1、CAECAE优化设计优化设计-尺寸优化尺寸优化& &灵敏度分析篇灵敏度分析篇 开发管理部开发管理部2010-02-052010-02-05苏新涛1PPT课件主要内容主要内容Contents尺寸优化尺寸优化&灵敏度分析基本概念灵敏度分析基本概念尺寸优化尺寸优化& &灵敏度分析在汽车行业中的应用灵敏度分析在汽车行业中的应用尺寸优化尺寸优化&灵敏度分析灵敏度分析实例实例&汽车控制臂拓扑优化汽车控制臂拓扑优化拓扑优化流程 拓扑优化面板介绍&定义优化设计变量设计变量 响应面板介绍&常用优化响应响应的含义 约束面板介绍&设置优化约束约束 目标面板介绍&设定优化目标目标 2PPT课件u尺寸优化尺寸优化Siz
2、e Optimization 是发展比较成熟的一种优化方法 属于参数优化 主要是通过参数调节如改变壳的厚度、梁的横截面参数、弹性和质量属性以及复合材料的铺层厚度和角度等 通过合理分配各个构件的这些属性，从而改善结构的特性如降低设计重量、减小应力、提高刚度等 对于优化效果的验证快速、明显，在优化中所起的作用非常重要 很大程度解决了离散性优化这一工程难题 l例如，复合材料的优化分析 新的复合材料设计和优化方案能够简化设计师和分析师的复合材料结构设计工作。从自由尺寸优化的概念设计结果中解析出基于层的结果。还可以在设计流程的早期考虑制造要求，使得设计更贴近于实际，并使得到的层叠次序符合设计要求。 3P
3、PT课件u灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity Analysis 是以建立结构准确的有限元模型和优化问题合理的数学模型为基础的； 是分析结构性能参数Tj对结构设计参数xi变化的敏感性，即： 灵敏度的数值可以反映结构各设计变量对结构性能的影响； 1、在有限元线性静态的优化分析中，约束和目标函数均有可能是静力平衡方程位移解的响应，即为 2、静力平衡方程可表示为 3、对上式左右两端求关于第i项设计变量xi的偏微分，并移项得 l公式推导过程 ()jjiiTTSenxx( )TT而位移是设计变量的隐函数， 记为 ，则 ()X( ()TTX KF iiiKFKxxx 1iiiKFKxxx本公式可用来
4、求解位移对设计变量的灵敏度 4PPT课件u灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity Analysis 4、将上式，用全微分的形式表示 5、由于载荷向量F并不随设计变量的变化而变化，故F=0，所以， 6、于是，目标函数或约束等有关节点位移函数的性能参数对设计变量 xi的灵敏度可由下式求出 l公式推导过程 11iiiiiiiKFxKxKFKxxx 1KK 0000,(,)jijjjiiiTXxT XTTxxx5PPT课件l国内某汽车公司运用该项优化技术以实现维持原有车架结构“1st自然频率”性能、减少结构质量的目的。 设计变量（mm）优化前优化后初始值下限值上限值设计值第一横梁6.03.09.0
5、4.5第二横梁6.03.09.04.5第三横梁5.03.09.04.0第四横梁6.03.09.04.5第五横梁6.03.09.04.5第六横梁8.03.09.06.0第七横梁6.03.09.04.5第八横梁8.03.09.06.0目标函数（Kg）13141277约束变量（Hz）9.499.44车架结构最终优化设计实现质量减少37Kg，且维持原有设计“1st自然频率”。l在汽车行业中的应用 1、第一横梁对车架结构一阶扭转频率影响最大，这是因为第一横梁结构截面形式为圆环形，具有很好的抗扭特性；2、第五横梁对车架结构一阶扭转频率影响较大，这是因为该横梁位于一阶扭转模态节点附近。 6PPT课件尺寸优化
6、尺寸优化&灵敏度分析灵敏度分析 u尺寸优化流程 u尺寸优化面板介绍&定义优化设计变量设计变量 u响应面板介绍&常用优化响应响应的含义 u约束面板介绍&设置优化约束约束 u目标面板介绍&设定优化目标目标 u实例焊接支架尺寸优化及灵敏度分析 7PPT课件1、尺寸优化流程关联设计变量及属性关联设计变量及属性定义尺寸优化变量定义尺寸优化变量定义响应定义响应定义约束定义约束定义目标定义目标优化计算优化计算尺寸优化流程优化结果处理优化结果处理优化设计优化设计原始设计静力分析原始设计静力分析静力分析静力分析优化前后结构性能对比优化前后结构性能对比试验验证试验验证8PPT课件2、1、进入优化面板、进入优化面板
