HyperWorks中的優(yōu)化工具模塊OptiStruct是面向結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化的有限元求解器?？捎糜诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)、校核、性能提高和輕量化設(shè)計(jì)，其創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案屢獲大獎(jiǎng)。與傳統(tǒng)求解器不同的是，HyperWorks將強(qiáng)大的優(yōu)化功能和常用的分析類型——例如線性靜態(tài)分析、屈曲分析、模態(tài)分析，頻響分析等——高度集成，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)更加方便、穩(wěn)健和精確可靠，并且為CAE技術(shù)找到了在自主創(chuàng)新方面的突破口。HyperWorks擁有強(qiáng)大全面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能力，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，例如概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，提供了前所未有的杰出解決方案。
HyperWorks穩(wěn)健高效的優(yōu)化算法允許在模型中定義成千上萬個(gè)設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量可取單元密度、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、屬性如厚度、形狀尺寸、面積、截面尺寸等。此外，用戶還可根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求和優(yōu)化目標(biāo)，在軟件中方便地定義用戶變量。
在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，HyperWorks允許在有限元計(jì)算分析時(shí)使用多個(gè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)，用來定義優(yōu)化的目標(biāo)或者約束條件。HyperWorks支持常見的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括：位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變、特征值、屈曲載荷因子、結(jié)構(gòu)柔度、復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變、頻響位移、速度、加速度以及各響應(yīng)量的組合等。
HyperWorks提供了豐富的參數(shù)設(shè)置，方便用戶對(duì)整個(gè)優(yōu)化過程以及優(yōu)化結(jié)果的實(shí)用性進(jìn)行控制。這些參數(shù)包括優(yōu)化求解參數(shù)和制造加工工藝參數(shù)等。用戶可以設(shè)定迭代次數(shù)、目標(biāo)容差、初始步長和懲罰因子等優(yōu)化求解參數(shù)，也可以根據(jù)零件的具體制造過程添加工藝約束，從而得到正確的優(yōu)化結(jié)果并方便制造。
1．結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化功能；
a) 在產(chǎn)品研發(fā)的初始階段，用戶定義產(chǎn)品的設(shè)計(jì)空間、設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)約束和加工制造參數(shù)等信息，HyperWorks將根據(jù)這些信息求解出結(jié)構(gòu)傳力路徑和有效的材料分布，從而為工程師提供一個(gè)不僅符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，而且達(dá)到各項(xiàng)性能優(yōu)秀的設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)者可以綜合考慮不同目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)秀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及實(shí)際加工制造的限制，設(shè)計(jì)合乎要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
b) 在拓?fù)鋬?yōu)化中，HyperWorks可以考慮各種具體工程問題，可用于優(yōu)化的工況包括線性靜態(tài)分析，慣量釋放分析，模態(tài)分析，屈曲失穩(wěn)分析，頻響分析（直接法和模態(tài)法），瞬態(tài)分析（直接法和模態(tài)法），非線性分析等。
c) HyperWorks拓?fù)鋬?yōu)化的材料模式采用密度法，利用靈敏度和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法尋找合理的設(shè)計(jì)點(diǎn)，有別于傳統(tǒng)的均勻化法和優(yōu)化準(zhǔn)則法，具有內(nèi)在的先進(jìn)性。這種方法：
ü 通用性強(qiáng)，可以求解各種各樣的實(shí)際工程問題。
ü 穩(wěn)健性好，只要優(yōu)化問題有實(shí)際物理意義，就可以找到合理設(shè)計(jì)，不易出錯(cuò)。
