減重優化分析的案例
結構優化案例1—L型結構優化設計（減重）
4 Optistruct實現流程
由于重點是優化，所以本文直接省略前處理部分，直接從優化開始。這里需要說明的是，這里雖說是案例但是是以交流為角度展開的，并不是教程。下面是前處理完成后的模型（使用板殼單元進行建模）：
圖 2有限元分析模型
4.1 初次分析
初次分析的目的是為了確定初始結構的性能，比如剛度，強度等。本例初次分析的重點是獲悉在該網格尺寸下結構的應力分布以及拐角處的應力水平（雖然理論上拐角處應力無限大的，但是在該網格尺寸下仍然可以作為設計目標。）
圖 3 Mise應力云圖（Simple方式平均）
如上圖所示，該結構的應力分布已經比較清晰的展現在了我們的面前，這可以有助于我們對拓撲的結果進行一個合理的判斷。通過觀察應力云圖，我們可以獲悉L型上面部分兩側絕對是主傳力路徑的一部分，深藍色區域是整個結構中的“閑置”部分，拐角處集中應力達到了538MPa。
4.2 減重
對結構應力分布情況有了基本了解之后，我們開始進行減重的優化設計。對于一個基本的優化問題，我們至少有三要素：目標函數，設計變量以及約束條件。
通過最開始的問題分析，我們知道該問題的目標函數為整體的剛度，設計變量為單元的密度（密度體現了單元的有無問題），約束條件為重量<30％原結構。
展開 優化設計（減重）
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展開 MeshWorks應用—SUV整車減重優化案例
挑戰
? 客戶需求：在保持目標性能的前提下，利用截面優化等方法，最大化降低重量。
? 同時，客戶希望得到優化后的CAD數據，以提供給他們的設計團隊。
解決方案
關鍵方法包括多學科優化以及“CAD morphing”。主要步驟如下：
? CAE模型搭建，初始狀態驗證；
? 設計變量上下限可行性設計；
? 在MeshWorks中創建形狀，料厚參數；
? 生成DOE矩陣，以及多個設計方法；
? 結果分析，響應面方法；
? 優化研究；
? 針對結果進行驗證；
? 應用CAD-Morpher對初始數據變形，并導出CAD；
性能目標如下：
? 扭轉剛度>20KN·m/Deg.；
? 彎曲剛度>20KN/mm；
? 扭轉模態>40Hz；
? 彎曲模態>50Hz；
? 優化后各性能指標不得低于初始狀態；
? 部件主應力不得低于材料屈服強度；
總結：
降低12%的重量同時，各性能指標均達標。
MeshWorks在此項目中的優勢：
? 強大的網格變形及形狀參數優化技術，進行快速截面優化，大大提高效率；
? 使用CAD-Morpher可以直接對CAD數據進行變形。
若您想咨詢MeshWorks軟件購買事宜，請下方掃碼或聯系18665820511或caesoft@qq.com。
展開 整車參數化—MDO優化流程—SUV減重
背景：
消費者對燃油經濟性標準的重視程度和期望值越來越高，從而推動全球汽車制造商優化其車輛平臺，而不是僅僅考慮車輛的性能。必須通過全面平衡安全性、NVH和耐久性性能來達到燃油經濟性標準。
挑戰：
客戶希望減少其現有SUV產品線的重量（大量可行性方案可以投入到實際生產中），只需少量的重新設計或更改，而不會降低性能。
客戶聯系底特律工程軟件公司（DEP）進行開發，該項目的目標是針對白車身和底盤進行減重設計。
解決方案：
整個項目由DEP工程師分為三個階段：基準評估、網格參數化和優化。DEP工程師與客戶工程師密切合作，參與整個項目。DEP團隊開發的完整優化流程對客戶來說是非常有價值的。
在第一階段，從白車身和底盤，共選擇25個設計變量（形狀和尺寸參數化），并設定為優化目標。
第二階段利用DEP-MeshWorks平臺分別進行了碰撞和耐久性的有限元模型參數化。通過實驗設計，共得到76種不同的輸入變量組合。使用DEP-MeshWorks快速生成了76種設計組合模型，作為后續分析的輸入。
在最后階段，統計碰撞和耐久分析結果，并生成Excel表，將詳細設計變量值以及性能指標記錄到表格里。該表用于優化分析的最終結果展示，同時確定了各項設計變量對整車性能的影響，供DEP工程師與客戶工程師進行詳細討論。最后將綜合評估各優化方案的可行性，確定最優方案。
結果：
基于DEP-MeshWorks的優化方法有助于為現有的SUV平臺減重約10千克。DEP-MeshWorks驅動的多學科設計優化方法已經成功地從整車擴展到其他各種子系統。
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機械臂拓撲優化（減重+增加剛度）
④ 連桿應力分布集中在上下面，中部應力相對較小，說明這部分本身具有優化空間。并且仔細觀察變形趨勢，這部分變形較大，所以也可以考慮額外增設優化空間。
⑤ 大臂部分應力并沒有前面兩個嚴峻，這里將其作為減重的主要部分，去掉原加強筋移，在中部增設加強筋，進行優化。
按照上述原則，我們用于優化的幾何模型大概長成這樣（一個優化分析需要不斷更改優化區間的選取，并作對比，這里僅以一種優化策略為例）：
圖 12 用于優化的幾何模型
5.2 預分析
在進行優化前，對結構進行預分析，確定個方向留有余量。施加相同的三個工況，分別得到最大位移為0.066mm，0.021mm，0.022mm，與前面的0.089mm，0.031mm，0.039mm相比均留有余量，因此后面的拓撲優化能正常進行。