7、拓扑优化形貌优化自由尺寸优化自由形状优化尺寸优化形状优化响应目标约束u多种结构优化 u响应 u约束 u目标 u变量关联 u优化控制 u 2、尺寸优化面板介绍&定义优化设计变量设计变量 9PPT课件2.2、进入尺寸优化面板、进入尺寸优化面板u创建设计变量 u更新设计变量 u一般性关联 u函数关联 尺尺寸寸优优化化面面板板功功能能2.2.1、Desvar设计变量设计变量设计变量名称设计变量名称设计变量设定设计变量设定u初始值 u下限值 u上限值 2.2.2、Create/Update创建创建/更新更新创建/更新设计变量名称、设计变量设定、一般性关联、函数关联等设计变量增量10PPT课件2.2.3、
8、Generic relationship一般性关联一般性关联关联名称设计变量u单元 u组 u属性 u材料 将设计变量与某单元、组、属性或材料关联一起，建立他们之间的关系。 2.2.4、Function relationship函数关联函数关联关联名称输入函数u单元 u组 u属性 u材料 11PPT课件3.1、进入响应面板、进入响应面板响应3.2、响应面板、响应面板响应名称响应类型3、响应面板介绍&常用响应的含义 3.3、响应类型（、响应类型（28种）种）12PPT课件3.4.1mass质量、质量、volume体积响应体积响应对于单个属性和材料，或者对于这个集合的属性和材料，这两个全局响应都可以
9、在整个结构中被定义。在形貌优化中并不推荐使用质量和体积作为约束和目标函数，因为它们对设计修改都没有很高的灵敏度。为了约束包含许多属性的体积区域，需要定义这些属性的总和，否则这个约束将被假定应用到这个区域中的单个属性。通过对所有的属性使用相同的材料并将这个体积约束应用到这个材料上。3.4、常用响应类型的含义、常用响应类型的含义3.4.2massfrac质量分数、质量分数、volumefrac体积分数响应体积分数响应这两个全局响应值的变动范围是从0到1，描述了在拓扑优化中的初始设计空间的分数。它们能够对整个结构、个别属性和材料或多个集合的属性和材料进行定义。为了约束包含许多属性的体积区域，需要定义
10、这些属性的总和，否则这个约束将被假定应用到这个区域中的单个属性。通过对所有的属性使用相同的材料并将这个体积约束应用到这个材料上。质量分数和体积分数之间的不同之处在于质量分数包括了计算非设计空间的质量分数，而体积分数仅仅考虑了设计的体积。体积分数=（当前总体积-初始非设计体积）/初始总体积质量分数=当前总质量/初始总质量如果在一个拓扑优化之外又执行了尺寸和形状优化，参考值并不因尺寸和形状变化而改变，在这种情况下可能会导致响应的负值出现，这将忽略这些响应。如果在拓扑优化中涉及到尺寸和形状优化，推荐使用质量或体积响应来代替质量分数或体积分数。质量分数或体积分数响应仅仅能被应用于拓扑优化设计领域，否则
11、，OptiStruct将因出错而终止。13PPT课件3.4.3Cog重心、重心、Inertia惯性矩响应惯性矩响应对于单个属性和材料，或者对于这个集合的属性和材料，这两个全局响应都可以在整个结构中被定义。3.4.4Compliance柔度响应柔度响应柔度C通过使用下面的关系计算：12TCu fufK1122TTCu KudV 柔度是结构的应变能，被认为恒量结构刚度的尺度。对于各个属性和材料或者对于单元组属性和材料能被定义到整个结构中。柔度必须分配到子程序中（譬如载荷步、载荷工况）。为了约束包含许多属性的区域柔度，需要定义这些属性单元的柔度总和，否则约束将被假定应用到这个区域中的单个属性中。通过
12、对所有的属性使用相同的材料并用柔度来约束这些材料。3.4.5Static displacement位移响应位移响应位移是一个线性静力分析结果。节点位移可以通过一个响应被选择，可以作为一个向量方向或纯粹的尺寸来被选择。位移必须分配到子程序中（譬如载荷步、载荷工况）。分配到子程序14PPT课件3.4.6Frequency频率、频率、Buckling屈曲响应屈曲响应固有频率是模态分析的结果，必须分配到模态模型的子程序中。屈曲是稳态分析的结果，必须分配到屈曲子程序中，屈曲模型通过特征值来描述。3.4.7Static Stress应力、应力、Static Strain应变、应变、Static Force
