【原创】分享自己使用OptiStruct优化的经验

benbzhpf

分享一下自己使用OptiStruct优化的经验。

我是汽车结构工程师，工作以结构分析为主。从两年前开始使用Optisturct优化的功能并不断推广，现在优化用得非常普遍。不管是什么问题，一般都会想到用优化的手段来解决，感觉大部分问题解决起来比以前容易得多了。目前比较成功的应用有车身钣金厚度优化、架构开发车身拓扑优化、悬置支架、加强筋布置、接头优化等方面。Optisturct提供的拓扑、形貌、尺寸、自由尺寸、形状优化等功能都用过，个人感觉自从使用Optisturct优化功能后，不管是大结构还是小结构甚至是系统级的结构，在项目诸多限制下（特别是空间限制和重量限制，还有制造方面）提高模态、刚度、耐久性达到指标还是相当容易的。

Optisturct优化功能很强，主要得益于现代优化技术的发展。目前尺寸优化已经非常成熟了，但拓扑优化还有待发展。现在拓扑优化与有限元结合在工程中的应用还不是很广泛，甚至有些人对拓扑优化持怀疑态度，这里谈一下我自己的看法。拓扑优化所使用的算法还是传统的优化算法，比如Optistruct使用可行方向法；Genesis有三个可选：可行方向法、序列线性规划、序列二次规划。算法本身是无可挑剔的，但算法的特性和拓扑优化对工程问题的处理决定了拓扑优化无法避免的缺陷。拓扑本来的含义是1或0，即有或没有，但目前所采用的算法要求函数连续可导，所以现在拓扑优化多采用的办法是将材料的密度设置为0~1之间连续的函数并映射为单元的刚度。如果抛开计算速度不讲，拓扑优化在工程应用中的局限主要体现在对形状的控制和对材料的收束程度上。拓扑优化的结果都是一些杆梁结构，对于铸件来说很适用，但对于钣金件来说是致命的，因为工程制造很难按照拓扑优化的结果用冲压件拼出那样的结构。虽然软件提供了各种制造约束，象尺寸约束、对称约束、拔模和挤出方向等，但有些功能对于概念设计来说大部分并不适用。拓扑优化结果中会出现很多中间密度的单元，可以用ISO面屏蔽掉一些低密度区域，但保留的部分必须经过再验证，因为有时候保留的部分并不能达到预期的目标，这也是有人认为拓扑优化找不到最优解的原因。我对拓扑优化结果的态度是，不要完全相信，也不要全部否定。你可以将它当成是一个高手，但仅仅是一个高手而已，有时侯他给出的建议是正确的，有时却是错误的，这就需要自己来判断。从我以前做过的案例中总结出来的经验是，一个拓扑结果需要解释为工程/制造可行的等效结构，该结构必须保留拓扑优化数值解的意图。我们可以从拓扑优化结果中得到很有价值的设计思路，将工程/制造经验和参考设计糅合进去，就能设计出很好的结构。

Hypermesh另一个不得不说的功能是它的morph模块，对于找寻设计方案、由CAE主导设计很重要。若进行形状优化，DOE等，morph模块也是必不可少的生成形状变量的工具。

现在全球能源危机日益严重，各工业领域都把轻量化设计提到很高的位置，优化在其中是必不可少的环节。CAE的发展已经由扮演验证的工具过渡到主导设计的角色，未来优化与CAE结合必然是CAE工程师的主流方向。

jzc1983

说的不错，向你学习！

myanchor

讲得挺好。
楼主能否就系统级的结构优化作下简单概述，介绍下思路。谢谢

belonging

很精彩！感谢分享经验

benbzhpf

3# myanchor

回复myanchor：

我这里所说的系统级结构优化可能有点笼统了，还有许多需要和大家探讨的。

安全碰撞和振动噪声可谓是车辆开发中的重头戏，它们都是整车系统级别的结构性能。对车身结构进行优化，必须同时兼顾碰撞、振动噪声、刚度和耐久性，所以肯定是多学科的系统级优化问题。这种优化可以通过两种方法解决，其一是DOE和近似模型，Altair/HyperStudy与iSIGHT都能做，没有软件兼容和变量类型的限制。但随着变量数目的增多，计算次数往往有数百次甚至上千次，这点让人很难忍受，目前国内能够负担起这么大计算量的车企研发单位寥寥可数。一旦完成了前面痛苦的过程，在近似模型上进行优化就很简单了。另一种方法就是将碰撞和NVH工况全部等效为静态工况。NV的东西好办，控制几个模态和刚度指标就行了，难点在于如何将前撞偏置撞侧撞这类大变形高度非线性的工况等效为线性工况。国外已经有企业这么做了，OptiStruct也提供了类似功能，据Altair介绍这个办法韩国人开发的，好像叫什么ESLM，比较适合于配合多体动力学使用。这类工况等效的技术国外的公司都当宝贝，人家具体怎么做的不得而知，只有几篇文章参考。我们也是按照这个思路自己开发的，具体细节在这里不好讲，有兴趣的同仁可以自己尝试。载荷等效后可以全部在Optistruct中进行优化，但这样也有一定的局限。首先碰撞和NVH工况是简化过来的，对真实问题的反映程度依赖于载荷转化的方法是否合理。其次，对于一些种类的变量，如材料厚度，材料性能参数，截面尺寸，配合hypermorph都能在Optistruct实现，但不同的结构形式在Optisturct是无法实现的，只能用DOE。

