HyperStudy軟件-結(jié)構優(yōu)化.ppt

1、HyperStudy 優(yōu)化,HyperStudy分析時所支持的求解器:,Abaqus ANASYS LS-DYNA Nastran OptiStruct PAM-CRASH 2G RADIOSS HyperForm MADYMO ADAMS,一 通過hypermesh可以定義為設計變量的參數(shù):,Shell thickness （殼單元料厚） Spring stiffness （彈簧剛度） Concentrated mass （集中質(zhì)量） Composite ply thickness （復合結(jié)構的組成結(jié)構板厚） Composite ply angle（復合結(jié)構中各組成結(jié)構間的角度） Shape

2、s (as created by the HyperMorph module, or by the perturbations panel) （通過HyperMorph或 攝動面板下產(chǎn)生的結(jié)構的形狀）,可為設計變量的參數(shù)名稱,形狀優(yōu)化,應用范圍,結(jié)構的靈敏度分析、優(yōu)化,結(jié)構的靈敏度分析、優(yōu)化,結(jié)構的靈敏度分析、優(yōu)化,結(jié)構的靈敏度分析、優(yōu)化,簡化車身模型中，接頭對車身的靈敏度及優(yōu)化,設計變量的定義,1）Hyperform可用的設計變量：,二 用于制造工藝優(yōu)化的設計變量,Sheet thickness（鈑金厚度） Friction（摩擦系數(shù)） Forces（載荷） Shapes（as create

3、 by HyperMorph）（通過hypermorph定義的形狀）,2）HyperXtrude可用的設計變量 :,Control points of the bearing profile curve（軸承輪廓曲線的控制點） Shapes (as created by HyperMorph)（通過hypermorph定義的形狀）,設計變量的定義,三 各求解器所支持的設計變量及對應的參數(shù)類型,設計變量的定義,三 各求解器所支持的設計變量及對應的參數(shù)類型,設計變量的定義,HyperStudy的輸入文件,HyperStudy 認可的輸入文件為:,Study files (.xml) Model f

4、iles (.tpl， .hm， .hf，.mdl，.xls） Preference files（preference.mvw）求解器腳本文件,針對不同求解器輸出結(jié)果所支持的文件類型,Solver,Result,File,Remarks,Abaqus,Model mass（質(zhì)量）, center of gravity（重心） moments of inertia（轉(zhuǎn)動慣量） Frequency（模態(tài)頻率）,.dat,如果要在該文件中輸出mass信息，則需要在計算輸入文件中定義一個動態(tài)載荷步。,Nodal number（節(jié)點數(shù)）, Displacement（位移）, reaction force

5、（反作用力）,.fil,Element number（單元數(shù)）, Stress（應力）, Strain（應變）,.fil,Nodal position（節(jié)點位置）,.inp,Nodal data（節(jié)點數(shù)據(jù)）， element data（單元數(shù)據(jù)）,.odb,如果要得到向量中的具體元素的數(shù)值，需要使用 resvector() 函數(shù)。,節(jié)點向量包含x、y、z三個方向的數(shù)據(jù)。,HyperStudy的輸出文件,內(nèi)容：模型定義、歷史定義，警告與出錯信息提示,為計算輸入文件，主要內(nèi)容為模型定義,二進制文件，內(nèi)容為模型信息與計算結(jié)果,計算結(jié)果文件，存放計算所得的單元、節(jié)點等結(jié)果。,*STEP *DYNAMI

6、C 1.0 ,0.01 *EL FILE *END STEP,2. 如果要得到具體編號的單元或節(jié)點的數(shù)據(jù)，需要使用 getval2 函數(shù)。,1. 所有單元與節(jié)點的數(shù)據(jù)以向量的形式存放。,Solver,Result,File,Remarks,OptiStruct Radioss （Bulk format）,Model volume（模型體積）， Mass（質(zhì)量）， Frequency（模態(tài)頻率）， Buckling factor（屈曲因子）,.out,Nodal displacement （節(jié)點位移）， reaction force（反作用力）， element stress,strain （單

7、元應力、應變）， strain energy density （應變能密度）,.res,.h3d,針對不同求解器輸出結(jié)果所支持的文件類型,HyperStudy的輸出文件,Nodal displacement （節(jié)點位移）， reaction force（反作用力）， element stress,strain （單元應力、應變）， strain energy density （應變能密度）,壓縮的二進制結(jié)果文件，包含模型與結(jié)果信息,ASCII格式的結(jié)果文件，包含分析的注釋,如果要得到向量中的具體元素的數(shù)值，需要使用 resvector() 函數(shù),如果要得到向量中的具體元素的數(shù)值，需要使用 re