13、力响应力响应不同的应力、应变或力类型能够作为响应被定义。被定义成组、属性或单元，单元应力或应变被使用，约束放映被应用。在拓扑设计空间中定义应力、应变或力约束是不可能的，这是个关联的局部子程序响应。3.4.8Composite Stress合成应力、合成应力、Composite Strain合成应变、合成应变、Composite Failure合成破坏准则响应合成破坏准则响应不同的合成应力、合成应变或合成破坏准则类型能够作为响应被定义。被定义成Pcomp组、属性或单元，Ply level results被使用，约束放映被应用。在拓扑设计空间中定义合成应力、合成应变或合成破坏准则约束是不可能的，这
14、是个子程序关系响应。3.4.9Weighted Comp加权柔度响应加权柔度响应加权柔度是在典型的拓扑优化中考虑多个子程序的一种方法，这种响应是每个子程序中柔度的加权和。这是个全局响应，被定义在整个结构中。12TwiiiiiCwcwu f15PPT课件3.4.10Weighted Freq加权特征值倒数响应加权特征值倒数响应加权特征值倒数是在典型的拓扑优化中考虑多个频率的一种方法，该响应被认为是在优化过程中将单个模态的倒数累加的和。这是个全局响应，被定义在整个结构中。wiifw 和0iiKM U对目标函数增加低阶频率的模态的做法比增加高阶模态的频率的做法有更大的影响。如果所有模态只是简单地加在
15、一起，在OptiStruct软件中增加高频比增加低频时产生更大的影响。3.4.11Composite Index合成柔度指数响应合成柔度指数响应在典型的拓扑优化中，合成柔度指数是一种将多个频率和静态子程序的结合，其指数的定义为：这是个全局响应，被定义在整个结构中。标准系数NORM使用柔度和特征值规范中的数值，一个典型的柔度值在1.0E4到1.0E6之间，然而一个典型的特征值的倒数约是1.0E-5，如果不使用NORM系数，则整个求解过程显示为线性静态柔度。NORM值通过公式 得到，其中 是所有子步中最大的柔度值, 是性能指标中最小的特征值。 jjiijwSwcNORMwmaxminNORMCma
16、xCmin在一个新的设计问题中，用户对NORM值没有一个可靠的估计，如果遇到这种情况，OptiStruct就会根据初始步中计算的柔度值和特征值来自动计算NORM值。16PPT课件4、约束面板介绍&设置约束 约束4.1、进入约束面板、进入约束面板4.2、约束面板、约束面板约束的上下限响应约束名称5、目标面板介绍&设置目标 目标5.1、进入约束面板、进入约束面板5.2、约束面板、约束面板目标值的Max、Min响应17PPT课件5、控制卡片设置 控制卡片5.1、进入控制卡片、进入控制卡片5.2、控制卡片类型（共计、控制卡片类型（共计78个）个）灵敏度分析类型、加速度、速度、应力、应变、单元力、节点力
17、、反作用力、位移等等18PPT课件6、实例&焊接支架尺寸优化及灵敏度分析 install_directory/tutorials/hwsolvers/optistruct/ The bracket_size.hm 帮助文档文件路径尺寸优化问题描述:目标目标体积最小约束约束支架的最大应力不高于100MPa设计变量设计变量壳单元厚度尺寸优化分析过程:l设置有限元模型l定义设计变量l定义优化问题l求解优化问题l结果后处理19PPT课件Step 1: 启动启动HypeMesh, 设置用户模板并导入数据文件设置用户模板并导入数据文件启动HyperMesh。选择 OptiStruct 作为用户模板，并点击
18、 OK。在工具栏选择 open 图标 ，打开bracket_size.hm文件Step 2: 定义设计变量定义设计变量1在 Analysis 页面菜单中进入 optimization 面板2选择 size 面板3 选择 desvar 子面板 4 点击 desvar = 并输入 part15点击 initial value = 并输入 2.56点击 lower bound = 并输入 1.07.点击 upper bound = 并输入 2.58. 默认选择 move limit default9.点击 create10.重复 4 至 9 步骤，创建设计变量 part2 ，初始值、上下限与part
