HyperWorks 自由形狀優化實例嚮導

本文使用簡單模型，如下圖：

一、形狀優化與自由形狀優化

所謂自由形狀是和形狀優化比較而來的，自由形狀優化節點變形的形式更加自由。進行形狀優化的時候需要事先創建形狀變量，優化算法的優化對象就是每個形狀變量的係數。最終的優化結果只能是原始網格位置與各個形狀的線性疊加。

如下圖，藍色內圈是原始網格邊界，左圖外圈紅線是網格變形創建的形狀變量的最遠處。如果形狀變量的範圍是[0, 1]，那麼最終優化結果的網格位置只能是藍圈和紅圈之間某個位置的一個圓。自由形狀優化的每個節點都可以隨意運動。

譬如形狀優化就像計劃經濟，自由形狀優化就像市場經濟。
自由形狀優化最常用的場景是解決應力集中問題，當然也可以用於別的場合。

二、Altair OptiStruct 自由形狀優化算法：classic 和 vertex morphing

Altair OptiStruct 自由形狀優化算法分 classic 和 vertex morphing 兩類，vertex morphing 方法自由度更大，但是計算量也會隨之大幅度增加，而且 vertex morphing 方法目前還是 beta 版本，使用時需謹慎。

 對於2D單元：

classic 方法中的變量只能是自由邊上的節點。節點可以沿著 2D 單元自由邊法向移動。
vertex morphing 方法中的變量可以是任意節點，面內的節點的運動方向是單元法向，外側節點可以沿著 2D 單元自由邊法向移動。
以下動畫是一個 2D 自由形狀變量的例子：

 

 對於3D單元：

classic 和 vertex morphing 方法中的節點變量都只能是外表面的節點（自動忽略內部節點），而且都只能沿著外表面的法向運動。
以下動畫是 3D 自由形狀優化的一個例子：

接下來我們通過具體的例子來說明用法。

三、範例一 內外邊界節點優化（classic 方法）

 優化三要素 



變量節點位置如下圖所示，限制四個角點只能沿著 y 軸方向移動。

 

1.  優化結果
   
   
    
2. 優化迭代動畫
   
    
3.  操作影片

 

 

四、範例二 內外邊界節點優化（vertex 方法）

本例中將節點移動的最遠距離通過 2D 單元進行限制，這些單元需要設置為 BMFACE 單元類型。

 

 

1. 優化前的應力分佈
   
    
2. 優化後的應力分佈
   
3. 變形結果
   
    
4. 優化結果
   

 

五、範例三 實體網格優化（vertex 方法）

工況和 2D 模型類似，為了應力級別一致修改了力的大小。設置兩個表面的節點作為自由形狀優化的設計變量。限制邊界上的節點只能沿著厚度方向運動。

 

1. 優化前應力
   
    
2.  優化後應力
   
    
3. 優化後形狀的截面圖（1/4模型）
   
    
4. 優化結果
   
    
5. 操作過程

 

六、拓展：根據製造要求施加 擠壓約束、拔模約束、對稱約束
 

1. 擠壓約束施加方法
   
    
2. 自由形狀變量
   自由形狀變量為下圖中的節點，左側箭頭為擠壓約束方向。限制邊界上的節點只能沿著厚度方向運動。
   
   設置好的模型檔案為：freeshape3D_ext_done.hm
   
    
3.  優化結果
   
    
4. 優化前的應力
   
    
5. 優化後的應力
   
    

計劃和市場都是調節經濟的手段，計劃經濟中可以有市場，形狀和自由形狀都是優化的手段，自由形狀優化和形狀優化也是可以同時使用的。

七、同時創建-形狀變量和自由形狀變量

比如下圖中的零件既希望改變厚度（單一厚度）又希望同時進行變形形狀的優化。可以同時創建形狀變量和自由形狀變量。
 

1. 自由形狀變量的節點
   
    
2. 形狀變量
   形狀變量僅僅是為了改變半徑件的厚度。形狀變量請參考：
   
    
3. 優化控制選項
   這個例子中的形狀變量使用了離散變量，使用默認的優化算法時形狀變量可能會不起作用，這時需要加一個優化控制選項：
    
4. 優化結果中 由形狀變量導致的形狀改變
   
    
5. 優化結果中 由自由形狀變量導致的形狀改變
   
    
6. 操作影片