5.3 優化問題定義的思考
這一步在我看來還是挺復雜的，對于該分析也試了十幾種約束與目標的組合，暫時總結了幾個重點：
①我們優化的目的是啥？減重+達到目標位移要求？真的只有這兩點嗎？其實對于所有拓撲優化問題，我們有一個隱藏的要求，那就是得到一個至少看起來合理的結構。而且大部分時候，這一點反而是最重要的。為什么這么說？我們如果單純的想減重，完全是不需要使用拓撲優化的，換個材料，試算幾種方案也能達到效果。會采用拓撲優化的原因是因為他能提供一些我們想象不到的合理的結構，為設計提供靈感。
②如果能接受上面所說的，那么重點就來了。對于一個比較復雜的結構，我們加上各種剛度應力約束以及體積比限制，然后等著計算機給出一個完美的傳力路徑，這個幾乎不可能。且不說各種約束之間會發生沖突導致不收斂，在這么多限制條件下，優化出來的結果很可能讓人失望。
③當我們加上了位移限制，體積比限制以及最小柔順性目標，看似很平常，實則暗藏殺機。
展開 基于尺寸、拓撲優化的某航空部件減重設計
航空零件中，鈑金件的應用非常廣泛，其零件厚度因其毛料的原因，都有固定的數值，所以尺寸優化在航空零件設計中可以提供有效的指導意見，然后拓撲優化可以對航空鈑金件提供減重孔設計意見，本案例中，對某航空設備安裝支架進行了尺寸及拓撲優化，并且對優化結果用Catia進行還原。
液壓泵支架優化減重.pdf
案例分享 | 大學生方程式賽車隊進行賽車軸承座部件優化、減重
德國帕德博恩（Paderborn）大學生方程式賽車隊進行賽車軸承座部件優化、減重
我們已經展示了MSC Apex Generative Design的潛力，以下為帕德博恩大學生方程式賽車隊為他們的賽車設計的軸承座部件——該部件用于支撐車輪軸承，屬于懸架的一部分。
這是一個很典型的案例，因為軸承座一方面要需要承受非常復雜的負載工況，同時對輕量化設計具有迫切需求。由于大賽要求參賽者每年開發一款新的賽車，仔細檢查每一個零件，以提升競爭優勢，因此設計過程中需要進行大量的零件設計優化。MSC仿真工具，例如：Adams 和 MSC Nastran 被用于進行后續的部件優化。
▲ 采用MSC Apex Generative Design進行增材制造設計
開發過程首先從基于Adams的多體動力學仿真中獲取載荷開始，Adams模型模擬了整個懸架的多種工況，包括所有連接點的坐標和作用力。
這些信息被用于建立優化模型并定義其目標。
在 MSC Apex Generative Design中定義了一個盡可能大的設計空間（如上圖所示）。
在這個方程式賽車項目中，對應輪輞內的空間減去叉形臂的安裝空間以及所選的制動系統。運行MSC Apex Generative Design優化算法，設計空間內的材料在確保滿足各種邊界條件、約束以及優化目標的前提下會被盡可能的削減。
展開 Ansys 案例研究 | GoPro 相機諧波分析與減振優化
返回 Workbench 平臺，復制諧響應分析系統。在新分析項目中，為兩個旋轉關節統一賦予阻尼值：100 N?mm?s/rad，之后重新求解計算。優化后的變形頻率響應結果如圖 7 所示。由結果可見，增設阻尼可有效規避構件共振，并顯著降低最大變形量。
圖 6 增加阻尼后的 Z 向變形頻率響應
總結：
本文以 GoPro 運動相機為研究對象，完整展示了諧響應分析的仿真流程，并通過仿真手段優化結構設計，從而避免相機內部零部件發生損壞。
Abaqus|基于模態阻尼的穩態動力分析以及減振產品開發與優化問題
內容概況
對減振產品與方案的評價主要包括對于特定頻帶范圍內的振動有多少減弱作用。而頻響應曲線——激勵頻率與響應（位移、加速度等）的關系曲線就是一個直觀效果展示方式，即可以評價特定頻率下減振措施的減振效果，也可以觀察到具有減振效果的頻帶有多寬（這對于實際問題的魯棒性非常重要，因為材料與激勵并不會像分析計算模型一樣那么理想）。為了獲得如圖0所示的頻響曲線，可以進行穩態分析。為了在最終的頻響曲線中考慮到材料或者減（吸）振器阻尼耗能的頻率相關特性，就可以利用模態阻尼。本文主要介紹相關概念以及在Abaqus中的實現過程，并進而引出減振產品（結構）開發與優化問題的提法。
▲圖0 頻響曲線
2. 穩態動力學分析
在簡諧激振作用下的強迫振動，包含過渡過程和穩態響應兩部分。由于結構中不可避免地會出現阻尼力，過渡過程是迅速衰減的瞬態振動；同系統的穩態響應相比較，這種瞬態振動在某些問題中是相對次要的，因而可以不與考慮。所討論的穩態動力學分析(SteadyState Dynamics)是指在簡諧激勵作用下的系統穩態響應。盡管穩態分析是針對諧振激勵，但是由于任意一個振動激勵我們都可以通過看作是頻域上若干簡諧激勵的疊加，因此穩態分析對于控制某個隨機的振動過程也非常重要。可以指導減振產品開發與優化。
在Abaqus中的三種穩態動力分析計算方法：Direct, modal，subspace。對于三種方法的適用性可以參考Abqus用戶手冊或者《Abaqus動力學有限元分析指南》。由于modal方法的計算量較小便于快速評估產品方案，因此這里主要介紹基于modal法穩態分析得到頻響曲線。
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