OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用.pdf

《OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用.pdf（538页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 HyperWorks 进阶教程系列 OptiStruct & HyperStudy 理论基础与工程应用 洪清泉 赵 康 张 攀 等编著 机 械 工 业 出 版 社 本书主要介绍了 OptiStruct 和 HyperStudy 的理论方法、基础练习、使 用技巧和工程应用。 全书分上、下两篇。上篇是 OptiStruct 部分，主要介绍 OptiStruct 的基 础理论和各种优化技术，以及部分优化卡片说明，并提供了大量实例练习 和行业工程案例；下篇是 HyperStudy 部分，主要介绍 HyperStudy 的各种系 统研究和优化方法，并提供了集成不同求解器进行优化设计的大量练习和 案例。

2、 本书由 Altair 中国公司技术团队编写，是 Altair 中国公司推荐的 HyperWorks 软件培训用书，可作为机械、汽车、航空航天、船舶、军工、 重型装备、电子及家电等相关行业工程技术人员的自学或参考用书，也可 作为理工院校相关专业师生学习或者教学用书。 图书在版编目（CIP）数据 OptiStruct & HyperStudy 理论基础与工程应用/洪清泉等编著.北京：机 械工业出版社，2012.12 （HyperWorks 进阶教程系列） ISBN 978-7-111-40462-0 .O .洪 .有限元分析应用软件教材 .O241.82-39 中国版本图书馆 CIP 数据核字（

3、2012）第 274969 号 机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037） 策划编辑：丁 诚 张淑谦 责任编辑：张淑谦 罗子超 吴超莉 范成欣 责任印制：杨 曦 保定市中画美凯印刷有限公司印刷 2013 年 1 月第 1 版第 1 次印刷 184mm260mm33.5 印张830 千字 00014000 册 标准书号：ISBN 978-7-111-40462-0 ISBN 978-7-89433-215-8（光盘） 定价：99.00 元（含 1DVD） 凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换 电话服务 网络服务 社 服 务 中 心 ： （010）883610

4、66 教 材 网：http：/ 销 售 一 部 ： （010）68326294 机工官网：http：/ 销 售 二 部 ： （010）88379649 机工官博：http：/ 读者购书热线： （010）88379203 封面无防伪标均为盗版 前 言 III 序 一 Altair 公司于 1985 年从工程咨询起家，在 1989 年发布了 HyperMesh 软件，并很快在汽 车业得到广泛认同，从此激发了 Altair 在软件上投入的热情。1994 年，Altair 推出了 OptiStruct 模块，当年即获得工业周刊 （Industry Week）年度技术奖。随后的几年，Altair 通过收

5、购和开发，扩展了一系列模块，并于 1999 年整合成 HyperWorks 软件包。在 2006 年 收购 RADIOSS 软件后，Altair 终于在结构仿真和优化方面形成了完整的产品系列。 2012 是 Altair 进入中国的第 11 个年头，在这 11 年中，在 Altair 中国同仁的不懈努力 下，Altair 中国业务有了长足的发展，HyperWorks 用户群也逐渐壮大。为此，2007 年开始， 我们每年举办 HyperWorks 技术大会（HTC）暨 Altair 用户年会。在会上，不仅有大会主题 发言，还有大量的用户论文交流。2007 年，上海的第一届 HTC 大会就收到了

6、70 多篇论文， 大部分是关于 HyperMesh 的应用。2008 年，在北京的第二届 HTC 大会上开始有一些制造仿 真技术（HyperXtrude/HyperForm）方面的论文。20092010 年，在上海的第三、四届 HTC 大会上论文数都超过了 120 篇，内容涵盖的行业更广，应用的模块更多，涌现了大量的有限 元求解、多体动力学仿真（MotionSolve） 、优化设计及二次开发的成功案例。 Altair 早些年的成功基本上得益于好的产品以及技术人员的口口相传。Altair 的业务模式 也为 HyperWorks 的普及提供了强有力的支持，使得高端 CAE 的进入门槛大大降低。随着

7、业 务的飞速发展，要求使用 HyperWorks 的技术人员也越来越多，大家迫切希望有一些更好的 教程，能帮助他们更快地上手、更系统地学习、更深入地应用。在这样的背景下，我们组织 编写了 HyperWorks 进阶教程系列： HyperMesh & HyperView 应用技巧与高级实例 、 OptiStruct & HyperStudy 理论基础与工程应用 、 RADIOSS 理论基础与工程应用 ，以满足 广大 CAE 工程师及爱好者的要求，并帮助高校学子更快掌握 HyperWorks 的软件应用。 无论您是新入行，还是已在这一行工作多年，您一定会为 CAE 工具的多样化伤透脑 筋。Hype

