01 DRCO：优化四要素

DRCO是四个单词的首字母，也是所有优化建模必须考虑的四个要素。

• 设计变量（Design Variable）

  - Optistruct可以改变参数、属性、单元以获得不同的响应

  - 通常是整个部件或重要部件特性

  - 例如：板厚度，梁截面参数等

• 响应（Response）

  - 系统的特征输出值

  - 例如：质量或应力或变形等等

• 约束（Constraint）

  - 响应的数值限制（上限或下限）

  - 例如：应力不超过200MPa

• 目标（Objective）

  - 最终优化的指标，一次优化只允许有一个目标

  - 例如：最小化质量、最小化体积、最小化变形等等

下面按照DRCO四个要素的顺序来详细解释结构优化的完整过程。

• Design Variable-设计变量区

这一排工具按钮可按照两个设计阶段的分开：

◆ 概念设计阶段

- Topology拓扑优化：在给定设计空间内，按约束和目标找到最佳材料布置形式。

-Free Size自由尺寸：对壳单元，在每个网格上各自找最佳厚度分布。

- Topography形貌优化：在指定区域生成满足要求的起筋样式。

◆ 详细设计阶段

- Size / Gauges尺寸优化：找满足要求的最佳零件厚度。

尺寸（Size）优化一般需要分成参数定义（Size）和参数与属性的关联（Property Realationships）两个步骤，生成的变量和变量属性关系分别放在结构树下的Design Varibles和Design Varible Property Reationships下。而Gauges则是针对壳单元一步自动创建变量并同时设置关联属性，适用于大量壳单元厚度属性批量创建变量。

参数定义（Size）和参数与属性的关联（Property Realationships）按钮

优化浏览器下的参数优化设计变量

- Shape形状优化：在预先定义的一系列形状之间，找最佳组合。

- Free Shape自由形状：让边界上的一组节点自由移动，搜寻更优结构形状。

- Composite / Shuffle：复合材料铺层与铺层顺序优化。

• Responses响应（R）

点开Responses，可以开始设置响应的类型并选择该响应相关的对象等等。

Hypermesh直接支持选择的响应类型

Optistruct提供了一套非常完整的响应类型，Hypermesh均提供了很好的支持，包括但不限于以下类型：

- 与工况无关的全局响应：质量MASS、质量分数MASSFRAC、体积VOLUME、体积分数VOLFRAC、重心COG、惯量矩INERTIA、形貌筋离散系数BEADFRAC等等。

- 与静态工况相关：位移DISP、应力STRESS、应变STRAIN、力FORCE、SPC力、节点力GPFORCE、截面力RESFORCE，以及复合材料铺层的CSTRESS / CSTRAIN / CFAILURE、柔度COMP、多工况加权柔度WCOMP。

- 与模态相关：频率FREQ、加权特征值倒数WFREQ等。

- 高级优化响应（进阶应用）：使用用户自定义函数定义响应DRESP2（配DEQATN公式）、使用用户外部自定义函数定义响应DRESP3（Compose/OML、Fortran、C、Excel等）。

• Constraints约束

给部分响应划定范围，对应优化卡片DCONSTR。

优化约束设置

约束设置主要包括：

- 响应（Response）选择；

- 上/下限（Upper Bound / Lower Bound）设置；

- 工况（List of Loadsteps）关联（如果响应与工况相关）。

• Objectives目标

设置优化目标：

- MIN or MAX：选择单个响应定义为优化的目标函数。例如最经典的优化组合：目标=最小化质量，约束=应力 / 位移 / 频率。

- MINMAX或MAXMIN：通过DOBJREF（Object Reference）定义minmax(maxmin)优化问题的响应及其参考值。例如多工况下，目标为整体变形最小，则可以通过DOBJREF先引用所有工况，再设置Objective为MINMAX，即优化目标为最大变形工况的变形值最小。

DOBJREF（Object Reference）设置

通过以上DRCO四步过程，可以顺利完成优化设置的创建。在DRCO设置好后，可以通过Optimization Browser查看所有的优化设置。

打开优化浏览器Optimization Browser

更一般的情况下，我们往往会在优化设置的最开始就打开Optimization Browser，在优化的设置过程中即开展相应的设置检查和修改。Optimization Browser会按Design Variables / Design Variable Links / Responses / Constraints / Objectives分层展示，不管是检查设置完整性还是进行设置修改都一目了然。

