結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的案例
案例分享︱復(fù)雜仿真應(yīng)用定制——ccxShapeOpt結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化APP
01 什么是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計？
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 (optimumstructural design)在給定約束條件下（如結(jié)構(gòu)體積、固有頻率），按某種目標(biāo)函數(shù)(如結(jié)構(gòu)剛度最大、質(zhì)量最低)求出最好的設(shè)計方案，如以結(jié)構(gòu)的重量最小為目標(biāo)，則稱為最小重量設(shè)計。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化按照改變結(jié)構(gòu)原始狀態(tài)的程度分為：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化、結(jié)構(gòu)拓?fù)?em>優(yōu)化。
1.結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化
根據(jù)給定的設(shè)計目標(biāo)和約束，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體值的優(yōu)化設(shè)計方法。例如，在給定的固有頻率和最大位移的條件下，優(yōu)化車門的厚度這一結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到重量最輕的目標(biāo)。
2.結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化
根據(jù)給定的性能指標(biāo)和約束條件，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的邊界形狀或者內(nèi)部幾何形狀的設(shè)計方法。
3. 結(jié)構(gòu)拓?fù)?em>優(yōu)化
在固定的優(yōu)化設(shè)計空間內(nèi)，找到滿足各種性能條件的最佳材料分布。一般用于產(chǎn)品概念設(shè)計階段。
圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分類【1】
本文關(guān)注結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化。形狀優(yōu)化一般用于產(chǎn)品設(shè)計的中后期，即產(chǎn)品大體輪廓已經(jīng)確定，只需進(jìn)行較小的改動【2】。本文采用的自由形狀優(yōu)化技術(shù)是一種基于網(wǎng)格節(jié)點自由變形的技術(shù)，該技術(shù)基于目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計域網(wǎng)格節(jié)點坐標(biāo)的靈敏度分析以及每次迭代的移動控制策略，能夠自動地改變設(shè)計域的網(wǎng)格坐標(biāo)，省去了設(shè)計人員手動對單元網(wǎng)格進(jìn)行變形的步驟，設(shè)計人員只需要在結(jié)構(gòu)上選擇節(jié)點集合再設(shè)定好移動控制參數(shù)即可等待優(yōu)化結(jié)果報告。
02 ccxShapeOpt結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化APP
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電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)自由形狀優(yōu)化分析
一、項目描述：
電機(jī)轉(zhuǎn)子輕量化
其中轉(zhuǎn)子的主要工況為高速旋轉(zhuǎn)
在保證在該工況下，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求的前提下，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀優(yōu)化，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。
二、分析概述
Objective:
優(yōu)化目標(biāo)
Minimize mass / minimize volum
Constraint:
約束條件
Maximum von Mises stress of the joint < 300 MPa
Design variables:
優(yōu)化對象
Free-Shape
分析步驟：
1、 靜力學(xué)分析，工況建立，求解并查看分析結(jié)果，
2、 創(chuàng)建設(shè)計變量
3、 創(chuàng)建響應(yīng)
4、 創(chuàng)建控制條件
5、 創(chuàng)建目標(biāo)
靜力學(xué)分析工況：
高速旋轉(zhuǎn) 15000r/min，簡化為離心力
模型為3D模型，因為截面是相同的，故采用2D模型進(jìn)行簡化。
模型描述
轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如下圖所示：
由于整個模型截面是相同的，故簡化為2D模型進(jìn)行分析。
三、分析設(shè)置步驟
Step1：靜力學(xué)分析工況
約束：旋轉(zhuǎn)中心位置
載荷：根據(jù)轉(zhuǎn)速大小，輸入離心力大小。
展開 淺析結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法：拓?fù)洹?em>形狀、形貌、自由尺寸、尺寸
拓?fù)?em>優(yōu)化：拓?fù)?em>優(yōu)化是一種在設(shè)計中尋找最佳材料分布的方法。
它通過改變材料在結(jié)構(gòu)中的分布，以最小化結(jié)構(gòu)的質(zhì)量（或體積分?jǐn)?shù)）并滿足特定的性能要求。在汽車輕量化中，拓?fù)?em>優(yōu)化可以用來確定哪些部分需要加強，哪些部分可以減輕以降低整體重量，同時保持結(jié)構(gòu)的強度和剛度。
形狀優(yōu)化：形狀優(yōu)化關(guān)注的是在給定的幾何形狀內(nèi)，調(diào)整結(jié)構(gòu)的形狀以優(yōu)化性能。這可能涉及到改變零部件的曲率、截面形狀或其他幾何參數(shù)。在汽車輕量化中，形狀優(yōu)化可以用來改進(jìn)零部件的空氣動力性能、減少空氣阻力或改善碰撞安全性。
