HyperStudy软件-结构优化.ppt

1、HyperStudy 优化,HyperStudy分析时所支持的求解器:,Abaqus ANASYS LS-DYNA Nastran OptiStruct PAM-CRASH 2G RADIOSS HyperForm MADYMO ADAMS,一 通过hypermesh可以定义为设计变量的参数:,Shell thickness （壳单元料厚） Spring stiffness （弹簧刚度） Concentrated mass （集中质量） Composite ply thickness （复合结构的组成结构板厚） Composite ply angle（复合结构中各组成结构间的角度） Shape

2、s (as created by the HyperMorph module, or by the perturbations panel) （通过HyperMorph或 摄动面板下产生的结构的形状）,可为设计变量的参数名称,形状优化,应用范围,结构的灵敏度分析、优化,结构的灵敏度分析、优化,结构的灵敏度分析、优化,结构的灵敏度分析、优化,简化车身模型中，接头对车身的灵敏度及优化,设计变量的定义,1）Hyperform可用的设计变量：,二 用于制造工艺优化的设计变量,Sheet thickness（钣金厚度） Friction（摩擦系数） Forces（载荷） Shapes（as create

3、 by HyperMorph）（通过hypermorph定义的形状）,2）HyperXtrude可用的设计变量 :,Control points of the bearing profile curve（轴承轮廓曲线的控制点） Shapes (as created by HyperMorph)（通过hypermorph定义的形状）,设计变量的定义,三 各求解器所支持的设计变量及对应的参数类型,设计变量的定义,三 各求解器所支持的设计变量及对应的参数类型,设计变量的定义,HyperStudy的输入文件,HyperStudy 认可的输入文件为:,Study files (.xml) Model f

4、iles (.tpl， .hm， .hf，.mdl，.xls） Preference files（preference.mvw）求解器脚本文件,针对不同求解器输出结果所支持的文件类型,Solver,Result,File,Remarks,Abaqus,Model mass（质量）, center of gravity（重心） moments of inertia（转动惯量） Frequency（模态频率）,.dat,如果要在该文件中输出mass信息，则需要在计算输入文件中定义一个动态载荷步。,Nodal number（节点数）, Displacement（位移）, reaction force

5、（反作用力）,.fil,Element number（单元数）, Stress（应力）, Strain（应变）,.fil,Nodal position（节点位置）,.inp,Nodal data（节点数据）， element data（单元数据）,.odb,如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用 resvector() 函数。,节点向量包含x、y、z三个方向的数据。,HyperStudy的输出文件,内容：模型定义、历史定义，警告与出错信息提示,为计算输入文件，主要内容为模型定义,二进制文件，内容为模型信息与计算结果,计算结果文件，存放计算所得的单元、节点等结果。,*STEP *DYNAMI

6、C 1.0 ,0.01 *EL FILE *END STEP,2. 如果要得到具体编号的单元或节点的数据，需要使用 getval2 函数。,1. 所有单元与节点的数据以向量的形式存放。,Solver,Result,File,Remarks,OptiStruct Radioss （Bulk format）,Model volume（模型体积）， Mass（质量）， Frequency（模态频率）， Buckling factor（屈曲因子）,.out,Nodal displacement （节点位移）， reaction force（反作用力）， element stress,strain （单

7、元应力、应变）， strain energy density （应变能密度）,.res,.h3d,针对不同求解器输出结果所支持的文件类型,HyperStudy的输出文件,Nodal displacement （节点位移）， reaction force（反作用力）， element stress,strain （单元应力、应变）， strain energy density （应变能密度）,压缩的二进制结果文件，包含模型与结果信息,ASCII格式的结果文件，包含分析的注释,如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用 resvector() 函数,如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用 re

8、svector() 函数,二进制结果文件,Solver,Result,File,Remarks,RADIOSS （block format）,Nodel displacement （节点位移）， Velocity（速度）， Acceleration（加速度）,.T01,element stress、strain （单元应力、应变）,.T01,.A00,Nodal data（节点数据）， element data（单元数据）,Nastran,Model,mass（模型质量）,.f06,Nodel data（节点数据）， Element data（单元数据） Frequency（模态频率）,.op

9、2,To write the mass to the .fo6 file, use PARAM, GRDPNT, 0 in the input.,Vector contains time history,Vector contains time history,针对不同求解器输出结果所支持的文件类型,HyperStudy的输出文件,如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用 resvector() 函数,二进制结果文件,如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用 resvector() 函数,输出数据的文件,结果存放文件,Solver,Result,File,Remarks,LS-DYNA,M

10、odel and part mass （模型、部件质量）， Moments of inertia（转动惯量）， Center of gravity（重心）,d3hsp,Model energies（模型能量）,glstat,nodout,Nodal displacement （节点位移）， Velocity（速度）， Acceleration（加速度）,Element stress、strain （单元应力、应变）,elout,Nodal data（节点数据）， Element data（单元数据）,d3plot,Nodal position（节点位置）,Keyword file,文件存放历史

