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MSC NASTRAN 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和靈敏度分析 第一部分 結(jié)構(gòu)優(yōu)化簡介 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分類 設計優(yōu)化形狀優(yōu)化動響應優(yōu)化超單元優(yōu)化空氣彈性變形優(yōu)化 設計優(yōu)化概念 什么是設計優(yōu)化在計算機上實現(xiàn)自動修改分析模型參數(shù)以達到預期目標并滿足設計要求 基本優(yōu)化問題的數(shù)學描述尋找一組設計變量x1 x2 使得函數(shù)F X 最小并且滿足不等式約束 等式約束 副邊界條件 設計模型 SOL200 支持設計靈敏度和優(yōu)化分析類型 靜力分析 模態(tài)分析 bucking 直接頻率 模態(tài)頻率 模態(tài)瞬態(tài) 靜線彈性 線彈性顫動 包含聲振 設計變量 尺寸特性 包括超單元 形狀 超單元只有節(jié)點可變 BulkData DESVAR設計變量與特性的關(guān)系BulkData DVPREL1 DVPREL2 DEQATN定義目標函數(shù)執(zhí)行控制 DESOBJBulkData DRESP1 DRESP2 DEQATN定義約束條件BulkData DCONSTR DCONADDCaseControl DESSUB DESGLB Version69新功能概括Beam截面庫單元及特性輸入檢查格式化的靈敏度值輸出Modetracking多邊界條件 bucking normalmodes flutter新的自然頻率響應類型 NASTRAN結(jié)構(gòu)優(yōu)化的優(yōu)點 有效解決小到大規(guī)模問題可靠的收斂特性用戶界面 用戶定義方程的多樣性近似概念的完善逐步加強NASTRAN分析的可靠性NASTRAN的一部分 經(jīng)濟水平的支持方便利用NASTRAN中熟悉的分析工具 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的難題 大量的設計變量大規(guī)模的約束條件指導設計的結(jié)構(gòu)響應值與設計變量是隱式函數(shù) 函數(shù)式難以確定 需要梯度信息以確定尋查方向 對設計工程師的要求 設計目標函數(shù)的表達 盡可能用最少的設計變量 對約束條件的適當描述 分析模型的完整性 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的解決方法 近似技術(shù)執(zhí)行細節(jié)有限元分析計算所有的約束條件 刪除不很關(guān)鍵的條件 DESREEN 計算剩余約束條件的梯度產(chǎn)生與設計變量有關(guān)的高可靠性近似響應值解決近似問題修正分析變量執(zhí)行設計的具體分析計算所有的約束條件檢查優(yōu)化的收斂性必要時重復以上過程 第二部分 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計模型 設計模型與分析模型關(guān)系 設計模型與分析模型比較 分析模型中的單元特性是設計模型中設計變量的函數(shù)例如 在工字梁截面參數(shù)優(yōu)化中 分析模型中的截面面積 慣性積等是設計變量寬 高和厚度的函數(shù) 設計模型如何定義 設計變量定義目標函數(shù)定義特性或幾何形狀與設計變量的關(guān)系判別設計響應定義設計約束條件優(yōu)化過程控制參數(shù)設置 設計變量定義DESVAR 說明 字段內(nèi)容ID設計變量識別號LABEL用戶定義輸出名 字符 XINIT變量初始值XLB下限XUB上限D(zhuǎn)ELXV 目標函數(shù)定義DESOBJ 格式執(zhí)行控制卡 DESOBJ NIN N定義目標函數(shù) 必須結(jié)合以下命令的使用 BulkData DRESP1N orDRESP2N 定義目標函數(shù)的例子使重量最小 DESOBJ MIN 10DPESP1 10 w weight 設計變量與特性關(guān)系的定義DVPREL1 說明 字段內(nèi)容ID識別號TYPE特性卡類型PID特性卡識別號FID分析模型中單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關(guān)系式的常數(shù) 缺省值為0 DVIDi設計變量卡DESVAR的識別號COEFi線性關(guān)系式的系數(shù) 判別設計響應DRESP1 說明 字段內(nèi)容ID識別號LABEL用戶定義輸出名RTYPE響應類型 WEIGHT EIGN STRESS等 PTYPE單元特性名 PBAR PSHELL等 REGION用以篩選約束條件ATTAATTB響應屬性ATTi 定義設計約束條件DCONSTR 結(jié)合以下命令的使用以定義約束條件 