ü 效率高，能自動(dòng)根據(jù)優(yōu)化問題從豐富的內(nèi)部算法庫中選擇優(yōu)秀的靈敏度和尋優(yōu)算法，決定是否采用中間變量和中間響應(yīng)等，計(jì)算效率非常高。
ü 容易消除數(shù)值不穩(wěn)定問題，例如棋盤格現(xiàn)象，網(wǎng)格依賴等現(xiàn)象。
d) 優(yōu)化結(jié)果如果難于制造，或者制造成本高昂，將失去工程應(yīng)用的意義和價(jià)值。HyperWorks提供了多種方法，可以在拓?fù)鋬?yōu)化的過程中考慮制造工藝的可行性。這些方法包括：
1) 成員尺寸控制
成員尺寸控制允許控制最后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的成員尺寸大小，使優(yōu)化結(jié)果更好的滿足制造加工和力學(xué)性能要求，包括最小尺寸和最大尺寸控制,具有消除棋盤格現(xiàn)象、網(wǎng)格依賴性等數(shù)值不穩(wěn)定性的能力。
2) 對(duì)稱約束
對(duì)設(shè)計(jì)空間施加對(duì)稱約束可以生成對(duì)稱設(shè)計(jì)。即使是在網(wǎng)格、邊界條件不對(duì)稱的模型中，HyperWorks也可以強(qiáng)制生成非常接近于對(duì)稱的結(jié)果。
ü 一平面對(duì)稱，優(yōu)化結(jié)果關(guān)于某個(gè)平面對(duì)稱。
ü 二平面對(duì)稱，優(yōu)化結(jié)果關(guān)于某兩個(gè)垂直的平面對(duì)稱。
ü 三平面對(duì)稱，優(yōu)化結(jié)果關(guān)于某三個(gè)垂直的平面對(duì)稱。
ü 周向循環(huán)對(duì)稱，周向循環(huán)對(duì)稱將設(shè)計(jì)空間圍繞某對(duì)稱軸等分為用戶指定數(shù)量的扇形區(qū)域，各扇形區(qū)域的優(yōu)化結(jié)果一致。
ü 周向循環(huán)及一平面對(duì)稱，周向循環(huán)及一平面對(duì)稱在周向循環(huán)對(duì)稱的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)扇區(qū)指定一個(gè)對(duì)稱平面從而保證每個(gè)扇區(qū)的優(yōu)化結(jié)果同時(shí)是一平面對(duì)稱的。
3) 模式重復(fù)
模式重復(fù)是允許相似的設(shè)計(jì)區(qū)域連接在一起以產(chǎn)生相似的拓?fù)洳季值囊环N方法。通過指定零件某一區(qū)域或多個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)樣式和另一區(qū)域保持一致，或某方向進(jìn)行比例縮放，從而得到相似的設(shè)計(jì)，減少工藝設(shè)計(jì)和制造加工的工作量。
通過靈活設(shè)定設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間，應(yīng)用上述制造工藝約束，或者多種工藝約束的組合，HyperWorks可以充分考慮產(chǎn)品實(shí)際加工過程的各種約束，從而使得優(yōu)化結(jié)果便于制造，優(yōu)化流程真正集成到產(chǎn)品開發(fā)過程中。
4) 拔模約束
拔模約束可以考慮鑄造件或者機(jī)加工件制造加工過程中的拔模和刀具的進(jìn)出，在拔模方向或刀具進(jìn)出的方向上避免材料的阻擋。拔模約束有單向拔模和沿給定方向分模兩種，可以考慮鑄造型芯。
5) 擠壓方向
通過指定擠壓方向，使材料沿?cái)D壓方向的橫截面保持一致，從而優(yōu)化結(jié)果可以采用型材制造。用戶通過指定一系列的點(diǎn)來定義擠壓的路徑。擠壓路徑可以是曲線的和扭轉(zhuǎn)的。
e) HyperWorks的優(yōu)化算法可以方便處理多工況，多目標(biāo)，多約束問題，其內(nèi)置的智能約束屏蔽功能可以有效的控制約束數(shù)量，功能強(qiáng)大的響應(yīng)定義功能可以考慮多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，特別適合航空航天行業(yè)這種多工況多目標(biāo)多約束的復(fù)雜問題，有許多成功的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化案例包含上百萬個(gè)變量，上百個(gè)工況，幾十個(gè)目標(biāo)和約束。
f) HyperWorks的Morphing技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在優(yōu)化過程中網(wǎng)格的無級(jí)變形能力和自適應(yīng)能力，從而保證在優(yōu)化過程中的網(wǎng)格質(zhì)量，以及對(duì)局部網(wǎng)格細(xì)化的要求，消除優(yōu)化結(jié)果的網(wǎng)格依賴性以及由于網(wǎng)格質(zhì)量導(dǎo)致的優(yōu)化出錯(cuò)。
g) HyperWorks全面支持動(dòng)態(tài)性能的拓?fù)鋬?yōu)化功能，可以對(duì)模態(tài)，頻響和瞬態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化，可以方便的設(shè)置基頻最大化、加權(quán)頻率最大化、各階頻率約束、復(fù)合頻率應(yīng)變能最大化等問題，可以對(duì)頻響及瞬態(tài)分析的位移、速度、加速度進(jìn)行優(yōu)化、具有模態(tài)跟蹤功能，能有效處理模態(tài)交換和局部模態(tài)問題。
