HyperStudy 优化优化HyperStudy分析时所支持的求解器分析时所支持的求解器:AbaqusANASYSLS-DYNANastranOptiStructPAM-CRASH2GRADIOSSHyperFormMADYMOADAMS一一 通过通过hypermesh可以定义为设计变量的参数可以定义为设计变量的参数:Shellthickness（壳单元料厚）Springstiffness（弹簧刚度）Concentratedmass（集中质量）Compositeplythickness（复合结构的组成结构板厚）Compositeplyangle（复合结构中各组成结构间的角度）Shapes(ascreatedbytheHyperMorphmodule,orbytheperturbationspanel)（通过HyperMorph或摄动面板下产生的结构的形状）可为设计变量的参数名称可为设计变量的参数名称形状优化应用范围应用范围结构的灵敏度分析、优化结构的灵敏度分析、优化结构的灵敏度分析、优化结构的灵敏度分析、优化简化车身模型中，接头对车身的灵敏度及优化设计变量的定义设计变量的定义1）Hyperform可用的设计变量：二二 用于制造工艺优化的设计变量用于制造工艺优化的设计变量Sheetthickness（钣金厚度）Friction（摩擦系数）Forces（载荷）Shapes（ascreatebyHyperMorph）（通过hypermorph定义的形状）2）HyperXtrude可用的设计变量:Controlpointsofthebearingprofilecurve（轴承轮廓曲线的控制点）Shapes(ascreatedbyHyperMorph)（通过hypermorph定义的形状）设计变量的定义设计变量的定义三三 各求解器所支持的设计变量及对应的参数类型各求解器所支持的设计变量及对应的参数类型设计变量的定义设计变量的定义三三 各求解器所支持的设计变量及对应的参数类型各求解器所支持的设计变量及对应的参数类型设计变量的定义设计变量的定义HyperStudy的输入文件HyperStudy 认可的输入文件为认可的输入文件为:Studyfiles(.xml)Modelfiles(.tpl，.hm，.hf，.mdl，.xls）Preferencefiles（）求解器脚本文件针对不同求解器输出结果所支持的文件类型针对不同求解器输出结果所支持的文件类型SolverResultFileRemarksAbaqusModelmass（质量）,centerofgravity（重心）momentsofinertia（转动惯量）Frequency（模态频率）.dat如果要在该文件中输出mass信息，则需要在计算输入文件中定义一个动态载荷步。Nodalnumber（节点数）,Displacement（位移）,reactionforce（反作用力）.filElementnumber（单元数）,Stress（应力）,Strain（应变）.filNodalposition（节点位置）.inpNodaldata（节点数据），elementdata（单元数据）.odb如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用resvector()函数。节点向量包含x、y、z三个方向的数据。HyperStudy的输出文件内容：模型定义、历史定义，警告与出错信息提示为计算输入文件，主要内容为模型定义二进制文件，内容为模型信息与计算结果计算结果文件，存放计算所得的单元、节点等结果。*STEP*DYNAMIC1.0,0.01*ELFILE*ENDSTEP2.如果要得到具体编号的单元或节点的数据，需要使用getval2函数。1.所有单元与节点的数据以向量的形式存放。SolverResultFileRemarksOptiStructRadioss（Bulkformat）Modelvolume（模型体积），Mass（质量），Frequency（模态频率），Bucklingfactor（屈曲因子）.outNodaldisplacement（节点位移），reactionforce（反作用力），elementstress,strain（单元应力、应变），strainenergydensity（应变能密度）.res.h3d针对不同求解器输出结果所支持的文件类型针对不同求解器输出结果所支持的文件类型HyperStudy的输出文件Nodaldisplacement（节点位移），reactionforce（反作用力），elementstress,strain（单元应力、应变），strainenergydensity（应变能密度）压缩的二进制结果文件，包含模型与结果信息ASCII格式的结果文件，包含分析的注释如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用resvector()函数如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用resvector()函数二进制结果文件SolverResultFileRemarksRADIOSS（blockformat）Nodeldisplacement（节点位移），Velocity（速度），Acceleration（加速度）.T01elementstress、strain（单元应力、应变）.T01.A00Nodaldata（节点数据），elementdata（单元数据）NastranModel,mass（模型质量）.f06Nodeldata（节点数据），Elementdata（单元数据）Frequency（模态频率）.op2Towritethemasstothe.fo6file,usePARAM,GRDPNT,0intheinput.VectorcontainstimehistoryVectorcontainstimehistory针对不同求解器输出结果所支持的文件类型针对不同求解器输出结果所支持的文件类型HyperStudy的输出文件如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用resvector()函数二进制结果文件如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用resvector()函数输出数据的文件结果存放文件SolverResultFileRemarksLS-DYNAModelandpartmass（模型、部件质量），Momentsofinertia（转动惯量），Centerofgravity（重心）d3hspModelenergies（模型能量）glstatnodoutNodaldisplacement（节点位移），Velocity（速度），Acceleration（加速度）Elementstress、strain（单元应力、应变）eloutNodaldata（节点数据），Elementdata（单元数据）d3plotNodalposition（节点位置）Keywordfile文件存放历史数据。Vectorcontainsx,yorzcomponentofthenode.reactionforce（反作用力）spcforc针对不同求解器输出结果所支持的文件类型针对不同求解器输出结果所支持的文件类型HyperStudy的输出文件如果要得到向量中的具体元素的数值，需要使用resvector()函数该文件存放历史数据。ASCII文件，存放全局数据，模型大部分类型的能量通过该文件输出。ASCII文件，存放节点数据。ASCII文件，存放单元（梁、壳）数据。文件存放历史数据。SPC反作用力。该文件存放力、力矩。RADIOSS(BlockFormat)$file-bothRADIOSS(BulkDataFormat)Optistruct$file/$filescrC:tempSolverinputarguments（运行参数）Solver（求解器）Ls-DYNAi=$file(MEMORY=5000000)Abaqusjob=.inp（memory=200Mb）interactiveMotionSolveExcel在Excel表格中输入设计变量并计算响应。Nastran$fileExcel无Inputfile（输入文件类型）.fem文件.fem文件.bdf文件/.dat文件.key文件.inp文件.csv文件运行控制Size Optimization 尺寸优化尺寸优化尺寸优化时，和尺寸相关的属性都可以作为尺寸优化的变量。常用的尺寸优化设计变量有：1）结构料厚thickness2）集中质量mass尺寸优化的变量尺寸优化的变量一一 在在excel表格基础上进行优化表格基础上进行优化1.目的是创建一个近似值，然后对这个近似值进行优化。2.该表格包含五列数据，如右图所示。第一列表示设计的次数，第二和第三列表示每个设计的两个设计变量，第四和第五列表示先前DOE分析所得到的结果。1.打开excel表格，并将其另存为.txt格式的文本文件（制表符分隔）。2.创建model时，modeltype选择HyperStudy。3.创建response响应时，建立名称为index的响应用来表示设计的次数，其Responseexperssion可表示为“convert(getenv(“STUDY_RUN_NUMBER”)-1”4.创建结果response响应时，响应矢量Vector的Vectorresourecefile选择referencefile类型的文件，并且选择前面得到的.txt格式的文本文件。Type和Request采用默认的Unknown和Block1,Component则根据该矢量的作用选择表格中相应数据表示的列(columnx)5.创建DOE分析时，Controlledfactors中的DOEClass选择RunMatrix，并相应选择先前得到的.txt文件。A 设计变量与结果在设计变量与结果在excel表格中已经给出，以此作为优化的依据。表格中已经给出，以此作为优化的依据。由于Excel中已经列出了设计变量与相应的设计结果，因此前面建模时不需要进行初始计算，而仅在response中设置相应的响应结果即可。Size Optimization 尺寸优化尺寸优化B： 在在excel表格中输入设计变量，同时有响应的计算方法，以此作为优化的依据。表格中输入设计变量，同时有响应的计算方法，以此作为优化的依据。一一 在在excel表格基础上进行优化表格基础上进行优化Exemple：HS-1070（Theobjectiveistofindthecross-sectionaldimensions,width,andheightofabeamthatminimizesthebeamvolumewhilekeepingthetipdeflectionbelow0.35mm.）如右图示1.创建HyperStudy可以评估的矩阵输入。