11、数据。,Vector contains x,y or z component of the node.,reaction force（反作用力）,spcforc,针对不同求解器输出结果所支持的文件类型,HyperStudy的输出文件,如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用 resvector() 函数,该文件存放历史数据。,ASCII文件，存放全局数据，模型大部分类型的能量通过该文件输出。,ASCII文件，存放节点数据。,ASCII文件，存放单元（梁、壳）数据。,文件存放历史数据。,SPC反作用力。该文件存放力、力矩。,RADIOSS (Block Format),$file -both,

12、RADIOSS (Bulk Data Format),Optistruct,$file / $file scr C:temp,Solver input arguments（运行参数）,Solver（求解器）,Ls-DYNA,i=$file (MEMORY=5000000),Abaqus,job=.inp （memory=200Mb） interactive,MotionSolve,Excel,在Excel表格中输入设计变量并计算响应。,Nastran,$file,Excel,无,Input file （输入文件类型）,.fem 文件,.fem 文件,.bdf 文件,/.dat 文件,.key

13、文件,.inp 文件,.csv 文件,运行控制,Size Optimization 尺寸优化,尺寸优化时，和尺寸相关的属性都可以作为尺寸优化的变量。常用的尺寸优化设计变量有： 1）结构料厚thickness 2）集中质量mass,尺寸优化的变量,一 在excel表格基础上进行优化,1. 目的是创建一个近似值，然后对这个近似值进行优化。 2. 该表格包含五列数据，如右图所示。第一列表示设计的次数，第二和第三列表示每个设计的两个 设计变量，第四和第五列表示先前DOE分析所得到的结果。,1. 打开excel表格，并将其另存为.txt格式的文本文件（制表符分隔）。,2. 创建model时，model

14、type选择HyperStudy。,3. 创建response响应时，建立名称为index的响应用来表示设计的次数，其Response experssion可表示为“convert(getenv(“STUDY_RUN_NUMBER”)-1”,4. 创建结果response响应时，响应矢量Vector的Vector resourece file选择reference file类型的文件，并且选择前面得到的.txt格式的文本文件。Type和Request采用默认的Unknown和Block1,Component则根据该矢量的作用选择表格中相应数据表示的列(column x),5. 创建DOE分析时

15、，Controlled factors中的DOE Class选择Run Matrix，并相应选择先前得到的.txt文件。,A 设计变量与结果在excel表格中已经给出，以此作为优化的依据。,由于Excel中已经列出了设计变量与相应的设计结果，因此前面建模时不需要进行初始计算，而仅在response中设置相应的响应结果即可。,Size Optimization 尺寸优化,B： 在excel表格中输入设计变量，同时有响应的计算方法，以此作为优化的依据。,一 在excel表格基础上进行优化,Exemple：HS-1070（The objective is to find the cross-sect

16、ional dimensions, width, and height of a beam that minimizes the beam volume while keeping the tip deflection below 0.35 mm. ）如右图示,1. 创建HyperStudy可以评估的矩阵输入。 打开excel文件，选择tools菜单下的加载宏命令，将宏命令hw_hst_genpdd.xla加载入，如果没有，则在Altair的安装目录下templateshst 找到hw_hst_genpdd.xla，并加载即可。,2. 创建Model时，选择spreadsheet作为创建的Mo

17、del的类型，并且前一步中加载入宏命令的excel表格作为Model的输入。,3. 创建设计变量l时，通过Add Model Parameter命令，在excel表格中选择设计变量(Design Variable)和响应(Response)。,Size Optimization 尺寸优化,Shape Optimization 形状优化,形状优化的设计变量是结构的形状，因此在创建设计变量时需要先定义形状。通常使用HyperMorph定义用于形状 优化的设计变量形状。,形状优化的变量,建立分析模型(Study setup),步骤：,1 定义分析,2 建立模型参考输入文件类型,3 定义设计变量参考设

18、计变量定义,4 初次分析运行参考求解器定义、运行控制,5 建立响应参考HyperStudy输出文件,6 设计变量间的相互关系定义,7 灵敏度定义,设计变量的交互作用(Controlled Design Variable Interaction),DOE分析(Post processing),左图中为设计变量C0与C1的 交互作用，其中x轴表示其中一个 设计变量C0 ，y轴表示分析的响 应。图中的两条曲线则分别表示 设计变量C1在其极限值时（最大 与最小设计值）响应随设计变量 C1变化而产生的变化。 如果两条曲线相互平行，说 明两个设计变量之间没有交互作 用，也即两变量改变对响应的影 响是相互独

19、立的。 如果两曲线不平行，则说明 该二变量之间有交互作用。,响应拟合 (Approximation),误差方差(Residuals),表示通过求解器计算得到的响应值与使用回归方程预测得到的响应值之间的差异，该差异值越小， 所得到的回归方程越接近实际。,根据DOE分析结果建立响应关于设计变量的关系曲线，在设计变量发生更改时，根据拟合得到的 关系曲线即可得到相应的响应结果，而不需要对整个模型进行分析来获得结果，这样可以节约计算时 间，从而提高成本。,方程拟合 (Approximation),1 定义一个拟合方程,步骤：,曲线方程拟合的类型： 1）Least Squares Regression,如

