HyperWorks常見問題解答（優化問題設置2）

2016-09-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

問題 11:常用的拓撲優化目標函數與設計約束條件有哪些?

解答:以下是一些常用的拓撲優化目標函數與設計約束條件的組合,用戶可以根據工程問題的需要,酌情選用:

(1)目標函數:最小化柔度(全局/局部/加權)設計約束:(全局/局部)質量比/體積比

(2)目標函數:最小化質量比/體積比(全局/局部)設計約束:位移約束

(3)目標函數:最大化頻率(加權)設計約束:(全局/局部)質量比/體積比(4)目標函數:最小化質量比/體積比(全局/局部)設計約束:固有頻率

(5)目標函數:最小化加權柔度及頻率設計約束:(全局/局部)質量比/體積比

(6)最小化質量比/體積比(全局/局部)設計約束:應力約束

問題 12:拓撲優化是否對網格尺寸有特定的要求?

解答:基于密度法的拓撲優化結果,其結果必然與網格尺度相關。較為精細的網格會帶來更為可靠的優化結果。此外,巨大的網格會導致棋盤格現象(checkerboardding,即密度值在單元間急劇下降過渡)。較高的網格密度,使用二階單元,以及通過最小成員尺寸控制(minimum member size control)可以有效地防止棋盤格現象的發生。

問題 13:體積比響應(volumefrac response)和體積響應(volume response)的區別是什么?

解答:體積比響應指材料占可設計區域(designable material volume)的比例;體積響應指材料占整體體積(包括可設計區域和不可設計區域)的比例。

問題 14:在 OptiStruct中,以最小化體積為目標函數的優化和最小化質量為目標函數的優化,二者是否等價?

解答:如果模型中所有材料的密度都是一致的,那么最小化體積優化和最小化質量優化二者是等價的。當設定為最小化體積優化時,不需要用戶提供材料密度值。但如果模型中可設計區域和不可設計區域,其二者的材料有差別,那么最小化體積優化和最小化質量優化,其結果必然不同。

某些情況下,如果可設計區域和不可設計區域的材料性質基本一致,但是可設計區域的體積遠小于不可設計區域(即 Vdesign <<Vnon‐design),這種情況下,最小化質量優化會得到更好的結果。

另一方面,如果可設計區域和不可設計區域的材料性質基本一致,但是可設計區域的質量遠小于不可設計區域(即(ρρdesign << ρρnon‐design),那么使用最小體積優化,將得到更好的結果。

問題 15:有什么方法可以控制優化迭代步長(optimizationstep size)?

解答:用戶可以通過改變擾動容限(move limits,即在每一步優化迭代中允許設計變量擾動的最大幅度)的方式控制優化迭代步長。在 OptiStruct 中,針對不同的優化類型,定義的方式有些許的不同。用戶具體可以參考 DOPTPRM卡片中的 DELTOP 參數,DELSHP 參數,DELSIZ 參數;以及在面對尺寸和形狀優化問題中的 DESVAR 卡片。在HyperMesh 用戶界面中,該功能的具體路徑為:ANALYSISPAGE‐optimization panel‐opticontrol

問題 16:如何進行OptiStruct重啟動分析?

解答:如果希望繼續進行一個已有的 OptiStruct 作業,用戶需要提交兩個文件: filename.fem 文件(輸入文件)以及 filename.sh 文件(包括在上一次分析最后一步迭代結束時,設計變量的更改情況)。重啟動 OptiStruct 進行分析的技術細節,可以參考 OptiStruct 用戶手冊中RestartingOptiStruct 章節。

問題 17:是否可以通過OptiStruct的拓撲優化技術,為殼單元模型尋找最優的加強筋排布方案?