h) 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器只能對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化的非設(shè)計(jì)空間進(jìn)行應(yīng)力約束，無法直接對(duì)設(shè)計(jì)空間的應(yīng)力水平進(jìn)行約束。HyperWorks創(chuàng)造性的實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)空間的直接應(yīng)力水平約束，從而工程師在設(shè)計(jì)階段就可以直接考慮強(qiáng)度和疲勞問題。
i) HyperWorks的優(yōu)化結(jié)果可以方便的通過OSSmooth模塊輸出為幾何模型，從而方便導(dǎo)入到各種CAD軟件中，方便設(shè)計(jì)工程師根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。支持的通用文件格式包括IGS和 STL等。
2．壓延鈑金優(yōu)化功能
a) HyperWorks的形貌優(yōu)化（Topography Optimization）具有極其強(qiáng)大的鈑金件壓延筋優(yōu)化功能。可以通過指定最大容許的壓延筋尺寸，給出強(qiáng)度或者剛度方面的優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化出滿足要求的壓延筋布局，為設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)思路。
b) HyperWorks的形貌優(yōu)化技術(shù)可以指導(dǎo)用戶設(shè)計(jì)出滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件的合理壓延筋布局，從而大大提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲、自然頻率和頻響等性能，特別適合于優(yōu)化振動(dòng)和噪聲等問題。
c) 在壓延筋優(yōu)化中，HyperWorks可以定義壓延筋的筋寬、筋高、起筋角、設(shè)計(jì)域與非設(shè)計(jì)域間的過渡區(qū)，施加邊界條件的區(qū)域是否起筋等設(shè)置等內(nèi)容。
d) HyperWorks的壓延筋優(yōu)化功能強(qiáng)大，可以處理各種實(shí)際應(yīng)用問題，包括：
1) 模式組
在壓延筋優(yōu)化中，HyperWorks可以充分考慮各種筋的模式，從而滿足制造加工和產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)方面的要求，包括：
ü 一平面對(duì)稱，壓延筋關(guān)于某平面對(duì)稱
ü 兩平面對(duì)稱，壓延筋關(guān)于某兩個(gè)垂直平面對(duì)稱
ü 三平面對(duì)稱，壓延筋關(guān)于某三個(gè)垂直平面對(duì)稱
ü 線性分布，壓延筋成直線型
ü 圓周分布，壓延筋成圓環(huán)型
ü 徑向分布，壓延筋成放射型
ü 平面分布，各區(qū)域的壓延筋處于同一平面
2) 模式重復(fù)
在形貌優(yōu)化中，模式重復(fù)是允許相似的設(shè)計(jì)區(qū)域連接在一起以產(chǎn)生相似的壓延筋分布，例如，將整體設(shè)計(jì)區(qū)域分為三個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)，則可以保證三個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)的壓延筋模式是一樣的。
3) 起筋面積比
壓延筋的面積與鈑金件面積之比稱為起筋面積比，當(dāng)不考慮起筋面積比時(shí)，優(yōu)化結(jié)果可能包含非常多的壓延筋，其中有些壓延筋的作用不是很大，導(dǎo)致產(chǎn)品不易設(shè)計(jì)，生產(chǎn)成本高。起筋面積比可以控制壓延筋的總面積，從而只產(chǎn)生合理重要的壓延筋。
手工進(jìn)行壓延筋形貌優(yōu)化的結(jié)果解釋和模型重建比較復(fù)雜，OSSmooth模塊提供了AutoBead功能，可以快速進(jìn)行自動(dòng)化壓延筋重建功能，從而大大節(jié)省工程師的寶貴時(shí)間。AutoBead可以給出非常清晰的壓延筋，良好的網(wǎng)格，可以自動(dòng)進(jìn)行多層壓延筋的重建。
3．外形優(yōu)化功能
a) HyperWorks的形狀優(yōu)化（Shape Optimization）和自由形狀優(yōu)化（Free Shape Optimization）具有極其強(qiáng)大的外形優(yōu)化和零件位置優(yōu)化功能。
1) 形狀優(yōu)化
形狀優(yōu)化的目的是對(duì)已有零件的網(wǎng)格形狀進(jìn)行修改從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高剛度、強(qiáng)度或者減輕重量。例如，通過改變零件關(guān)鍵部位的外形可以降低局部應(yīng)力。HyperWorks利用網(wǎng)格劃分當(dāng)中的網(wǎng)格變形技術(shù)建立基于網(wǎng)格變形的形狀優(yōu)化變量。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是在優(yōu)化過程中無需重構(gòu)CAD模型，所有形狀改變均直接作用于網(wǎng)格，從而可以方便地得到合理的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。
