OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計（魚腹梁）【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-03-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

有限元學(xué)習(xí)交流之家,各領(lǐng)域大神匯聚之地

小王:靜靜,考考你,你還記不記得今天材料力學(xué)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(yīng)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(shè)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(shù)情況下梁上只有一個或者少數(shù)幾個截面上的彎矩得到最大值,也就是只有極少數(shù)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(shè)計更為精妙,因為梁彎曲時各截面的受力狀況會復(fù)雜很多,我很好奇是怎么設(shè)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(xiàn)在CAE技術(shù)如此發(fā)達,你可以嘗試用結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yōu)化和拓撲優(yōu)化,比單個優(yōu)化會麻煩一些,現(xiàn)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

OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計（魚腹梁）【轉(zhuǎn)發(fā)】ansys分析案例圖片1

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(jīng)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(xiàn)縱向優(yōu)化結(jié)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(dǎo)入hm中(注意模型比例的轉(zhuǎn)換),然后使用0.5mm的網(wǎng)格尺寸劃分網(wǎng)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(yōu)化設(shè)計區(qū)(使用tool面板下的organization進行網(wǎng)格分配)

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⑤創(chuàng)建單元和材料并進行分配

創(chuàng)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(shè)計區(qū)域。最后將不同區(qū)域的網(wǎng)格與單元卡片以及材料關(guān)聯(lián)起來。

⑥創(chuàng)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(chuàng)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

OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計（魚腹梁）【轉(zhuǎn)發(fā)】ansys結(jié)構(gòu)分析圖片3 米塞斯應(yīng)力分布云圖

⑧確定分析方向

上述載荷下中間米塞斯應(yīng)力達到54MPa,現(xiàn)在我要通過優(yōu)化將應(yīng)力縮減在30MPa以下。

⑨拓撲優(yōu)化設(shè)置

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上述四張圖從上至下分別為:創(chuàng)建拓撲優(yōu)化區(qū)域,指定拓撲優(yōu)化的全密度拓撲寬度范圍,指定拓撲結(jié)構(gòu)對稱平面,控制棋盤現(xiàn)象(具體控制以后慢慢說)

⑩形狀優(yōu)化設(shè)置

形狀優(yōu)化設(shè)置相對來說復(fù)雜一點,這里只能簡略說明。首先需要告訴軟件形狀優(yōu)化的方向,其次需要告訴軟件在該方向的可調(diào)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。

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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(yōu)化范圍設(shè)定。

11.指定響應(yīng)(設(shè)計相關(guān)變量)

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上述兩張卡片分別指定了兩個設(shè)計變量,一個是整體的體積,一個是設(shè)計區(qū)域的米塞斯應(yīng)力。

12.指定約束與目標

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上述兩張卡片分別約束了優(yōu)化時需要米塞斯應(yīng)力低于30MPa與優(yōu)化目標為時整體分析結(jié)構(gòu)體積最小。然后提交軟件分析。

靜靜:最后分析結(jié)果怎么樣?這實在激起了我的好奇心!

小王:下面是不同優(yōu)化步的優(yōu)化結(jié)果

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密度比大于0.3部分的結(jié)果

靜靜:可以看出來在整個優(yōu)化過程中軟件同時在進行形狀與拓撲優(yōu)化的平衡,而且形狀的優(yōu)化貌似比拓撲更加容易穩(wěn)定下來。

小王:形狀優(yōu)化部分我設(shè)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(yōu)化,可能性很多,只能通過結(jié)果是否穩(wěn)定來判斷優(yōu)化結(jié)是否滿足條件。

靜靜:結(jié)構(gòu)優(yōu)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(jié)構(gòu),貌似還更加安全,讓我大開眼界。

小王:哈哈,上述只是優(yōu)化設(shè)計的一部分,optistruct還可以進行形貌,尺寸等優(yōu)化設(shè)計,相信一定可以滿足你的好奇心。我也一直認為,結(jié)構(gòu)優(yōu)化是設(shè)計的精髓。它不同于分析軟件,他提供給設(shè)計師的是靈感,而這種靈感是極其巧妙而符合規(guī)律的。

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