打开excel文件，选择tools菜单下的加载宏命令，将宏命令hw_hst_genpdd.xla加载入，如果没有，则在Altair的安装目录下templateshst找到hw_hst_genpdd.xla，并加载即可。2.创建Model时，选择spreadsheet作为创建的Model的类型，并且前一步中加载入宏命令的excel表格作为Model的输入。3.创建设计变量l时，通过AddModelParameter命令，在excel表格中选择设计变量(DesignVariable)和响应(Response)。Size Optimization 尺寸优化尺寸优化Shape Optimization 形状优化形状优化形状优化的设计变量是结构的形状，因此在创建设计变量时需要先定义形状。通常使用HyperMorph定义用于形状优化的设计变量形状。形状优化的变量形状优化的变量建立分析模型建立分析模型(Study setup)步骤：1定义分析2建立模型参考输入文件类型3定义设计变量参考设计变量定义4初次分析运行参考求解器定义、运行控制5建立响应参考HyperStudy输出文件6设计变量间的相互关系定义7灵敏度定义设计变量的交互作用(ControlledDesignVariableInteraction)DOE分析分析(Post processing)左图中为设计变量C0与C1的交互作用，其中x轴表示其中一个设计变量C0，y轴表示分析的响应。图中的两条曲线则分别表示设计变量C1在其极限值时（最大与最小设计值）响应随设计变量C1变化而产生的变化。如果两条曲线相互平行，说明两个设计变量之间没有交互作用，也即两变量改变对响应的影响是相互独立的。如果两曲线不平行，则说明该二变量之间有交互作用。响应拟合响应拟合 (Approximation)误差方差(Residuals)表示通过求解器计算得到的响应值与使用回归方程预测得到的响应值之间的差异，该差异值越小，所得到的回归方程越接近实际。根据DOE分析结果建立响应关于设计变量的关系曲线，在设计变量发生更改时，根据拟合得到的关系曲线即可得到相应的响应结果，而不需要对整个模型进行分析来获得结果，这样可以节约计算时间，从而提高成本。方程拟合方程拟合 (Approximation)1定义一个拟合方程步骤：曲线方程拟合的类型：1）LeastSquaresRegression如图中所示：定义曲线拟合方程时，程序会在方程内自动为每个设计变量分配一个变量名，用于拟合曲线。2）MovingLeastSquares3）HyperKriging。其中A为自变量组成的矩阵；拟合曲线形式为：根据拟合曲线，响应为：；根据DOE分析得到响应为：为拟合方程的拟合系数；为随机误差。如果足够小，则建立的曲线拟合方程越准确。方程拟合方程拟合 (Approximation)2输入矩阵通过DOE分析计算，得到一系列不同设计变量时，相应的响应结果，以此作为输入，建立拟合方程。方程拟合方程拟合 (Approximation)3创建拟合方程4残差拟合模型拟合模型的阶次拟合模型的精度拟合方程及系数DOE分析得到的响应结果与通过拟合方程得到的相应响应结果之间的差别对比。方程拟合方程拟合 (Approximation)5trade-off6Anova通过拟合方程得到的响应结果与设计变量之间的关系图表。评估误差及各因子对结果的影响作用。优化分析优化分析 (Optimization study)典型的目标函数类型(TypicalObjectiveFunctions)1结构质量与体积(StructuralMassandVolume)2位移(Displacements)3频率(Prequency)4能量(Energies)forDYNA/ABAQUS5伤害指标(HeadInjuryCriteriaHIC,FemurLoads,etc)典型的约束函数类型(TypicalConstraints)1位移(Displacements)2应力(stress)3塑性应变(PlasticStrain)4频率(Prequency)典型的设计变量类型(TypicalConstraints)1尺寸优化(结构厚度，梁截面参数)2形状优化(修改结构的外部边界)3材料响应(不同密度的泡沫材料、钢材)优化分析优化分析 (Optimization study)1定义优化优化算法类型：1）AdaptiveResponseSurfaceMethod自适应响应面法2）SequentialQuadraticProgramming序列二次规划法3）MethodofFeasibleDirections模式搜索法/可行方向法4）GeneticAlgorithm遗传算法5）UserDefined-Xopt用户自定义优化方法4）遗传算法基于生物进化上“适者生存”的原则。每次迭代优化时，保留适应度高的因子，淘汰适应度低的因子，进入下次优化，经过数次迭代得到最好的结果，即为问题的最优解或次优解。步骤：优化分析优化分析 (Optimization study)2选择用于优化的设计变量3定义约束1选择可作为约束的响应2确定约束类型及约束方向3指定约束边界优化分析优化分析 (Optimization study)程序重启动后，是否接着指定的优化或DOE分析步继续运行。优化类型选择优化目标：1）Minimize；结果最小化2）Maximize；结果最大化3）MinMax；最大值最小化4）MaxMin；最小值最大化5）SystemIdentification；系统识别最大迭代次数结果绝对收敛条件结果相对收敛条件约束容差设计变量收敛条件优化初次移动步长步长界限初始变量波动约束的显示出现失败分析的处理创建优化目标选择既非约束又非目标的响应的评估方式。 