第六章 复合材料优化技术
第四节 实例：复合材料自行车车架优化
本实例介绍对复合材料自行车架进行铺层厚度优化的方法。图6-7为本实例中将使用的模型。
图6-7 自行车车架模型
本实例中的优化问题描述如下。
- 设计目标：体积最小。
- 设计约束：给定的最大节点位移。
-
设计变量：铺层厚度。
本实例包含以下内容：
- 建立复合材料车架的尺寸优化问题并求解。
-
HyperView中复合材料尺寸优化结果的后处理。
1 运行HyperMesh并设置User Profile
（1）启动HyperMesh。
（2）选择OptiStruct作为User Profile。
（3）单击OK按钮。
此步骤载入User Profile。它包括对应的模板，宏菜单和文件导入工具，并且为了生成RADIOSS和OptiStruct使用的批量数据格式模型，削减了HyperMesh的某些功能。
（4）选择工具栏中的Open Model按钮 。
选择bicycle_frame.hm文件，该文件位于HyperMesh安装目录<install_directory>/tutorials/
hwsolvers/optistruct/下。
（5）单击Open。
bicycle_frame.hm数据文件被载入到当前HyperMesh中，并代替已存在的数据。此时将会发现，结构模型中单元属性和材料数据均已定义。以下将模拟自行车快跑工况。
2 为载荷和边界条件创建Load Collectors
（1）选择Load Collectors按钮 。
（2）在左边面板的单选框中选择create子面板。
（3）单击loadcol name = 并输入crank。
（4）单击Color，并从调色板上选择一种颜色。
（5）单击创建方式按钮，并从弹出的菜单中选择no card image。
（6）单击create按钮。
这一步创建了一个新的load collector，名为crank。
（7）单击loadcol name = 并输入spcs。
（8）单击Color，并从调色板上选择另一种颜色。
（9）单击create按钮。
这一步创建了一个新的load collector，名为spcs。
（10）单击return按钮返回到主菜单。
3 创建载荷
（1）在HyperMesh窗口右下角单击Set Current Load Collector，进入一个新的load collectors面板。
（2）从load collectors的列表中选择crank。
（3）从Analysis页面中选择forces面板。
（4）在左边面板的单选框中选择create子面板。
（5）操作对象选择nodes。
（6）在图形区，选中图6-8中所示的刚性连接处的中心节点。
（7）设定坐标系为global system。
（8）单击magnitude =并输入-100。
（9）单击magnitude =下方的按钮，从弹出的菜单中选择z-axis。
（10）单击Create按钮。
这一步在踏板位置创建了一个力。
（11）单击return按钮返回到主菜单。
（12）从Analysis页面中选择moments面板。
（13）在左面板的单选框中选择create子面板。
（14）操作对象选择nodes。
（15）在图形显示区，选中图所示的刚性连接处的中心节点。
（16）设定坐标系为global system。
（17）单击magnitude =并输入100。
（18）单击magnitude =下的方向定义开关，从弹出菜单中选择x-axis。
（19）单击Create。
这一步在踏板位置创建了一个扭矩，如图6-8所示。
图6-8 在自行车支架的底部加载
注意：这是一个简化加载模型，模拟脚踩在踏板上时的载荷工况。
（20）单击return按钮。
4 创建约束
（1）在HyperMesh窗口的右下角单击Set Current Load Collector，像步骤03一样，进入一个新的load collectors面板。
（2）从load collectors列表中选择spcs。
注意此时spcs出现在页面的右下角，表明spcs为当前load collector。
（3）从Analysis页面中选择constraints面板。
（4）在左边面板的单选框中选择create子面板。
（5）操作对象选择nodes。
（6）选择图6-9和图6-10所示的节点，通过单击刚性连接处的中心点来约束结构。
图6-9 在车架后轮处施加SPCs
图6-10 在前套管的上下部施加SPCs
（7）约束dof1，dof2，dof3，dof4，dof5和dof6。
选中的dofs将被约束，其余则是自由的。
dofs1，dofs2和dofs3代表x，y和z方向上的平动自由度。
dofs4，dofs5和dofs6代表x，y和z方向上的转动自由度。
（8）单击Create按钮。
这一步对选定的节点施加了这些约束。
（9）单击return按钮返回到主菜单。
5 创建OptiStruct子工况
（1）从Analysis页面中选择loadsteps面板。
（2）单击name =并输入crank。
（3）单击type开关，选择linear static（如果它没有被默认选中的话）。
（4）选择SPC前的复选框。SPC右边出现输入区。
（5）单击输入区，从load collectors的列表中选择spcs。
（6）选中LOAD。
（7）单击输入区，从load collectors的列表中选择crank。
（8）单击Create按钮。
此时，定义在spcs中的边界条件以及定义在crank中的载荷同时作用的OptiStruct工况已经创建好。
（9）单击return按钮返回到主菜单。
6 定义设计变量
（1）从2D页面中选择HyperLaminate面板。
这一步启动了HyperLaminate GUI。接下来的步骤在HyperLaminate GUI中进行。
（2）在屏幕的左侧扩展树形结构的Design Variable部分，将出现DESVAR分支。
（3）使用鼠标右键单击DESVAR，出现一个含有NEW选项的浮动菜单。
