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2016-12-09 by:CAE 仿真在线 来源: 互联网
结构优化技术是当前 CAE 技术发展的一个热点, 在工程行业中的应用也越来越广泛。应用领域从传统的汽车行业发展到汽车、飞机和船舶的结构布局优化, 电子产品的结构件及连接优化, 建筑物和土木工程的结构布置等, 优化能力从静态发展到动态, 从线性发展到非线性, 从金属发展到复合材料。
国际上比较知名的优化软件有德国 FE-DESIGN 公司的 Tosca、美国 Altair 公司的 OptiStruct 和 hyperstudy、ansys 优化模块等。这几个软件在现代工业发展中起到了越来越重要的作用, 应用也越来越广泛。针对这么多的优化软件, 究竟哪一个是你想要的, 这是让人头疼的问题。下面笔者就对这些软件逐一进行比较, 分析各个软件的优劣, 以便给读者一个参考。
1、Tosca vs OptiStruct
Tosca 和 OptiStruct 同为国际上先进的无参结构优化软件, 都具备对复杂结构进行拓扑、外形和条纹优化的能力, 并可以对任意载荷情况的有限元模型进行优化。
表 1 TOSCA–OptiStruct 的比较
| TOSCA | OptiStruct | |
| 求解器接口 | +ABAQUS, ANSYS, I-DEAS, MSC.Marc, MSC.Nastran, PERMAS | – 集成 OptiStruct 求解器 |
| 优化算法 | ± 最优标准和控制策略;+ 标准目标函数和约束; | ± 数学程序敏感性;+ 标准目标函数和约束; |
| 前后处理器支持 | + ABAQUS/CAE、 ABAQUS/Viewer、 ANSYS、FEMAP、Hypermesh、 I-DEAS、MSC.Patran、 MEDINA | –Hypermesh、Hyperview |
由表 1 可见, 两者在优化算法方面不相上下, 而 tosca 在求解器接口和前后处理方面均要优于 OptiStruct。
表 2 TOSCA–OptiStruct 拓扑优化比较
| TOSCAtopology | OptiStructtopology | |
| 分析能力 | + 线性;+ 非线性 (接触、大变形, 非线性材料); | – 线性 |
| 支持单元 | + 优化区内可以采用大多数的 2d 和 3d 单元;+ 非优化区内可以使用任何类型单元; | – 有单元类型限制 |
| 性能 | + 由于采用标准求解器, 对大型模型也非常有效;+ 具有网格自适应划分功能, 软单元的优化删除功能; | + 对中小型模型具有很好地分析性能;– 大型和超大型模型的分析性能; |
| 后处理 | + TOSCA.smooth;+ 离散材料分布; | + OSSmooth;–连续材料分布; |
表 3 TOSCA–OptiStruct 形状优化比较
| TOSCAshape | OptiStruct Shape | |
| 分析能力 | + 线性;+ 非线性 (接触、大变形, 非线性材料); | – 线性 |
| 支持单元 | + 可以使用所有类型单元 | – 单元选择有限制 |
| 性能 | + 由于使用最优化标准而使优化周期比较短;+ 优化周期对于设计变量没有依赖性;+ 每个设计节点的完全解空间分布; | – 由于采用一般的优化算法, 需要的优化周期较多;–优化周期数量对设计变量具有依赖性;–形状基础向量的限制解空间; |
| 使用性 | + 通过节点集合非常简单地实现无参形状优化 | – 需要形状基础向量定义的有参形状优化 |
表 4 TOSCA–OptiStruct 条纹优化比较
| TOSCA bead | Topography Optimization | |
| 优化算法 | ± 最优标准和控制策略;– 标准目标控制函数和约束;+ 不依赖于网格划分的求解结果; | ± 采用敏感性的数学编程;+ 混合目标函数和约束;– 结果具有网格划分依赖性; |
| 使用性 | + 离散解, 解释容易 | – 没有离散解, 解释困难 |
表 5 TOSCA–OptiStruct 尺寸优化比较
| TOSCA | Optistruct Sizing | |
| 分析能力 | ± 可以对壳单元厚度和梁截面形状进行优化 | ± 可以对壳单元厚度和梁截面形状进行优化 |
