下一代优化设计软件.ppt

创新设计下一代由优化驱动的设计流程InnovationTheNextGenerationOptimizationDrivenDesignProcess,AltairOptimizationApplications叶洎沅(YeJiyuan)TechnicalSupportManagerMay11,2020,Altair公司概况,AltairEngineering,Inc全球化的创新技术公司致力于提供CAE分析、优化、可视化和高性能计算技术的解决方案成立于1985年CAE行业全球最大的私有公司总部:美国Michigan州Troy全球超过3,000家客户全球近1,000位员工分布：全球33家分支机构,全球用户,AltairChina澳汰尔工程软件(上海)有限公司,2001年7月，AltairEngineering,Inc.来到中国，成立了全资子公司澳汰尔工程软件（上海）有限公司。2006年3月,澳汰尔北京分公司成立。目标：为中国的Altair客户提供更加全面和快捷的CAE软件技术支持服务。为中国客户提供高质高效的多元化工程服务和解决方案，让中国企业都能共享到Altair公司在工程设计及产品创新方面的长期经验和宝贵财富。,中国区典型客户：,Altair业务主线,内容,为什么要进行结构优化？澳汰尔OptiStruct和HyperStudy两种优化的理念产品设计过程中各个阶段的优化澳汰尔优化技术在国内外的成功应用,结构优化设计来源于对创新和提高效率的要求,昨天,今天,正在发生的改变,为什么要做结构优化?,对减重的需求航空航天：飞行器的运营成本中的35-50%与重量相关航天器发射费用飞机着陆费用地面维护和操作燃料消耗越来越重的乘客：2000年美国人的平均体重增加为航空公司带来的额外成本增加$275Mio(根据2004年公布的统计数字)汽车：轻量化设计降低油耗对性能提高的需求振动特性噪声疲劳寿命加快产品设计，缩短产品设计周期市场创新带来企业品牌的提升和利润的增加,AltairOptiStruct结构优化的革命性工具,基于有限元技术的设计和分析工具概念设计ConceptDesign仿真分析细节优化集成线性有限元求解器在概念设计阶段拓扑优化(Topologyoptimization)形貌优化(Topographyoptimization)设计改进阶段形状优化(Shapeoptimization)尺寸优化(Sizeoptimization),概念设计阶段的优化,拓扑优化(Topologyoptimization)在给定的设计空间中寻找最佳的材料分布,形貌优化(Topographyoptimization)在薄壁结构上寻找最佳的压延筋结构,软件辅助概念设计突破工程技术的瓶颈,工程师定义需求,AltairOptiStruct创建最优的概念设计,建造一座桥梁,细节设计阶段的优化,尺寸优化(Sizeoptimization)参数优化寻找最佳的模型参数(例如材料参数、粱截面尺寸、厚度、复合材料铺层参数等),形状优化(Shapeoptimization)自动优化零件局部形状,优化方法的组合使用,OptiStruct中的优化方法可以组合使用顺序使用结合企业设计流程同时组合使用在特定问题时更容易实现优化的目标,案例：商用飞机机翼前缘肋的设计,设计目标：改进设计流程与现有CAD环境的集成降低结构重量保持结构性能满足项目开发周期,空中客车AirbusA380标准载员：555人最大载员：800人设计航程：8,000海里-14,800海里翼展:79.8米机翼前缘肋：13根/机翼,拓扑优化：几何提取,CAD:实体几何的提取,尺寸和形状优化：几何提取,拓扑优化TopologyOptimization设计空间的定义,拓扑优化获得材料的最佳分布,尺寸和形状优化：对屈曲和应力性能的优化,案例：商用飞机机翼前缘肋的设计,案例：商用飞机机翼前缘肋的设计,结构减重:44%,案例：消声器支架盖板的优化,设计问题通过引入压延筋提高支架盖板的特征频率设计目标：第一阶频率大于255Hz原形设计：第一阶频率等于63Hz采用的优化方法形状优化寻找最佳的曲率形貌优化寻找最佳的压延筋布局两种优化方法的组合,案例：消声器支架盖板的优化优化结果,184Hz,Target,单一形状优化,单一形貌优化,形貌优化与形状优化的组合使用,Base,217Hz,Target,Base,313Hz,Target,Base,AltairOptiStruct采用的优化策略逼近的概念,FEAnalysis,Convergence?,SensitivityAnalysis,ApproximateProblem,OptimizeonApproximation,Optimum,OptiStruct求解数学优化问题优势快速计算灵活的问题设置形式非常好的收敛性理论最初：均一化方法(Homogenizationmethods)(BendsoeandKikuchi)今天：Dual方法(Fleury),OptiStruct/Analysis,OptiStruct,拓扑优化中的设计变量OptiStruct改变了什么?,密度法稳健,罚因子：更加离散化的设计方案,OptiStruct的另一大优势制造工艺约束,什么是制造工艺约束?对优化问题的额外输入OptStruct尝试满足制造工艺条件为什么制造工艺约束如此重要?便于用户对优化结果的实现满足企业现有工艺条件和制造流程最优的结果如果无法实现将是没有意义的OptiStruct中提供的制造工艺约束最大成员尺寸最小成员尺寸拔模方向模式重复模式组织拉伸方向约束,CrossRibs,ConceptDesignwithoutDrawDirectionconstraintsHardtoCast,ConceptDesign(Topology)withDrawDirectionconstraintsManufacturableDesign,Identicalperformancew/masswithin5%,AltairHyperStudy多学科优化的平台,独立于求解器的参数研究、优化和稳健性评估工具支持实验设计(DOE)、多学科优化和随机性仿真完全集成在AltairHyperWorks软件平台中，非常易于使用HyperMesh/MotionView前处理HyperView后处理与商业求解器直接而灵活的接口,HyperStudyDOE研究,HyperStudy优化研究,HyperStudy随机性研究,设计目标提高抗屈曲的刚度减重采用的方法HyperStudy与LS-Dyna结合采用形状和尺寸优化采用DOE寻找最重要的参数对最敏感的设计变量进行优化,案例：包装瓶的优化设计,案例：包装瓶的优化设计,个形状变量,12个尺寸变量,案例：包装瓶的优化设计,从DOE分析获得的帆布图识别最重要的参数,优化的结果,优化的结果,案例：包装瓶的优化设计,优化前,优化后重量：-5%抗屈曲能力：+20%,OptiStruct和HyperStudy的区别,OptiStructintheCATIAV5Environment,HyperShape/CATIA:InterfacetoOptiStructTopologyOptimizationManufacturingConstraintsMinimummembersizeDrawdirectionSymmetryDesignproposalautomaticallyimportedintonewCATIApart,Altair优化技术在设计过程各个阶段的应用,SystemConcept,Sub-SystemConcept,ComponentConcept,ComponentDesignRefinement,Topology,Topography,SizeandShape,DOEandStochastic,Production,Idea,Optimize,工业设计,系统概念设计,MBD子系统设计,零部件概念设计,零部件细节设计,制造工艺设计,工业设计阶段中的优化,案例：OptiStruct在工业设计中的应用“EllipticalBike”,开发一辆采用站立式操纵的自行车利用踏板的椭圆形轨线来加速OptiStruct得到的清晰的概念设计结果激发了工业设计师的灵感,初始草图，由拓扑优化获得灵感,案例：OptiStruct在工业设计中的应用“EllipticalBike”,利用修改后的设计空间，获得新的拓扑优化结果，从而使骑车人能够更方便地上下车。