搜索OptiStruct結構優化設計（魚腹梁）【轉發】
2017-03-07 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
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小王:靜靜,考考你,你還記不記得今天材料力學課上講的提高梁強度的幾種方法嗎?
靜靜:隱約還有印象,如果記得沒錯的話,應該有①選擇合理的截面形狀②采用變截面梁或等截面梁③改善受力狀況
小王:說的沒錯。不過我最想說的是第二種,因為書中魚腹梁的設計實在令我久久難以忘懷,感覺到先人的智慧實在是捉摸不透。以前我只會判斷一個梁上最危險的截面,但是從來沒有想過在大多數情況下梁上只有一個或者少數幾個截面上的彎矩得到最大值,也就是只有極少數截面是危險截面,而大部分材料都沒有充分利用。
靜靜:是啊!這就和光軸受扭矩一樣,中間部分承擔的扭矩很小,因此很多軸都是空心的以更充分的利用材料。
小王:不過魚腹梁的設計更為精妙,因為梁彎曲時各截面的受力狀況會復雜很多,我很好奇是怎么設計出來的,就算我知道是利用強度條件。
靜靜:我也很納悶。不過現在CAE技術如此發達,你可以嘗試用結構優化軟件去分析一下。
小王:說的也是,不過這個問題涉及到形狀優化和拓撲優化,比單個優化會麻煩一些,現在也只能嘗試一下。
靜靜:所以你準備怎么入手?
小王:嗯......下面是我的大體思路:
①軟件準備
hypermesh(使用optistruct求解器)
②確定工況
其中梁厚1mm,A端固定鉸支座,B端可移動鉸支座。C與D上均施加向下10N的力。
③模型簡化
上述模型雖然已經很簡單,但是我仍要將實體模型處理成面體或者殼體進行分析,以免出現縱向優化結果的干擾。
④有限元模型建立
在任意建模軟件中建立好上述梁面以后,導入hm中(注意模型比例的轉換),然后使用0.5mm的網格尺寸劃分網格。由于左右兩端需要固定機架,上端面也需要承載物品,因此需要將這一塊單獨移入不優化設計區(使用tool面板下的organization進行網格分配)
⑤創建單元和材料并進行分配
創建一個名為steel的材料卡片,使用理想線彈性材料,彈性模量:2.1e5MPa,泊松比:0.3,密度:7.9e-9t/mm^3。建立兩個shell單元卡片,分別用于存放兩種設計區域。最后將不同區域的網格與單元卡片以及材料關聯起來。
⑥創建載荷與約束
建立兩個載荷集分別為load與cons。在cons中約束A點的x,y,z位移,約束B點的y,z位移。在load中創建C,D兩處的沿y軸向下的10N的載荷,然后將上述約束與載荷存放在load step1中。
⑦靜力試算
米塞斯應力分布云圖
⑧確定分析方向
上述載荷下中間米塞斯應力達到54MPa,現在我要通過優化將應力縮減在30MPa以下。
⑨拓撲優化設置
上述四張圖從上至下分別為:創建拓撲優化區域,指定拓撲優化的全密度拓撲寬度范圍,指定拓撲結構對稱平面,控制棋盤現象(具體控制以后慢慢說)
⑩形狀優化設置
形狀優化設置相對來說復雜一點,這里只能簡略說明。首先需要告訴軟件形狀優化的方向,其次需要告訴軟件在該方向的可調整范圍,最后保存該形狀變量。但是中間涉及到控制域與控制柄的概念,以后慢慢說明。
上述兩張卡片分別為指定控制域變形控制與控制點制定優化范圍設定。
11.指定響應(設計相關變量)
上述兩張卡片分別指定了兩個設計變量,一個是整體的體積,一個是設計區域的米塞斯應力。
12.指定約束與目標
上述兩張卡片分別約束了優化時需要米塞斯應力低于30MPa與優化目標為時整體分析結構體積最小。然后提交軟件分析。
靜靜:最后分析結果怎么樣?這實在激起了我的好奇心!
小王:下面是不同優化步的優化結果
密度比大于0.3部分的結果
靜靜:可以看出來在整個優化過程中軟件同時在進行形狀與拓撲優化的平衡,而且形狀的優化貌似比拓撲更加容易穩定下來。
小王:形狀優化部分我設置的移動單位最小單位是0.5mm,也就是說總共只有8種方案,但是拓撲是全局的優化,可能性很多,只能通過結果是否穩定來判斷優化結是否滿足條件。
靜靜:結構優化軟件的能力實在讓我驚嘆,居然能得出和書上近乎類似的結構,貌似還更加安全,讓我大開眼界。
小王:哈哈,上述只是優化設計的一部分,optistruct還可以進行形貌,尺寸等優化設計,相信一定可以滿足你的好奇心。我也一直認為,結構優化是設計的精髓。它不同于分析軟件,他提供給設計師的是靈感,而這種靈感是極其巧妙而符合規律的。
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