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基 OptiStruct的复合材料优化技术 澳汰尔工程软件洪清泉邬旭辉摘要：Altair OptiStruct 为金属构造件供给了前所未有的优化手段，在各个行业取得了大量革命性的应用和创的工程成果。针对复合材料在航空航天的广泛应用，Altair OptiStruct 供给了全面的、面对工程实际的复合材料优化技术。本文介绍了这项技术的应用过程，各个阶段的方法及结果。Altair OptiStruct 是一个是以有限元法为根底，面对产品设计、分析和优化的有限元和构造优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，供给最全面的优化方法，包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、外形优化以及自由尺寸和自由外形优化。这些方法可以对静力、模态、屈曲、 频响等分析过程进展优化，其稳健高效的优化算法允许在模型中定义上百万个设计变量，支 持常见的构造响应，包括：位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、构造柔度、以及各响应量的组合等。此外，OptiStruct 供给了丰富的参数设置，包括优化求解参数和制造加工工艺参数等，便利用户对整个优化过程进展把握，确保优化结果便于加工制 造，从而极其具有工程有用价值。OptiStruct 自从 1993 年公布以来，被广泛而深入地应用到各行各业，在航空航天、汽车、机械等领域取得了大量革命性的成功应用，赢得了多个创大奖。特别是在金属构造件优化 方面，OptiStruct 的技术已经格外成熟，目前欧洲和美国几乎全部的正在研发的汽车和飞机都承受了构造优化技术，进展了大量的系统级布局优化，零部件减重和性能提高设计。目前，复合材料以其比强度、比模量高，耐腐蚀、抗疲乏、减震、破损安全性能好等优点， 在工业界取得了越来越多的应用，特别是在航空航天方面，由于钢铁和有色合金很难满足日 趋苛刻的重量，力学等设计性能要求，复合材料更是得到了广泛的应用，例如波音787 飞机超过 50重量的零部件承受复合材料制造。图 1 波音 787 飞机材料分布OptiStruct 供给了从金属到复合材料的完整的优化解决方案，特别是其最版本9.0，支持从最初的零件构造样式，到铺层外形和厚度分布，到铺层角度和层数的优化，到最终铺层层 叠次序的各个阶段的优化设计方法，可以考虑各铺层的应力、应变、失效，屈曲等性能约束， 供给了前所未有的复合材料优化解决方案，包括以下四个阶段：拓扑优化拓扑优化的根本思想是将寻求构造的最优拓扑/布局问题转化为在给定的设计区域内寻求材 料最优分布的问题。OptiStruct 可以在给定的设计空间内，在给定的载荷边界条件下，找到满足性能指标的最正确的材料分布，从而确定出最正确的构造形式。例如，在矩形设计空间内， 承受弯矩的最正确构造样式是工字型梁，承受扭矩的最正确构造样式是矩形管梁。图 2 最正确构造样式图 3 挂钩的拓扑优化设计自由尺寸优化利用拓扑优化找出最正确的零部件构造样式后，依据该样式初步设计出零件，然后进展自由尺寸优化。自由尺寸优化适合于用壳单元建模的零件，对金属零件而言，每个单元的厚度就是一个变量，其厚度可在某个范围之间连续变化，如以以以下图所示：图 4 自由尺寸优化的厚度变量自由尺寸优化可以应用到复合材料的优化设计中。将复合材料建模为角度确定0、45、 45、90 etc.的几个超级层相对于实际厚度很薄的单个铺层而言，此时每个单元的每 一超级层都是一个厚度变量，优化后可以得到其最正确厚度。图 5 复合材料单元的不同角度超级层的厚度变量有了每个单元每个超级层的最正确厚度，就可以得到整个零件的每个超级层的厚度分布，例如， 一端固定，另一端中点施加集中载荷的复合材料板，承受4 种角度超级层建模，优化后其各角度超级层的厚度分布如下所示。图 6 4 个超级层的厚度云图分布每个角度超级层的厚度分布是不均匀的，需要由一些不同外形的铺层块层叠而成，例如，从0 度超级层的厚度分布信息可以得到4 种铺层块外形。不同铺层块外形可以通过裁剪得到。图 7 0 度超级层可以由 4 种铺层块组成尺寸优化尺寸优化可以对有限元模型的各种参数，例如板的厚度、梁截面尺寸、材料属性等进展优化。在得到各角度超级层的铺层块外形之后，对复合材料进展重建模，将每种外形的铺层块重 建成一个超级层，优化得到每种外形的具体厚度，除以实际铺层的厚度，就可以得到每种 角度每种外形的铺层的数目了。图 8 每种角度每种外形的实际铺层数目铺层层叠次序优化有了每种角度每种外形的实际铺层数目，接下来就要优化实际铺层层叠的次序，从而最终制 造出复合材料零件。确定铺层次序时，需要考虑铺层对称性、每种铺层的最大层叠数目等， HyperShuffle 模块可以自动确定最正确的铺层层叠次序，满足复合材料制造工艺约束。图 9 HyperShuffle 自动确定最正确的铺层层叠次序实际应用目前，该创的复合材料优化技术已经得到了众多客户的认可，例如，空中客车公司将该技术应用于A350 飞机的机翼设计中。图 10 机翼上下翼面的复合材料优化总结Altair OptiStruct9.0 具有完整的复合材料优化设计解决方案，通过综合应用拓扑优化、自由尺寸优化、尺寸优化、铺层层叠次序优化等技术，供给了从最初的零件构造样式，到铺层形 状和厚度分布，到铺层角度和层数确实定，到最终铺层层叠次序的各个阶段的优化设计方法， 为复合材料零件的设计供给了创的，符合工程实际的方法。作者简介洪清泉，Altair 公司优化应用专家，北京理工大学车辆工程专业毕业，曾工作于上海飞机设计争论所，在汽车和飞机构造分析和优化方面具有丰富阅历。邬旭辉，Altair 公司航空行业应用专家，毕业于浙江大学工程力学系。毕业后参与上海飞机设计争论所，从事ARJ21 飞机的强度分析工作。后参与ALTAIR 公司后从事汽车构造安全分析、航空行业优化应用支持等工作。(end)