结构拓扑优化设计

westhouse

我想用ISIGHT集成HYPERMESH中的OPTISTRCT模块进行结构拓扑优化设计,不知如何实现,望高手指点一下,谢谢!

ppp546

hypermesh与opstruct本来就无缝连接的

fea_stud

呵呵,二楼理解错了,是ISight集成OptiStruct
应该没有问题, 理论上ISight是可以集成所有工程软件的.

yekai

利用CMF文件记录的你的操作，isight集成后直接调用进行优化

zkong

iSight + OptiStruct 做结构优化? 没有必要吧， OptiStruct本身的结构优化功能很强啊。

打个可能不恰当的比方， OptiStruct本身是杀敌的利器(对于结构优化而言)，iSight 是一双筷子， 理论上可以用iSight这双筷子夹任何其他工具去杀敌， 但是，某些情况下，这双筷子是没有什么价值的。

zkong

尤其是拓扑优化，稍微大一点的模型，可能有几十万个设计变量，对于iSight这类优化平台来说是一个"不可能的任务"。

yekai

利用iSIGHT集成hHypermesh做拓扑优化，我想它的应用点在，可以更多组合不同的加载力、力矩的方式，以此得到不同的拓扑结构，在优化的基础上面做多次分析，考虑可靠性。同时，拓扑优化的设计变量没有几个/

zkong

yekai兄，我认为在不同的工况下得到不同的拓扑结构没有实际意义， 因为不管结构的工况有多少组，最终设计是唯一的。 HyperMesh/OptiStruct 可以考虑多个工况下的各种性能指标(位移，应变能，应力，频率，频响等等 - 但是确实不能考虑可靠度), 用户可以把最关心的性能作为目标函数，其他的作为约束函数来进行优化, 最终得到一个满足各个工况要求的唯一的设计。

典型的拓扑优化方法中(如变密度法)的设计变量个数是和有限单元个数(设计空间)一样的。如果用均匀化方法， 设计变量的个数甚至还要大于单元个数。 设计变量少的拓扑优化问题确实存在(比如构件数目不多的桁架结构)，但不是典型的拓扑优化问题。

[ 本帖最后由 zkong 于 2007-8-7 15:57 编辑 ]

yekai

在HyperMesh中调用Optistrct时，用户能够调节的变量没有几个，至于拓扑优化的算法中的优化变量用户不能调节。
把位移、频率等做为设计目标，通过不同的组合，可以看出在满足一定工况下各种设计设计目标、约束的变化关系，从而实现多目标设计，提供多目标设计权衡的方法。从而优化设计不但找到满足设计要求的方案，更能够得到各个参数的变化关系，它设计中的意义更大。

zkong

首先澄清一个问题，HyperMesh/OptiStruct中确实不能像调节尺寸变量一样直接调节拓扑设计变量，但是用户能够调节的变量少，不代表拓扑优化问题本身的设计变量少, 希望大家能清楚这一点。

yekai兄所说的多目标设计，确实有意义。但是, 我觉得在OptiStruct设置不同的目标函数和约束函数，做几次不同的优化同样可以实现啊。我还是没有看到iSight的价值所在。

对于拓扑优化问题，我认为使用iSight去驱动OptiStruct没有太大的价值， 因为我想拓扑优化不太可能在iSight里完成(设计变量个数太多， 无论是基于梯度的算法还是响应面法都太费劲)， 如果拓扑设计变量的优化与更新也在OptiStruct里完成, iSight在整个流程里的地位就显得是多余的。 如果哪位高手有用iSight做拓扑优化的例子，我倒很愿意学习。

idisid

我基本上同意zkong的观点，拓扑优化的设计变量太多了，而且，optistruct产生的拓扑优化输入文件，并没有列出这些设计变量，isight如何去定义这些变量？所以操作起来也有些难度。
但是从另一个方面说，拓扑优化最后还是一种优化，对于如此多的设计变量，optistrct到底用的是什么优化算法，能如此快速的找到最优解？既然如此，运用isight里面集成的众多优化算法，也许有比optistruct更好的。

zkong

即使iSight里面有更先进的优化算法(实际上我想OptiStruct采用的是基于导数的优化算法中非常成熟有效的算法)， 灵敏度计算对它也是一个硬伤。

我想iSight只能依赖有限差分法去求解灵敏度,也就是各种响应对设计变量的导数，除非利用响应面或者GA， 但是响应面法和GA同样不适用设计变量过多的问题。

这就意味着iSight为了计算敏度，需要对几十万个设计变量做扰动，并进行重分析(每个迭代步为了求导数需要进行几十万次有限元分析)。而在OptiStruct内部， 可以利用伴随法求解敏度(OptiStruct文档中有介绍), 有限元分析的次数相当于约束条件的个数(通常拓扑优化的约束个数并不多)，这两种计算的效率是有天壤之别的。