HyperMorph是一個(gè)內(nèi)嵌在網(wǎng)格劃分當(dāng)中的網(wǎng)格變形模塊。通過它，可以使用多種交互式的方法來改變網(wǎng)格形狀和零件的位置。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)后，HyperMorph可以創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量卡片和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)卡片，將修改后的網(wǎng)格保存為形狀擾動(dòng)，與形狀優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量關(guān)聯(lián)。
2) 自由形狀優(yōu)化
與常規(guī)的形狀優(yōu)化相比，自由形狀優(yōu)化采用非參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，可以對(duì)零部件的邊界或外表面進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。在定義形狀變量時(shí)，不需要使用HyperMorph來定義設(shè)計(jì)變量，而是直接選擇設(shè)計(jì)區(qū)域的單元節(jié)點(diǎn)，然后自動(dòng)生成形狀變量，這樣使得定義形狀設(shè)計(jì)變量的過程更加簡單。
b) HyperWorks的形狀優(yōu)化功能可以方便地考慮靜力、模態(tài)、頻響、疲勞分析等進(jìn)行形狀優(yōu)化。
c) HyperWorks的自由形狀優(yōu)化功能就是通過非參數(shù)化技術(shù)修改已有的設(shè)計(jì)模型或零件的外表面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
d) HyperWorks的形狀優(yōu)化和自由形狀優(yōu)化功能可以方便的實(shí)現(xiàn)各種對(duì)稱約束，包括各種平面對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，可以實(shí)現(xiàn)零件工作包絡(luò)空間的約束。此外，通過對(duì)形狀變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，HyperWorks可以方便實(shí)現(xiàn)包含各種關(guān)聯(lián)性約束的形狀優(yōu)化問題。
e) 形狀優(yōu)化的一個(gè)重要用途就是減少應(yīng)力集中，提高零件的疲勞壽命。HyperMesh可以生成各種形狀變量，通過HyperWorks的多學(xué)科研究和優(yōu)化模塊HyperStudy調(diào)用各種通用疲勞分析求解器，例如nCode DesignLife、MSC.Fatigue、Falancs和Femfat進(jìn)行疲勞壽命的優(yōu)化。
4．尺寸優(yōu)化功能
HyperWorks的尺寸優(yōu)化（Size Optimization）和自由尺寸優(yōu)化（Free Size Optimization）具有極其強(qiáng)大的尺寸優(yōu)化功能。
1)尺寸優(yōu)化
尺寸優(yōu)化用于合理優(yōu)化零件的參數(shù)，例如材料特性、板殼厚度、梁截面尺寸、連接剛度等。在HyperWorks中，用戶可以非常方便地定義優(yōu)化參數(shù)。同時(shí)，HyperWorks支持離散性的尺寸優(yōu)化，離散變量數(shù)組的建立有多種方便的方法，從而很大程度上解決了離散性優(yōu)化這一工程難題。
HyperWorks的尺寸優(yōu)化定義非常靈活，用戶可以通過建立尺寸變量然后跟模型屬性相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的參數(shù)化，也可以一次性的把模型的屬性全部參數(shù)化，快速建立成千上萬個(gè)尺寸變量。
2)自由尺寸優(yōu)化
HyperWorks專門針對(duì)板殼結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料的特點(diǎn)提供了自由尺寸優(yōu)化技術(shù)。在自由尺寸優(yōu)化中，每一個(gè)板殼單元的厚度都是一個(gè)優(yōu)化變量，優(yōu)化結(jié)果主要為抗剪切性能更好的連續(xù)不等厚板，這樣的板殼結(jié)構(gòu)在飛機(jī)等結(jié)構(gòu)上使用更合理。
5．復(fù)合材料的優(yōu)化
HyperWorks的拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化功能不僅在金屬零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化上已經(jīng)非常成熟，在復(fù)合材料優(yōu)化上也非常的強(qiáng)大。
復(fù)合材料具有良好的性能，在工程實(shí)際中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。HyperWorks可以對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行多個(gè)層次的優(yōu)化。
1）拓?fù)鋬?yōu)化可以找出復(fù)合材料的合理分布區(qū)域
2）尺寸優(yōu)化可以優(yōu)化復(fù)合材料的鋪層角度和層數(shù)
3）自由尺寸優(yōu)化可以優(yōu)化各個(gè)角度鋪層的鋪層形狀和層數(shù)
HyperWorks的復(fù)合材料優(yōu)化功能可以考慮各種實(shí)際工藝要求。例如，通過變量關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)鋪層連續(xù)，通過厚度約束控制各個(gè)角度鋪層占總鋪層厚度的百分比，通過HyperShuffle實(shí)現(xiàn)面向生產(chǎn)實(shí)際的各鋪層的排列順序。
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