文章來源于：Simcenter機(jī)械仿真

在競爭激烈的產(chǎn)品研發(fā)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需同時(shí)兼顧性能、輕量化、成本與可制造性。OptiStruct是一款集有限元仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化于一體的工業(yè)級(jí)求解器，覆蓋線性/非線性、模態(tài)、頻響、隨機(jī)振動(dòng)、熱、疲勞等全工況分析。更是助力工程師實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的“性能加速器”，提供拓?fù)?、形貌、尺寸、形狀、自由尺寸、自由形狀等多種優(yōu)化技術(shù)，幫助產(chǎn)品在保證強(qiáng)度、剛度、NVH、疲勞等性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕量化與可制造性一體化落地。已廣泛應(yīng)用于航空、汽車、家電、電子等行業(yè)，是實(shí)現(xiàn)“高性能+輕量化+可制造”一體化設(shè)計(jì)的理想工具。

01 | OptiStruct的3大核心優(yōu)勢(shì)

1.1 仿真與優(yōu)化無縫集成

無需切換軟件，與HyperMesh前處理工具無縫集成，一站式完成“建?！抡妗獌?yōu)化—驗(yàn)證”全流程。支持靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、NVH、疲勞、復(fù)合材料等全面響應(yīng)類型，可自定義組合響應(yīng)與外部函數(shù)，大幅提升研發(fā)效率。

1.2 多場(chǎng)景全周期適配覆蓋“概念設(shè)計(jì)-詳細(xì)設(shè)計(jì)”全流程，適配零部件/系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，支持靜力學(xué)、NVH、疲勞等復(fù)雜工況，滿足多行業(yè)結(jié)構(gòu)研發(fā)需求。

1.3 兼顧創(chuàng)新與可制造性支持極小/極大尺寸、拔模、擠壓、銑削、陣列、對(duì)稱、3D打印懸空角等制造約束，確保優(yōu)化方案符合生產(chǎn)工藝，無需二次修改即可落地。

02 | OptiStruct核心優(yōu)化方法：

6大手段速覽

從概念到詳細(xì)設(shè)計(jì)，OptiStruct提供了六種核心優(yōu)化技術(shù)：

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization）拓?fù)鋬?yōu)化是在給定空間內(nèi)確定理想材料分布。拓?fù)鋬?yōu)化是基礎(chǔ)且應(yīng)用廣泛的優(yōu)化技術(shù)，OptiStruct支持變密度法（SIMP法）和水平集方法。其設(shè)計(jì)變量是單元密度。核心作用是在滿足預(yù)設(shè)性能要求的前提下，精準(zhǔn)界定材料的理想分布區(qū)域——明確材料“該放哪里、不該放哪里”，為工程師提供突破傳統(tǒng)的全新設(shè)計(jì)思路，這對(duì)重量高度敏感的行業(yè)而言至關(guān)重要。此外，拓?fù)鋬?yōu)化生成的復(fù)雜形態(tài)結(jié)構(gòu)，與增材制造具有天然的適配性，可直接輸出用于3D打印的幾何數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮增材制造“復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型”的優(yōu)勢(shì)，助力制造出高性能、高集成度、輕量化的核心零部件，打破傳統(tǒng)制造工藝對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限。典型應(yīng)用場(chǎng)景：概念設(shè)計(jì)階段，探索全新的結(jié)構(gòu)形式，如航空航天部件、汽車零部件、醫(yī)療器械等。

2.2 形貌優(yōu)化（Topography Optimization）形貌優(yōu)化為指定殼結(jié)構(gòu)找到理想加強(qiáng)筋布局。針對(duì)薄壁鈑金件，該技術(shù)可自動(dòng)計(jì)算出理想加強(qiáng)筋布局，在不顯著增加零件質(zhì)量的前提下，有效提升零件的剛度與模態(tài)頻率，解決薄壁結(jié)構(gòu)易變形、易共振的行業(yè)痛點(diǎn)，精準(zhǔn)適配鈑金件等輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求，兼顧輕量化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。典型應(yīng)用場(chǎng)景：適用于鈑金件、塑料蓋板、薄壁件等產(chǎn)品，核心用于提升結(jié)構(gòu)剛度、抑制共振現(xiàn)象，保障零件使用可靠性。