一般定义优化的目标时，采用默认的优化参数即可。如果有特殊一般定义优化的目标时，采用默认的优化参数即可。如果有特殊需求，则可根据需要修改相应的优化参数。需求，则可根据需要修改相应的优化参数。4定义目标优化分析优化分析 (Optimization study)5结果处理a优化曲线b优化数据表所有响应（包括用于优化的约束和目标）、设计变量在优化过程中的数值变化曲线。所有响应（包括用于优化的约束和目标）、设计变量在优化过程中的数值列表。失效的优化方案可接受的优化方案接近成功的优化方案：约束超差在容差范围内。随机性研究随机性研究 (Stochastic study)随机性研究随机性研究 (Stochastic study)1.定义一个随机分析1)SimpleRandomSampling简单的随机抽样；2)LatinHypercubeSampling；3)HammersleySampling。数据采样方法：步骤随机性研究随机性研究 (Stochastic study)2.定义随机变量随机变量确定时需注意：1）随机变量的离散与连续性（与设计变量的离散与连续性相同，在studysetup时确定）；2）随机变量的分布：aNormalDistribution正态分布bUniformDistribution平均分布cTriangularDistribution三角分布dExponentialDistribution指数分布eWeibullDistribution威布尔分布随机变量分布类型选择根据统计规律，正态分布是自然界多数现象的存在状态，因此确定随机变量时一般采用正态分布形式。随机变量分布参数采用正态分布时：mean为均值，即。variance为方差，即。随机性研究随机性研究 (Stochastic study)3.定义随机变量的相关性4.选择响应5.计算抽样数据使用二维、三维以及统计方法列出随机变量的抽样数据分布。其中Histogram柱状图，表示随机变量取值频率的分布；pdf概率分布图，表示随机变取值与均值接近程度的概论；cdf累积分布图，表示随机变量取值小于或等于均值的概论。随机性研究随机性研究 (Stochastic study)6.后处理对抽样的随机变量进行计算得到的响应的分布使用二维、三维以及统计方法列出响应与随机变量或响应之间的数据分布。左图为响应结果的统计学分布其中Histogram柱状图，表示响应结果值出现频率的分布；pdf概率分布图，表示响应结果值与目标值接近程度的概率；cdf累积分布图，表示响应结果值小于或等于目标值的概率。随机性研究随机性研究 (Stochastic study)6.后处理响应结果统计Mean平均值左侧所列参数依次为：Avg.Dev.平均差Std.Dev.标准差Variance方差CoV标准差系数对方差开平方根此值作为结果响应的概率最高反应结果偏离平均值的程度反映结果的离散程度，该值越大则结果越离散反映结果偏离均值的程度，该值越大则结果离均值越远Skewness偏斜反映结果概率分布是否偏斜，该值为0则无偏斜，大于0则偏于均值右侧，小于0则偏于均值左侧。RMS响应值平方的均值。Median响应值中值。Min响应值中的最小值Max响应值中的最大值Range响应值中的最大值与最小值之差随机性研究随机性研究 (Stochastic study)6.后处理分析结果可靠性Reliability：可以满足该响应约束条件的设计的概率；ProbabilityofFailure：违反该响应约束条件的设计的概率。Noting 注意点注意点1模型最大应力值response的创建Abaqus与Ansys软件作为优化求解器时，可以从结果文件中直接提取模型的所有应力值vector，从而使用max（）函数得到模型的最大应力值。Ls-Dyna、Radioss、Optistruct以及HperForm作为优化求解器时，结果文件中的应力值是针对独立的单元，因此可以使用resvector（）函数首先创建出整个模型的应力值vector，然后再使用max（）函数提取出模型最大应力。Resvector（）函数结构如下：resvector(file_name,type,start_request,end_request,start_component,end_component,timestep)；File_name为需要提取数据的结果文件，通常包括路径；type为所提取数据类型的索引，数字用2表示；start_request为结果文件中提取数据的起始点的索引，对于提取应力值来说，即为提取模型所有单元的应力值建立vector；end_request为结果文件中提取数据的结束点的索引；start_request与end_request分别为模型单元id号的最小与最大值；start_conponent与end_component分别为可提取数据所在component的索引号；timestep为提取数据的时间间隔。例如，要提取某一分析结果中的单元最大应力值，则可以采用max(resvector(“m_1/plate.res”,2,0,612,0,0,0)；此处使用了两个函数，求最大值的max()函数与提取向量数值的resvector()函数；其中文件名是包含路径的。Error and Warning message错误与警告信息错误与警告信息1数据类型选择出错创建Response响应时，从结果文件中提取出的是一向量，而响应结果所需的则是该向量中的一个元素，即一个标量，因此需要对这一向量进行操作，提取出结果所需相应标量。