8、svector() 函數(shù),二進制結(jié)果文件,Solver,Result,File,Remarks,RADIOSS （block format）,Nodel displacement （節(jié)點位移）， Velocity（速度）， Acceleration（加速度）,.T01,element stress、strain （單元應力、應變）,.T01,.A00,Nodal data（節(jié)點數(shù)據(jù)）， element data（單元數(shù)據(jù)）,Nastran,Model,mass（模型質(zhì)量）,.f06,Nodel data（節(jié)點數(shù)據(jù)）， Element data（單元數(shù)據(jù)） Frequency（模態(tài)頻率）,.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,針對不同求解器輸出結(jié)果所支持的文件類型,HyperStudy的輸出文件,如果要得到向量中的具體元素的數(shù)值，需要使用 resvector() 函數(shù),二進制結(jié)果文件,如果要得到向量中的具體元素的數(shù)值，需要使用 resvector() 函數(shù),輸出數(shù)據(jù)的文件,結(jié)果存放文件,Solver,Result,File,Remarks,LS-DYNA,M

10、odel and part mass （模型、部件質(zhì)量）， Moments of inertia（轉(zhuǎn)動慣量）， Center of gravity（重心）,d3hsp,Model energies（模型能量）,glstat,nodout,Nodal displacement （節(jié)點位移）， Velocity（速度）， Acceleration（加速度）,Element stress、strain （單元應力、應變）,elout,Nodal data（節(jié)點數(shù)據(jù)）， Element data（單元數(shù)據(jù)）,d3plot,Nodal position（節(jié)點位置）,Keyword file,文件存放歷史

11、數(shù)據(jù)。,Vector contains x,y or z component of the node.,reaction force（反作用力）,spcforc,針對不同求解器輸出結(jié)果所支持的文件類型,HyperStudy的輸出文件,如果要得到向量中的具體元素的數(shù)值，需要使用 resvector() 函數(shù),該文件存放歷史數(shù)據(jù)。,ASCII文件，存放全局數(shù)據(jù)，模型大部分類型的能量通過該文件輸出。,ASCII文件，存放節(jié)點數(shù)據(jù)。,ASCII文件，存放單元（梁、殼）數(shù)據(jù)。,文件存放歷史數(shù)據(jù)。,SPC反作用力。該文件存放力、力矩。,RADIOSS (Block Format),$file -both,

12、RADIOSS (Bulk Data Format),Optistruct,$file / $file scr C:temp,Solver input arguments（運行參數(shù)）,Solver（求解器）,Ls-DYNA,i=$file (MEMORY=5000000),Abaqus,job=.inp （memory=200Mb） interactive,MotionSolve,Excel,在Excel表格中輸入設計變量并計算響應。,Nastran,$file,Excel,無,Input file （輸入文件類型）,.fem 文件,.fem 文件,.bdf 文件,/.dat 文件,.key

13、文件,.inp 文件,.csv 文件,運行控制,Size Optimization 尺寸優(yōu)化,尺寸優(yōu)化時，和尺寸相關的屬性都可以作為尺寸優(yōu)化的變量。常用的尺寸優(yōu)化設計變量有： 1）結(jié)構料厚thickness 2）集中質(zhì)量mass,尺寸優(yōu)化的變量,一 在excel表格基礎上進行優(yōu)化,1. 目的是創(chuàng)建一個近似值，然后對這個近似值進行優(yōu)化。 2. 該表格包含五列數(shù)據(jù)，如右圖所示。第一列表示設計的次數(shù)，第二和第三列表示每個設計的兩個 設計變量，第四和第五列表示先前DOE分析所得到的結(jié)果。,1. 打開excel表格，并將其另存為.txt格式的文本文件（制表符分隔）。,2. 創(chuàng)建model時，model

14、type選擇HyperStudy。,3. 創(chuàng)建response響應時，建立名稱為index的響應用來表示設計的次數(shù)，其Response experssion可表示為“convert(getenv(“STUDY_RUN_NUMBER”)-1”,4. 創(chuàng)建結(jié)果response響應時，響應矢量Vector的Vector resourece file選擇reference file類型的文件，并且選擇前面得到的.txt格式的文本文件。Type和Request采用默認的Unknown和Block1,Component則根據(jù)該矢量的作用選擇表格中相應數(shù)據(jù)表示的列(column x),5. 創(chuàng)建DOE分析時