2.3 尺寸優(yōu)化（Size Optimization）尺寸優(yōu)化用于確定厚度、材料屬性等參數(shù)的理想組合。針對(duì)已確定結(jié)構(gòu)形狀的部件，該技術(shù)可通過優(yōu)化厚度、材料屬性等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，在保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等核心性能不降低的前提下，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化減重，避免材料浪費(fèi)，精準(zhǔn)適配各類結(jié)構(gòu)件的輕量化、高效化設(shè)計(jì)需求，兼顧性能可靠性與經(jīng)濟(jì)性。典型應(yīng)用場(chǎng)景：適用于各類已確定結(jié)構(gòu)形狀的零部件，核心用于優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、實(shí)現(xiàn)精細(xì)化減重，提升產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性與輕量化水平。

2.4 自由尺寸(Free-size Optimization)針對(duì)既定結(jié)構(gòu)，求解出每個(gè)殼單元的理想厚度。主要支持2D殼單元，它的結(jié)果是一片連續(xù)變化的厚度，每個(gè)2D單元有一個(gè)單獨(dú)的厚度結(jié)果，意味著加工成本較高，主要是用在對(duì)重量和性能敏感，制造成本不敏感的行業(yè)。典型應(yīng)用場(chǎng)景：一般僅做概念方案布局，如2D拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果快速驗(yàn)證、復(fù)合材料中鋪層形狀優(yōu)化。

2.5 形狀優(yōu)化（Shape Optimization）通過用戶自定義形狀確定結(jié)構(gòu)理想外形。有限元模型中，結(jié)構(gòu)外形由網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置決定。形狀優(yōu)化通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來更新結(jié)構(gòu)外形。開展形狀優(yōu)化要先定義設(shè)計(jì)變量，以用戶預(yù)定義的形狀作為設(shè)計(jì)變量，依靠內(nèi)置在HyperMesh中的HyperMorph網(wǎng)格變形功能可批量生成形狀變量，大幅簡化建模流程。典型應(yīng)用場(chǎng)景：結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化、局部區(qū)域優(yōu)化等局部幾何特性改善。



2.6 自由形狀優(yōu)化通過自動(dòng)生成變形輪廓，求解給定結(jié)構(gòu)的理想外形OptiStruct自研的專有優(yōu)化算法，有Classic和Vertex Morphing（設(shè)計(jì)自由度更大）兩種算法。自由形狀優(yōu)化與普通形狀優(yōu)化的根本區(qū)別：結(jié)構(gòu)外邊界的可移動(dòng)范圍由算法自動(dòng)判定，無需人工定義形狀擾動(dòng)變量，操作更簡便。典型應(yīng)用場(chǎng)景：鈑金邊緣、支架外輪廓、簡單倒角優(yōu)化、汽車覆蓋件、航空曲面結(jié)構(gòu)、復(fù)雜殼體等局部應(yīng)力優(yōu)化。

2.7 組合優(yōu)化對(duì)于同一個(gè)優(yōu)化問題，可靈活選用不同的優(yōu)化方法，也可將多種方法組合運(yùn)用，以適配不同設(shè)計(jì)需求、提升優(yōu)化效果。如當(dāng)鈑金件的剛度與模態(tài)無法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，形貌優(yōu)化和自由形狀優(yōu)化都可以使用。形貌優(yōu)化通過加筋提升剛度，也可以使用自由形狀優(yōu)化，會(huì)得到更平滑的輪廓結(jié)果。