20、图中所示：定义曲线拟合方程时，程序会在方程内自动为每个设计变量分配一个变量名，用于拟合曲线。,2）Moving Least Squares,3）HyperKriging,方程拟合 (Approximation),2 输入矩阵,通过DOE分析计算，得到一系列不同设计变量时，相应的响应结果，以此作为输入，建立拟合方程。,方程拟合 (Approximation),3 创建拟合方程,4 残差,拟合模型,拟合模型的阶次,拟合模型的精度,拟合方程及系数,DOE分析得到的响应结果与通过拟合方程得到 的相应响应结果之间的差别对比。,方程拟合 (Approximation),5 trade-off,6 Anov

21、a,通过拟合方程得到的响应结果与设计变量 之间的关系图表。,评估误差及各因子对结果的影响作用。,优化分析 (Optimization study),典型的目标函数类型(Typical Objective Functions),1 结构质量与体积( Structural Mass and Volume) 2 位移(Displacements) 3 频率(Prequency) 4 能量(Energies) for DYNA/ABAQUS 5 伤害指标(Head Injury Criteria HIC, Femur Loads, etc),典型的约束函数类型(Typical Constraints)

22、,1 位移(Displacements) 2 应力(stress) 3 塑性应变(Plastic Strain) 4 频率(Prequency),典型的设计变量类型(Typical Constraints),1 尺寸优化(结构厚度，梁截面参数) 2 形状优化(修改结构的外部边界) 3 材料响应(不同密度的泡沫材料、钢材),优化分析 (Optimization study),1 定义优化,优化算法类型： 1）Adaptive Response Surface Method自适应响应面法 2）Sequential Quadratic Programming序列二次规划法 3）Method of F

23、easible Directions模式搜索法/可行方向法 4）Genetic Algorithm遗传算法 5）User Defined-Xopt用户自定义优化方法,4）遗传算法 基于生物进化上“适者生存”的原则。每次迭代优化时，保留适应度高的因子，淘汰适应度低的因子，进入下 次优化，经过数次迭代得到最好的结果，即为问题的最优解或次优解。,步骤：,优化分析 (Optimization study),2 选择用于优化的设计变量,3 定义约束,优化分析 (Optimization study),程序重启动后，是否接着指定的优化或DOE分析 步继续运行。,优化类型选择,优化目标：,1）Minimiz

24、e；结果最小化 2）Maximize ；结果最大化 3）MinMax；最大值最小化 4）MaxMin；最小值最大化 5）System Identification；系统识别,最大迭代次数,结果绝对收敛条件,结果相对收敛条件,约束容差,设计变量收敛条件,优化初次移动步长,步长界限,初始变量波动,约束的显示,出现失败分析的处理,创建优化目标,选择既非约束又非目标的响应的评估方式。,一般定义优化的目标时，采用默认的优化参数即可。如果有特殊 需求，则可根据需要修改相应的优化参数。,4 定义目标,优化分析 (Optimization study),5 结果处理,a 优化曲线,b 优化数据表,所有响应（包

25、括用于优化的约束和 目标）、设计变量在优化过程中的数值 变化曲线。,所有响应（包括用于优化的约束和 目标）、设计变量在优化过程中的数值 列表。,失效的优化方案,可接受的优化方案,接近成功的优化方案：约束超差在容差范围内。,随机性研究 (Stochastic study),随机性研究 (Stochastic study),1. 定义一个随机分析,1) Simple Random Sampling 简单的随机抽样； 2) Latin Hypercube Sampling ； 3) Hammersley Sampling 。,数据采样方法：,步骤,随机性研究 (Stochastic study),2

26、. 定义随机变量,随机变量确定时需注意：,1） 随机变量的离散与连续性（与设计变量的离散与连续性相同，在study setup时确定）； 2） 随机变量的分布： a Normal Distribution 正态分布 b Uniform Distribution 平均分布 c Triangular Distribution 三角分布 d Exponential Distribution 指数分布 e Weibull Distribution 威布尔分布, 随机变量分布类型选择,根据统计规律，正态分布是自然界多数现象的存在状态，因此确定随机变量时一般采用正态分布形式。,随机性研究 (Stochas

27、tic study),3. 定义随机变量的相关性,4. 选择响应,5. 计算抽样数据,使用二维、三维以及统计方 法列出随机变量的抽样数据分布。 其中Histogram柱状图，表示 随机变量取值频率的分布； pdf概率分布图，表示随机变 取值与均值接近程度的概论； cdf累积分布图，表示随机变 量取值小于或等于均值的概论。,随机性研究 (Stochastic study),6. 后处理,对抽样的随机变量进行计算得到的响应的分布,使用二维、三维以及统计方 法列出响应与随机变量或响应之间 的数据分布。 左图为响应结果的统计学分布 其中Histogram柱状图，表示 响应结果值出现频率的分布； pdf概率分布图，表示响应结 果值与目标值接近程度的概率； cdf累积分布图，表示响应结 果值小于或等于目标值的概率。,随机性研究 (Stochastic study),6. 后处理,响应结果统计,随机性研究 (Stochastic study),6. 后处理,分析结果可靠性,Reliability：可以满足该响应约束条件的设