Altair OptiStruct是一個是以有限元法為基礎，面向產品設計、分析和優化的有限元和結構優化求解器，擁有全球最先進的優化技術，提供最全面的優化方法，包括拓撲優化、形貌優化、尺寸優化、形狀優化以及自由尺寸和自由形狀優化。這些方法可以對靜力、模態、屈曲、頻響等分析過程進行優化，其穩健高效的優化算法允許在模型中定義上百萬個設計變量，支持常見的結構響應，包括：位移、速度、加速度、應力、應變、特征值、屈曲載荷因子、結構柔度、以及各響應量的組合等。此外，OptiStruct提供了豐富的參數設置，包括優化求解參數和制造加工工藝參數等，方便用戶對整個優化過程進行控制，確保優化結果便于加工制造，從而極其具有工程實用價值。
OptiStruct自從1993年發布以來，被廣泛而深入地應用到各行各業，在航空航天、汽車、機械等領域取得了大量革命性的成功應用，贏得了多個創新大獎。特別是在金屬結構件優化方面，OptiStruct的技術已經非常成熟，目前歐洲和美國幾乎所有的正在研發的汽車和飛機都采用了結構優化技術，進行了大量的系統級布局優化，零部件減重和性能提高設計。
目前，復合材料以其比強度、比模量高，耐腐蝕、抗疲勞、減震、破損安全性能好等優點，在工業界取得了越來越多的應用，特別是在航空航天方面，由于鋼鐵和有色合金很難滿足日趨苛刻的重量，力學等設計性能要求，復合材料更是得到了廣泛的應用，例如波音787飛機超過50％重量的零部件采用復合材料制造。
圖1 波音787飛機材料分布
OptiStruct提供了從金屬到復合材料的完整的優化解決方案，支持從最初的零件結構樣式，到鋪層形狀和厚度分布，到鋪層角度和層數的優化，到最終鋪層層疊次序的各個階段的優化設計方法，可以考慮各鋪層的應力、應變、失效，屈曲等性能約束，提供了前所未有的復合材料優化解決方案，包括以下四個階段：
拓撲優化
拓撲優化的基本思想是將尋求結構的最優拓撲/布局問題轉化為在給定的設計區域內尋求材料最優分布的問題。OptiStruct可以在給定的設計空間內，在給定的載荷邊界條件下，找到滿足性能指標的最佳的材料分布，從而確定出最佳的結構形式。例如，在矩形設計空間內，承受彎矩的最佳結構樣式是工字型梁，承受扭矩的最佳結構樣式是矩形管梁。
圖2 最佳結構樣式
圖3 掛鉤的拓撲優化設計
自由尺寸優化
利用拓撲優化找出最佳的零部件結構樣式后，根據該樣式初步設計出零件，然后進行自由尺寸優化。自由尺寸優化適合于用殼單元建模的零件，對金屬零件而言，每個單元的厚度就是一個變量，其厚度可在某個范圍之間連續變化，如下圖所示：
圖4 自由尺寸優化的厚度變量
自由尺寸優化可以應用到復合材料的優化設計中。將復合材料建模為角度一定（0、45、－45、90 etc.）的幾個超級層（相對于實際厚度很薄的單個鋪層而言），此時每個單元的每一超級層都是一個厚度變量，優化后可以得到其最佳厚度。
圖5 復合材料單元的不同角度超級層的厚度變量
有了每個單元每個超級層的最佳厚度，就可以得到整個零件的每個超級層的厚度分布，例如，一端固定，另一端中點施加集中載荷的復合材料板，采用4種角度超級層建模，優化后其各角度超級層的厚度分布如下所示。
圖6 4個超級層的厚度云圖分布
每個角度超級層的厚度分布是不均勻的，需要由一些不同形狀的鋪層塊層疊而成，例如，從0度超級層的厚度分布信息可以得到4種鋪層塊形狀。不同鋪層塊形狀可以通過裁剪得到。
圖7 0度超級層可以由4種鋪層塊組成
尺寸優化
尺寸優化可以對有限元模型的各種參數，例如板的厚度、梁截面尺寸、材料屬性等進行優化。在得到各角度超級層的鋪層塊形狀之后，對復合材料進行重新建模，將每種形狀的鋪層塊重新建成一個超級層，優化得到每種形狀的具體厚度，除以實際鋪層的厚度，就可以得到每種角度每種形狀的鋪層的數目了。
圖8 每種角度每種形狀的實際鋪層數目
鋪層層疊次序優化
有了每種角度每種形狀的實際鋪層數目，接下來就要優化實際鋪層層疊的次序，從而最終制造出復合材料零件。確定鋪層次序時，需要考慮鋪層對稱性、每種鋪層的最大層疊數目等，HyperShuffle模塊可以自動確定最佳的鋪層層疊次序，滿足復合材料制造工藝約束。
圖9 HyperShuffle自動確定最佳的鋪層層疊次序
實際應用
目前，該創新的復合材料優化技術已經得到了眾多客戶的認可，例如，空中客車公司將該技術應用于A350飛機的機翼設計中。
圖10 機翼上下翼面的復合材料優化
總結
Altair OptiStruct具有完整的復合材料優化設計解決方案，通過綜合應用拓撲優化、自由尺寸優化、尺寸優化、鋪層層疊次序優化等技術，提供了從最初的零件結構樣式，到鋪層形狀和厚度分布，到鋪層角度和層數的確定，到最終鋪層層疊次序的各個階段的優化設計方法，為復合材料零件的設計提供了創新的，符合工程實際的方法。
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本文標題：基于Altair OptiStruct的復合材料優化技術
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