的OptiStruct历程文件。

sshield_optimization.HM.ent.cmf：HyperMesh命令文件，用于根据Element的密度结果值将Element组织成实体集。此文件仅用于OptiStruct拓扑优化运行。

sshield_optimization.html：HTML报告，给出问题表述和最终迭代结果的摘要。

sshield_optimization_frame.html：HTML文件，用于使用Browser通过HyperView Player对.h3d进行后处理。它与_menu.html文件相关联。

sshield_optimization_menu.html：HTML文件，用于使用Browser通过HyperView Player对.h3d进行后处理。

sshield_optimization_des。H3D：HyperView二进制结果文件，其中包含：拓扑优化的Density结果、形貌或形状优化的Shape结果以及尺寸和拓扑优化的Thickness结果。

sshield_optimization_s1。H3D：HyperView二进制结果文件，其中包含：线性static分析的位移结果、法则模式分析的单元应变能结果和线性static分析的应力结果等。

八、查看结果

通过壳单元的拓扑优化，所有迭代的Element Density和Element Thickness结果都从OptiStruct输出。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。

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

HyperView在HyperMesh Desktop中启动，并加载与sshield_optimization_des.h3d和sshield_optimization_s1.h3d link的会话文件sshield_optimization.mvw。

2.在Results工具栏中，单击以打开Contour面板。

3.将Result type：设置为Element Densities（s）。

4.单击Apply。

5.从Results Browser中，选择最后一个迭代。

图6.

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。

分析以下内容：

你的大多数单元收敛到接近1 或0 的密度？

如果有很多中等密度的Element，可能需要调整discrete参数。DISCRETE参数（在Optimization面板的Opti控制面板中设置）可用于将具有中等密度的Element推向1 或0，从而获得更离散的结构。

需要加固的区域的密度趋向于1.0。不需要加固的区域的密度趋向于0.0。

Is Max = 字段显示1.0e+00？

在这种情况下，是的。

如果不是，则优化进展得不够远。允许更多迭代和/或减少OBJTOL参数（在Opti控制面板中设置）。

如果调整DISCRETE参数、合并棋盘格控件、优化网格和/或减小目标容差没有产生更离散的解决方案（没有一个单元的密度值达到1.0），则可能需要查看优化问题的设置。对于给定的目标函数，可能无法实现某些定义的约束（反之亦然）。

图7.迭代6 时单元密度的云图（顶视图）

6.Where你会放你的筋板吗？

7.在页面控制工具栏上，单击Page Delete图标以删除HyperView页面。

图8.

九、设置最终的模态分析

根据上面获得的拓扑结果，向模型中添加了大量筋板。新设计sshield_newdesign.fem （包括这些筋条）可以在保存到工作目录中的文件中找到。

9.1删除当前模型

1.在HyperMesh中，单击return退出OptiStruct面板。

2.在菜单栏中，单击File>New>Model。

3.单击Yes以清除当前会话。

删除当前模型将清除当前HyperMesh数据库。存储在磁盘上的.hm文件中的信息不受影响。

9.2导入模型

1.点击File>Import>Solver Deck。

导入选项卡将添加到您的选项卡菜单中。

2.对于File type ，选择OptiStruct。

3.选择文件图标。

此时将打开Select OptiStruct文件Browser。

4.选择保存到工作目录的sshield_newdesign.fem文件。

5.单击Open。

6.单击Import，然后单击Close以关闭Import选项卡。

十、提交作业

1.在Analysis页面中，单击OptiStruct面板。

图9.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sshield_newdesign。

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.清除options字段。

9.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sshield_newdesign.fem的目录中。sshield_newdesign.out文件是查找错误消息的好地方，如果存在任何错误，这些消息可以帮助调试输入模型。

写入目录的默认文件为：

sshield_newdesign.html：HTML分析报告，提供问题表述和分析结果的摘要。

sshield_newdesign.out：OptiStruct输出文件，包含有关文件设置、优化问题的设置、运行所需的RAM和磁盘空间量的估计值、每次优化迭代的信息以及计算时间信息的特定信息。查看此文件是否有警告和错误。

sshield_newdesign.h3d：HyperView二进制结果文件。

sshield_newdesign.res：HyperMesh二进制结果文件。

sshield_newdesign.stat：Summary，提供分析过程中每个步骤的CPU信息。

sshield_newdesign.mvw：HyperView会话文件。

sshield_newdesign_frames.html：HTML文件，用于通过Browser通过HyperView Player对.h3d进行后处理。它与_menu.html文件相关联。

sshield_newdesign_menu.html：HTML文件，使用Browser通过HyperView Player对.h3d进行后处理。

十一、查看结果

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

这将在HyperMesh Desktop中启动HyperView并加载与文件sshield_newdesign.h3d link的sshield_newdesign.mvw文件。

2.将动画模式设置为。

3.在Results Browser中，选择Mode 1。

4.单击以打开Defomed面板。

5.在Deformed面板中进行或验证以下设置。

Result Type：Eigen mode (v)

Scale：Model Units

Type：Uniform

Value：10

6.单击Apply。

7.单击以启动动画。

应该看到第一个频率的模式形状的动画。

8.再次单击可停止动画。

十二、比较结果

您的第一阶模态（sshield_analysis.fem与sshield_newdesign）的频率增加百分比是多少？

您已经看到，第一种模式的结构频率已从43.63 Hz增加到84.88 Hz。

零件增加了多少质量（在工具页面的质量计算面板中检查加强筋的质量）？

质量增加的百分比是多少？

来源：TodayCAEer