19、1一致。12345、6、78920PPT课件11.选择 generic relationship 子面板12.点击 name = 并输入 part1_th.13.点击 entity selection 复选框，并选择 prop.14.点击 prop 在组件集列表中选择 part1 .15.选择 Thickness T 复选框.16.点击 designvars.17.选择 part1，并自动设置为1.00018.点击 return.19.点击 create.111213151614171820.重复12 至19步骤，创建关联 part2_th ，使设计变量 part2 与组件part2 属性联系
20、一起。21.点击 return ，返回优化设置面板。21PPT课件2 3 4 56.单击 response = 并输入stress1。7.设置响应类型 response type 为 static stress。8.单击props选择一个绿色壳单元属性part1。6 7 89.确认下面的指针设置为Von mises。 910.确认下面的指针设置为both surfaces。 1011.单击create。1112.重复6至11步骤，创建壳单元属性part2的响应stress2。13.单击return，退出responses面板，返回优化面板。Step 3: 定义响应定义响应由于优化的目标是减少重
21、量并限制支架的Von Mises应力不超过100MPa，定义三个响应：Mass，组件Part1和Part2的Von Mises应力。1.选择 responses 面板。2.单击 response = 并输入 mass。3.设置响应类型 response type 为 mass。14.确认指针设置为total。5.单击create。22PPT课件Step 4: 定义约束定义约束 1.选择 dconstraints 面板。2.单击 constraint = 并输入 stress1。3.单击 response= 并选择stress1。14.激活并设置upper bound = 为100。即限制par
22、t1应力水平不超过100MPa。5.单击loadsteps并选择载荷步STEP。6.单击create。7.重复1至6步骤，创建约束stress2，并选择响应stress2，限制part2应力水平不超过100MPa。8.单击return，退出dconstraints面板，返回优化面板。23 456Step 5: 定义目标函数定义目标函数 11.选择 objective 面板。2.选择min。3.单击 response= 并选择mass。4.单击create。5.单击teturn ，退出objective面板，返回优化面板。 2 34 5 23PPT课件Step 7: 保存数据库保存数据库 1.在
23、下拉菜单中单击files并选择save as。2.在弹出save file 窗口中，输入文件名称bracket_size_opt。3.单击 Save ，对支架优化模型进行保存，并返回主菜单。Step 6: 设定灵敏度分析设定灵敏度分析 1.在页面菜单中选择Analysis 。2.选择control cards面板。3.单击 SENSITVITY，进行灵敏度设置，并选择ALL。4.连续两次单击teturn ，退出control cards面板，返回主界面。2 1Step 8: 运行分析运行分析 1.在页面菜单中选择Analysis。2.选择OptiStruct 面板。3.确认文件名称为brack
24、et_size_opt.fem。2 14.确认run options 为optimization。5.确认export options 为all。6.指定计算时所需内存，upper limit in Mb = 。（根据本计算机硬件情况而定）7.单击OptiStruct ，进行运行计算。24PPT课件这就开始OptiStruct作业分析。如果作业成功，新的结果文件可以在工作目录中可以看到。主要的生成文件如下表所示。文件名内容描述bracket_size_opt.hgdataHyperGraph文件，包含目标函数和约束的历史数据。bracket_size_opt.hist此文件包含迭代目标函数、最