形貌優(yōu)化：形貌優(yōu)化通常與曲面設(shè)計相關(guān)，它著重于調(diào)整曲面的形狀以滿足特定的外觀、空氣動力性能或其他要求。在汽車設(shè)計中，形貌優(yōu)化可以用來打造更具吸引力的外觀，同時確保空氣動力學(xué)效率。
自由尺寸優(yōu)化：自由尺寸優(yōu)化是一種更靈活的方法，它允許在優(yōu)化過程中改變零部件的尺寸和形狀，而不受固定的幾何約束。這種方法通常需要高級的優(yōu)化算法來找到最佳解決方案。在汽車輕量化中，自由尺寸優(yōu)化可以用來創(chuàng)造創(chuàng)新的設(shè)計，以滿足復(fù)雜的性能目標(biāo)。
尺寸優(yōu)化：尺寸優(yōu)化涉及到優(yōu)化零部件的尺寸（厚度），以滿足性能要求。這可以包括增加或減小零部件的尺寸，以改善強度、剛度、耐久性等方面的性能。在汽車輕量化中，尺寸優(yōu)化可以幫助設(shè)計更輕、更緊湊的零部件。
拓?fù)?em>優(yōu)化通常是優(yōu)化的第一個階段，因為它確定了結(jié)構(gòu)中哪些部分需要被優(yōu)化。形狀優(yōu)化通常在拓?fù)?em>優(yōu)化之后進(jìn)行。拓?fù)?em>優(yōu)化確定了哪些區(qū)域需要被優(yōu)化，而形狀優(yōu)化則在這些區(qū)域內(nèi)進(jìn)行形狀的調(diào)整。形貌優(yōu)化通常是在形狀優(yōu)化之后進(jìn)行的。
形狀優(yōu)化確定了結(jié)構(gòu)的內(nèi)部幾何形狀，而形貌優(yōu)化則在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行外部形貌的調(diào)整。尺寸優(yōu)化可以在拓?fù)?em>優(yōu)化和形狀優(yōu)化這兩個階段之間或之后進(jìn)行。自由尺寸優(yōu)化可以在其他優(yōu)化方法可以在優(yōu)化過程中的任何時候進(jìn)行。
展開 完全掌握workbench結(jié)構(gòu)拓?fù)?em>優(yōu)化（形狀優(yōu)化） ￥5
作者介紹 力學(xué)碩士，有七年的結(jié)構(gòu)有限元分析經(jīng)驗。微信 leslie_wj
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workbench結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以分為兩類：拓?fù)?em>優(yōu)化（形狀優(yōu)化）和參數(shù)優(yōu)化。
本文內(nèi)容：
workbench拓?fù)?em>優(yōu)化實例詳解
下文目錄：
一：建模
二：加載
三：拓?fù)?em>優(yōu)化
四：總結(jié)
結(jié)構(gòu)優(yōu)化：利用Hyperstudy實現(xiàn)盒子尺寸和形狀優(yōu)化，達(dá)到滿足強度要求 ￥15
結(jié)構(gòu)優(yōu)化：利用Hyperstudy實現(xiàn)盒子尺寸和形狀優(yōu)化，達(dá)到滿足強度要求
結(jié)構(gòu)優(yōu)化在車身剛度性能優(yōu)化中的應(yīng)用
車身由大量的部件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件也十分復(fù)雜。主要的工作載荷包括：驅(qū)動慣性力，制動慣性力，轉(zhuǎn)向慣性力，不平路面激勵力和動力結(jié)構(gòu)載荷等等。如果車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中剛度設(shè)計不足，則車身的振動頻率會引起結(jié)構(gòu)共振，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)連接的強度失效（產(chǎn)生塑性變形），進(jìn)而導(dǎo)致車門、窗框、背門框等變形過大。最終導(dǎo)致車門卡死、玻璃破碎、密封失效、漏氣漏水等問題。分析車身的剛度，改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高車體剛度是非常重要。
車身性能開發(fā)金字塔的最底層是消費者最易感知的性能，即操穩(wěn)性能，而操穩(wěn)性能直接相關(guān)的就是車身的整體剛度性能。（車身扭轉(zhuǎn)剛度、區(qū)域剛度是和車身操穩(wěn)性能相關(guān)的，因此車身扭轉(zhuǎn)剛度的性能目標(biāo)應(yīng)該滿足操穩(wěn)性能要求，也應(yīng)該由操穩(wěn)性能需求來定義。）
通常更高的車身剛度性能對于操穩(wěn)、NVH、耐久性能是有益的，那是不是說為了提升上述相關(guān)性能可以過度提高剛度性能呢？當(dāng)然不是，剛度性能提升是要滿足結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計原則，即通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來提升材料有效利用率，而不是靠粗暴地堆疊材料來提升剛度性能。在提升剛度性能時還要考慮輕量化要求，只有通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計才能夠在滿足剛度性能要求時，同時滿足動力經(jīng)濟(jì)性的要求。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括拓?fù)?em>優(yōu)化、形狀優(yōu)化等方法在優(yōu)化車身性能中具有非常重要的作用。拓?fù)?em>優(yōu)化可以合理優(yōu)化材料分布，識別車身結(jié)構(gòu)薄弱點。形狀優(yōu)化進(jìn)一步優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)形狀提升材料效率。
以上包括本田、雷諾、沃爾沃、標(biāo)志、尼桑、寶馬、雷克薩斯、斯柯達(dá)、歐寶等車型開發(fā)過程中拓?fù)?em>優(yōu)化在結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化中的案例。
實際案例：
拓?fù)?em>優(yōu)化：
針對車身后端包括C、D柱、dog leg區(qū)域進(jìn)行拓?fù)?em>優(yōu)化分析，識別結(jié)構(gòu)弱區(qū)域。
展開 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析系列（三）：APDL在Workbench中的優(yōu)化設(shè)計 ￥9
1.1 優(yōu)化設(shè)計概述
所謂優(yōu)化，是指最大化或最小化，而優(yōu)化設(shè)計是指尋找一種方案以滿足所有的設(shè)計要求，并且需要的支出最少。
