幾種優化軟件功能對比淺析

2016-12-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

結構優化技術是當前CAE技術發展的一個熱點,在工程行業中的應用也越來越廣泛。應用領域從傳統的汽車行業發展到汽車、飛機和船舶的結構布局優化,電子產品的結構件及連接優化,建筑物和土木工程的結構布置等,優化能力從靜態發展到動態,從線性發展到非線性,從金屬發展到復合材料。

國際上比較知名的優化軟件有德國FE-DESIGN公司的Tosca、美國Altair公司的OptiStruct和hyperstudy、ansys優化模塊等。這幾個軟件在現代工業發展中起到了越來越重要的作用,應用也越來越廣泛。針對這么多的優化軟件,究竟哪一個是你想要的,這是讓人頭疼的問題。下面筆者就對這些軟件逐一進行比較,分析各個軟件的優劣,以便給讀者一個參考。

1、Tosca vs OptiStruct

Tosca和OptiStruct同為國際上先進的無參結構優化軟件,都具備對復雜結構進行拓撲、外形和條紋優化的能力,并可以對任意載荷情況的有限元模型進行優化。

表1 TOSCA–OptiStruct的比較

	TOSCA	OptiStruct
求解器接口	+ABAQUS, ANSYS, I-DEAS, MSC.Marc, MSC.Nastran, PERMAS	– 集成OptiStruct求解器
優化算法	± 最優標準和控制策略; +標準目標函數和約束;	± 數學程序敏感性; + 標準目標函數和約束;
前后處理器支持	+ ABAQUS/CAE、 ABAQUS/Viewer、 ANSYS、FEMAP、Hypermesh、 I-DEAS、MSC.Patran、 MEDINA	–Hypermesh、Hyperview

由表1可見,兩者在優化算法方面不相上下,而tosca在求解器接口和前后處理方面均要優于OptiStruct。

表2 TOSCA–OptiStruct拓撲優化比較

	TOSCAtopology	OptiStructtopology
分析能力	+ 線性; + 非線性(接觸、大變形,非線性材料);	– 線性
支持單元	+ 優化區內可以采用大多數的2d和3d單元; + 非優化區內可以使用任何類型單元;	– 有單元類型限制
性能	+ 由于采用標準求解器,對大型模型也非常有效; + 具有網格自適應劃分功能,軟單元的優化刪除功能;	+ 對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;
后處理	+ TOSCA.smooth; + 離散材料分布;	+ OSSmooth; –連續材料分布;

表3 TOSCA–OptiStruct形狀優化比較

	TOSCAshape	OptiStruct Shape
分析能力	+ 線性; + 非線性(接觸、大變形,非線性材料);	– 線性
支持單元	+ 可以使用所有類型單元	– 單元選擇有限制
性能	+ 由于使用最優化標準而使優化周期比較短; + 優化周期對于設計變量沒有依賴性; + 每個設計節點的完全解空間分布;	– 由于采用一般的優化算法,需要的優化周期較多; –優化周期數量對設計變量具有依賴性; –形狀基礎向量的限制解空間;
使用性	+ 通過節點集合非常簡單地實現無參形狀優化	– 需要形狀基礎向量定義的有參形狀優化

表4 TOSCA–OptiStruct條紋優化比較

TOSCA bead

Topography Optimization

優化算法

± 最優標準和控制策略;

– 標準目標控制函數和約束;

+ 不依賴于網格劃分的求解結果;

± 采用敏感性的數學編程;

+ 混合目標函數和約束;

– 結果具有網格劃分依賴性;

使用性

+ 離散解,解釋容易

– 沒有離散解,解釋困難

表5 TOSCA–OptiStruct尺寸優化比較

	TOSCA	Optistruct Sizing
分析能力	±可以對殼單元厚度和梁截面形狀進行優化	±可以對殼單元厚度和梁截面形狀進行優化

由上面的分項比較可知,在拓撲、形狀、條紋優化方面,不論是分析能力、支持單元類型還是性能、使用性方面,Tosca均要優于Optistruct。

2、TOSCAshape vs HyperStudy

HyperStudy主要用于CAE環境下的DOE分析,可用于參數形狀優化。

表6 TOSCA–HyperStudy形狀優化對比

	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	+由于使用最優化標準而使優化周期比較短; +優化周期對于設計變量沒有依賴性; +每個設計節點的完全解空間分布;	– 由于采用了響應表面優化算法需要很多優化周期; – 求解具有很多設計變量的大型3D形狀優化問題比較困難; – 形狀基礎向量的限制解空間;
使用性	+ 通過節點集合非常簡單地實現無參形狀優化	– 需要形狀基礎向量定義的有參形狀優化

由表6可以看出,兩種軟件都支持多種求解器接口,但是在性能和使用性方面,TOSCA明顯要優于HyperStudy。

3、TOSCA vs ANSYS優化模塊

ANSYS軟件的優化模塊集成于ANSYS軟件中,它必須和參數化設計語言完全集合在一起才能發揮其優化設計功能,即APDL是優化設計的一個核心步驟。

表7 TOSCA–ANSYS優化對比

	TOSCA	ANSYS
求解器接口	+ ABAQUS、ANSYS、I-DEAS、MSC.Marc、MSC.Nastran、PERMAS	–ANSYS
前后處理器支持	+ ABAQUS/CAE、ABAQUS/Viewer、ANSYS、FEMAP、 Hypermesh、I-DEAS、MSC.Patran、 MEDINA	–ANSYS
產品狀態、成本	–附加產品,額外成本; +產品仍然在開發之中;	+包括在ANSYS中,沒有成本; –已經停止了開發 ;

表8 TOSCA–ANSYS拓撲優化對比在求解器接口和前后處理器支持方面,TOSCA明顯有多種選擇,且其產品仍在更新開發之中。

	TOSCAtopology	ANSYStopology
分析能力	+ 線性; + 非線性(優化區域外部的接觸、材料非線性);	– 線性
支持單元	+ 優化區內可以采用大多數的2d及3d單元; + 非優化區內可以使用任何類型單元;	–單元選擇具有限制: PLANE2、PLANE82、 SOLID92、 SOLID95、 SHELL93
優化算法	± 最優標準和控制策略; + 非交錯分布;	±數學編程; –交錯分布;
性能	+ 網格自動優化功能	–不具有網格自動優化功能
后處理	+ TOSCAsmooth	–沒有光滑后處理功能

在拓撲優化方面,不管是分析能力、支持的單元類型,還是優化算法、性能及后處理,TOSCA的功能明顯要優于ANSYS。

表9 TOSCA–ANSYS形狀優化對比

	TOSCAshape	ANSYSOpt
分析能力	+ 線性; + 非線性;	+線性; + 非線性;
優化算法	± 最優標準和控制策略; + 非交錯分布;	± 表面響應優化算法; + 通用優化算法;
性能	+ 需要優化周期少; + 優化周期的數量不依賴于設計變量的數目;	– 需要很多優化周期; – 不能解決多于10個設計變量的優化問題;
使用性	+通過簡單定義節點組進行無參形狀優化; + 設計節點的不同耦合;	– 要求形狀基礎向量的參數形狀優化