OptiStruct是一款優秀的結構分析和優化設計軟件,它以有限元方法作為數值計算方法,并帶有強大的優化算法,可以用于概念設計和細化設計。它的主要優化設計功能包括:拓撲優化,尺寸優化,形狀優化和形貌優化。下面分別予以介紹。

1 結構的初步設計——拓撲優化

在結構設計之初,我們對于要設計的結構只有一個功能和力學性能上的要求,但是它到底應該采用一個什么樣的結構呢?此時我們可以借鑒前輩們已經設計過的類似的結構,但是如果想要創造一個新結構出來,合理的方法是進行拓撲優化,得到一個初始結構。

我們通過一個簡單的例子來說明上述問題。

比如,我們想設計一個夾子,它大概應該是下圖的形狀,它在A,B兩點承受的最大力是100N,這兩個力就是夾持力。在夾持的過程中,D點是始終不會動的,我們希望所設計的這個夾子在夾持物體時,AB之間的相對變形不要超過0.07mm。在上述要求下,我們希望盡量地節省材料,從而節省成本。

顯然,我們可以想象,我們最后設計的結構不應該是這樣一塊整板,而是在中間挖去了很多材料的結構。但是它將是一種什么樣的結構呢?

我們隨便用哪一款三維軟件創建上述簡單模型后,導入到optistruct中,劃分得到有限元模型,并施加邊界條件,進行拓撲優化,優化的結果如下圖。

有了這個圖,我們基本上明白了。哦,原來應該采用這種形狀,既能夠滿足前面提出的要求,而且又最節省材料。根據上述優化的結果,我們就可以在三維軟件中創建一個初始的結構,然后再根據結構設計的規則進行修改,從而得到一個滿足力學性能要求的最省材料的基本結構。

2 尺寸優化

繼續考慮上面拓撲優化后的夾子。

現在我們有進一步的問題。上圖中的各根桿件,該采取什么截面形式,以及該截面的尺寸(例如,空心管的外徑及壁厚),我們并不知道該如何設定,此時可以使用optistruct的尺寸優化技術。

使用尺寸優化技術,optistruct會充分使用各種優化設計算法,在一定的范圍內變化這些我們所給定的尺寸,以尋求在最省材料的基礎上又能保證剛度和強度的夾子。

3 形狀優化

考慮下面的問題。

一根懸臂梁,長100mm,高10mm,厚1mm,左端固定,右端施加一個豎直向下的集中力100N。現在希望在保證右下角點位移小于3mm的前提下,進行懸臂梁形狀的優化,使得其用材最少。

使用Optistruct創建上述幾何模型,并劃分網格得到有限元模型,并創建邊界條件進行形貌優化后,得到的結果如下圖

上圖說明了,這種變截面梁才是合適的形狀,而非等截面梁。

實際上,從材料力學的角度,我們也很容易解釋這個問題。越是靠近固定端的地方,截面的彎矩越大,從而應力越大。而越是遠離固定端的地方,截面彎矩越小,從而應力越小。這樣,為了充分發揮材料的承力性能,我們就應該在承力大的地方,多用材料;而在承力小的地方,少用材料。

這實際上就是材料力學中說的等截面梁。

除了上述整體的形狀優化方法以外,OPTISTRUCT還提供了局部形狀優化技術,可以對局部應力較大的區域進行形狀優化,從而得到減小應力的目的。

4 薄壁結構的表面加筋設計——形貌優化

有時候,當我們設計出一種薄壁結構后,發現該結構的剛度不夠。為了改善該結構的強度和剛度,我們可以整體加厚,但是我們發現這樣又很浪費材料。那么該怎么辦呢?

采取表面加筋或者是用強化壓痕的方式可以達到目的。

但是我們該如何加筋或者制造壓痕,才能滿足這個要求呢?

Optistruct提供了專門的形貌優化模塊以做到這一點。

舉一個例子。

一個100mm*100mm*1mm的平板,一條邊上的兩個角點固定三個平移自由度,另外一條邊上一個角點固定Z自由度,剩余的角點上施加一垂直于板面的集中力100N。現在要使得加力點的位移最小,那么該如何在表面起筋呢?

使用Optistruct創建上述幾何模型,并劃分網格得到有限元模型,并創建邊界條件進行形貌優化后,得到的結果如下圖

這意味著,可以按照上述云圖來起筋。上圖中紅色區域意味著是可以凸起的部分,藍色區域則是保持原狀的部分。使用上述起筋的方式,就可以得到我們所希望的較高剛度的板件。

評論

充分使用上述四種結構優化設計技術,可以對一個結構從無到有,從粗到精地進行設計。很多有限元軟件都可以做到這里面的尺寸優化。但是對于拓撲優化、形貌優化、形狀優化,optistruct可謂匠心獨運,技高一籌。充分使用optistruct的結構優化技術,可以幫助結構設計工程師在最短的時間內得到創新的、合理的、省材料的結構。它的確是結構設計工程師不可多得的好工具。