复合材料分析与结构优化

语言：英语
网址：http://www.hypersizer.com/products.html#pro
类别：复合材料分析与结构优化

十多年来，HyperSizer凭借快速分析和复合材料优化这些功能优势在多项重要航空航天项目中取得了令人瞩目的减重效果。从最初开发于NASA，它现在已有了长足进步，并成为当今世界范围内的著名商用产品。
　　
HyperSizer不是计算机辅助设计（CAD），也不是有限元分析（FEA）。
　　
HyperSizer是一种与众不同的产品，随后将会概述：它由三个独立的产品组成，相互之间可共享，并基于同一个综合的内部数据库。它以一个用户友好界面开始，非常容易应用，并且功能强大。
　　
HyperSizer Pro包括HyperSizer Basic的所有功能，除此之外，增加了与有限元分析软件（FEA）的系统级分析耦合和自动有限元模型重构。对结构细节设计的完整结果予以保留并形成报告。
　　
HyperSizer Pro包括HyperSizer Basic的所有功能，除此之外，增加了与有限元分析软件（FEA）的系统级分析耦合和自动有限元模型重构。对结构细节设计的完整结果予以保留并形成报告。进行先进统计优化，并找出制造工艺性好的多个强健的优化解决办法。插入你自己的分析软件以对HyperSizer的分析方法进行补充，并能将所有的分析结果合并后以图形的方式在界面中显示。
　　
节省时间、减少重量，并以HTML文档格式自动记录你所用过的方法、分析和设计。
　　
HyperSizer……让设计更轻松！
　　
有限元模型
　　
从HyperSizer Basic和Material Manager产品中应用板、梁和层压板分析后，HyperSizer Pro对整个系统如飞机框架、火箭发动机、船舶外壳和火车车体等提供完整精细的分析。对所有潜在结构失效模式的安全预度（MS）也会以报告的形式进行完整地汇总。
　　
与HyperSizer Basic采用手动输入载荷相比，HyperSizer Pro则采用有限元分析（FEA）计算的内部载荷。从而允许完整的设计、分析和制造过程的自动化。

施加载荷
　　
HyperSizer Basic采用的一般FBD加载方法仍需要申请Pro后处理过程。Basic的FBD图形用户界面（GUI）允许在每个板/梁边缘施加常规载荷，强迫变形或边界约束。在Pro中，是采用有限元方法（FEM）处理边界条件、并将外部载荷施加到内部载荷结果中。HyperSizer Pro从有限元分析（FEA）得到这些内载，用它们来确定板和梁尺寸，并生成一般热弹刚度项，传回有限元模型（FEM）进行计算内载路线的又一次迭代。

设计结构组件
　　
HyperSizer 过程是使用可制造的多块板、梁结构组件而不是有限元来进行分析和优化。通常，许多有限元是用来对结构组件模型化，这样会产生“拉-载荷“问题。按元素最大载荷进行设计可能太保守，并导致设计超重。当模型板的载荷从中跨到边缘或从一边到另一边变化非常大时，这一问题尤为突出。与可能作用于板一角处的峰值载荷相比，板屈曲变形更依赖于一个整体压缩载荷。

统计出来的’用于设计’的载荷

HyperSizer应用统计学方法来确定近似的用于设计（design to）的载荷。HyperSizer用户可以选择“K”标准偏差系数来定义强度分析时的用于设计（design to）的载荷。“K”标准偏差值越高，捕获峰值载荷的信心限制也越高（越保守）。

由于不稳定性，HyperSizer采用了一种不同的统计学方法。这一方法的关键在于统计确定构件在压缩屈曲范围内的面积比例，并在该面积基础上计入压缩的值。

简单地说，有限元分析计算的内载对结构组件的每种网格密度都是进行统计处理的。基于用户选择的有限元分析（FEA）统计出的σ加载方法、机械限制、破坏载荷因子以及热损伤和增益因子，可以获得每种加载条件下每个结构组件的设计用载荷。
　　
最后一个值得考虑的关于加载的论点是概念上的初步粗网格有限元模型没有足够的元素来精确模拟板的跨度。举例说明，这会发生在沿框缘都有油压的飞机机身面板，或者保持油路压力的推进系统燃烧室面板。对于这些部位的应用，HyperSizer能够分析计算出这些侧面压力的影响并从粗有限元模型中用有限元分析（FEA）载荷对它们进行补充。
　　
有限元模型（FEM）更新
　　
一旦优化的板、梁形状、尺寸、材料和铺层被确定，有限元模型（FEM）就会被更新。板在有限元模型（FEM）中用壳单元（2-D表面）表示。由于有非常精确的等效板刚度公式，因此可以用粗网格2-D有限元模型模拟任何常规的3-D截面。这通过包含纵向、横向、面内剪切、膜、弯曲、膜-弯曲耦合、扭转和弯-扭耦合刚度项以及热系数来完成。
　　
HyperSizer在关心与有限元分析（FEA）的耦合，如读取计算的单元力、写入生成的刚度项，包括难度最大的就是要对每种特定求解器如何应用各种特性去计算它们的热弹单元刚度、处理壳材料坐标系和梁单元坐标系的复杂性进行考虑。
　　
有限元分析（FEA）求解器和有限元模型（FEM）建模的综合
　　
HyperSizer支持MSC/NASTRAN、I-DEAS、FEMAP，与PATRAN、ANSYS等有计划。已为这些软件包提供了自动耦合，包括一般热弹刚度项和热系数、计算的单元/节点力和结果显示的数据传输。
　　
底部中间图显示了用户用来定位有限元模型（FEM）梁中性轴的3种选项。在这个例子中，梁被偏移到柱面内侧，并通过HyperSizer建模显示功能自动生成梁截面形状数据。
　　
HyperSizer能以整体或按构件、组、装配或整个项目对模型进行更新。
　　
系统级设计优化 　　
　　速度
　　象整个飞行器系统这样很大的有限元模型也可以被优化。一个上百万自由度的模型可以轻而易举地进行处理。　　

