NASTRAN结构优化和灵敏度分析

MSC/NASTRAN 结构优化 和灵敏度分析

第一部分结构优化简介

结构优化分类 设计优化 形状优化 动响应优化 超单元优化 空气弹性变形优化

设计优化 概念 什么是设计优化在计算机上实现自动修改分析模型参数以达 到预期目标并满足设计要求。

基本优化问题的数学描述 * 寻找一组设计变量 x1,x2,... * 使得函数F(X)最小 * 并且满足 不等式约束、等式约束、副 边界条件

设计模型 SOL 200——支持设计灵敏度和优化 分析类型：静力分析、模态分析、bucking、直接频率*、 模态频率*、模态瞬态*、静线弹性、线弹性颤动(*包含声 振) 设计变量：尺寸特性(包括超单元)、形状(超单元只有 节点可变) Bulk Data: DESVAR 设计变量与特性的关系 Bulk Data: DVPREL1, DVPREL2, DEQATN 定义目标函数 执行控制：DESOBJ Bulk Data: DRESP1, DRESP2, DEQATN 定义约束条件 Bulk Data: DCONSTR, DCONADD

Version69新功能概括 Beam截面库 单元及特性输入检查 格式化的灵敏度值输出 Mode tracking 多边界条件：bucking, normal modes, flutter 新的自然频率响应类型

NASTRAN结构优化的优点 有效解决小到大规模问题 可靠的收敛特性 用户界面、用户定义方程的多样性 近似概念的完善 逐步加强 NASTRAN分析的可靠性 NASTRAN的一部分——经济水平的支 持 方便利用NASTRAN中熟悉的分析工具

结构优化的难题 大量的设计变量 大规模的约束条件 指导设计的结构响应值与设计变量是隐 式函数。函数式难以确定，需要梯度信 息以确定寻查方向。 对设计工程师的要求：*设计目标函数的表达，尽可能用最少的设计变 量； *对约束条件的适当描述； *分析模型的完整性。

结构优化的解决方法近似技术 执行细节有限元分析 计算所有的约束条件，删除不很关键的条件(DESREEN) 计算剩余约束条件的梯度 产生与设计变量有关的高可靠性近似响应值 解决近似问题 修正分析变量 执行设计的具体分析 计算所有的约束条件 检查优化的收敛性 必要时重复以上过程

第二部分 结构优化设计模型

设计模型与分析模型关系设计模型 改进设计 设计变量, 目标函数,约束条件

CAD 模 型,原形

几何形状,单元特性 载荷边界条件 分析模型

响应

设计模型与分析模型比较 分析模型中的单元特性是设计模型中设 计变量的函数 例如：在工字梁截面参数优化中， 分析模 型中的截面面积、惯性积等是设计变量 宽、高和厚度的函数。

设计模型如何定义？ 设计变量定义 目标函数定义 特性或几何形状与设计变量的关

系 判别设计响应 定义设计约束条件 优化过程控制参数设置

设计变量定义DESVAR格式：1 DESVAR 2 3 4 5 ID LABEL XINIT XLB 6 7 8 XUB DELXV 9 10

例：1 DESVAR 2 2 3 AERA 4 5 35.0 10. 6 100. 7 0.2 8 9 10

说明：字段 内容 ID 设计变量识别号 LABEL 用户定义输出名(字符) XINIT 变量初始值 XLB 下限 XUB 上限 DELXV

目标函数定义DESOBJ格式 执行控制卡: DESOBJ(NIN)=N定义目标函数，必须结合以下命令的使用： Bulk Data: DRESP1 N ... or DRESP2 N ...

定义目标函数的例子 使重量最小： DESOBJ(MIN) = 10 DPESP1, 10, w, weight

设计变量与特性关系的 定义DVPREL1格式：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DVPREL1

ID

TYPE

PID

FID

PMIN

PMAX C0 -etc.-

DVID1 COEF1

DVID2 COEF2 DVID3

例：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DVPREL1

12 4

PBAR 0.25

612 20

6 20.0

0.2 5

3.0 0.3

DVPREL1

定义了以下关系式

:

DPi C 0

COEFii

* DVIDi

说明： 字段 内容 ID 识别号 TYPE 特性卡类型 PID 特性卡识别号 FID 分析模型中单元特性在特性卡中的字段位置 PMIN 特性的最小值 PMAX 特性的最大值 C0 关系式的常数(缺省值为0) DVIDi 设计变量卡DESVAR的识别号 COEFi 线性关系式的系数