優(yōu)化設(shè)計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數(shù)值法--借助計算機(jī)和有限元，通過反復(fù)迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復(fù)雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應(yīng)用于工程中。
隨著計算機(jī)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法取得了較大的發(fā)展。根據(jù)設(shè)計變量的類型不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化已由較低層次的尺寸優(yōu)化發(fā)展到較高層次的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化，進(jìn)而發(fā)展到更高層次的拓?fù)?em>優(yōu)化。優(yōu)化算法也由簡單的準(zhǔn)則法發(fā)展到數(shù)學(xué)規(guī)劃法，進(jìn)而發(fā)展到遺傳算法等。
在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設(shè)計變量，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能達(dá)到最期望的目標(biāo)，就是優(yōu)化方法。
1.2 優(yōu)化分析工具
ANSYS Workbench 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優(yōu)化工具)、Goal Driven Optimization(多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析工具)、Parameters Correlation(參數(shù)相關(guān)性優(yōu)化分析工具)、Response Surface(響應(yīng)曲面優(yōu)化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優(yōu)化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優(yōu)化工具):設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，利用默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設(shè)計點。
(3)Parameters Correlation(參數(shù)相關(guān)性優(yōu)化分析工具):可以得出某一輸入?yún)?shù)對響應(yīng)曲面的影響的大小。
展開 基于optistruct的支架形狀優(yōu)化與自由形狀優(yōu)化 ￥30
本案例教程在于如何使用optistruct進(jìn)行支架的形狀優(yōu)化、自由形狀優(yōu)化。其中，涉及到的知識點有形狀優(yōu)化中形狀變量的創(chuàng)建；自由形狀優(yōu)化中形狀變量的創(chuàng)建、變形約束壁障的建立；如何在optistruct中進(jìn)行形狀優(yōu)化及自由形狀優(yōu)化。
自由形狀優(yōu)化結(jié)果
形狀優(yōu)化結(jié)果
具體操作部分見收費內(nèi)容部分，相關(guān)模型及腳本文件見附件。凡購買本案例的朋友針對收費內(nèi)容部分有疑問，可以一起交流。
展開 
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析系列（四）：模態(tài)分析優(yōu)化設(shè)計 ￥9
1.1 優(yōu)化設(shè)計概述
所謂優(yōu)化，是指最大化或最小化，而優(yōu)化設(shè)計是指尋找一種方案以滿足所有的設(shè)計要求，并且需要的支出最少。
優(yōu)化設(shè)計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數(shù)值法--借助計算機(jī)和有限元，通過反復(fù)迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復(fù)雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應(yīng)用于工程中。
隨著計算機(jī)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法取得了較大的發(fā)展。根據(jù)設(shè)計變量的類型不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化已由較低層次的尺寸優(yōu)化發(fā)展到較高層次的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化，進(jìn)而發(fā)展到更高層次的拓?fù)?em>優(yōu)化。優(yōu)化算法也由簡單的準(zhǔn)則法發(fā)展到數(shù)學(xué)規(guī)劃法，進(jìn)而發(fā)展到遺傳算法等。
在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設(shè)計變量，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能達(dá)到最期望的目標(biāo)，就是優(yōu)化方法。
1.2 優(yōu)化分析工具
ANSYS Workbench 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優(yōu)化工具)、Goal Driven Optimization(多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析工具)、Parameters Correlation(參數(shù)相關(guān)性優(yōu)化分析工具)、Response Surface(響應(yīng)曲面優(yōu)化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優(yōu)化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優(yōu)化工具):設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，利用默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設(shè)計點。