这些运行时间不包括有限元分析求解时间。这些时间是用来读取有限元分析内载、执行最小优化和更新有限元模型。这显示了HyperSizer对大型数据的快速处理能力。
　　
高级优化
　　
HyperSizer Basic采用许多结构综合分析方法如强度、可靠性、刚度、变形和频率进行优化。Basic也可以连接在结构组件截面中的多个变量，如上下面板的材料、铺层。
　　
HyperSizer Pro也可以连接相邻结构组件截面任何数量的尺寸。例如，飞机机身框截面上板加筋的间距。用户也可以连接相邻各面的材料和铺层。

应用 HyperSizer的先进统计优化功能，通过改变、延伸和精炼变量范围及变量排列数量来自动减去更多重量。利用此功能，HyperSizer将对可用的解决方案样本中的设计变量执行统计分析，并快速重新运行优化。相对于那些不用此功能得到的解决方案，这一新技术显示出会有额外的平均12%的减重。
　　项目数据管理
　　相关数据库
　　
所有数据被保管在一个真正相关的对多用户设计团队提供使用权限的数据库管理系统中。一个单用户或多用户。
　　
团队能够向下图所示那样进入同一个数据库。提供了管理员、用户和客人这些不同的安全级别。可以给单个用户或组分配口令。

数据库提供了材料数据的充分综合，包括材料过滤器和搜索功能。许多项目可以存在于一个数据库中。项目可被删除、复制和重命名。如果在做商业研究，在同一设计的不同版本之间来去自如是很有用的。
　　
数据层级为管理与项目相关的大量数据这一任务提供了组织和完整性。下面的层级是已经确定了的。如树节点所示，一个数据库可能包含多个项目，一个项目有多个装配，一个装配有多个组等等。在HyperSizer中，用户可以从结构组件中对装配和组进行交互式定义和重定义。除了优化一个完整的有限元模型项目外，用户还可以方便地在短时间内对任何组件、组或装配进行分析和优化。

重量报告
　　
许多年前，HyperSizer是根据对新设计方案能达到的重量进行分析预测这一最初目的开发出来的。这与那些从历史数据中插入电子表格来执行的方法截然不同。在性能研究工作中发现，所有新概念设计方案的重量描述都要进行分析性检验。 HyperSizer找到设计的最轻结构，并确保结构能承受任务载荷而不会破坏。与此同时，HyperSizer用多个不同的类别对重量情况进行汇报，如装配件、组、结构组件、板、梁、工况和控制失效模态。在材料密度、胶接接头重量、紧固件重量和数量以及用户指定的非优化惩罚基础上来计算重量。

图形用户界面
　　
HyperSizer交互式地将多种形式结果绘制在有限元模型上，以显示无法满足结构完整性要求的区域，或识别能设计得更轻的过设计区域。交互的3-D图形提供了对结构组件布局、优化组和生产装配件连同它们相应按比例画出的最优板、梁截面形状的可视化检查。这些特征能快速识别出整个结构系统中的设计差别。在HyperSizer中，用户也可以绘制出有限元分析计算得到的、如显示在机身上的转化到材料轴上的内载（应力结果）。
　　
插入分析
　　
HyperSizer Pro向开发者提供了一条插入他们自己定义的分析方法的途径。通过编译Fortran、C或C++分析路径到动态链接库（DLL），你会被允许将自己的软件与HyperSizer结合在一起。在你的代码性能不降低、并且不要求有中间ASCⅡ文件的情况下，这样的耦合也是可能的。你的软件将如 HyperSizer内部分析一样高效运算。这种插入功能会给用户带来3点好处。你可以将你自己最高级的受赠或所有的计算机代码插入到 HyperSizer完美整合的设计分析流程所用的数据流中。

第一个好处是能够将已有的孤立代码合并到一个已设计好的图形用户界面中，这可以使这些代码焕发新的活力。图形用户界面（GUI）提供高效率，HyperSizer相关的数据库提供完整的数据。你的分析自动地共享所有的材料和复合材料数据，被包括在有限元分析所有的多重设计用载荷工况中，在所有的结构装配件、组和构件中被执行，是优化过程浑然天成的一部分，与其它项目数据一起保存在数据库中，能以图形形式被绘制出来，并在应力报告中显示其具体内容。第二个好处是能够保护源代码的所有权。通过对每种分析类型使用公开的界面协议，你可以将你的软件按自己意愿耦合到HyperSizer中。你可以在让你的代码与HyperSizer保持交互联系的同时，保护这些代码给你公司带来的竞争优势。第三个好处是把HyperSizer作为代码编写、编译、测试/调试的平台。通过HyperSizer控制数据流的基础结构的鼎立支持下，研究者可以将他们的精力集中在其各种解决方法的研发上。试验数据验证和多年应用使孤立遗留代码对行业已失去价值。但它们却是构建设计集成的基石。由于这个原因，使它们在必要时成为我们软件的一个组成部分就成了科利尔研究中心的目标。然而，不管它的功能是通过HyperSizer发挥出来，还是靠你们公司自己进行补充，遗留软件的效率和用处都是一样的。这两种情况都能保证执行情况的一致性。这种可交换性是通过对每种失效分析类别（梁屈曲，断裂等）定义标准输入/输出协议来实现的。如果某种情况下，你想定义与已确定的标准界面协议形式不一致的特殊数据，HyperSizer Pro允许通过图形用户界面（GUI）将其它不同的输入进行方便的定义和传入。

代码

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