Altair OptiStruct是一個是以有限元法為基礎(chǔ)，面向產(chǎn)品設(shè)計、分析和優(yōu)化的有限元和結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，擁有全球最先進的優(yōu)化技術(shù)，提供最全面的優(yōu)化方法，包括拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及自由尺寸和自由形狀優(yōu)化。這些方法可以對靜力、模態(tài)、屈曲、頻響等分析過程進行優(yōu)化，其穩(wěn)健高效的優(yōu)化算法允許在模型中定義上百萬個設(shè)計變量，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、以及各響應(yīng)量的組合等。此外，OptiStruct提供了豐富的參數(shù)設(shè)置，包括優(yōu)化求解參數(shù)和制造加工工藝參數(shù)等，方便用戶對整個優(yōu)化過程進行控制，確保優(yōu)化結(jié)果便于加工制造，從而極其具有工程實用價值。

    OptiStruct自從1993年發(fā)布以來，被廣泛而深入地應(yīng)用到各行各業(yè)，在航空航天、汽車、機械等領(lǐng)域取得了大量革命性的成功應(yīng)用，贏得了多個創(chuàng)新大獎。特別是在金屬結(jié)構(gòu)件優(yōu)化方面，OptiStruct的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，目前歐洲和美國幾乎所有的正在研發(fā)的汽車和飛機都采用了結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，進行了大量的系統(tǒng)級布局優(yōu)化，零部件減重和性能提高設(shè)計。

    目前，復(fù)合材料以其比強度、比模量高，耐腐蝕、抗疲勞、減震、破損安全性能好等優(yōu)點，在工業(yè)界取得了越來越多的應(yīng)用，特別是在航空航天方面，由于鋼鐵和有色合金很難滿足日趨苛刻的重量，力學(xué)等設(shè)計性能要求，復(fù)合材料更是得到了廣泛的應(yīng)用，例如波音787飛機超過50％重量的零部件采用復(fù)合材料制造。

圖1 波音787飛機材料分布

    OptiStruct提供了從金屬到復(fù)合材料的完整的優(yōu)化解決方案，支持從最初的零件結(jié)構(gòu)樣式，到鋪層形狀和厚度分布，到鋪層角度和層數(shù)的優(yōu)化，到最終鋪層層疊次序的各個階段的優(yōu)化設(shè)計方法，可以考慮各鋪層的應(yīng)力、應(yīng)變、失效，屈曲等性能約束，提供了前所未有的復(fù)合材料優(yōu)化解決方案，包括以下四個階段：

拓撲優(yōu)化

    拓撲優(yōu)化的基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲/布局問題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求材料最優(yōu)分布的問題。OptiStruct可以在給定的設(shè)計空間內(nèi)，在給定的載荷邊界條件下，找到滿足性能指標的最佳的材料分布，從而確定出最佳的結(jié)構(gòu)形式。例如，在矩形設(shè)計空間內(nèi)，承受彎矩的最佳結(jié)構(gòu)樣式是工字型梁，承受扭矩的最佳結(jié)構(gòu)樣式是矩形管梁。

圖2 最佳結(jié)構(gòu)樣式

圖3 掛鉤的拓撲優(yōu)化設(shè)計

自由尺寸優(yōu)化

    利用拓撲優(yōu)化找出最佳的零部件結(jié)構(gòu)樣式后，根據(jù)該樣式初步設(shè)計出零件，然后進行自由尺寸優(yōu)化。自由尺寸優(yōu)化適合于用殼單元建模的零件，對金屬零件而言，每個單元的厚度就是一個變量，其厚度可在某個范圍之間連續(xù)變化，如下圖所示：

圖4 自由尺寸優(yōu)化的厚度變量

    自由尺寸優(yōu)化可以應(yīng)用到復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計中。將復(fù)合材料建模為角度一定（0、45、－45、90 etc.）的幾個超級層（相對于實際厚度很薄的單個鋪層而言），此時每個單元的每一超級層都是一個厚度變量，優(yōu)化后可以得到其最佳厚度。

圖5 復(fù)合材料單元的不同角度超級層的厚度變量

    有了每個單元每個超級層的最佳厚度，就可以得到整個零件的每個超級層的厚度分布，例如，一端固定，另一端中點施加集中載荷的復(fù)合材料板，采用4種角度超級層建模，優(yōu)化后其各角度超級層的厚度分布如下所示。

圖6 4個超級層的厚度云圖分布

    每個角度超級層的厚度分布是不均勻的，需要由一些不同形狀的鋪層塊層疊而成，例如，從0度超級層的厚度分布信息可以得到4種鋪層塊形狀。不同鋪層塊形狀可以通過裁剪得到。

圖7 0度超級層可以由4種鋪層塊組成

尺寸優(yōu)化

    尺寸優(yōu)化可以對有限元模型的各種參數(shù)，例如板的厚度、梁截面尺寸、材料屬性等進行優(yōu)化。在得到各角度超級層的鋪層塊形狀之后，對復(fù)合材料進行重新建模，將每種形狀的鋪層塊重新建成一個超級層，優(yōu)化得到每種形狀的具體厚度，除以實際鋪層的厚度，就可以得到每種角度每種形狀的鋪層的數(shù)目了。

圖8 每種角度每種形狀的實際鋪層數(shù)目

鋪層層疊次序優(yōu)化

    有了每種角度每種形狀的實際鋪層數(shù)目，接下來就要優(yōu)化實際鋪層層疊的次序，從而最終制造出復(fù)合材料零件。確定鋪層次序時，需要考慮鋪層對稱性、每種鋪層的最大層疊數(shù)目等，HyperShuffle模塊可以自動確定最佳的鋪層層疊次序，滿足復(fù)合材料制造工藝約束。

圖9 HyperShuffle自動確定最佳的鋪層層疊次序

實際應(yīng)用

    目前，該創(chuàng)新的復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)得到了眾多客戶的認可，例如，空中客車公司將該技術(shù)應(yīng)用于A350飛機的機翼設(shè)計中。

圖10 機翼上下翼面的復(fù)合材料優(yōu)化

總結(jié)

    Altair OptiStruct具有完整的復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計解決方案，通過綜合應(yīng)用拓撲優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、鋪層層疊次序優(yōu)化等技術(shù)，提供了從最初的零件結(jié)構(gòu)樣式，到鋪層形狀和厚度分布，到鋪層角度和層數(shù)的確定，到最終鋪層層疊次序的各個階段的優(yōu)化設(shè)計方法，為復(fù)合材料零件的設(shè)計提供了創(chuàng)新的，符合工程實際的方法。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標題：基于Altair OptiStruct的復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù)

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