03 | 進(jìn)階能力：應(yīng)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

除前述核心方法外，OptiStruct的進(jìn)階能力的可解決復(fù)雜工程難題：

3.1 多模型優(yōu)化（Multi-Model Optimization）：一次優(yōu)化適配多工況/多模型多模型優(yōu)化用于在一次優(yōu)化計(jì)算中計(jì)算多個(gè)具有相同設(shè)計(jì)變量的模型，保證這些模型中相同的設(shè)計(jì)變量最終得到相同的優(yōu)化結(jié)果。這個(gè)過程中模型可以不同、荷載可以不同、參數(shù)可以不同、目標(biāo)函數(shù)、約束及響應(yīng)可以單獨(dú)定義。
福特廂式貨車門優(yōu)化案例：先自由尺寸做厚度分布概念設(shè)計(jì)，再尺寸優(yōu)化工程參數(shù)落地，通過多模型聯(lián)合優(yōu)化一次性滿足多工況、多裝配狀態(tài)下的剛度、模態(tài)與輕量化要求。


3.2 多材料優(yōu)化（Multi-Material Optimization）：在不同區(qū)域分配理想材料算法可自動(dòng)在不同區(qū)域分配理想材料（支持多達(dá)10種材料分布優(yōu)化），平衡性能與成本。如汽車底盤結(jié)構(gòu)常采用多材料優(yōu)化方法進(jìn)行剛度優(yōu)化。以質(zhì)量極小化為目標(biāo)，同時(shí)將關(guān)鍵加載位置的位移約束作為底盤的剛度要求。

3.3 基于失效安全的拓?fù)鋬?yōu)化（Failsafe Topology Optimization）：壞一個(gè)局部，不影響整體失效安全設(shè)計(jì)是指在發(fā)生故障時(shí)，以不造成損害或者發(fā)生極小損害為響應(yīng)的設(shè)計(jì)，如冗余設(shè)計(jì)中某個(gè)局部發(fā)生失效不會(huì)影響整體工作狀態(tài)。常規(guī)拓?fù)鋬?yōu)化可能無法考慮結(jié)構(gòu)某一部分發(fā)生失效時(shí)設(shè)計(jì)的可行性。FSO將結(jié)構(gòu)劃分為損傷區(qū)，并生成多個(gè)模型（等于失效區(qū)的數(shù)量），其中每個(gè)模型與原始模型相同，只是減去一個(gè)失效區(qū)。

3.4 復(fù)合材料鋪層優(yōu)化：鋪層形狀→鋪層厚度→鋪層順序獨(dú)特的三步法專門解決復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)的難題。具體方案如下：

3.5 增材制造優(yōu)化增材制造優(yōu)化（點(diǎn)陣優(yōu)化）是面向3D打印的實(shí)體-點(diǎn)陣一體化設(shè)計(jì)方案，通過拓?fù)渖膳c點(diǎn)陣精細(xì)化兩個(gè)階段，在輕量化的同時(shí)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

04 | OSSmooth幾何重構(gòu)

OSSmooth是一款拓?fù)?、形貌、形狀?yōu)化的半自動(dòng)優(yōu)化結(jié)果幾何重構(gòu)工具，支持不同輸出格式(IGES, STL等)，支撐后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代與有限元重分析。

總結(jié)

拓?fù)?、形貌、自由尺寸?yōu)化屬于概念設(shè)計(jì)優(yōu)化階段，此階段設(shè)計(jì)自由度較大，可充分發(fā)揮設(shè)計(jì)創(chuàng)意與探索空間；尺寸、形狀、自由形狀優(yōu)化屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化階段，設(shè)計(jì)自由度相對(duì)較小，更側(cè)重基于概念方案的精細(xì)化調(diào)整與完善。從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)，從單一零件到系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，OptiStruct覆蓋全流程，是結(jié)構(gòu)輕量化與性能提升的核心工具。優(yōu)化過程中，配合HyperMesh、HyperStudy（多學(xué)科優(yōu)化）及OSSmooth（幾何重構(gòu)）工具協(xié)同使用，可有效提升設(shè)計(jì)優(yōu)化全流程的效率與精度。若使用中遇到優(yōu)化設(shè)置、結(jié)果解讀等問題，歡迎關(guān)注西門子官方渠道，獲取技術(shù)支持與學(xué)習(xí)資料，攜手解鎖結(jié)構(gòu)優(yōu)化的無限可能！

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