由上面的分项比较可知, 在拓扑、形状、条纹优化方面, 不论是分析能力、支持单元类型还是性能、使用性方面, Tosca 均要优于 Optistruct。
2、TOSCAshape vs HyperStudy
HyperStudy 主要用于 CAE 环境下的 DOE 分析, 可用于参数形状优化。
表 6 TOSCA–HyperStudy 形状优化对比
| TOSCAshape | HyperStudy | |
| 求解器接口 | ±ABAQUS、ANSYS、I-DEAS、 MSC.Marc、MSC.Nastran、 PERMAS | ±ABAQUS、ANSYS、Radioss、MSC.Nastran、LS-dyna |
| 性能 | + 由于使用最优化标准而使优化周期比较短;+ 优化周期对于设计变量没有依赖性;+ 每个设计节点的完全解空间分布; | – 由于采用了响应表面优化算法需要很多优化周期;– 求解具有很多设计变量的大型 3D 形状优化问题比较困难;– 形状基础向量的限制解空间; |
| 使用性 | + 通过节点集合非常简单地实现无参形状优化 | – 需要形状基础向量定义的有参形状优化 |
由表 6 可以看出, 两种软件都支持多种求解器接口, 但是在性能和使用性方面, TOSCA 明显要优于 HyperStudy。
3、TOSCA vs ANSYS 优化模块
ANSYS 软件的优化模块集成于 ANSYS 软件中, 它必须和参数化设计语言完全集合在一起才能发挥其优化设计功能, 即 APDL 是优化设计的一个核心步骤。
表 7 TOSCA–ANSYS 优化对比
| TOSCA | ANSYS | |
| 求解器接口 | + ABAQUS、ANSYS、I-DEAS、MSC.Marc、MSC.Nastran、PERMAS | –ANSYS |
| 前后处理器支持 | + ABAQUS/CAE、ABAQUS/Viewer、ANSYS、FEMAP、 Hypermesh、I-DEAS、MSC.Patran、 MEDINA | –ANSYS |
| 产品状态、成本 | –附加产品, 额外成本;+ 产品仍然在开发之中; | + 包括在 ANSYS 中, 没有成本;–已经停止了开发 ; |
表 8 TOSCA–ANSYS 拓扑优化对比 在求解器接口和前后处理器支持方面, TOSCA 明显有多种选择, 且其产品仍在更新开发之中。
| TOSCAtopology | ANSYStopology | |
| 分析能力 | + 线性;+ 非线性 (优化区域外部的接触、材料非线性); | – 线性 |
| 支持单元 | + 优化区内可以采用大多数的 2d 及 3d 单元;+ 非优化区内可以使用任何类型单元; | –单元选择具有限制: PLANE2、PLANE82、 SOLID92、 SOLID95、 SHELL93 |
| 优化算法 | ± 最优标准和控制策略;+ 非交错分布; | ± 数学编程;–交错分布; |
| 性能 | + 网格自动优化功能 | –不具有网格自动优化功能 |
| 后处理 | + TOSCAsmooth | –没有光滑后处理功能 |
在拓扑优化方面, 不管是分析能力、支持的单元类型, 还是优化算法、性能及后处理, TOSCA 的功能明显要优于 ANSYS。
表 9 TOSCA–ANSYS 形状优化对比
| TOSCAshape | ANSYSOpt | |
| 分析能力 | + 线性;+ 非线性; | + 线性;+ 非线性; |
| 优化算法 | ± 最优标准和控制策略;+ 非交错分布; | ± 表面响应优化算法;+ 通用优化算法; |
| 性能 | + 需要优化周期少;+ 优化周期的数量不依赖于设计变量的数目; | – 需要很多优化周期;– 不能解决多于 10 个设计变量的优化问题; |
| 使用性 | + 通过简单定义节点组进行无参形状优化;+ 设计节点的不同耦合; | – 要求形状基础向量的参数形状优化 |
在形状优化方面, TOSCA 与 ANSYS 在分析能力和优化算法上不相上下, 而在性能和使用性方面, TOSCA 要优于 ANSYS。
通过几种常用的优化软件的对比可以看出, TOSCA 在分析能力、支持的求解器接口以及前后处理器, 使用性等方面均优于其他优化软件。由于具有众多支持的求解器及前后处理器, 用户还可以在自己熟悉的求解器以及前后处理环境下工作, 而不需培训来熟悉另外一个陌生的软件环境。