8、rWorks 在高端 CAE 技术上提供了一站式解决方案，不仅使系统精简，同时又可同 其他系统共享 CAE 模型，更进一步将目前的主流 CAE 求解器集成在统一的环境上，组成一 个高效的产品研发平台，从而将创新、成本、效率有机结合起来，构造最有效的产品创新设 计平台解决方案。Altair“以用户的成功衡量我们的业绩”的服务理念、不断创新的技术和 业务模式、全球工程咨询经验的导入，会助您更上一层楼！ 戚国焕 Altair 大中华区总经理 HyperMesh&HyperView 应用技巧与高级实例 IV 序 二 2000 年以来，结构优化在工业中的应用取得了迅猛发展。这一趋势受到以下几个因素 的驱

9、动。首先，经过近 40 年的积累，结构优化和多学科优化技术及其算法越来越成熟。其 次，商业软件在把新兴技术转化为实用工程工具的过程中扮演了重要角色，特别是拓扑优化 技术引领了这一潮流。这是因为产品设计意味着创新性和创造性，而拓扑优化可以帮助工程 师在概念设计早期阶段跳出思维定式。实践证明，即使在一些工程领域中被认为已经设计得 很完美的产品上，拓扑优化也能生成令人惊叹的高性能设计。通过拓扑优化技术，空中客车 公司在一组 A380 飞机的前缘翼肋上取得了超过 40%的减重效果。 Altair 公司极大地推动了优化技术的发展，并在优化技术成为主流的工程方法和工具的 过程中做出了重要贡献。从 1994

10、 年 OptiStruct 问世以来，OptiStruct 就非常重视拓扑优化技 术，并认为它是产品创新设计的革命性工具。在过去 15 年的研发中，OptiStruct 重点关注了 以下几个在实际应用中非常重要的方面： （1）对于概念设计，必须在优化模型中考虑制造可 行性； （2）工程结构有不同应用，因此，软件应该为工程师提供能够表征设计问题的一般方 案； （3）对于复杂的分析模型，通常包含大量的设计变量和约束，求解结果的稳健性和效率 是关键。 目前，工程领域中最热门的是复合材料结构设计的变革。它的发展主要源自于航空工业 对复合材料设计需求的快速增长。全球航空工业正以空前的步伐建造着下一代飞机

11、，而新一 代飞机机身将全部使用复合材料。复合材料具有强大的设计潜能，因为层合板材料在整个结 构中几乎可以被任意裁剪，然而增加的设计自由度同时也对设计流程和软件带来了新的挑 战。OptiStruct 的复合材料优化技术成功应对了这一挑战。 虽然概念设计阶段的优化是产品设计创新的关键，但所有的产品都必须经过详细设计才 能完成。OptiStruct 为经典的尺寸和形状优化提供了完整的解决方案。OptiStruct 一直致力于 创造一个强健、高效并且易用的优化工具。除此之外，它集成在 HyperWorks 这一全面的 CAE 仿真平台中，得到了优化模型前处理的最大便利。 此外，目前工程领域对复杂多学科

12、系统进行研究和优化的需求也日趋强烈，这已超出了 结构优化设计的范畴，需要新的优化引擎以驱动不同学科领域的仿真分析。HyperStudy 是该 领域的主要软件之一，完全可以胜任现代产品的各种性能优化。 我要感谢本书的作者，他们承担了这个艰巨的任务用这本书向工程人员和工科学 生系统地介绍了优化技术和实践经验。希望这本书能够为那些开始将优化技术应用于日 常工程实践的人士带来灵感，也能够为那些已经熟练掌握优化技术的人士带来更多的专 业知识。 周明 Altair 全球副总裁 前 言 V 前 言 技术支持和服务是 Altair 公司的核心竞争力之一。从 2001 年来到中国，Altair 公司就开始 建立

13、技术团队，为客户提供快速而全面的软件售前、售后技术支持，把 Altair 全球产品创新技术 和工程咨询经验带给中国市场。过去的 10 年，正是 CAE 技术引领国内广大制造业企业进行产 品创新设计，提升产品竞争力的 10 年。Altair 公司恰逢其时，以其企业级 CAE 驱动创新平台 HyperWorks 助力中国制造业自主创新。Altair 公司见证了许多国内汽车 OEM 厂家的 CAE 队伍 从几人到几十人、再到上百人的发展历程；参与了 HyperWorks 在国内航空航天、电子、船舶、 轨道交通、重型机械、军工等行业众多型号和产品上的成功应用；与各企业、科研院所、高校 的CAE 工程师