執(zhí)行控制卡DESSUB或DESGLBBulkDataDRESP1或DRESP2DCONSTR 定義設計約束條件的例子定義單元特性組1和2類型的單元應力值范圍SUBCASE20ANALYSIS STATICSDESSUB 100 DRESP1 11 SAMAX STRESS PBAR 7 1 2DRESP1 12 SBMAX STRESS PBAR 14 1 2DCONSTR 100 11 85 85 DCONSTR 100 12 85 85 優(yōu)化過程控制參數(shù)設置DOPTPRM DOPTPRM卡中常用參數(shù)DESMAX 設計容許的最大迭代次數(shù)P1 輸出控制P2 輸出控制 缺省為1 輸出目標和設計變量值 DELP 兩次迭代單元特性容許差值 缺省0 02 DELX 兩次迭代設計變量容許差值 缺省1 CONV2 收斂準則 缺省值為0 01 兩次迭代差值小于CONV2時 優(yōu)化迭代結(jié)束 IPRINT 結(jié)果輸出控制 缺省值為0 不輸出 2輸出迭代過程結(jié)果及尋查方向 5輸出迭代過程目標函數(shù)及設計變量的值 METHOD 數(shù)字優(yōu)化方法 1改進的可行方向法 2序列線性規(guī)劃 3序列二次規(guī)劃 定義不獨立設計變量與獨立設計變量的關(guān)系DLINK 說明DLINK定義了以下關(guān)系式 字段內(nèi)容ID識別號DDVID特性卡類型C0關(guān)系式的常數(shù) 缺省值為0 CMULT乘子IDVi獨立設計變量DESVAR的識別號Ci線性關(guān)系式中IDVi的系數(shù) 用DLINK定義設計變量關(guān)系的例子 設計變量t2 t3可寫作獨立變量t1 t4的函數(shù) DLINK可實現(xiàn)此關(guān)系式 DESVAR 1 t1 1 0 01 5 DESVAR 2 t2 1 0 01 5 DESVAR 3 t3 1 0 01 5 DESVAR 4 t4 1 0 01 5 DLINK 11 2 0 0 333 1 2 4 1 DLINK 12 3 0 0 333 1 1 4 2 DVPREL1 21 PSHELL 101 4 0 01 5 1 1 0DVPREL1 22 PSHELL 102 4 0 01 5 2 1 0DVPREL1 23 PSHELL 103 4 0 01 5 3 1 0DVPREL1 24 PSHELL 104 4 0 01 5 4 1 0 定義設計方程式DEQATN 定義一個或多個方程式 用以設計靈敏度分析或P 單元分析格式 DEQATNEQIDEQUATION 定義方程中的常數(shù)項DTABLE 定義DEQATN中的常數(shù)項格式DTABLELABL1VALU1LABL2VALU2 etc 設計變量與特性關(guān)系的定義DVPREL2 用DVPREL2定義變量與特性關(guān)系的例子 形心C1 C2可寫作獨立變量B H的線性關(guān)系式 可用DVPREL1實現(xiàn)慣性積I1 I2與獨立變量B H的函數(shù)關(guān)系 結(jié)合DEQATN 用DVPREL2實現(xiàn) DESVAR 10 B 0 3 0 1 1 DESVAR 11 H 0 4 0 1 1 DVPREL2 250 PBAR 120 4 501 DEVAR 10 11DVPREL2 251 PBAR 120 5 502 DEVAR 10 11DVPREL2 252 PBAR 120 6 503 DEVAR 10 11DEQATN501AERA B H B HDEQATN502I1 B H B H 3 12 DEQATN503I1 B H H B 3 12 DVPREL1 260 PBAR 120 12 0 5 10 0 5DVPREL1 261 PBAR 120 13 0 05 11 0 5 判別設計響應DRESP2 說明 字段內(nèi)容ID識別號LABEL用戶定義輸出名EQIDDEQATN識別號LABLiDTABLE卡中定義的常數(shù)符號NRiDRESP1的識別號Gm節(jié)點號Cm節(jié)點自由度號 用DRESP2定義設計響應的例子 節(jié)點1 2 3 4的位移u1 u2 u3 u4可用DRESP1卡定義 結(jié)合DEQATN和DRESP1 自定義響應DEF可用DRESP2實現(xiàn) DESOBJ MIN 21 DRESP1 11 U1 DISP 2 1DRESP1 12 U2 DISP 2 2DRESP1 13 U3 DISP 2 3DRESP1 14 U4 DISP 2 4DRESP2 21 DEF 100 DRESP1 11 12 13 14DEQATN100F1 A B C D 2 A D 3 F2 A 2 D 3 F SQRT B F1 2 C F2 2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的BulkData命令 DESVARDLINKDVPREL1或DVPREL2DRESP1或DRESP2DCONSTRDCONADDDOPTPRM 結(jié)構(gòu)優(yōu)化中情況控制命令 DESOBJDESSUBDESGLB 