拙见还请大家指正。

wangdongheng040

5# benbzhpf
感谢你的精彩讲解！非常感谢！
请教个问题：在morph模块，或优化过程中，单元如果扭曲或严重变形过大，如优化过程中有单元互相干涉和穿透，导致计算不能进行下去；（在显示计算时一般要求没有初始穿透，）这样一般采用哪种途径来解决。

lishengzhou

LZ高手，高山仰止，我辈还需加紧努力

qxlwg

我也打算好好学习下这个软件呢

myanchor

感谢楼主对系统级结构优化的介绍.
从您的介绍中收益颇多，对加深了对DOE应用的认识。希望以后能常见到楼主的真知卓见！

ccbb413

感谢前辈传授宝贵经验！！

lemontree1982

佩服，滔滔江水

benbzhpf

6# wangdongheng040
我也经常会遇见的问题，没有好的解决办法，即使是最专业的美国DEP公司的Meshworks/Morpher（唯一的功能就是CAE/CAD morph）也不能避免这个问题。
不过可以通过使用hypermorph一些技巧避免这写问题。写出我的做法做参考：
1、尽量使用morphvolume和mesh to geometry，前者是首选。用domain与handle的方法容易出现网格扭曲变形和穿透干涉现象。
2、在被移动的最外围节点与morphvolume边界之间留出变形过渡区，过渡区大小与节点移动距离大小有关。因为网格畸变厉害的地方往往是morph区域的边界
3、我最喜欢morphvolume。建立一个大的volume将所有需要变形的区域都包含进去，再将这个大的volume按需要分割成若干小块，移动小块的handle能控制模型精确变化。原则上小块越小，控制越精细，相应地也越麻烦。

wangdongheng040

12# benbzhpf
谢谢！非常感楼主的指教！推荐版主给楼主加分鼓励！如果能给出一个实例，相信大家更能理解楼主的好意！版主的技术分就不要吝啬了！ :lol

s0604015

学习了，高手如云啊

belonging

hypermorph的morphvolume也有不足的地方，例如空间中倾斜的part就不太方便控制了。

benbzhpf

15# belonging
morphvolume有多种建立方式，可以根据零件形状生成倾斜的控制体，也可根据零件形状生成不规则的方块

zkong

看得出楼主的OptiStruct优化经验非常丰富，谢谢分享。

实际上拓扑优化的发展已经到了比较成熟的阶段，目前比较有挑战的是在拓扑优化中同时考虑多约束的问题，比如应力约束. OptiStruct从8.0加入了考虑应力约束的拓扑优化，在很大程度上解决了大家最关心的一类问题。

应该说拓扑优化不会给出错误的结果，但是对于优化结果的解释和简化，如果处理不当，确实会得到非常不好的设计。 比较典型的一类情况是，在使用OSSmooth这类工具，去掉低于制定阀值(比如0.3)的低密度材料时，会使一些构件"断"掉，这样实际上改变了结构的拓扑和传力路径，结构性能也会发生质的变化。所以，一般的建议是，(1)去掉低密度材料时，使用较小的阀值， 或者连续变化阀值(从小到大)，确保变化到我们最后选取的阀值时，结构主要传力路径上不发生拓扑突变 (2) 在去掉弱材料前，查看密度云图，往往在密度云图上能更清楚地看到主要构件的分布，有助于我们判断哪些材料应该保留。 但是不管怎样，楼主讲的很重要，对于优化后得到的新设计必须进行重新分析和验算。

实际上，拓扑优化只能对于设计空间的材料分布给出"启发性"的指导，往往需要进一步的解释和简化，得到的新模型还需要做形状和尺寸优化来进一步改善结构，比如降低倒角处的应力集中。

周末参加了Altair的HTC, 看到很多国内的用户(主要集中在汽车和航空)已经大量应用OptiStruct改进产品设计，效果非常显著，而且有相当一批用户的应用水平已经非常高。

雪狼湖

记号一个。

lijinlong

很好！很喜欢！

nzsa

不错，学习了