基于Altair OptiStruct的复合材料优化技术

SoRWare针对复合材料在航空航天领域的广泛应用技术。，AltairOptiStruct提供了全面的。、面向工程实际的复合材料优化本文详细介绍了这项技术的应用过程、各个阶段的方法及结果基~AltairOptiS口澳汰尔工程软件(上海)有限公司洪清泉邬旭辉truct的复合材料优化技术一、概述ir应ruc，如位移、、速度、、加速度、应力、、构件优化方面经非常成熟，，0ptlStruct的技术已AltaOptiSt，t是一个是以有、应变特征值屈曲载荷因子。结构，欧洲和美国几乎所有正限元法为基础面向产品设计分析。柔度以及各响应量的组合等OptiStruc此外在研发的汽车和飞机都采用了结构优化技术化、和优化的有限元／结构优化求解器0ptlStruct还提供了丰富的参数设置，，进行了大量的系统级布局优。t拥有全球最先进的优化技，包括优化求解参数和制造加工工艺参零部件减重和性能提高设计目前，术，提供最全面的优化方法、包括拓、数等，方便用户对整个优化过程进行Be模复合材料以其比强度／扑优化形貌优化、尺寸优化形状。控制，确保优化结果便于加工制造，量高、耐腐蚀、抗疲劳，、减震及破损优化以及自由尺寸和自由形状优化这些方法可以对静力、因此极具工程实用价值。0ptlStruc安全性能好等优势，在工业界得到了模态，、屈曲和t自1993年发布以来，越来越多的应用方面，。特别是在航空航天频响等分析过程进行优化其稳健高被广泛而深入地应用到各行各业航空航天、在由于钢铁和有色合金很难满足、效的优化算法允许在模型中定义上百万个设计变量，汽车和机械等领域有大量。日趋苛刻的重量力学等设计性能要，支持常见的结构晌革命性的成功应用特别是在金属结求，复合材料更是得到了广泛应用三、小结，当三维CAD首次出现在市场上时就因其能够提高设计质量而被广为采用，它可以有效避免干涉并确保零件。的正确安装和使用如今，orksSolidW，可以展示关于设计的更多信息而以前这些信息只能通过严格的样机试验才能获得。值得一提的是，orksSolidW。的工具使用起来极其简单图2的统计图结果显示：事实上，我们针大的S011dW0rks2009不仅使系统优化从0rks2009的第三大目标这就是S011dW，对目标工作环节大小(从5000。～，测试了36个不同，而提高操作速度、，还发布了，系列强即使所有用户都拥有设计更好的产品的能力。100000S0个零部件)r新的工具集使用户能够科学并有效控制将模、的大型装配体。11dW0ks2009与地使用其硬件资源，0rks2009包括许多激动人心S011dWS011dW0rks2008相比，我们可以看到性：型的哪部分载入内存显示哪方面图。的增强功能结果方向，但最重要的功能是帮助能上的提升是非常显著的．完成与装；形以及哪部分与他人共享Spee工具中的不熟悉仿真的用户获得有实际意义的，配体相关的任务平均快26倍以上大dPak和选择性地载入某张工程图，从而引导他们获得更好的设计型工程图的性能快6倍以上日常工：而那些在图样等功能能够帮助用户显著减少。。我们推出的新工具可以前瞻性，作中需要。一遍遍重复的常用操对内存和计算机资源的使用地监测到设计的更改并确保这些更。作要快8倍以上S011dW0rks2009中更先进的技术是，改不会违背指定的设计意图碗我们可以看到高达65％即原来要，总的时间节约可允许将最需密集计算的多个过程分离计算，一个月才能完成工用户可以在求解仿真算例或同作成，现在只需不到两个星期就可以完时运行多个仿真算例时继续对其设计进行修改。CADICAM与制造业信息化󰀀，如图3所示。2008年第9期35维普资讯 http://www.cqvip.com

软件世界So代W例如are，波音787qS机超过50％重量的零，部件采用复合材料制造0ptlStruc如图1所示。t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90，支持从最初的零、件结构样式、铺层形状和厚度分布，铺层角度和层数的优化直到最终铺Composites50％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、失效和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四个阶段。包括■Titanium／steel／aluminum图1波音787飞机材料比例二、复合材料优化解决方扑优化案四阶段】拓．拓扑优化的基本思想是将寻求结布局问题转化为在给构的最优拓扑／定设计区域内寻求材料最优分布的问题。OptiStructoT以在给定的设计空间，内、在给定的载荷边界条件下找到从而图2最佳结构样式图3挂钩的拓扑优化设计阢满足性能指标的最佳材料分布确定最佳的结构形式设计空间内，，。例如，在矩形PSHELL承受弯矩的最佳结构样，r．{●●●，厂哪。、●●●～3T=式是工字型梁承受扭矩的最佳结构，L图4自由尺寸优化的厚度变量盯Uppe~样式是矩形管梁2．如图2513图3所示。自由尺寸优化TTT利用拓扑优化找出最佳的零部件结构样式后步设计，，P■●I‘P唾P¨I．，畸etyZI．蚰根据该样式进行零件初。r然后再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，j图5复合材料单元的不Oo钟]●，m、●、OT咖¨P—0r一_m●对金属零件而言，每个单元的厚度就是个变量，，其厚度可在某个。范围内连续变化如图4所示自由尺寸优化可以应用到复合材料的优化设计中为角度90。一。将复合材料建模、定(如Oo45。、450及等)的几个超级层(相对于实际，厚度很薄的单个铺层而言)此时每超级厚度分布450超级厚度分布个单元的每变量，一个超级层都是个厚度，优化后可以得到其最佳厚度。如图5所示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、450超级厚度分布900超级厚度分布在另36端中点施加集中载荷的复合材与制造业信息化󰀀CAD／CAMwwwicadncorca维普资讯 http://www.cqvip.com

№Soft、re软件世界料板，采用4种角度超级层建模，，优化后其各角度超级层的些0ply45pfy厚度分布如图6所示。每个角度超级层的厚度分布是不均匀的不同形状的铺层块层叠而成。，需要由一例如，，从0。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HyperShufle裁剪得到，如图7所示45ply。====>90pIy形状1形状2已图9HyperShume自动确定最佳的铺层层叠次序形状3形状43尺寸优化尺寸优化可以对有限元模型的各种参数(如板的厚度、梁截面尺寸和材料属性等)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状的具体厚度，个超级层，优化得到每种形就可以得到每种再除以实际铺层的厚度，，角度每种形状的铺层数目如图8所示。图10机翼上下翼面的复合材料优化四Alt、总结l，ar0ptiStruct90包括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、尺寸优化及铺层层叠次序优化等技术式4、提供了从零件结构样，铺层形状和厚度分布、铺层角度和层数的确定，直到铺层层叠次序优化，最终铺层层叠次序的各个阶段的优化设计方法接下来就为复合材。有了每种角度每种形状的实际铺层数目要优化实际铺层层叠的次序，料零件的设计提供了创新的、符合工程实际的方法图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r每种铺层的最大层叠数目等层层叠次序，HypeShuffle模块可以自动确定最佳的铺，满足复合材料制造工艺约束如图9所示。三、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空中客车公司就将该技术应用于A350飞机的机翼。户的认可设计中，，如图10所示CAMCAD／与制造业信息化󰀀2008年第9期37