第三部分 靈敏度分析 設計靈敏度分析概念 設計靈敏度分析是目標函數(shù)和約束條件對設計變量的偏導數(shù)以至二階偏導數(shù)的計算 即結(jié)構(gòu)響應量對設計變量的變化率 設計靈敏度分析為近似技術(shù)提供梯度信息位移靈敏度特征值靈敏度為節(jié)省內(nèi)存 NASTRAN中不形成總剛度矩陣偏導數(shù)或總質(zhì)量矩陣偏導數(shù) 而在總剛度矩陣偏導數(shù)迭加過程中與相應的位移項相乘 只形成虛載荷的列向量 該乘積在設計變量變化單元的相應自由度有變化 設計靈敏度分析的實現(xiàn) 計算代價昂貴減少設計變量減少約束條件數(shù)減少方程右式的虛載荷向量數(shù)目 設計靈敏度系數(shù)矩陣 設計靈敏度輸出參數(shù)DSAPRT 說明 START i 從第i次迭代開始輸出BY j 定義輸出迭代的間隔為jEND k 輸出到第k次迭代為止ALL 輸出所有的DRESP1和DRESP2定義的響應n 只有在SET命令定義的響應 設計靈敏度分析和優(yōu)化的參數(shù) 有限插分法選擇控制CDIF將設計變量和節(jié)點修正過程寫入PUNCH文件的控制DESPCH 0輸出最后一次迭代結(jié)果 小于0 不輸出 大于0 輸出每一次迭代結(jié)果 DSNOKD 1Buckling靈敏度分析包括剛度微分 0不包括 NASPRT 輸出迭代過程控制 OPTEXIT 用戶預先定義退出點 SOFTEXIT Yes 收斂則停止迭代 缺省時No 不停止迭代 UPDTBSH 形狀優(yōu)化參數(shù) Yes 修正邊界形狀 缺省值No 不修正邊界形狀 靜態(tài)響應靈敏度 定義設計模型定義靜態(tài)分析類型SOLUTION200ANALYSIS STATICS用OPTEXIT定義靈敏度系數(shù)輸出PARAM OPTEXIT 4調(diào)用設計優(yōu)化分析 靜態(tài)響應靈敏度在設計優(yōu)化過程中自動執(zhí)行 特征值靈敏度 定義設計模型定義分析類型ANALYSIS MODES用OPTEXIT定義靈敏度系數(shù)輸出PARAM OPTEXIT 4調(diào)用設計優(yōu)化分析 特征值靈敏度在設計優(yōu)化過程中自動執(zhí)行 BucklingLoadFactor靈敏度 定義設計模型定義屈曲分析類型ANALYSIS BULK用OPTEXIT定義靈敏度系數(shù)輸出PARAM OPTEXIT 4調(diào)用設計優(yōu)化分析 BucklingLoadFactor靈敏度在設計優(yōu)化過程中自動執(zhí)行 第四部分 形狀優(yōu)化 形狀優(yōu)化方程描述 SOL200分析類型 執(zhí)行控制命令ANALYSIS 定義設計變量 BulkData DESVAR 設計變量與分析模型中特性的關(guān)系BulkData DVPREL1 DVPREL2 DEQATN 形狀 DVBSHAP DVSHAP BNDGRID定義設計響應BulkData DRESP1 DRESP2 DEQATN定義目標和約束條件BulkData DCONSTR DCONADD執(zhí)行控制 DESOBJ DESSUB DESGLB提供必要的控制參數(shù)BulkData DOPTPRM DSCREEN 形狀優(yōu)化的設計模型輸入準備 形狀優(yōu)化的解決方法 建立輔助模型收集位移解用作基本向量定義設計任務 形狀優(yōu)化的輔助模型 目的 在以下方法中結(jié)合輔助模型的使用幫助產(chǎn)生形狀基本向量 直接輸入形狀法 幾何邊界形狀法 分析邊界形狀法什么是輔助模型 輔助模型的變形用以產(chǎn)生形狀基本向量 雖然和原模型幾何條件一樣 但邊界條件 載荷條件 材料類型可能不同 輔助模型 輔助邊界模型CASECONTROL命令AUXCASE 分解符 表示輔助邊界模型在CaseControlSection中的開始AUXMODEL nBEGINBULKAUXMODEL n 開始建立輔助邊界模型n 輔助模型舉例 AUXCASEAUXMODEL 1SUBCASE 10SPC 100LOAD 160TEMP LOAD 162DISPLACEMENT ALLSUBCASE 20SPC 100LOAD 161TEMP LOAD 162DISPLACEMENT ALLBEGINBULK BEGINBULKAUXMODEL 1 定義節(jié)點位置與設計變量的關(guān)系DVGRID 定義形狀基本向量DVSHAP 將位移矩陣的列與設計變量識別號聯(lián)系起來 定義形狀基本向量格式DVSHAP DVID COL1 SF1 COL2 SF2 COL3 SF3說明 DVID DESVAR的識別號COLi 位移矩陣的列數(shù)Sfi 對應位移矩陣的列數(shù)的系數(shù)注意位移矩陣必須已經(jīng)由NASTRAN產(chǎn)生 可由數(shù)據(jù)庫中得到 ASSIGNDISPMAT file master DBLOCATEDATABLK UG UGD GEOM1 GEOM1D GEOM2 GEOM2D LOGICAL DISPMA