HS-4215： 複合領域の設計Optimization（最適化）スタディ

複合領域の設計Optimization（最適化）スタディを行う方法について学習します。チュートリアルで最適化されるのは、構造のパフォーマンスとコストです。

開始に先がけ、本チュートリアルで使用されるモデルファイルを<hst.zip>/HS-4215/から自身の作業ディレクトリにコピーします。
構造のパフォーマンスはOptiStructで、コストはComposeまたはPythonを使ってシミュレーションされます。双方のシミュレーションについてのOptimization（最適化）パラメータは、各入力デックに対応したテンプレートファイルで特定されます。
tail.fem
OptiStruct
tail.oml
Compose
tail.py
Python
図 1. 水平尾翼モデル


尾翼は、飛行機の胴体に近いほうの部分が片持ちとなっています。尾翼が底部外板に0.25psiの圧力荷重を受ける、尾翼が400lbsの先端荷重を受ける、尾翼が圧力荷重と先端荷重を同時に受ける、という3つの荷重ケースについて考察します。適用される荷重は、図 2に示すとおりです。
図 2. 水平尾翼にかかる荷重


このスタディの問題の定式化は以下のとおりです：
入力変数
内側におけるガラス繊維厚み； 初期値 = 0.1、下限 = 0.01、上限 = 2.0
中央におけるガラス繊維厚み； 初期値 = 0.1、下限 = 0.01、上限 = 2.0
外側におけるガラス繊維厚み； 初期値 = 0.1、下限 = 0.01、上限 = 2.0
内側におけるコア繊維厚み； 初期値 = 0.1、下限 = 0.01、上限 = 2.0
中央におけるコア繊維厚み； 初期値 = 0.1、下限 = 0.01、上限 = 2.0
外側におけるコア繊維厚み； 初期値 = 0.1、下限 = 0.01、上限 = 2.0
アルミニウム製リブ板厚； 初期値 = 0.1、下限 = 0.01、上限 = 2.0
注: 両モデル共7つの入力変数を有していますが、入力変数の値は2つのモデル間で一致している必要があります。そのために、入力変数の2つのセットを互いにリンクさせます。
目的関数
コストの最小化
設計制約条件
最大変位がベースライン値31未満

スタディのセットアップの実行

  1. 以下の方法で新規スタディを開始します：
    • メニューバーから、File（ファイル） > New（新規）をクリックします。
    • リボン上でをクリックします。
  2. Add Study（スタディの追加）ダイアログでスタディの名前を入力し、スタディの場所を選んでOKをクリックします。
  3. Define Models（モデルの定義）ステップに進みます。
  4. パラメータ化ファイルモデルを1つ追加します。
    1. Directory（ディレクトリ）から、tail_structure_optistruct.tplファイルをワークエリアにドラッグ＆ドロップします。
      図 3.


    2. Solver input file（ソルバー入力ファイル）列にtail.femと入力します。
      これが、評価中にHyperStudyが書き出すソルバー入力ファイルの名称となります。
    3. Solver execution script（ソルバー実行スクリプト）列に、OptiStruct (os)を選択します。
  5. 2つ目のパラメータ化ファイルモデルを追加します。
    1. Directory（ディレクトリ）から、適切な.tplファイルをワークエリアにドラッグ＆ドロップします。
      • Pythonをご使用の場合は、tail_cost_python.tplを使用します。
      • Composeをご使用の場合は、tail_cost_compose.tplを使用します。
    2. Solver input file（ソルバー入力ファイル）列に、HyperStudyが評価中に書き出すソルバー入力ファイルの名称を入力します。
      • Pythonをご使用の場合は、tail.pyと入力します。
      • Composeをご使用の場合は、tail.omlと入力します。
    3. Solver execution script（ソルバー実行スクリプト）列に、以下のいずれかを選択します：
      • Python (py)
      • Compose (oml)
    4. ソルバー実行スクリプトとしてComposeををご使用の場合、Solver input arguments（ソルバー引数）列で、$fileの前に-fと入力します。
    注: 製品群の一部としてComposeをご使用の場合HyperStudyは自動的に正しい.batファイルを指します。Composeを別個のインストレーションとされている場合は、Register Solver Script（ソルバースクリプトの登録）ステップでCompose_batch.batを指定する必要があります。
  6. Import Variables（変数のインポート）をクリックします。
    14個のの入力変数が、2つの.tplリソースファイルからインポートされます。
  7. Define Input Variables（入力変数の定義）ステップに進みます。
  8. 入力変数の下限値と上限値を確認します。
  9. 入力変数をリンクします。
    1. Links（リンク）タブをクリックします。
    2. Varname（識別子）列で、独立変数の全て（Model_1からの全ての変数）をコピーします。
    3. 従属入力変数の全て（Model_2からの全ての変数）のExpression（式）列に、独立変数をペーストします。
      図 4.


