幾種優(yōu)化軟件功能對(duì)比淺析

2016-12-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是當(dāng)前CAE技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn),在工程行業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。應(yīng)用領(lǐng)域從傳統(tǒng)的汽車行業(yè)發(fā)展到汽車、飛機(jī)和船舶的結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化,電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件及連接優(yōu)化,建筑物和土木工程的結(jié)構(gòu)布置等,優(yōu)化能力從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài),從線性發(fā)展到非線性,從金屬發(fā)展到復(fù)合材料。

國(guó)際上比較知名的優(yōu)化軟件有德國(guó)FE-DESIGN公司的Tosca、美國(guó)Altair公司的OptiStruct和hyperstudy、ansys優(yōu)化模塊等。這幾個(gè)軟件在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中起到了越來越重要的作用,應(yīng)用也越來越廣泛。針對(duì)這么多的優(yōu)化軟件,究竟哪一個(gè)是你想要的,這是讓人頭疼的問題。下面筆者就對(duì)這些軟件逐一進(jìn)行比較,分析各個(gè)軟件的優(yōu)劣,以便給讀者一個(gè)參考。

1、Tosca vs OptiStruct

Tosca和OptiStruct同為國(guó)際上先進(jìn)的無(wú)參結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件,都具備對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)?、外形和條紋優(yōu)化的能力,并可以對(duì)任意載荷情況的有限元模型進(jìn)行優(yōu)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(yōu)化算法	± 最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)和控制策略; +標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)函數(shù)和約束;	± 數(shù)學(xué)程序敏感性; + 標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)函數(shù)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(yōu)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(yōu)于OptiStruct。

表2 TOSCA–OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)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(yōu)化區(qū)內(nèi)可以采用大多數(shù)的2d和3d單元; + 非優(yōu)化區(qū)內(nèi)可以使用任何類型單元;	– 有單元類型限制
性能	+ 由于采用標(biāo)準(zhǔn)求解器,對(duì)大型模型也非常有效; + 具有網(wǎng)格自適應(yīng)劃分功能,軟單元的優(yōu)化刪除功能;	+ 對(duì)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(xù)材料分布;

表3 TOSCA–OptiStruct形狀優(yōu)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(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)而使優(yōu)化周期比較短; + 優(yōu)化周期對(duì)于設(shè)計(jì)變量沒有依賴性; + 每個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的完全解空間分布;	– 由于采用一般的優(yōu)化算法,需要的優(yōu)化周期較多; –優(yōu)化周期數(shù)量對(duì)設(shè)計(jì)變量具有依賴性; –形狀基礎(chǔ)向量的限制解空間;
使用性	+ 通過節(jié)點(diǎn)集合非常簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)無(wú)參形狀優(yōu)化	– 需要形狀基礎(chǔ)向量定義的有參形狀優(yōu)化

表4 TOSCA–OptiStruct條紋優(yōu)化比較

TOSCA bead

Topography Optimization

優(yōu)化算法

± 最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)和控制策略;

– 標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)控制函數(shù)和約束;

+ 不依賴于網(wǎng)格劃分的求解結(jié)果;

± 采用敏感性的數(shù)學(xué)編程;

+ 混合目標(biāo)函數(shù)和約束;

– 結(jié)果具有網(wǎng)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(yōu)化比較

	TOSCA	Optistruct Sizing
分析能力	±可以對(duì)殼單元厚度和梁截面形狀進(jìn)行優(yōu)化	±可以對(duì)殼單元厚度和梁截面形狀進(jìn)行優(yōu)化

由上面的分項(xiàng)比較可知,在拓?fù)洹⑿螤?、條紋優(yōu)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(yōu)于Optistruct。