25、大约束、设计变量、DRESP1 类响应和DRESP2类响应的历史。bracket_size_opt.mvwHyperView session文件，可以在HyperView或HyperGraph中的File菜单中打开。bracket_size_opt.propOptiStruct特性输出文件，包含尺寸优化的最后一次迭代的更新特性数据。bracket_size_opt.sh最终迭代的形状文件，包含材料密度、无效尺寸参数和每个单元的方向。.sh文件可以用来进行重新启动运行，如果有必要为拓扑优化分析运行OSSmooth。bracket_size_opt.stat此文件为分析时计算机CPU、内存运行情况
26、。bracket_size_opt_des.h3dHyperView文件，可以在HyperView中打开，进行尺寸优化后料厚结果信息、拓扑优化后单元密度结果信息等的后处理。bracket_size_opt_s1.h3dHyperView文件，可以在HyperView中打开，进行优化后位移、应力、应变等结果信息的后处理。bracket_size_opt.desvar此文件为设计变量最终结果信息。bracket_size_opt.resHyperMesh二进制结果文件。bracket_size_opt.outOptiStruct输出文件，包含指定的设置信息、求解内存和磁盘的估计、每次优化迭代的信息
27、和计算时间等信息。bracket_size_opt.html此文件包含问题的总结和OptiStruct运行的结果总结。bracket_size_opt.0Excel格式，为最初灵敏度分析时结果文件。bracket_size_opt.3Excel格式，为最终灵敏度分析时结果文件。（若计算为迭代n步，则该文件名后缀为n）25PPT课件Step 9: 结果后处理结果后处理 9-1: 查看厚度结果查看厚度结果 1.在页面菜单中选择Post。2.选择contour 面板。3.单击simulation = 选择 DESIGN ITER 3。4.单击data type = 选择 Element thickn
28、ess。 125.为显示壳单元的厚度，单击contour。可以看出：Part1组件的料厚为1.65mm；Part2组件的料厚为1.96mm；26PPT课件Step 9: 结果后处理结果后处理 9-2: 查看应力结果查看应力结果 1.在页面菜单中选择Post。2.选择contour 面板。3.单击simulation = 选择 S1 STEP 3。4.单击data type = 选择 Von Mises Stress。 126.为显示壳单元的应力，单击contour。可以看出：Part1组件的应力为98.7MPa；Part2组件的料厚为93.9MPa；优化后，支架的应力水平低于100MPa。5.
29、选中min/max titles。27PPT课件Step 9: 结果后处理结果后处理 9-3: 查看质量和测量结果查看质量和测量结果 1.使用文本编辑器打开文件bracket_size_opt.out。2.浏览所有三次迭代，注意每次迭代的质量、约束和测量值。3.浏览迭代3的RETAINED RESPONSES TABLE 列表。优化后，支架的质量part1、part2组件优化前后的料厚优化后，约束的结果28PPT课件Step 9: 结果后处理结果后处理 9-4: 查看灵敏度分析结果查看灵敏度分析结果 1.双击文件bracket_size_opt.3 ，以Excel格式打开。2.浏览part1绿色字体部分信息，查看part1料厚的变化对质量、应力情况的灵敏度。3.浏览part2绿色字体部分信息，查看part2料厚的变化对质量、应力情况的灵敏度。可以看出：1、Part1组件料厚的变化对单元421、1045的应力水平最为灵敏；2、Part2组件料厚的变化对单元63、1122的应力水平最为灵敏；3、part1和part2组件料厚的变化对质量的灵敏度基本相当。29PPT课件谢谢谢谢30PPT课件
