【分享】不用增加材料，一阶固频提升143%！Simcenter Optistruct如何自动找到最优压筋方案

文章来源于：Simcenter机械仿真

在钣金结构设计中，当结构刚度不足时可通过科学的压筋（Bead）来提升刚度。但工程师经常面临这样的问题：加强筋应该布置在哪里？加多高？加多宽？横向还是纵向？传统方法往往依赖经验、对标设计或者多轮试错迭代。而在复杂载荷工况下，经验并不总能找到最优方案。 Simcenter Optistruct 的形貌优化（Topography Optimization）正是做这件事——不加厚、不增料、不删料，只通过节点扰动“顶”出加强筋，在满足冲压工艺约束的前提下自动搜索最优布筋方案。本文将从算法原理、关键参数设置到实际案例，系统介绍OptiStruct形貌优化的工程应用方法。

01 Optistruct是如何寻找最优加强筋？Optistruct形貌优化本质是一种特殊的形状优化技术，它复用了形状优化的求解器。形貌优化不是直接指定加强筋的位置，而是将设计区域内的节点扰动定义为设计变量，通过灵敏度分析和迭代优化，逐步搜索满足目标与约束的形状变化路径。

图：受扭板形貌优化设计流程

设计区域内每个节点扰动都是设计变量，多个设计变量共同迭代，从而形成加强筋结构。其本质是通过改变局部截面惯性矩来提高结构刚度。也正因为如此，形貌优化在整个过程中不改变厚度、不新增材料、不删除材料，质量增加几乎可以忽略。

02Optistruct形貌优化关键设置解析

DTPG是Optistruct形貌优化的核心卡片，用于定义加强筋可生成的范围和制造约束。

2.1 基本起筋参数

Minimum Bead Width: 用于控制最小筋宽。过小的筋条不仅制造困难，也容易导致网格质量下降。通常建议设置为平均单元尺寸的 1.5-2.5 倍, 以确保优化出的筋条清晰且网格质量达标。Draw Height: 定义筋条允许形成的最大高度范围。 直接影响刚度的增加效果，也受到板材成形能力（减薄率）的限制。通过Bounds上下限缩放来定义。Draw Angle：控制筋条侧壁拔模角。 对于冲压件来说，合理的拔模角是保证脱模和制造可行性的前提。通常建议设置在 60°75°之间。Draw Direction：定义筋的生成方向。 定义内部形状变量的变形方向，OptiStruct 提供两种节点扰动方式：

• 单元法向（Element Normal）：筋条沿表面法向生长，是曲面零件（如油底壳、车门内板）的首选；
• 指定矢量（Draw Vector）：所有筋条沿统一方向（如 Z 轴）生长，矢量xyz指定坐标方向，适用于存在明确开模方向的零件。

图：DTPG中筋参数

图：形貌优化起筋参数示意图

Bounds:用于定义节点沿起筋方向的扰动范围,与Draw Direction共同决定加强筋的具体生成方向：

• 当下限为 0、上限为正值时，加强筋仅沿正方向生成；
• 当下限为负值、上限为 0 时，加强筋仅沿负方向生成；
• 当下限为负值、上限为正值时，加强筋可以沿正、负两个方向生成。 例如，设置 Lower Bound = -1.0、Upper Bound = 1.0，表示节点可以在起筋方向的正负范围内变化，允许双向起筋。Initial Bead Fraction用于定义初始起筋状态，合理的初值有助于改善收敛。

2.2 制造性与模式控制

Buffer Zone: 用于在设计区域与非设计区域之间建立平滑过渡。 在实际项目中，如果关闭 Buffer Zone，边界区域容易产生：单元畸变、Jacobian失效、几何台阶、后处理重构困难。因此绝大多数工业项目都建议启用 Buffer Zone。图：形貌优化设计区域有无缓冲区设置结果示意图

Boundary Skip：将某些节点排除出设计区域,可选四种模式：

• None: 附加到指定了PIDs的单元的所有节点都将成为形状变量。
• spc: 定义为SPC的节点将从设计区域中忽略。
• load: 定义为LOAD等的节点，也将从设计区域中忽略。
• load & spc: 定义为了SPC或者LOAD的节点都将从设计区域中忽略。载荷或约束节点一旦参与形状扰动，边界条件可能随迭代发生变化，影响结果可靠性。对一般结构优化问题，建议根据模型实际情况选择load&spc，将载荷与约束节点排除出设计区域。

Maximum Bead Width（最大筋宽）：用于防止形成特大的筋。一般至少应设置为最小筋宽的 2 倍。Pattern Grouping(模式组)：提供超过 70 种模式组选项与变量，可用于形貌优化，例如：

• symmetry（对称）：one / two / three plane，一到三个对称面；
• linear（线性）、circular（圆周）、planar（平面）；
• radial（径向）、cylindrical（柱状）、cyclical（周期）；
• vector defined（自定义向量方向）；