14、和学生相互学习，共同为提高中国CAE 技术应用水平而努力。 十年弹指一挥间，Altair HyperWorks 软件已从 V5.0 发展到 V11.0，中国技术团队也已发 展到 50 多人。Altair 公司在为客户服务的过程中，积累了大量的软件技巧和工程经验，同时 也发现许多工程师和学生苦于目前市场上关于 HyperWorks 的中文书籍很少，只能通过一些 有限的渠道进行学习和交流，因此深感同广大 HyperWorks 使用者和爱好者分享技术和经验 的重要性。 2011 年 6 月，Altair HyperWorks V11.0 正式发布，它包含了众多的新技术和新功能，为 广大用户带来超值的

15、 CAE 技术体验。在 Altair 大中华区总经理戚国焕先生的支持下，我们 决定以 V11.0 为基础，编写 HyperWorks 进阶教程系列丛书。本书以 HyperWorks 11.0 版本为 平台，介绍了 OptiStruct 和 HyperStudy 这两个模块的基本理论方法及工程应用，分上、下两 篇，共 18 章。 上篇主要介绍 OptiStruct 结构优化模块，包括第 110 章。第 1 章总体介绍 OptiStruct 结构优化技术的基础理论；第 25 章介绍拓扑优化、形貌优化、尺寸优化和形状优化技 术，并辅以大量实例练习；第 6 章介绍复合材料优化技术；第 7 章介绍等效静

16、态载荷 （ESL）技术；第 8 章介绍在热、疲劳和非线性优化方面的一些应用；第 9 章和第 10 章介绍 OptiStruct 在航空航天方面的一些优化案例。 下篇主要介绍 HyperStudy 系统研究及多学科优化模块，包括第 1118 章。第 11 章介 绍 HyperStudy 的各项技术及其理论方法；第 12 章提供了大量的 HyperStudy 基础练习；第 13 章和 14 章介绍了两个特色技术，即 HyperMath 和 Excel 的集成；第 1517 章介绍了大量 基于 Altair 公司求解器，包括 Radioss、MotionSolve 和 HyperForm 的实例；第

17、 18 章为 HyperStudy 与其他求解器相结合的技术和应用。 本书主要由洪清泉、赵康、张攀编写。参与编写的还有 Altair 中国公司技术团队成员罗 志凡、徐力敏、易俊杰、徐自立、王晨、林德志、罗强、陈锋、李真、杨少彬、刘文文、陆 天宇，在此深表感谢。 由于编者水平有限，书中错误及不足之处在所难免，敬请广大读者不吝指正，也欢迎大 家共同探讨，可发邮件至 info 进一步联系。 Altair 中国技术团队 VI 目 录 序一 序二 前言 第1章 OptiStruct 概述 1 1.1 Altair 公司简介2 1.2 OptiStruct 优化流程和理论 3 1.2.1 内部优化流程 4

18、 1.2.2 灵敏度分析 4 1.2.3 近似模型拟合 5 1.2.4 寻优策略 6 1.2.5 收敛准则 6 1.2.6 全局搜索功能 6 1.2.7 约束屏蔽 7 1.2.8 域及其作用 8 1.3 性能响应9 1.3.1 模型响应 10 1.3.2 子工况相关的响应 12 1.3.3 函数响应 15 1.3.4 外部响应 15 1.4 OptiStruct 优化卡片和参数 15 1.5 操作系统平台及性能18 1.6 OptiStruct 运行参数设置20 1.7 小结23 第2章 拓扑优化技术实例24 2.1 拓扑优化技术简介25 2.1.1 单元密度 25 2.1.2 制造工艺约束

19、25 2.1.3 OSSmooth 模块介绍 30 2.2 实例：C 形夹结构的概念 设计 31 2.3 实例：利用加强筋提高汽车 挡板的固有频率 45 2.4 实例：汽车控制臂的概念 设计 55 2.5 实例：使用 CWELD 单元进行 焊点拓扑优化70 2.6 实例：利用 DMIG 进行模型 缩减的拓扑优化73 2.7 实例：矩形板的频率响应 优化82 2.8 拓扑优化卡片97 2.9 小结105 VII 第3章 形貌优化技术实例106 3.1 实例：受扭平板的形貌 优化 107 3.2 实例：利用拓扑和形貌联合 优化磁头悬臂114 3.3 实例：汽车安全带牵引器支架形貌 优化120 3.

