优化设计的5种方法
您是否曾觉得您的设计超重或不必要地超出了其结构要求?这可能意味着你使用了过多的材料，这会直接影响整体成本。
或者你的单部分已经修补结构创可贴多次由于不断变化的要求，它已经成为一个低效，超重的怪物？这可能意味着你的铸件或模具急需肋骨，但你不知道他们应该放在哪里。
或者你经常坐在那里想，为了在重量和性能之间找到最佳平衡，什么样的量规组合才是最适合你的复杂装配？也许你是从头开始的？你知道可用的空间和需要满足的结构要求，但你只是不确定最佳的建筑是什么，甚至不知道从哪里开始绘制？
需要一个解决方案来规避这些情况吗？Altair OptiStruct是一个基于有限元的工具，通过迭代过程创建轻量级高效设计。
在考虑多个常常相互冲突的加载场景时，确定要修改的区域可能会让人不知所措，而且很乏味。有时，无论是从错误的开始还是由于其生命周期中的多次演变，结构并不遵循主要的负载路径。这使得设计是自动的，而不是最佳的。
使用各种技术在Altair OptiStruct，我们将采取一个简单，明显过度设计，管状结构，并优化它，以减少材料和成本。这些概念可以用于您自己的设计，无论是简单的还是复杂的。
我们正在使用的结构是由标准的2“x2”x0.12“管子焊接在一起，以支持440磅的质量（红色显示）从前悬管。它应该能承受不同方向的重力荷载，并有挠度要求。它在五个位置用螺栓固定在地板上。
目前的设计重量约130磅，很容易满足挠度要求。你不觉得这个结构有点设计过头了吗？让我们看看OptiStruct可以为我们执行什么样的设计迭代。
1.轨距优化
量规优化将确定满足结构要求的最轻量规组合。为了尊重建筑的对称性，管子按不同的颜色分组，每组的规格可以不同。底板被排除在优化之外，因为它们对结构的性能没有贡献。
下图显示了结构总质量低于33磅时的轨距优化结果(厚度（mm，从原设计的3mm开始）
灰色的管显示出非常低的厚度，表示它们可以被移除。消除了较低的第五个支持，以及结构的上半部分中的一些冗余管。
然而，结果是不容易获得的，将需要特殊的订单管。
考虑到这一点，我们进行了一项新的分析，将量规限制在几个标准值内。新的结果是，结构的总重量在48磅以下。有了新的约束条件，先前分析得出的质量增加是一个合乎逻辑的结果，因为这个约束条件从优化问题中消除了设计自由。
2.壳体拓扑优化
壳体拓扑优化将确定可以消除的现有管道区域，并且仍然满足结构要求。
我们从最初的结构和管规开始，下面显示的22磅结构突出了设计所必需和不必要的区域。考虑到已经进行的轨距优化，这些结果具有很好的相关性。
用管子创建这种结构是很困难的，因为有些部分在区域上是不完整的，但这为用户提供了有价值的信息，关于最轻的设计，仍然可以满足所有的结构要求。
3.尺寸和形状优化
尺寸和形状优化允许用户修改一些几何参数，以达到更优化的设计。在管状结构内，每个管的截面可以在尺寸上修改，调整整体尺寸和形状，改变管为方形，矩形，水平或垂直。
下面的图片显示了各部分在两个方向上的生长情况，以确定最轻的结构(约60磅)满足要求。
在尺寸和形状分析中，可以设置参数以强制结构使用标准尺寸的横截面，还可以在分析中添加不同的量规，以获得更容易获得的解决方案。此图显示了左侧的形状变化和右侧的厚度值，以最终解决综合尺寸和形状优化问题。
这种类型的优化可以用于许多几何参数，而不是管截面。
4.三维拓扑优化
有时完全重新设计结构的架构并从头开始是可能的。三维拓扑优化将根据负载场景集和定义的约束，从可用的设计空间中确定最佳负载路径。
考虑到结构，设计空间用蓝色表示。结构的内部是开放的，就像最初的设计一样。将悬挑管排除在三维拓扑优化之外，因为悬挑管不影响整体荷载路径。
在分析过程中，三维拓扑优化去除不必要的材料，只显示结构的主要荷载路径。
这些结果与之前的仪表优化结果一致，因为Altair OptiStruct去掉了不必要的管。它还显示了一个独特的，更优化的设计，侧面的结构。在材料布局被解释为可制造设计之前，这种结构的质量是无关的。
如果将蓝色的设计空间修改为包含之前分析中遗漏的内部区域，就可以得到不同的材料布局。
5.1 d拓扑优化
为了加快分析时间，有时可以用一维梁单元对结构进行建模。
一维拓扑优化的结果显示，密度值表明管的必要性为整体结构。这些值可以在左边看到，而右边显示了所有需要的隔离梁。该值越低，表示光束越不需要。
一维优化的结果与前面分析的结果是一致的。到目前为止，在每一个结果中都出现了总体布局设计和去除不必要的梁。
然后更多…
以上所有的技术都说明了一些方法，这些方法可以用来优化结构，使其达到满足所有结构要求的轻量化、高效设计。
仪表优化，尺寸和形状和外壳优化，可用于改善现有设计，而无需改变其整体架构。当需要显着的重新设计时，可以使用3D拓扑优化，因为它识别结构的最佳负载路径并推荐材料减少。然后将3D拓扑中产生的材料布局被解释为概念设计，该概念设计是用仪表，尺寸和形状方法的尺寸和微调，导致最终结构。
牵牛星内前处理和Altair OptiStruct在设计过程中可以利用许多其他不介绍的优化技术。
地形优化允许您在设计的表面上设计胎圈特征，这是调整局部刚度的一种很好的方法．多材料优化允许您在组件上分配不同的材料以优化刚度，强度和重量。设计探索与优化穿过牵牛星HyperStudy可用于评估许多不同的设计参数并提取最佳组合。
所有技术都有优化设计的潜力，但每种技术都在设计过程中占有一席之地。例如，尺寸和形状优化（包括量规）不应在已知材料布局之前启动，这通常通过三维拓扑优化完成。
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