ベースランの実行

  1. Test Models（モデルをテスト）ステップに進みます。
  2. Run Definition（計算実行）をクリックします。
    スタディのディレクトリ内に、approaches/setup_1-def/ディレクトリが作成されます。approaches/setup_1-def/run__00001/m_1およびapproaches/setup_1-def/run__00001/m_2サブディレクトリには、tail.h3d（最大変位用）およびcost.res（コスト用）ファイルが含まれています。これらはベースランの結果で、最適化で使用されます。

出力応答の作成と評価

ここでは2つの出力応答：MaxDispとCostを作成します。

  1. Define Output Responses（出力応答の定義）パネルに進みます。
  2. MaxDisp出力応答を作成します。
    1. Directory（ディレクトリ）から、approaches/setup_1-def/run__00001/m_1にあるtail.h3dファイルをワークエリアにドラッグ＆ドロップします。
    2. File Assistant（ファイルアシスタント）ダイアログで、Reading technology（読み取り技術）をAltair® HyperWorks®にセットし、Next（次）をクリックします。
    3. Multiple Items at Multiple Time Steps（複数タイムステップで複数のアイテム）を選択し、Next（次）をクリックします。
    4. 以下のオプションを定義し、Next（次）をクリックします。
      • Subcase: Subcase 5 (Combo)
      • Type: Displacement (Grids)
      • Request - 開始: First Request（最初のアイテム）を選択し、N4660と入力します。
      • Request - 終了： Last Request（最後のアイテム）を選択し、N7528と入力します。
      • Component: Mag。
      図 5.


    5. Create individual Responses （個々の応答の作成）(1)チェックボックスを有効にし、Maximum（最大）を選択します。
      図 6.


    6. Finish（終了）をクリックします。
      出力応答が、ワークエリア内に追加されます。
    7. ワークエリアのLabel（ラベル）列で、ラベルをMaxDispに変更します。
      図 7.


  3. Cost出力応答を作成します。
    1. Directory（ディレクトリ）から、approaches/setup_1-def/run__00001/m_1にあるcost.resファイルをワークエリアにドラッグ＆ドロップします。
    2. File Assistant（ファイルアシスタント）ダイアログで、Reading technology（読み取り技術）をAltair® HyperWorks®にセットし、Next（次）をクリックします。
    3. Single Item in a Time Series（タイムシリーズの単一アイテム）を選択し、Next（次）をクリックします。
    4. 以下のオプションを定義し、Next（次）をクリックします。
      • Type: Unknown。
      • Request：Block 1。
      • Component: Column 1。
      図 8.
    5. 出力応答のラベルをCostとします。
    6. Expression（式）をFirst Element（最初の要素）にセットします。
    7. Finish（終了）をクリックします。
      Cost出力応答が、ワークエリア内に追加されます。
      図 9.


  4. Evaluate（評価）をクリックして出力応答値を抽出します。

最適化の実行

  1. Optimization（最適化）を追加します。
    1. Explorer（エクスプローラ）内で右クリックし、コンテキストメニューからAdd（追加）を選択します。
    2. Add（追加）ダイアログでOptimization（最適化）を選択します。
    3. Definition from（定義元）に、Setup（セットアップ）を選択しOKをクリックします。
  2. Optimization（最適化） > Definition（定義） > Define Output Responses（出力応答の定義）ステップに進みます。
  3. Objectives/Constraints - Goals（目的 / 制約条件 - 目標）タブをクリックします。
  4. Cost出力応答に目的を適用します。
    1. Add Goal（目標を追加）をクリックします。
    2. Apply On（応答）列で、Costを選択します。
    3. Type （タイプ）列に、Minimizeを選択します。
    図 10.


  5. MaxDisp出力応答に制約条件を適用します。
    1. Add Goal（目標を追加）をクリックします。
    2. Apply On（応答）列で、MaxDispを選択します。
    3. Type （タイプ）列に、Constraintを選択します。
    4. Deterministic
    5. column 1に<=（以下）を選択します。
    6. column 2に31と入力します。
    図 11.


  6. Optimization（最適化） > Specifications（スタディ仕様）ステップに進みます。
  7. ワークエリア内でModes（モード）をAdaptive Response Surface Method （逐次更新型応答曲面法）(ARSM)にセットします。
    注: 問題の定式化に有効な手法のみが使用可能です。
  8. Apply（適用）をクリックします。
  9. Optimization（最適化） > Evaluate（評価）ステップに進みます。
  10. Evaluate Tasks（評価タスク）をクリックします。
  11. 最適化の反復履歴を確認します。
    1. Iteration Plot（反復計算プロット）タブをクリックし、最適化反復計算の進捗をプロットします。
    2. Channel（チャンネル）セレクターを使って、Objective_1とConstraint_1を選択します。
    目的関数および制約条件vs.反復計算の評価を2Dプロットで表示されます。構造のパフォーマンスを保持しつつ、水平尾翼のコストは、72715から67700へと（7%）低くなったことが見てとれます。
    図 12.