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基于Altair OptiStruct的复合材料优化技术 |
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作者：澳汰尔工程软件 洪清泉 邬旭辉 |
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摘要：Altair OptiStruct为金属结构件提供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新的工程成果。针对复合材料在航空航天的广泛应用，Altair OptiStruct提供了全面的、面向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基础，面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法，包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化。这些方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优化，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，支持常见的结构响应，包括：位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、结构柔度、以及各响应量的组合等。此外，OptiStruct提供了丰富的参数设置，包括优化求解参数和制造加工工艺参数等，方便用户对整个优化过程进行控制，确保优化结果便于加工制造，从而极其具有工程实用价值。
OptiStruct自从1993年发布以来，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，赢得了多个创新大奖。特别是在金属结构件优化方面，OptiStruct的技术已经非常成熟，目前欧洲和美国几乎所有的正在研发的汽车和飞机都采用了结构优化技术，进行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、抗疲劳、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％重量的零部件采用复合材料制造。
图1 波音787飞机材料分布
OptiStruct提供了从金属到复合材料的完整的优化解决方案，特别是其最新版本9.0，支持从最初的零件结构样式，到铺层形状和厚度分布，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，提供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
拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑/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佳的材料分布，从而确定出最佳的结构形式。例如，在矩形设计空间内，承受弯矩的最佳结构样式是工字型梁，承受扭矩的最佳结构样式是矩形管梁。
图2 最佳结构样式
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佳的零部件结构样式后，根据该样式初步设计出零件，然后进行自由尺寸优化。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一定（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佳厚度。
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佳厚度，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，采用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，需要由一些不同形状的铺层块层叠而成，例如，从0度超级层的厚度分布信息可以得到4种铺层块形状。不同铺层块形状可以通过裁剪得到。
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、材料属性等进行优化。在得到各角度超级层的铺层块形状之后，对复合材料进行重新建模，将每种形状的铺层块重新建成一个超级层，优化得到每种形状的具体厚度，除以实际铺层的厚度，就可以得到每种角度每种形状的铺层的数目了。
图8 每种角度每种形状的实际铺层数目
铺层层叠次序优化
有了每种角度每种形状的实际铺层数目，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佳的铺层层叠次序，满足复合材料制造工艺约束。
图9 HyperShuffle自动确定最佳的铺层层叠次序
实际应用
目前，该创新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，提供了从最初的零件结构样式，到铺层形状和厚度分布，到铺层角度和层数的确定，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提供了创新的，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研究所，在汽车和飞机结构分析和优化方面具有丰富经验。
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。毕业后加入上海飞机设计研究所，从事ARJ21飞机的强度分析工作。后加入ALTAIR公司后从事汽车结构安全分析、航空行业优化应用支持等工作。(end)
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(11/25/2010) |
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