15、，Controlled factors中的DOE Class選擇Run Matrix，并相應選擇先前得到的.txt文件。,A 設計變量與結(jié)果在excel表格中已經(jīng)給出，以此作為優(yōu)化的依據(jù)。,由于Excel中已經(jīng)列出了設計變量與相應的設計結(jié)果，因此前面建模時不需要進行初始計算，而僅在response中設置相應的響應結(jié)果即可。,Size Optimization 尺寸優(yōu)化,B： 在excel表格中輸入設計變量，同時有響應的計算方法，以此作為優(yōu)化的依據(jù)。,一 在excel表格基礎上進行優(yōu)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. ）如右圖示,1. 創(chuàng)建HyperStudy可以評估的矩陣輸入。 打開excel文件，選擇tools菜單下的加載宏命令，將宏命令hw_hst_genpdd.xla加載入，如果沒有，則在Altair的安裝目錄下templateshst 找到hw_hst_genpdd.xla，并加載即可。,2. 創(chuàng)建Model時，選擇spreadsheet作為創(chuàng)建的Mo

17、del的類型，并且前一步中加載入宏命令的excel表格作為Model的輸入。,3. 創(chuàng)建設計變量l時，通過Add Model Parameter命令，在excel表格中選擇設計變量(Design Variable)和響應(Response)。,Size Optimization 尺寸優(yōu)化,Shape Optimization 形狀優(yōu)化,形狀優(yōu)化的設計變量是結(jié)構的形狀，因此在創(chuàng)建設計變量時需要先定義形狀。通常使用HyperMorph定義用于形狀 優(yōu)化的設計變量形狀。,形狀優(yōu)化的變量,建立分析模型(Study setup),步驟：,1 定義分析,2 建立模型參考輸入文件類型,3 定義設計變量參考設

18、計變量定義,4 初次分析運行參考求解器定義、運行控制,5 建立響應參考HyperStudy輸出文件,6 設計變量間的相互關系定義,7 靈敏度定義,設計變量的交互作用(Controlled Design Variable Interaction),DOE分析(Post processing),左圖中為設計變量C0與C1的 交互作用，其中x軸表示其中一個 設計變量C0 ，y軸表示分析的響 應。圖中的兩條曲線則分別表示 設計變量C1在其極限值時（最大 與最小設計值）響應隨設計變量 C1變化而產(chǎn)生的變化。 如果兩條曲線相互平行，說 明兩個設計變量之間沒有交互作 用，也即兩變量改變對響應的影 響是相互獨

19、立的。 如果兩曲線不平行，則說明 該二變量之間有交互作用。,響應擬合 (Approximation),誤差方差(Residuals),表示通過求解器計算得到的響應值與使用回歸方程預測得到的響應值之間的差異，該差異值越小， 所得到的回歸方程越接近實際。,根據(jù)DOE分析結(jié)果建立響應關于設計變量的關系曲線，在設計變量發(fā)生更改時，根據(jù)擬合得到的 關系曲線即可得到相應的響應結(jié)果，而不需要對整個模型進行分析來獲得結(jié)果，這樣可以節(jié)約計算時 間，從而提高成本。,方程擬合 (Approximation),1 定義一個擬合方程,步驟：,曲線方程擬合的類型： 1）Least Squares Regression,如

20、圖中所示：定義曲線擬合方程時，程序會在方程內(nèi)自動為每個設計變量分配一個變量名，用于擬合曲線。,2）Moving Least Squares,3）HyperKriging,方程擬合 (Approximation),2 輸入矩陣,通過DOE分析計算，得到一系列不同設計變量時，相應的響應結(jié)果，以此作為輸入，建立擬合方程。,方程擬合 (Approximation),3 創(chuàng)建擬合方程,4 殘差,擬合模型,擬合模型的階次,擬合模型的精度,擬合方程及系數(shù),DOE分析得到的響應結(jié)果與通過擬合方程得到 的相應響應結(jié)果之間的差別對比。,方程擬合 (Approximation),5 trade-off,6 Anov

21、a,通過擬合方程得到的響應結(jié)果與設計變量 之間的關系圖表。,評估誤差及各因子對結(jié)果的影響作用。,優(yōu)化分析 (Optimization study),典型的目標函數(shù)類型(Typical Objective Functions),1 結(jié)構質(zhì)量與體積( Structural Mass and Volume) 2 位移(Displacements) 3 頻率(Prequency) 4 能量(Energies) for DYNA/ABAQUS 5 傷害指標(Head Injury Criteria HIC, Femur Loads, etc),典型的約束函數(shù)類型(Typical Constraints)

22、,1 位移(Displacements) 2 應力(stress) 3 塑性應變(Plastic Strain) 4 頻率(Prequency),典型的設計變量類型(Typical Constraints),1 尺寸優(yōu)化(結(jié)構厚度，梁截面參數(shù)) 2 形狀優(yōu)化(修改結(jié)構的外部邊界) 3 材料響應(不同密度的泡沫材料、鋼材),優(yōu)化分析 (Optimization study),1 定義優(yōu)化,優(yōu)化算法類型： 1）Adaptive Response Surface Method自適應響應面法 2）Sequential Quadratic Programming序列二次規(guī)劃法 3）Method of F