模式组不只是为了好看。以两平面对称为例，它把设计变量数量成倍压缩，既加快收敛，又保证结果对称、便于模具设计与量产一致性。图：常用模式组形式Pattern Repetition（模式重复）：允许从一个设计区域到另一个设计区域（主到从）重复起筋样式，适合阵列式结构或多个同类区域需要统一筋型的情况。

2.3 响应、约束与目标函数

Bead Fraction是形貌优化特有的全局响应，表示起筋规模，变化范围在0.0~1.0 之间：0.0表示不发生形状变化；1.0表示假定整个形貌优化设计区域都发生变化。它既可用作目标，也可用作约束。较低的数值能够得到更加离散和清晰的加强筋布局，而较高数值则可能使大面积区域均参与变形。典型用法是给它加一个上限约束（例如小于 0.5），防止算法为了追性能而让整个设计区布满碎筋。需要提醒的是：质量和体积对形貌优化中的设计更改并不敏感，因此不建议将质量和体积作为目标或者约束，会让优化问题变得病态而难以收敛。应该关注刚度相关的响应——模态频率、柔度（应变能）、位移，以及用于控制起筋规模的筋离散百分比。03典型实例：油底壳盖形貌优化本练习的目标是在存在制造约束的前提下，最大化油底壳盖的前三阶模态频率。表 原模型模态分析结果

优化问题定义：

• 设计变量：最小筋宽 MinimumWidth = 6.0，拔模角 Draw Angle = 60°，拔模高度范围 Draw Height = ±3.0，开启 Buffer Zone，在油底壳盖中心建立两平面对称。
• 目标： 通过最小化加权频率响，提高前3阶模态的固有频率。
• 约束条件：筋离散百分比（Bead Fraction） < 50%。

图：油底壳盖模型Step1划分设计域与非设计域将模型分为flange（法兰）、非设计区与设计区三类区域，其中法兰与安装面属于非设计区，中间大面积薄板为设计区。设计区域划分直接决定了筋能长在哪里，是整个流程中最需要工程判断的一步。

图：模型区域划分

Step2：定义设计变量及制造约束进入Optistruct的Optimize>Design Variables>Topography，创建设计变量，选择设计空间关联的属性,按照要求定义筋参数和两平面对称。

图：设计变量设置

图：两平面对称设置

Step3：创建响应，定义目标和约束通过Optimize >Targets分别创建加权频率响应、筋离散百分比响应，将优化目标设为最小化加权频率响应，约束筋离散百分比上限为0.5，完成优化问题定义。

图：创建加权频率响应

图：创建筋离散百分比响应

图：设置约束

图：设置目标

Step4：优化迭代求解通过Optimize 提交模型至Optistruct，迭代至 14 步顺利收敛。优化结束后，读取.out 文件核对迭代收敛情况与约束是否满足，再通过_hist.mvw/.mvw 查看迭代曲线和云图。

图：最后一个迭代步结果

图：目标约束迭代曲线

图：最后一个迭代步形状云图

Step5：重分析优化结果并不是最终设计，而是节点扰动场。需要通过OSSmooth把优化得到的归一化扰动场按阈值切成等值面，重构出真实的筋条，生成有限元重分析模型，保留边界条件以快速进行重新分析。重分析输入文件： 1）包含模型的.fem输入文件；2）形貌优化运行结束时生成的包含节点位置的.grid输出文件。 重构后采用Rebuild工具对设计区网格进行重新划分，导出 *.fem再跑一次分析验证优化后性能。

图：重分析设置

图：生成的带加强筋模型

图：2D>Surface Mesh>Rebuild（Crash 2m）结果

图：提交求解计算Autobead的threshold确定了OSSmooth以给定值从形貌优化结果中提取形状。阈值设为0.3意味着只有归一化扰动量超0.3的区域才会被识别为筋；阈值越高，筋越少越清晰，阈值越低，筋越连续但越容易连成一片。

图：阈值=0.3对应的筋形式

图：阈值=0.5对应的筋形式

图：阈值=0.3对应的筋形式表：分析结果对比

所有筋形式下模态结果，优化后频率均高于优化前。前三阶中，Threshold=0.3 时提升最显著，一阶频率提升143.1%。Step6：几何生成把节点扰动还原成可制造的几何。通过2D>Create>Surface >From FE 生成阈值0.3的模型几何，通过File-Export-Geometry Model导出几何文件，交付给 CAD 与模具。

图：生成的CAD模型04结语提高结构刚度，并不一定需要增加材料。形貌优化通过调整局部形态，让现有材料发挥更大的结构效能。Optistruct形貌优化能够在制造约束条件下自动探索合理的加强筋布局。 实际应用中，应重点关注设计区域划分、筋宽与起筋方向设置、Buffer Zone，以及OSSmooth重构后的重分析验证。 对于汽车、家电和消费电子等钣金结构应用，形貌优化并不是简单的“自动起筋”，而是。对于汽车、家电、消费电子等大量采用钣金结构的行业而言，它是轻量化设计的重要工具。可以兼顾性能、重量与制造性，帮助工程师减少经验试错，更高效地找到合理的加强筋设计。