总之， 在我看来， 利用iSight做拓扑优化， 敏度分析的计算效率是一个难以克服的障碍。

另外， 也要看使用者的目的，是要做结构拓扑优化， 还是必须要用iSight做点东西(出于某种原因)。 如果目的是前者，而且OptiStruct能够满足用户的需求， iSight就不需要掺和了。

wangyushan

多学科优化的时候，其优势就显现出来了，对于单学科的优化，很多软件都自带这种功能，由于可以通过直接改变刚度矩阵来求解得到优化指标，比如ANSYS/ANSYS WORKBENCH就有专门的模块DX来完成这个功能，但对于多学科的优化来说靠软件自带的很弱的优化功能是很难满足要求的，这时候必需借助于iSight或其它软件来实现。一个软件存在是因为有需求。

wangyushan

对于优化变量过多的情况，我们当然不能蛮干了，直接去优化是得不到结果的，我们可以先通过DOE寻找设计空间，优先选择优化变量，减小规模，然后来一个RSM，最后再进行优化才是正确的方法。

zkong

wangyushan 兄，我并没有说iSight没有存在的价值，我只是说iSight不适合用来做结构拓扑优化。

DOE+RSM对于某些问题有效，对于典型的拓扑优化问题是否有效，我深表怀疑. 如果有成功的例子，望不吝分享。

yekai

Zkong，我们说的可以驱动HyperMesh，利用iSIGHT集HperMesh的前处理、求解器进行优化；HyperMesh、OPTISTRCT在iSIGHT里面只是一个函数，只不过这个函数有点复杂，iSIGHT提供的完善的算法、前后处理工具是其他软件无法比拟的。当然你也选择Nastran做为求解器。同时，和其他程序实现联合仿真。

zkong

yekai, 我同意理论上iSight可以做任何其他软件可以做的事情。

我还是觉得拓扑优化问题比较特殊，iSight处理起来非常困难(几乎不可能)。我能想象到的主要的难点在以下几点:

1.  灵敏度的计算效率是否可以接受。 典型的拓扑优化问题可能有几十万个设计变量。
   我知道iSight把OPTISTRUCT当作一个函数， 问题是如果一个迭代步内iSight为了求解灵敏度需要调用这个函数几十万次(每次数十分钟)， 那就没法算了。
   wangyushan兄提供的利用DOE和响应面方法减少设计变量，对于普通的优化问题是一个路子，但是对于拓扑优化问题是否行得通，我持怀疑态度 - 因为拓扑优化问题的设计变量太多了。

2.  如何和其他程序联合。 拓扑优化的结果是每个单元的密度值, 如何利用这个密度值更新模型，传递给其他程序(比如ABAQUS)仿真。

希望哪位朋友能提供一个iSight做拓扑优化的例子，学习一下思路。

谢谢。

idisid

同意zkong兄的观点，

yekai

看来ZKong到目前为止没有用过iSIGHT软件，从你的回答里面看。

[ 本帖最后由 yekai 于 2007-8-27 09:36 编辑 ]

wangyushan

原帖由 zkong 于 2007-8-7 15:52 发表
yekai兄，我认为在不同的工况下得到不同的拓扑结构没有实际意义， 因为不管结构的工况有多少组，最终设计是唯一的。 HyperMesh/OptiStruct 可以考虑多个工况下的各种性能指标(位移，应变能，应力，频率，频响等 ...

顺便纠正一下，优化设计出来的最终设计不一定是唯一的，需要综合权衡才能决定，这时候可以借助于优化后处理显示的功能，如数据挖掘等方法，来最终确定一组最优结果。