,设计草图,最终的自行车设计,系统概念设计阶段的优化,案例：由优化来驱动商用飞机后段机身的设计,背景为AirbusA350后段机身进行新的概念设计参考机型A330-200研究减重的潜力考虑130多种载荷工况优化方法多步优化方法结合拓扑和尺寸优化最小化总体应变能优化约束：质量,多步优化的过程,Topology,TopologySizing,Sizing,案例：由优化来驱动商用飞机后段机身的设计,结果：比较结构应力,评价不同质量约束下的多种概念设计：m-0%.m-20%应力分布更加均匀，峰值得到降低类似的结果同样发生在蒙皮上内部载荷显著降低在减重的同时刚度没有降低初始的屈曲分析表明优化后的结构仍然具有足够的余量预期的减重效果：由于采用了新的拓扑结构，预期将带来15-20%的减重效果新的设计概念通过了所有载荷工况的测试,A330-200,A350的概念设计,m-10%,案例：由优化来驱动商用飞机后段机身的设计,子系统概念设计阶段的优化,案例：碰撞仿真中对摩擦系数的研究,目标研究不同的摩擦系数对假人头部损伤曲线(HIC)和胸部变形的影响采用DOE研究手段要考虑的摩擦系数D环(D-ring)头部与安全气囊椅垫座椅安全带扣,求解器：Madymo,LargeEffectDringFriction,LargeEffectDringFrictionBuckleFriction,案例：碰撞仿真中对摩擦系数的研究,零部件概念设计阶段中的优化,案例：散热器支架,零件的最初形状,Courtesy,初始设计在使用时失效降低支架上的应力考虑多组载荷工况,案例：散热器支架,Courtesy,设计空间的CAD模型,定义设计空间,案例：散热器支架,Courtesy,拓扑优化过程及结果,案例：散热器支架,Courtesy,设计方案的等值面图,几何提取,DesignProposal,CADModel,Courtesy,案例：散热器支架,最终设计,案例：散热器支架,Courtesy,原始设计,优化设计,Max.v.MisesStressMax.Displ.Mass,对新设计方案的验证,零部件细节设计阶段中的优化,案例：制动器弹簧的形状优化,背景该零件被用于制动系统的装配最大应力超标，必须采取措施降低该零件上的应力方法采用OptiStruct对该零件进行线性分析使用Morphing技术对零件形状进行优化该项目于2004年在德国ContiTeves公司完成在设计过程中不需要任何CAD手段的介入,Housingmountspring,案例：制动器弹簧的形状优化,原型设计,优化后的形状,应力降低达到16%,优化的结果,制造阶段中的优化,制造工艺问题：在冲压成型过程中可能发生开裂和起皱最小化坯料形状以降低原材料成本,参数：坯料形状压延筋位置,形状变量,案例：对冲压成型过程条件的优化,原始设计:FLD图显示发生开裂的区域(红色),优化过程参数后:没有开裂，起皱则发生在非重要区域,案例：对冲压成型过程条件的优化,采用HyperStudy结合HyperForm进行的参数优化设计,澳汰尔优化技术应用实例,案例：飞机舱门支撑臂的拓扑优化,将客舱门与机身连接的重要结构部件寻找更轻的设计减重采用拓扑+形状优化三个静态的载荷工况,FairchildDornier728,设计优化过程,案例：飞机舱门支撑臂的拓扑优化,优化结果,减重14%,原型设计,拓扑优化后的结果,形状优化后的结果,减重19%,案例：飞机舱门支撑臂的拓扑优化,由优化驱动的设计流程,传统设计流程,案例：飞机的标准扭转盘设计,面临的挑战铸造件，需要考虑拔模约束原型设计应力UTS1000Mpa原型设计重量13kg项目起始日期：2001年10月末静态试验日期：2002年1月,优化目标商业合同：AirbusA380的起落架和刹车系统空中客车的设计要求：降低重量、减少设计空间尺寸、降低成本确保标准设计能够承受刹车盘和扭矩的交互载荷，同时不发生弯曲目标重量10kg(超重则进行罚款),设计问题在优化前花费5个星期进行传统的分析，但重量仍未达到目标目标：减重至10kg(原型13kg)Constraints:Displacementsandstress使用方法拓扑优化：最小化重量、控制刚度约束对扭转盘的形状优化,案例：飞机的标准扭转盘设计,13Kg,10.9Kg,手工优化的结果质量仍然超出10%应力超标80%,5个星期,案例：飞机的标准扭转盘设计,考虑工艺约束后得设计优化,10.9Kg,9.5Kg,CourtesyofDunlopAviationBrakingSystems,案例：飞机的标准扭转盘设计,案例：AltairBus车身优化设计,方法：根据车辆整体尺寸和子系统装配约束来设定设计空间。