(3)Parameters Correlation(參數(shù)相關(guān)性優(yōu)化分析工具):可以得出某一輸入?yún)?shù)對響應(yīng)曲面的影響的大小。
展開 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析系列（二）：熱固耦合優(yōu)化設(shè)計 ￥9
1.1 優(yōu)化設(shè)計概述
所謂優(yōu)化，是指最大化或最小化，而優(yōu)化設(shè)計是指尋找一種方案以滿足所有的設(shè)計要求，并且需要的支出最少。
優(yōu)化設(shè)計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數(shù)值法--借助計算機(jī)和有限元，通過反復(fù)迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復(fù)雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應(yīng)用于工程中。
隨著計算機(jī)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法取得了較大的發(fā)展。根據(jù)設(shè)計變量的類型不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化已由較低層次的尺寸優(yōu)化發(fā)展到較高層次的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化，進(jìn)而發(fā)展到更高層次的拓?fù)?em>優(yōu)化。優(yōu)化算法也由簡單的準(zhǔn)則法發(fā)展到數(shù)學(xué)規(guī)劃法，進(jìn)而發(fā)展到遺傳算法等。
在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設(shè)計變量，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能達(dá)到最期望的目標(biāo)，就是優(yōu)化方法。
1.2 優(yōu)化分析工具
ANSYS Workbench 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優(yōu)化工具)、Goal Driven Optimization(多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析工具)、Parameters Correlation(參數(shù)相關(guān)性優(yōu)化分析工具)、Response Surface(響應(yīng)曲面優(yōu)化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優(yōu)化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優(yōu)化工具):設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，利用默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設(shè)計點。
(3)Parameters Correlation(參數(shù)相關(guān)性優(yōu)化分析工具):可以得出某一輸入?yún)?shù)對響應(yīng)曲面的影響的大小。
展開 ABAQUS案例-ABAQUS中的形狀優(yōu)化模塊及渦輪軸的形狀優(yōu)化分析 ￥3
本案例（附件中的inp文件）講述了ABAQUS中的形狀優(yōu)化模塊，以渦輪軸的優(yōu)化分析為例演示了ABAQUS中優(yōu)化分析技巧及需要注意的問題。
完全掌握workbench結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
作者介紹 力學(xué)碩士，有七年的結(jié)構(gòu)有限元分析經(jīng)驗。微信 leslie_wj
為了讓大家完全掌握workbench結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計（包含拓?fù)?em>優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化）
筆者將陸續(xù)推出下列文章：
1 完全掌握結(jié)構(gòu)拓?fù)?em>優(yōu)化（形狀優(yōu)化）
2 完全掌握結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化（多目標(biāo)優(yōu)化）
3 完全掌握結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化（參數(shù)相關(guān)分析）
4 完全掌握結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化（響應(yīng)面設(shè)計）
5 完全掌握結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化（六西格瑪分析）
6 完全掌握結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化（直接優(yōu)化）
敬請大家關(guān)注
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結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化ansys結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化workbench；拓?fù)鋬?yōu)化；形狀優(yōu)化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化浮子結(jié)構(gòu)形式形狀優(yōu)化ansys計算結(jié)構(gòu)形變 結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化設(shè)計仿真優(yōu)化水工結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化tosca結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計形狀優(yōu)化加強結(jié)構(gòu)tosca structure 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計暨拓?fù)鋬?yōu)化、 形狀優(yōu)化、加強筋優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)自由形狀優(yōu)化分析