（4）单击New。
这一步创建了一个默认名为NewDv1的新的设计变量，且树形结构被展开。
（5）使用鼠标右键单击NewDv1，选择Rename重命名设计变量为thk1，覆盖默认设计变量名。
（6）在Initial value处输入1.0。
（7）在Lower bound处输入0.0。
（8）在Upper bound处输入2.0。
（9）单击Apply。
（10）重复步骤（4）～（9），用相同的方式及同样的数值，共创建5个设计变量，即thk2、thk3、thk4和thk5。
此外，也可以通过鼠标右键单击thk1，从浮动菜单中选择Duplicate，创建一个同样的设计变量。重复这个过程4次，共创建5个设计变量，然后通过鼠标右键单击它们并选择Rename，对它们重命名。
（11）通过检查PCOMP分支，以查看模型中所有的PCOMPs。
（12）选择seat_tube PCOMP。
界面中显示层压板的详细信息。
（13）使用鼠标右键单击靠近中间面板顶端的Optimization复选框。
在铺层次序表里出现了新的区域，它允许设计变量与铺层厚度和铺层方向相关联。
（14）在第一行的Optimization下，单击Designvar下的区域。
（15）从下拉菜单中选择thk1。
（16）对于其他行重复步骤（14）和（15），如图6-11所示。
图6-11 设置设计变量范围
（17）单击Update Laminate。
此时，设计变量thk(i)与ply(i)的厚度关联，在本实例中，ply(11-i)也一样，因为这是一个对称的层压板。
（18）使用和seat_tube属性相同的DVs，对TOP_tube和down_tube重复这些操作。
（19）从File下拉菜单中选择Exit，退出HyperLaminate GUI返回到Hypermesh。
7 创建位移和体积响应
创建一个在加载处节点总的位移响应，并将该响应的最小化设为优化目标。
（1）从Analysis页面中选择optimization面板。
（2）选择responses面板。
（3）单击responses=并输入disp。
（4）单击response type按钮，从弹出的菜单中选择static displacement。
（5）单击total disp按钮。
（6）单击nodes，在图形显示窗口中选中支架底部的加载处节点。
（7）单击Create按钮。
（8）单击response=并输入volume。
（9）单击response type按钮，从弹出的菜单中选择volume。
（10）默认为total。
（11）单击Create按钮。
（12）单击return按钮返回optimization面板。
8 创建位移响应约束。
（1）进入dconstraints面板。
（2）单击constraint=并输入Disp。
（3）选中upper bound =。
（4）单击upper bound =并输入1.8。
（5）单击response =并从响应列表中选择disp。
（6）面板中出现一个loadsteps按钮。
（7）单击loadsteps。
（8）选中crank并单击select。
（9）单击Create按钮。
一个约束已经定义在disp响应上。它表明任何求解（体积最小）所需要的位移小于1.8mm才是可行的。
9 定义目标
（1）单击return按钮返回optimization面板。
（2）选择objective面板。
（3）单击左侧按钮并选择min。
（4）单击response=并从弹出的菜单中选择volume。
（5）单击Create按钮。
（6）单击return按钮两次，并返回主菜单。
10 优化计算
（1）从Analysis页面选择OptiStruct面板。
（2）在input file区域下单击save as。
（3）选择OptiStruct模型文件的输出路径，并在File name中输入文件名bicycle_frameOPT.fem。.fem扩展名为OptiStruct所默认的输入格式。
（4）单击Save按钮。
注意input file中bicycle_frameOPT.fem文件的名称和保存位置。
（5）设置export options为all。
（6）将run options设为optimization。
（7）设置memory options为memory default。
（8）单击OptiStruct。
这一步启动OptiStruct优化计算。如果计算成功，可以在OptiStruct模型文件的调用目录下找到新的结果文件。bicycle_frameOPT.out文件可以用于查找错误信息，如果出现任何错误，这些信息将有助于调试。
HyperView 中复合材料尺寸优化结果的后处理
11 在HyperGraph中查看结果
查看设计变量和优化目标历程：
（1）打开HyperView界面。
（2）从File下拉菜单中选择Open命令，出现一个Open Session File浏览窗口。
（3）选择由OptiStruct运行得到的bicycle_frameOPT_hist.mvw文件，单击Open。该文件包含了整个迭代历程中，优化目标、约束以及设计变量的曲线图。第一页显示的是Objective function，如图6-12所示。
图6-12 每一迭代步的目标值（体积）
第二页显示的是Maximum Constraint Violation，如图6-13所示。
图6-13 每一迭代步的最大约束违反值(%)
第三页显示的是Design Variables (DVs)，对应bicycle_frameOPT.hgdata文件，变量迭代变化曲线如图6-14所示。
图6-14 每一迭代步的设计变量值
OptiStruct & HyperStudy 理论基础与工程应用
- 作者：
- 洪清泉
- 类别：
- 产品创新数字化
- 出版社：
- 机械工业出版社
- 出版时间：
- 2013-01-01
- 定价：
- ￥99.00
- 京东价：￥69.30
实际售价以e-works战略合作伙伴当日售价为准