采用OptiStruct的拓扑优化技术来完成初始的概念设计对概念设计进行解释以便形成具备工艺可行性的设计采用OptiStruct形状和尺寸优化对概念设计方案进行细节上的修正,背景由美国政府资助开发一款35英尺左右长度的公交车(用于取代传统的40英尺的车辆)Altair负责完成从概念设计、细节设计到制造的整个过程,优化问题描述目标：最小化“重量”约束：扭转和弯曲频率静态刚度,FinalDesign,概念设计CAD模型,系统设计要求：(载荷分析和装配关系确定),有限元建模,细节设计尺寸和形状优化,拓扑优化,最终设计,OptimizationDrivenDesignProcessSystemLevel,案例：AltairBus车身优化设计,Altair设计的37.5英尺公交车总重量:19,000磅.后门：一步台阶座位数量：44(其中两个轮椅位置)高业务量不锈钢结构优化结构设计低运营成本(运营成本降低40%)燃油消耗刹车和轮胎磨损智能电控系统更加环保(混合动力、燃料电池、柴油机、天然气),传统的40英尺低底盘公交车总重量:29,000磅.后门：两步台阶座位数量：37(其中两个轮椅位置)高业务量粗钢结构60年代的技术高运营成本燃油消耗刹车和轮胎磨损传统的电控系统,竞争力分析,案例：AltairBus车身优化设计,案例:SUV车架的轻量化设计,设计问题为钢结构的SUV车架寻找全新的设计性能指标扭转和弯曲模态弯曲和扭转刚度质量降低25%采用的方法分阶段拓扑优化,优化过程,对局部再次进行拓扑优化,拓扑优化获得总体的概念设计,定义所有设计空间、载荷和边界条件,对优化结果进行解释形成第一个设计方案,对最终优化概念进行细节设计,最终方案,案例:SUV车架的轻量化设计,+31%,TorsionStiffness,-23%,Mass,-23%,Parts,-50%,Weldlength,最终的概念设计采用液压成型技术成本：每磅材料的成本节约$0.25,优化结果,案例:SUV车架的轻量化设计,案例：形貌优化引导汽车消声器的设计,形貌优化设计的压延筋形式将噪声释放水平降低10分贝,案例：F1赛车前定风翼复合材料的离散优化,对复合材料铺层的尺寸优化设计变量的取值受到限制,patch2,patch3,patch5,patch4,patch11,patch12,patch13,patch14,patch15,案例：F1赛车前定风翼复合材料的离散优化,设计问题目标：最小化前定风翼的重量约束：国际汽联对位移的要求6个铺层的复合材料方法采用OptiStruct的遗传算法15个模块每个模块12个变量：铺层厚度和铺层角度,Non,-,designablebundles,Designablebundles(designvariables),Bundle2,Bundle2,Bundle3,Bundle3,Bundle1,Bundle1,Non,-,designablebundles,Designablebundles(designvariables),Bundle2,Bundle2,Bundle3,Bundle3,Bundle1,Bundle1,Non,-,designablebundles,Designablebundles(designvariables),Bundle2,patch1,案例：F1赛车前定风翼复合材料的离散优化,前定风翼减重至4.9kg减重约5%,4.9,5.1,5.3,5.5,5.7,5.9,Generations,Mass(Kg),优化结果,案例：火星着陆器的优化和可靠性分析,欧洲空间局”Aurora”火星探测计划预计2011年发射全新的着陆系统设计排气式气囊，确保两次回弹后停稳目前采用的气囊设计在着陆后可能回弹10到20次失效模式翻滚(着陆器将被摧毁)穿透(着陆器直接与岩石碰撞)撕裂(气囊的纤维撕裂)全尺寸着陆试验非常昂贵，可行性差：采用虚拟设计技术,案例：火星着陆器的优化和可靠性分析,“平地撞击”“倾斜的岩石撞击”施加测向的风载荷易发生“穿透”形式的失效考虑材料应力的峰值考虑峰值加速度,案例：火星着陆器的优化和可靠性分析,求解器：LS-Dyna基于响应曲面进行优化DOE分析:采用LatinHyperCube采样法响应曲面生成：采用最小二乘法优化目标：最小化质量优化约束：着陆器的加速度材料VonMises应力回弹或翻滚的运动学约束设计变量：气囊直径气囊高度排气面积气体的质量采用HyperMorph技术直接对网格进行参数化变形使用HyperWorks流程自动化功能自动生成求解文件,优化,案例：火星着陆器的优化和可靠性分析,优化设计满足设计