20、4 形貌优化卡片简介127 3.5 autobead 模块简介133 3.6 小结133 第4章 尺寸优化技术实例134 4.1 实例：支架的尺寸优化 135 4.2 实例：碎纸机的尺寸优化143 4.3 实例：飞机翼肋的自由尺寸 优化 152 4.4 实例：集成外部函数的尺寸 优化 157 4.5 尺寸优化卡片162 4.5.1 DESVAR 卡片 162 4.5.2 DDVAL 卡片 163 4.5.3 DVPREL1 卡片 164 4.5.4 DVPREL2 卡片 166 4.5.5 DEQATN 卡片 168 4.6 小结169 第5章 形状优化技术170 5.1 实例：考虑结构屈曲的

21、钢轨形状 优化 171 5.2 实例：带制造工艺约束的自由 形状优化177 5.3 实例：基于全局搜索算法的筋 条形状优化183 5.4 形状优化卡片186 5.4.1 DSHAPE 卡片 186 5.4.2 DVGRID 卡片 189 5.5 小结190 第6章 复合材料优化技术191 6.1 HyperWorks 复合材料仿真 解决方案192 6.1.1 复合材料建模技术 192 6.1.2 复合材料分析求解技术 193 6.1.3 复合材料结构优化和减重技术 194 6.2 实例：复合材料自行车车架 优化194 6.3 实例：飞机水平尾翼优化202 6.4 小结222 VIII 第7章

22、等效静态载荷法223 7.1 等效静态载荷法简介224 7.2 利用等效静态载荷进行结构 动态优化225 7.3 实例：四连杆机构的形状 优化 226 7.4 实例：挖掘机工作臂的拓扑 优化235 7.5 小结241 第8章 热、疲劳及非线性优化实例242 8.1 实例：电子器件的热传导 优化 243 8.2 实例：连杆的疲劳特性优化247 8.3 实例：保险杠的碰撞性能 优化259 8.4 小结270 第9章 航空行业优化实例271 9.1 实例：舱门连接铰链拓扑 优化 272 9.2 实例：舱门横梁拓扑优化与 尺寸优化284 9.3 实例：舱门横梁自由尺寸优化与 尺寸优化295 9.4 实

23、例：机身整体结构尺寸优化304 9.5 小结321 第10章 航天行业优化实例 322 10.1 实例：导弹结构的自由形状 优化323 10.2 实例：卫星盖板的形貌优化330 10.3 小结335 第11章 HyperStudy 简介 336 11.1 试验设计337 11.1.1 试验设计之目的 337 11.1.2 HyperStudy 试验设计类型 337 11.1.3 全因子设计 337 11.1.4 部分因子设计 339 11.1.5 中心复合设计（CCD） 339 11.1.6 Box-Behnken 设计 340 11.1.7 Plackett-Burman 设计 340 11

24、.1.8 拉丁超立方采样 340 11.1.9 哈默斯雷采样 341 IX 11.1.10 用户自定义设计 （User Define） 341 11.1.11 设计矩阵（Run Matrix） 342 11.1.12 试验设计后处理 342 11.2 近似模型343 11.2.1 最小二乘法（LSR） 344 11.2.2 移动最小二乘法（MLSM） 345 11.2.3 HyperKriging 348 11.2.4 数据统计分析 349 11.3 优化方法350 11.3.1 自适应响应面法（ARSM） 351 11.3.2 可行方向法（MFD） 352 11.3.3 序列二次规划（SQP

25、） 353 11.3.4 遗传算法（GA） 353 11.3.5 基于可靠性评估的序列优化 方法（SORA） 355 11.3.6 基于 ARSM 的 SORA 355 11.3.7 多目标遗传算法（MOGA） 355 11.3.8 基于梯度的多目标优化 方法（GMMO） 356 11.4 随机性研究356 11.4.1 为什么需要随机性研究 356 11.4.2 统计分布 356 11.4.3 采样 358 11.4.4 相关性 359 11.4.5 后处理数据分析 359 11.5 小结 362 第12章 HyperStudy 基础练习363 12.1 实例：基于 Templex 的优化

26、分析364 12.2 实例：基于 Templex 的 DOE 分析366 12.3 实例：通过参数化 Bulk 文件 进行尺寸优化369 12.4 实例：通过 HyperMesh 进入 尺寸优化 374 12.5 实例：通过参数化 Block 文件 进行尺寸优化378 12.6 实例：碰撞分析的可靠性 优化 385 12.7 实例：多学科优化研究 387 12.8 小结393 第13章 HyperMath 集成优化技术实例394 13.1 实例：在 HyperStudy 中 调用 HyperMath 求解器 进行优化395 13.2 实例：在 HyperStudy 中注册 HyperMath

27、函数进行优化399 13.3 小结402 第14章 Excel 集成优化技术实例403 14.1 实例：提取 Excel 表格数据 进行研究404 14.2 实例：关联 Excel 表格数据 进行优化设计407 X 14.3 实例：基于 Excel 表格进行 多目标优化412 14.4 实例：起落架支撑梁的尺寸 优化 414 14.5 小结417 第15章 RADIOSS 集成优化技术实例418 15.1 实例：撞击分析的优化设计419 15.2 实例：材料模型参数标定432 15.3 实例：多目标形状优化 439 15.4 小结448 第16章 MotionSolve 集成优化实例449 1

28、6.1 实例：车辆悬架的试验设计450 16.2 实例：车辆悬架的优化分析458 16.3 小结461 第17章 HyperForm 集成优化实例462 17.1 实例：基于 HyperMesh 界面的 冲压零件形状优化463 17.2 实例：基于 HyperForm 界面的 冲压零件形状优化468 17.3 实例：冲压零件的工艺和形状 优化 472 17.4 小结476 第18章 其他求解器集成优化实例 477 18.1 实例：集成 LS-Dyna 的尺寸 优化478 18.2 实例：集成 ANSYS 的形状 优化484 18.3 实例：集成 Abaqus 的形状 优化489 18.4 实例

29、：集成 Madymo 的 DOE 分析 494 18.5 实例：集成 FLUENT 的 DOE 分析和优化研究502 18.6 实例：集成 AcuSolve 的 DOE 分析 516 18.7 小结524 1 第 1 章 OptiStruct 概述 结构优化技术是当前 CAE 技术发展的一个热点，在学术研究领域，变密度法、均匀化 法、水平集法以及各种准则法等百家争鸣。相关商业软件的开发速度也很快，除了 Altair OptiStruct 外，市场上较知名的软件还有德国 FE-DESIGN 公司的 Tosca、日本 Quint 公司的 OptiShape 以及美国 MSC 公司的 Nastran

30、 等。 结构优化技术在工业界的应用也逐渐成熟。从行业角度来讲，从早期的汽车零部件轻量 化设计和飞机机身机翼的板、杆、梁及蒙皮尺寸优化，迅速发展到汽车、飞机和船舶的结构 布局优化，电子产品的结构件及连接优化，建筑物和土木工程的结构布置等。从性能角度来 讲，早期主要是考虑金属零部件的线性静态和模态性能指标，如应力、应变、位移、频率 等，现在已经拓展到金属和复合材料零部件的振动噪声性能、碰撞安全性能、疲劳性能、动 态激励下的性能指标等。 本章重点知识 1.1 Altair 公司简介 1.2 OptiStruct 优化流程和理论 1.3 性能响应 1.4 OptiStruct 优化卡片和参数 1.5

31、操作系统平台及性能 1.6 OptiStruct 运行参数设置 1.7 小结 OptiStruct & HyperStudy 理论基础与工程应用 2 1.1 Altair 公司简介 OptiStruct 是美国 Altair 公司的旗舰产品。Altair 公司是世界领先的工程设计技术的开发 者之一，也是一家具有全球深厚工程技术底蕴的优秀 CAE 工程公司。Altair 公司拥有多元 化的业务主线，其技术涵盖高端 CAE 仿真和优化技术、数据管理及流程自动化、高性能计 算与网络计算技术，同时具备一流的产品设计、流程定制、二次开发等咨询服务能力。 Altair 公司的主要软件产品线有以下几类。 H

32、yperWorks 是较为完整的 CAE 建模、可视化、有限元分析、结构优化和过程自动化 等领域的软件产品，始终站在技术的最前沿，为全球的客户提供先进的产品工程方 案，引领着工程技术的世界潮流，其涵盖丰富的产品模块如下。 HyperMesh：是目前顶级的 CAE 前处理工具之一，可以快速建立高质量的 CAE 分析模型。 Hyperview：是目前图形驱动速度较快的 CAE 仿真和试验数据的后处理可视化 环境。 HyperCrash：是碰撞安全性分析的 CAE 前处理工具。 HyperGraph 2D/HyperGraph 3D：是海量仿真或试验数据处理工具。 OptiStruct：是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有 全球先进的优化技术，提供全面的优化方法。 HyperStudy：是一个开放的多学科优化平台，以其强大的优化引擎调用各类求解 器，实现多参数、多学科全面优化。 RADIOSS