优化浏览器Optimization Browser

最后可以通过Optimize-Run提交，自动输出优化计算文件，并自动调用Optistruct进行优化求解。

提交优化计算

基于DRCO方法，建立一个基于壳单元的汽车轨道接头的性能参数优化模型。该案例中，管状横梁末端的挠度受到限制，目标是尽可能减少材料用量。

• 把工程问题翻译成DRCO

本例实际工程问题和DRCO对应关系如下：

• 基线确认 - 确认模型求解设置正确，能够分析，确认原始设计指标

导入jointsize.fem，检查约束与两个工况（ForceX、Force_Z），先提交一次常规分析。正常计算完成退出，结果显示加载点的X向位移Ux=1.273、Z向位移Uz=2.144，超出了0.9和1.6的要求。

◆ D：创建两个尺寸设计变量

本例只有两个壳属性，可以用Size按钮分两步。进入Optimize-Size，为tube1、tube2两个PSHELL的厚度各创建一个设计变量：初始值1.0，下限0.1，上限5.0。变量建好后，还要用Property Relationships把两个变量分别与PSHELL的厚度项T关联起来。

如果面对的是更多的壳厚度需要批量建变量，使用Gauges会更方便，它一步就能同时完成变量创建与属性关联。

通过Gauges批量创建尺寸设计变量

◆R：创建体积与位移响应

按响应清单创建三个响应：

- r_volume：全局体积响应VOLUME，与工况无关，用来衡量材料用量；

- rux：节点5555在工况LOADX下的X向位移（DISP，TX）；

- ruz：节点5555在工况LOADZ下的Z向位移（DISP，TZ）。

静态位移响应的创建（节点5555，Z向）

◆C：按工况分别加位移约束

打开约束面板，为两个位移响应各建一个上限约束：cux引用rux，Upper Bound=0.9，关联工况LOADX；cuz引用ruz，Upper Bound=1.6，关联工况LOADZ。

位移响应属于“与工况相关”的响应，要特别留意工况关联。

位移约束的创建（r_ux上限0.9）

◆O：定义目标——最小化体积

打开Objective，选择体积响应r_volume，方向设为Minimize。

至此D、R、C、O四步全部完成。在Optimization Browser里按Design Variables / Responses / Constraints / Objectives四层扫一眼，确认没有漏项，就可以导出求解文件并提交OptiStruct计算了。

Optimization Browser 下的DRCO

• 结果：4次迭代收敛到可行设计

本例Optistruct在第4次迭代即收敛，并给出可行设计（所有约束满足）：

- 设计变量：gtube1=0.980，gtube2=1.679；

- 目标：体积=2.28294E+05；

- 约束：Ux由1.273降到0.7069（限值0.9）；Uz由2.144降到1.601。

• 后处理：把结果写回模型

计算结束后，用.prop文件把优化后的厚度回写到模型。回写后的模型可以直接继续做强度、模态等校核。

回顾整个案例，把“变形不超、用料最少”翻译成D、R、C、O之后，剩下的就是在Optimize面板上从左点到右，这也正是DRCO方法最实用的一面

04 合理又简单的工作流

在实际项目进程中，结构优化真正具有挑战的不是工具该怎么用，而是如何把实际的工程设计问题转换为优化的设计参数和指标，并快速开展优化设计迭代。Hypermesh的功能则是尽量让工具层面的事情变得简单，让迭代变得高效。

通过对实际工程问题的理解形成可执行的优化指标，再通过DRCO四个顺序流程步骤，工程问题就被翻译成了Optistruct求解器语言的模型，进而通过优化得到满足各项约束条件的优化结果，进而指导我们的设计。

因此在每次成功搭完可分析的结构模型后，在Optistruct优化设置开始前，心中默念DRCO四个字母，顺序点选DRCO相应工具按钮，即可完整快速地完成优化设置，实现结构快速设计优化。