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OptiStruct结构优化技术的最新发展及应用
洪清泉 曾神昌 张攀
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摘要：结构优化技术近年来在学术研究和商业软件开发方面都是一个热点，特别是美国Altair公司的OptiStruct结构优化软件，领先却仍不断进取，其优化能力从静态发展到动态，从线性发展到非线性，从金属发展到复合材料，其应用领域从传统的汽车行业发展到航空、船舶、电子、建筑等行业，为工业界提供了强大的创新及轻量化设计工具，取得了大量工程成果。
关键字：结构优化，动态优化，非线性优化，复合材料优化，Altair，OptiStruct
1 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也很快，比较知名的有美国Altair公司的OptiStruct，德国FE-DESIGN公司的Tosca，日本Quint公司的OptiShape，以及美国MSC公司的Nastran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。从性能的角度来讲，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、动态激励下的性能等。下面以Altair OptiStuct为例介绍结构优化方法、功能及应用。
2 OptiStruct软件介绍
OptiStruct是美国Altair公司的旗舰产品，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，拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法。
OptiStruct采用密度法（SIMP）求解拓扑优化问题，基于数学规划法的优化框架，是目前公认最为稳健高效的方法，能够解决绝大多数工程问题。通过对中间密度单元进行惩罚，考虑各种加工制造约束，采用自适应步长及约束屏蔽等技术，确保工程师快速得到具有工程意义的优化结果。OptiStruct的优化求解流程如图1所示：

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图1 OptiStruct的优化求解流程

OptiStruct支持全面的优化类型，包括概念设计阶段的拓扑优化，形貌优化和自由尺寸优化，以及详细设计阶段的尺寸优化，形状优化和自由形状优化，如表1所示。

表1 OptiStruct支持的优化类型

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3 OptiStruct结构优化技术的最新发展
经过十多年的发展，OptiStruct已经可以解决各种复杂的结构优化问题，将各种产品性能响应，例如质量，体积，质量比，体积比、质心位置，惯量分布，应变能，位移，应力，应变，模态频率，屈曲因子，温度分布，疲劳损伤，NVH性能，碰撞安全性能，机构运动、用户自定义函数及外部函数等作为目标或者约束。下面介绍几种最新的优化能力。
3.1 NVH性能优化
OptiStruct本身支持频响分析、瞬态分析、声腔分析和随机振动分析等NVH分析类型，并可以对这些分析的结果，例如频响分析的位移，速度，加速度，应力，应变，声腔指定位置的声压值，随机激励下的结构位移，速度，加速度的功率谱密度函数和均方根值加以优化，达到减震、降噪、减重的效果。

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图2 OptiStruct优化阻尼涂层在驾驶室的分布以降低车内噪声水平

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图3 OptiStuct优化卫星壳体加强筋以降低随机激励下的振动加速度

3.2 碰撞性能优化
OptiStruct通过文件格式转换并调用Radioss求解器，从而支持显式非线性分析，可以定义各种材料属性，接触类型及边界条件，并且把节点位移及接触力作为性能响应，对碰撞、压溃、跌落等过程中关心的性能进行优化。

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图3 OptiStruct优化保险杠截面形状以减少碰撞时后侵位移

3.3 运动机构零部件优化
对运动机构的零部件进行优化，传统的方法是进行多体动力学仿真并手工提取载荷，施加到零部件上进行近似的静力优化。OptiStruct集成了等效静态载荷法（ESL），可以自动将运动过程中的动态载荷时间历程，等效成各时刻的静态载荷并自动施加在零部件上作为优化载荷，并可以考虑由于结构变化带来的载荷变化，提供了一种快速精确的运动机构零部件优化方法。

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图4 OptiStruct采用ESL方法对挖掘机工作臂进行拓扑优化

3.4 复合材料优化
OptiStruct能够对复合材料结构进行拓扑优化设计，找到最佳的结构样式，然后进行具体铺层的角度、层数，裁剪形状和次序的优化设计，可以将复合材料制造过程的各种工艺要求，复合材料的各种性能要求和失效模式作为优化约束，是目前最先进的复合材料优化技术，已经被波音和空客所采用。

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图5 OptiStruct对复合材料机翼翼面进行铺层形状、层数和次序的优化

4 OptiStruct的行业应用
OptiStruct自从1994年发布以来，迅速被应用于汽车行业，几乎所有的知名汽车厂家都在使用OptiStruct进行的零部件轻量化设计和创新设计，取得了大量工程成果。

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图6 OptiStruct用于汽车铸件拓扑优化和冲压件形貌优化

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图7 OptiStruct用于车体拓扑优化和白车身尺寸优化

近年来，OptiStruct逐渐在航空航天，船舶，电子，建筑等行业得到应用。目前世界上正在研发的绝大多数飞机，都采用OptiStruct进行结构减重和性能优化。部分船舶和电子产品，建筑设计等也开始采用OptiStruct结构优化技术。

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图8 OptiStruct进行飞机后机身、襟翼支臂和前沿翼肋优化

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图9 OptiStruct进行硬盘指针及电子设备焊点优化

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图10 OptiStruct进行船体结构优化设计

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图11 OptiStruct进行摩天大楼及体育场结构优化设计

5 结束语
结构优化技术已经逐渐发展成熟，并且在工业界得到广泛应用。Altair OptiStruct是目前公认最强大的商用结构优化软件，提供了动态优化、非线性优化和复合材料优化等先进技术，为汽车、航空航天、船舶、电子及建筑等行业提供了强大的创新及轻量化设计工具。
6 参考文献
[1] Altair公司. Altair HyperWorks在线帮助. 2009
[2] Altair公司. HyperWorks技术大会论文集. 2007-2009
作者简介
洪清泉，男，硕士，Altair公司技术支持经理，优化应用专家。北京理工大学车辆工程专业毕业，曾工作于上海飞机设计研究所，在汽车和飞机结构分析和优化方面具有丰富经验。联系邮箱support@altair.com.cn，联系电话21－61171666。
曾神昌，男，硕士，Altair公司高级工程师，有限元技术应用专家。北京航空航天大学固体力学系毕业，在汽车及电子行业的有限元技术应用方面有丰富经验。联系邮箱support@altair.com.cn，联系电话21－61171666。
张攀，男，硕士，Altair公司技术支持工程师，重庆理工大学车辆工程系毕业，具有丰富的HyperWorks使用经验。联系邮箱support@altair.com.cn，联系电话21－61171666。 11/25/2010

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