强大的优化设计软件Altair OptiStruct 附Altair OptiStruct下载

1 结构的初步设计——拓扑优化

在结构设计之初，我们对于要设计的结构只有一个功能和力学性能上的要求，但是它到底应该采用一个什么样的结构呢？此时我们可以借鉴前辈们已经设计过的类似的结构，但是如果想要创造一个新结构出来，合理的方法是进行拓扑优化，得到一个初始结构。

我们通过一个简单的例子来说明上述问题。

比如，我们想设计一个夹子，它大概应该是下图的形状，它在A,B两点承受的最大力是100N，这两个力就是夹持力。在夹持的过程中，D点是始终不会动的，我们希望所设计的这个夹子在夹持物体时，AB之间的相对变形不要超过0.07mm。在上述要求下，我们希望尽量地节省材料，从而节省成本。

显然，我们可以想象，我们最后设计的结构不应该是这样一块整板，而是在中间挖去了很多材料的结构。但是它将是一种什么样的结构呢？

我们随便用哪一款三维软件创建上述简单模型后，导入到optistruct中，划分得到有限元模型，并施加边界条件，进行拓扑优化，优化的结果如下图。

有了这个图，我们基本上明白了。哦，原来应该采用这种形状，既能够满足前面提出的要求，而且又最节省材料。根据上述优化的结果，我们就可以在三维软件中创建一个初始的结构，然后再根据结构设计的规则进行修改，从而得到一个满足力学性能要求的最省材料的基本结构。

2 尺寸优化

继续考虑上面拓扑优化后的夹子。

现在我们有进一步的问题。上图中的各根杆件，该采取什么截面形式，以及该截面的尺寸（例如，空心管的外径及壁厚），我们并不知道该如何设定，此时可以使用optistruct的尺寸优化技术。

使用尺寸优化技术，optistruct会充分使用各种优化设计算法，在一定的范围内变化这些我们所给定的尺寸，以寻求在最省材料的基础上又能保证刚度和强度的夹子。

3 形状优化

考虑下面的问题。

一根悬臂梁，长100mm,高10mm,厚1mm，左端固定，右端施加一个竖直向下的集中力100N。现在希望在保证右下角点位移小于3mm的前提下，进行悬臂梁形状的优化，使得其用材最少。

使用Optistruct创建上述几何模型，并划分网格得到有限元模型，并创建边界条件进行形貌优化后，得到的结果如下图

上图说明了，这种变截面梁才是合适的形状，而非等截面梁。

实际上，从材料力学的角度，我们也很容易解释这个问题。越是靠近固定端的地方，截面的弯矩越大，从而应力越大。而越是远离固定端的地方，截面弯矩越小，从而应力越小。这样，为了充分发挥材料的承力性能，我们就应该在承力大的地方，多用材料；而在承力小的地方，少用材料。

 这实际上就是材料力学中说的等截面梁。

 除了上述整体的形状优化方法以外，OPTISTRUCT还提供了局部形状优化技术，可以对局部应力较大的区域进行形状优化，从而得到减小应力的目的。

4 薄壁结构的表面加筋设计——形貌优化

有时候，当我们设计出一种薄壁结构后，发现该结构的刚度不够。为了改善该结构的强度和刚度，我们可以整体加厚，但是我们发现这样又很浪费材料。那么该怎么办呢？

采取表面加筋或者是用强化压痕的方式可以达到目的。

但是我们该如何加筋或者制造压痕，才能满足这个要求呢？

Optistruct提供了专门的形貌优化模块以做到这一点。

举一个例子。

一个100mm*100mm*1mm的平板，一条边上的两个角点固定三个平移自由度，另外一条边上一个角点固定Z自由度，剩余的角点上施加一垂直于板面的集中力100N。现在要使得加力点的位移最小，那么该如何在表面起筋呢？

使用Optistruct创建上述几何模型，并划分网格得到有限元模型，并创建边界条件进行形貌优化后，得到的结果如下图

这意味着，可以按照上述云图来起筋。上图中红色区域意味着是可以凸起的部分，蓝色区域则是保持原状的部分。使用上述起筋的方式，就可以得到我们所希望的较高刚度的板件。

评论

充分使用上述四种结构优化设计技术，可以对一个结构从无到有，从粗到精地进行设计。很多有限元软件都可以做到这里面的尺寸优化。但是对于拓扑优化、形貌优化、形状优化，optistruct可谓匠心独运，技高一筹。充分使用optistruct的结构优化技术，可以帮助结构设计工程师在最短的时间内得到创新的、合理的、省材料的结构。它的确是结构设计工程师不可多得的好工具。

下载地址：Altair OptiStruct_v12-2019新功能