解答:完全可以。需要采用與普通的拓撲優化相反的思路進行。與通常的優化問題設計變量定義中,將整個殼單元的厚度作為一個單獨的設計變量不同,使用 OptiStruct 拓撲優化技術進行加強筋排布優化時,首先需要定義一個屬于不可設計范圍的中心層厚度(core thickness)參量 T0。而作為整個殼單元厚度的參量 T,則包括厚度不可變的中心層 T0,以及位于 T0上方和下方,用于排布加強筋的可變部分。完成了設計變量的定以后,可以以加強筋占整個可設計區域的體積比/質量比作為設計約束,完成整個優化問題的定義。優化迭代求解結束后,使用 HyperView查看優化結果。將結果顯示方式切換至單元密度。可設計區域中單元密度接近 1.0的部分即為需要排布加強筋的位置,即在中心層厚度的基礎上,還需要鋪設額外的材料;而單元密度接近 0 的部分,則不需要排布加強筋,僅保留中心層厚度即可。

例如:可以設置中心層厚度 core thickness T0=1.5mm,則優化完成后,模型最薄部分至少也有 1.5mm 的保留。模型最大厚度:3.5mm,即包括 1.5mm的中心層厚度和 2mm 的加強筋高度。則需要在 PSHELL卡片中,將初始厚度設為 3.5mm,而在 DPTL卡片中,將T0 置為 1.5。優化結束后,則會在厚度為 1.5mm 的基板上,排布厚度為 2.0 mm 的加強筋。

注意: T0 是中心層厚度,加強筋將被排布在[ (T0/2) + (T/2) ]和[(-T0/2) - (T/ 2) ] 兩個區域中。

由于此項優化技術是基于殼單元模型的,因此在建模時必須考慮單元高寬比(aspect radio)對結果的影響。設置合適的單元形態及設計變量取值范圍,確保所得到的優化結果中,起筋厚度方向的長度尺度遠小于二維單元的長度尺度。

問題18:如何設置/更改加權模態頻率響應(modeweight)?

解答:在HyperMesh 前處理環境中,選擇 OptiStruct模板,在 Optimization 菜單中選擇 responses菜單,相應類型選擇 weightedfreq,即可設置/更改加權模態頻率響應。在 OptiStruct 中,最多可以為 6 階模態進行加權設置。

問題19:在加權柔度‐頻率優化(weighted compliance &frequence)優化問題中,如何設置 NORM因子?

解答:在Optimization Parameter 中的NORM 因子用于對加權柔度‐頻率優化問題進行控制。在默認情況下,該因子被自動設置為 0.0。在這種情況下,在第優化的第 0 步迭代(即僅完成原始方案求解)中,正規化因子(normalizationfactor,NORM)將被設置為柔度與加權頻率的權值是相等的。而在優化過程中不起作用。

如果 NORM 被設置為大于 0的數值,那么該因子將會影響到后面的優化迭代過程。在 HyperMesh前處理界面中,NORM 因子可以在響應類型被設置為 comb 時進行設置。

正規化因子常被用于處理結構優化設計中要求同時考慮結構的柔度與固有頻率的優化問題。但是結構柔度與其模態特征值之間的取值差異是非常大的。典型結構柔度的取值大約在 1.0e4 到 1.0e6之間,而相應的特征值取值一般在 1.0e‐5 數量級。如果不使用正規化因子進行調整,而直接進行等權值的加權的話,那么特征值將被直接忽略掉,而僅僅將柔度作為響應,以及目標函數。用戶可以查閱 OptiStruct 用戶手冊中 CombinedCompliance Index 詞條以獲取更多內容。

問題 20:將最小化體積作為目標函數,和將體積限制在某一范圍內作為設計約束條件,二者的區別是什么?

解答:第一種方法中,OptiStruct 將體積分數作為設計約束條件(等價于最終優化結果不應超過原有設計空間總體積的某一固定百分比),則 OptiStruct 會在原有設計空間中,重新排布材料的空間分布,在滿足體積分數不超過某一限定值,且滿足其他設計約束條件的前提下,找到使目標函數取極值的設計方案。第二種方法中,OptiStruct 將最小化體積作為優化的目標,則在尋優過程中,會在滿足設計約束的前提下,找到體積最小的最終設計方案。

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