2、TOSCAshape vs HyperStudy

HyperStudy主要用于CAE環(huán)境下的DOE分析,可用于參數(shù)形狀優(yōu)化。

表6 TOSCA–HyperStudy形狀優(yōu)化對(duì)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(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)而使優(yōu)化周期比較短; +優(yōu)化周期對(duì)于設(shè)計(jì)變量沒有依賴性; +每個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的完全解空間分布;	– 由于采用了響應(yīng)表面優(yōu)化算法需要很多優(yōu)化周期; – 求解具有很多設(shè)計(jì)變量的大型3D形狀優(yōu)化問題比較困難; – 形狀基礎(chǔ)向量的限制解空間;
使用性	+ 通過節(jié)點(diǎn)集合非常簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)無(wú)參形狀優(yōu)化	– 需要形狀基礎(chǔ)向量定義的有參形狀優(yōu)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(yōu)于HyperStudy。

3、TOSCA vs ANSYS優(yōu)化模塊

ANSYS軟件的優(yōu)化模塊集成于ANSYS軟件中,它必須和參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言完全集合在一起才能發(fā)揮其優(yōu)化設(shè)計(jì)功能,即APDL是優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)核心步驟。

表7 TOSCA–ANSYS優(yōu)化對(duì)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(chǎn)品狀態(tài)、成本	–附加產(chǎn)品,額外成本; +產(chǎn)品仍然在開發(fā)之中;	+包括在ANSYS中,沒有成本; –已經(jīng)停止了開發(fā) ;

表8 TOSCA–ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)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(chǎn)品仍在更新開發(fā)之中。

	TOSCAtopology	ANSYStopology
分析能力	+ 線性; + 非線性(優(yōu)化區(qū)域外部的接觸、材料非線性);	– 線性
支持單元	+ 優(yōu)化區(qū)內(nèi)可以采用大多數(shù)的2d及3d單元; + 非優(yōu)化區(qū)內(nèi)可以使用任何類型單元;	–單元選擇具有限制: PLANE2、PLANE82、 SOLID92、 SOLID95、 SHELL93
優(yōu)化算法	± 最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)和控制策略; + 非交錯(cuò)分布;	±數(shù)學(xué)編程; –交錯(cuò)分布;
性能	+ 網(wǎng)格自動(dòng)優(yōu)化功能	–不具有網(wǎng)格自動(dòng)優(yōu)化功能
后處理	+ TOSCAsmooth	–沒有光滑后處理功能

在拓?fù)鋬?yōu)化方面,不管是分析能力、支持的單元類型,還是優(yōu)化算法、性能及后處理,TOSCA的功能明顯要優(yōu)于ANSYS。

表9 TOSCA–ANSYS形狀優(yōu)化對(duì)比

	TOSCAshape	ANSYSOpt
分析能力	+ 線性; + 非線性;	+線性; + 非線性;
優(yōu)化算法	± 最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)和控制策略; + 非交錯(cuò)分布;	± 表面響應(yīng)優(yōu)化算法; + 通用優(yōu)化算法;
性能	+ 需要優(yōu)化周期少; + 優(yōu)化周期的數(shù)量不依賴于設(shè)計(jì)變量的數(shù)目;	– 需要很多優(yōu)化周期; – 不能解決多于10個(gè)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化問題;
使用性	+通過簡(jiǎn)單定義節(jié)點(diǎn)組進(jìn)行無(wú)參形狀優(yōu)化; + 設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的不同耦合;	– 要求形狀基礎(chǔ)向量的參數(shù)形狀優(yōu)化

在形狀優(yōu)化方面,TOSCA與ANSYS在分析能力和優(yōu)化算法上不相上下,而在性能和使用性方面,TOSCA要優(yōu)于ANSYS。

通過幾種常用的優(yōu)化軟件的對(duì)比可以看出,TOSCA在分析能力、支持的求解器接口以及前后處理器,使用性等方面均優(yōu)于其他優(yōu)化軟件。由于具有眾多支持的求解器及前后處理器,用戶還可以在自己熟悉的求解器以及前后處理環(huán)境下工作,而不需培訓(xùn)來熟悉另外一個(gè)陌生的軟件環(huán)境。

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