OptiStruct在結構優化方面擁有較強的能力，可以進行靜力學分析優化、疲勞分析優化、動力學分析優化等等。具體的優化方法包括拓撲優化、自由尺寸優化、形貌優化、尺寸（參數）優化、形狀優化、自由形狀優化。各方法定義如下：

拓撲優化：在滿足給定約束的前提下，針對目標函數在給定設計空間尋找最優材料布局。

自由尺寸優化：給定殼單元，在滿足約束的前提下，針對目標函數為每一個單元尋找一個最有厚度。

形貌優化：給定殼單元，在滿足給定約束的前提下，針對目標函數尋找最佳拉延筋布局。

尺寸（參數）優化：給定結構和用戶自定義的形狀變量，在滿足給定約束的前提下，針對目標函數尋找參數。

形狀優化：給定結構和用戶自定義的形狀變量，在滿足給定約束的前提下，針對目標函數尋找各個形狀的最佳變形比例。

自由形狀優化：針對給定結構修改邊界節點，在滿足給定約束的前提下，針對目標函數尋找各個節點的最佳位置。

一般把拓撲優化、自由尺寸優化、形貌優化稱為概念設計優化，尺寸（參數）優化、形狀優化、自由形狀優化稱為詳細設計優化。

下面用OptiStruct對端板做一個拓撲優化，包括分析設置、優化設置、后處理以及生成step格式文件。

圖 端板幾何模型

端板如圖所示，保存為step格式文件，導入到hypermesh中。對其進行4面體網格劃分，并將其分為非優化區域和優化區域，同時非優化區域和優化區域也需要單獨設置屬性，因為在拓撲優化時是依據屬性進行區分的。

圖 創建優化空間

可以看到，4面體網格劃分難免有一些不平整的地方，在后處理的時候也會有一些棱角突出，有兩種方法可以解決，一種是劃分6面體單元，另一種是在幾何上把優化區域和非優化區域區分開來。

在進行拓撲分析之前，需要先按照正常的分析步驟設置，包括賦予材料、屬性，創建約束和載荷，建立分析步等。

圖 透明顯示更好的找到RBE3中點

本例中采用RBE單元來對端板一側施加總共1000N的力，為了找到RBE3的中心點，可以在網格顯示模式里面切換至transparent模式，這樣可以比較容易地找到中心點。同時，按Q鍵可以查看載荷和約束是否施加在正確位置。

圖 按Q顯示約束和載荷

完成了端板的靜力分析設置之后，可以開始進行拓撲優化的設置。拓撲優化設置在OptiStruct中Analysis—>Optimization中進行。

拓撲優化需要有以下幾個參數：

設計變量、響應、約束、設計目標。

設計變量指的是優化設計區域，也就是我們希望進行結構優化的部分。因為在拓撲優化中，我們希望保留一些部分，保留的部分就不能放在優化區域中。          

圖 創建設計變量

在設計變量里面選擇優化區域對應的屬性，還可以指定拔模(draw)和擠出(extrusion)約束，以及對稱和重復模式約束。其中拔模和擠出略有不同，拔模有單向拔模和分離模兩種，擠出約束更多時候可以理解為貫穿整個優化空間的拔模約束。

圖 指定擠出方向

圖 創建柔度響應

圖 創建體積分數響應

接下來創建響應。響應指的是在優化過程中我們所關心的變量，如質量、柔度、體積、頻率等等。既可以作為我們的優化目標，也可以作為我們的設計約束。

在OptiStruct中，響應分為三類，分別是：

第一類響應：OptiStruct可以直接計算得到這類結果。第一類響應很容易使用，而且OptiStuct會自動計算靈敏度，可以大幅度提高優化的計算速度。

第二類響應：第二類響應是第一類響應的算術運算。

第三類響應：比較復雜的響應可以通過外部程序來創建，如利用Excel，Python來創建響應等。

這里我們創建兩個響應，分別是柔度和體積分數。我們的優化目標是在滿足體積分數不大于臨界值的情況下，使端板的柔度最小。也即是在減小端板體積的同時，使端板的剛度增加。

圖 OptiStuct中的第一類響應

圖 創建約束

因此，我們約束體積分數最大為0.3，優化目標為最小化柔度。

圖 創建優化目標

至此我們拓撲優化的設置就完成了。導出fem文件后在OptiStruct求解器中提交計算，可以看到迭代過程。

圖 拓撲優化計算

計算完成后在信息框內會顯示以下信息：

OPTIMAZATION HAS CONVERGED.

FEASIBLE DESIGN (ALL CONSTRAINTS SATISFIED).

表明優化成功。

點擊result將在Hyperview中打開優化結果。

圖 優化結果

在Hyperview中可以看到兩個section，分別是優化結果和優化前后的對比，點擊右上角的箭頭可以切換。

可以點擊云圖，在單元密度中查看優化結果，選擇最后一個迭代步即可看到，其中紅色代表單元密度最高，藍色代表單元密度最低。

切換到等值線模式可以更加清楚的看到優化后的結果。

圖 等值線模式查看優化結果

點擊右上角箭頭可以切換到優化結果對比，可以看到優化前后端板的位移和應力分布變化。

當我們得到了拓撲優化結果以后，怎么返回到我們的設計結果呢？

可以在Hypermesh的post面板中選擇OSSmooth，點擊我們的fem文件，可以生成對應step文件。

圖 選擇結果文件

圖 優化后結果

參考書籍：

1. 1.    《OptiStruct及HyperStudy優化與工程應用》 方獻軍，徐自立，熊春明，機械工業出版社

文章來源：結構仿真學習