23、easible Directions模式搜索法/可行方向法 4）Genetic Algorithm遺傳算法 5）User Defined-Xopt用戶自定義優(yōu)化方法,4）遺傳算法 基于生物進化上“適者生存”的原則。每次迭代優(yōu)化時，保留適應度高的因子，淘汰適應度低的因子，進入下 次優(yōu)化，經(jīng)過數(shù)次迭代得到最好的結(jié)果，即為問題的最優(yōu)解或次優(yōu)解。,步驟：,優(yōu)化分析 (Optimization study),2 選擇用于優(yōu)化的設計變量,3 定義約束,優(yōu)化分析 (Optimization study),程序重啟動后，是否接著指定的優(yōu)化或DOE分析 步繼續(xù)運行。,優(yōu)化類型選擇,優(yōu)化目標：,1）Minimiz

24、e；結(jié)果最小化 2）Maximize ；結(jié)果最大化 3）MinMax；最大值最小化 4）MaxMin；最小值最大化 5）System Identification；系統(tǒng)識別,最大迭代次數(shù),結(jié)果絕對收斂條件,結(jié)果相對收斂條件,約束容差,設計變量收斂條件,優(yōu)化初次移動步長,步長界限,初始變量波動,約束的顯示,出現(xiàn)失敗分析的處理,創(chuàng)建優(yōu)化目標,選擇既非約束又非目標的響應的評估方式。,一般定義優(yōu)化的目標時，采用默認的優(yōu)化參數(shù)即可。如果有特殊 需求，則可根據(jù)需要修改相應的優(yōu)化參數(shù)。,4 定義目標,優(yōu)化分析 (Optimization study),5 結(jié)果處理,a 優(yōu)化曲線,b 優(yōu)化數(shù)據(jù)表,所有響應（包

25、括用于優(yōu)化的約束和 目標）、設計變量在優(yōu)化過程中的數(shù)值 變化曲線。,所有響應（包括用于優(yōu)化的約束和 目標）、設計變量在優(yōu)化過程中的數(shù)值 列表。,失效的優(yōu)化方案,可接受的優(yōu)化方案,接近成功的優(yōu)化方案：約束超差在容差范圍內(nèi)。,隨機性研究 (Stochastic study),隨機性研究 (Stochastic study),1. 定義一個隨機分析,1) Simple Random Sampling 簡單的隨機抽樣； 2) Latin Hypercube Sampling ； 3) Hammersley Sampling 。,數(shù)據(jù)采樣方法：,步驟,隨機性研究 (Stochastic study),2

26、. 定義隨機變量,隨機變量確定時需注意：,1） 隨機變量的離散與連續(xù)性（與設計變量的離散與連續(xù)性相同，在study setup時確定）； 2） 隨機變量的分布： a Normal Distribution 正態(tài)分布 b Uniform Distribution 平均分布 c Triangular Distribution 三角分布 d Exponential Distribution 指數(shù)分布 e Weibull Distribution 威布爾分布, 隨機變量分布類型選擇,根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律，正態(tài)分布是自然界多數(shù)現(xiàn)象的存在狀態(tài)，因此確定隨機變量時一般采用正態(tài)分布形式。,隨機性研究 (Stochas

27、tic study),3. 定義隨機變量的相關性,4. 選擇響應,5. 計算抽樣數(shù)據(jù),使用二維、三維以及統(tǒng)計方 法列出隨機變量的抽樣數(shù)據(jù)分布。 其中Histogram柱狀圖，表示 隨機變量取值頻率的分布； pdf概率分布圖，表示隨機變 取值與均值接近程度的概論； cdf累積分布圖，表示隨機變 量取值小于或等于均值的概論。,隨機性研究 (Stochastic study),6. 后處理,對抽樣的隨機變量進行計算得到的響應的分布,使用二維、三維以及統(tǒng)計方 法列出響應與隨機變量或響應之間 的數(shù)據(jù)分布。 左圖為響應結(jié)果的統(tǒng)計學分布 其中Histogram柱狀圖，表示 響應結(jié)果值出現(xiàn)頻率的分布； pdf概率分布圖，表示響應結(jié) 果值與目標值接近程度的概率； cdf累積分布圖，表示響應結(jié) 果值小于或等于目標值的概率。,隨機性研究 (Stochastic study),6. 后處理,響應結(jié)果統(tǒng)計,隨機性研究 (Stochastic study),6. 后處理,分析結(jié)果可靠性,Reliability：可以滿足該響應約束條件的設