4. 形貌优化与自由尺寸优化结果重构
形貌优化（Topography）与自由尺寸优化（Free-size）是 OptiStruct 中两类典型的“薄壁结构加筋/加厚”优化方法。它们与拓扑优化最大的区别在于：设计变量不是单元的有无，而是板壳单元节点的法向起伏（bead）或单元厚度。因此，优化结果天然是“连续场”而非“离散结构”——形貌优化给出的是起伏高度场，自由尺寸优化给出的是厚度分布场。要把这些场变成可制造的加强筋和分区板厚，必须经过提取、简化、几何化三个环节。
一、两类结果的数据本质
形貌优化在 OptiStruct 中通过 DESVAR 与 DVGRID 卡片定义，设计变量是节点沿法向的位移量，取值范围通常为 0 到 BEADH（如 3 mm）。优化结束后，每个节点得到一个起伏高度值，形成一张“高度云图”。自由尺寸优化则通过 DTPL 卡片定义，设计变量是每个壳单元的厚度，取值范围为 T0 到 TMAX（如 1 mm 到 5 mm），优化后得到一张“厚度云图”。
这两类结果都不能直接用于 CAD 建模，原因有三：其一，云图是连续渐变场，而制造需要离散的筋条或厚度分区；其二，优化结果中常出现大量细小、孤立的“毛刺”区域，属于数值噪声；其三，节点起伏或单元厚度本身没有几何边界，无法直接拉伸成实体。因此，重构的核心任务就是把连续场离散化为可制造的几何特征。
二、形貌优化结果的提取与加强筋几何化
形貌优化结果的重构目标是把“起伏场”变成“筋条布局”。实际操作中，第一步是设定高度阈值。在 HyperView 中打开 .h3d 结果，选择 Displacement 或 Shape 分量，将云图下限设为 H_min。经验上 H_min 取 BEADH 的 15%～25%，例如 BEADH=3 mm 时取 0.5～0.75 mm。低于该值的区域视为无效起伏，直接过滤。
第二步是提取筋条中心线。把过滤后的高值区看作“带状区域”，用等值线或骨架化算法提取其中心线。在 HyperMesh 中可借助 Post → Contour → Iso Value 生成等值线，再手动或半自动地拟合成直线段。对于交叉筋，中心线在节点处相交，形成“井”字或“X”形布局。此时需要检查筋条宽度：若某段中心线两侧的带宽小于 MINMEMB（如 8 mm），应将其合并到相邻筋条或直接删除。
第三步是几何化建模。把中心线投影回原始曲面，沿法向拉伸为实体筋。拉伸高度取 BEADH 的 80%～100%，宽度取 MINMEMB。若原始结构是钣金件，也可用“冲压筋”方式在板面上直接生成起伏特征。最终输出为 .step 或 .iges 几何，供 CAD 工程师继续细化圆角与拔模。
Element Stresses 云图，检查筋条是否沿最大主应力迹线布置。若偏差较大，说明阈值设置不合理，应回到第一步调整 H_min。三、自由尺寸优化结果的提取与板厚分区
自由尺寸优化结果的重构目标是把“厚度场”变成“分区板厚”。与形貌优化不同，厚度是标量场，没有方向性，因此重构更接近“分级”问题。第一步同样是设定厚度阈值。将云图下限设为 T_min，通常取 T0 的 1.2～1.5 倍。例如 T0=1 mm、TMAX=5 mm 时，T_min 可取 1.5 mm。低于该值的区域视为“不需要加厚”，保持初始厚度。
第二步是厚度分级。把 T_min 到 TMAX 之间的厚度值离散为 3～4 档，例如 1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm、5 mm。分级依据是制造可行性：每档之间的差值不宜小于 0.5 mm，否则冲压或注塑时难以稳定控制。在 HyperView 中可用 Contour → Banded 模式显示分级后的云图，观察各档区域的连通性。
第三步是边界简化与几何化。厚度分区的边界往往呈锯齿状，需要手动或自动平滑为直线或圆弧。平滑后的边界应尽量与结构特征线（如翻边、安装孔、加强筋）对齐，避免出现“悬空”的厚度突变。几何化时，对每个分区生成独立的板厚属性：在壳单元属性中设置 T 值，或在实体建模中偏置曲面生成不同厚度的板。若分区数超过 4 档，建议合并相邻档位，因为过多的厚度变化会显著增加模具成本。
四、重构结果的再验证
几何化完成后，必须把新几何重新导入 OptiStruct 做一次静力与模态再验证。再验证模型与优化模型的差异在于：优化模型是连续场，再验证模型是离散几何。因此需要关注三个指标：
- 刚度偏差：再验证模型的柔度（Compliance）与优化结果相比，偏差应控制在 5% 以内。若偏差过大，说明简化过程中丢失了关键传力路径。
- 一阶模态频率：再验证模型的一阶频率不应低于优化结果的 95%。若下降明显，说明筋条高度或板厚分区被过度削弱。
- 应力集中：检查筋条根部、厚度突变处的应力是否超过材料屈服强度的 80%。若超限，需在几何化时增加过渡圆角或渐变段。
再验证通过后，重构结果即可交付 CAD 部门。若未通过，应回到提取阶段调整阈值或分级方案，而不是直接修改几何——因为几何修改会破坏优化得到的传力路径，导致“越改越差”。
五、重构检查清单
| 检查项 | 形貌优化 | 自由尺寸优化 |
|---|---|---|
| 阈值设定 | H_min = 15%～25% × BEADH | T_min = 1.2～1.5 × T0 |
| 最小特征尺寸 | 筋宽 ≥ 2 × 单元尺寸，且 ≥ MINMEMB | 分区边界直线段 ≥ 3 × 单元尺寸 |
| 离散档数 | 筋条走向合并为 2～3 个主方向 | 厚度分 3～4 档，档差 ≥ 0.5 mm |
| 几何化方式 | 沿骨架线拉伸实体筋，高度取 BEADH 的 80%～100% | 按分区偏置板厚或生成加强板 |
| 再验证指标 | 柔度偏差 ≤ 5%，一阶频率 ≥ 95% | 柔度偏差 ≤ 5%，应力 ≤ 80% 屈服 |
形貌优化与自由尺寸优化的重构，本质上是把“数学最优”翻译成“工程可造”。阈值决定保留哪些特征，分级决定离散成几档，几何化决定用什么制造特征表达。三者环环相扣，任何一步的粗放处理都会在再验证中暴露为刚度损失或应力集中。因此，重构不是优化的终点，而是新一轮验证的起点。