拓扑优化简介及在ansys软件中的实现实用教案

1、123拓扑(tu p)优化概述ANSYS中拓扑(tu p)优化过程实例(shl)讲解主要内容第1页/共30页第一页，共30页。拓扑(tu p)优化概述第2页/共30页第二页，共30页。拓扑(tu p)优化概述工程(gngchng)结构优化尺寸优化：以几何尺寸为设计变量,而材料的性质,结构的拓扑(tu p)和几何形状保持不变形状优化：以连续体几何区域的边界线或边界面为设计变量，拓扑保持不变。拓扑优化：寻求结构的最优拓扑 在计区域内寻求材料的最优分布问题。第3页/共30页第三页，共30页。拓扑(tu p)描述方式拓扑(tu p)优化求解算法均匀化方法密度法变厚度法拓扑(tu p)函数描述法有限元法

2、优化准则法序列凸规划法无网格法l设计变量多，计算规模大，目标函数和约束函数一般为设计变量的非线性、非单调函数l经常出现多孔材料、棋盘格现象、网格依赖性和局部极值问题等数值计算问题均匀化方法优化准则法序列凸规划法拓扑优化概述第4页/共30页第四页，共30页。可用来解决以下问题：（1） 体积约束下的最大刚度(n d)设计：以柔顺度为目标函数，体积为约束函数；（2） 刚度(n d)约束下的最小体积优化：以体积为目标函数，刚度(n d)为约束函数；（3） 体积约束下的最大动刚度(n d)设计：以n阶自振频率为目标函数,体积为约束函数；（4） 以上多种工况的组合优化问题；依赖于单元的伪密度来决定材料去留

3、(q li)，0 (去掉) 、1 (保留)拓扑(tu p)优化概述第5页/共30页第五页，共30页。ANSYS中拓扑(tu p)优化过程批处理的方式(fngsh)- APDL语言 一求解(qi ji)步骤操作方式 GUI交互方式 一般用户 第6页/共30页第六页，共30页。 建立几何模型建立几何模型 直接直接(zhji)在在ANSYS中建立中建立 导入导入CAD三维建模软件中中性格式三维建模软件中中性格式 PRO/E软件与软件与ANSYS软件无缝连接软件无缝连接 定义单元类型定义单元类型 拓扑优化的有效单元类型为拓扑优化的有效单元类型为: PLANE2* 或或 PLANE82*. SOLID9

4、2 或或 SOLID95 SHELL93 定义实常数定义实常数(壳厚度等壳厚度等) ANSYS中拓扑(tu p)优化过程第7页/共30页第七页，共30页。 定义材料属性定义材料属性 要求输入杨氏模量及泊松比；要求输入杨氏模量及泊松比； 注意注意(zh y)泊松比不是缺省的泊松比不是缺省的0.3 ，需要定义；，需要定义； 对重力、旋转或惯性载荷需要定义密度；对重力、旋转或惯性载荷需要定义密度； 记住使用统一的单位制；记住使用统一的单位制； 最方便的是使用材料库最方便的是使用材料库 (MPREAD with the LIB option, or Preprocessor Material Prop

5、s Material Library).ANSYS中拓扑(tu p)优化过程第8页/共30页第八页，共30页。 划分网格划分网格 对清楚对清楚(qng chu)的拓扑结果建议采用的拓扑结果建议采用细而均匀的网格。然而优化执行多次细而均匀的网格。然而优化执行多次, 因因此网格过细运行时间也会增加；此网格过细运行时间也会增加； 将不优化的单元类型设置为将不优化的单元类型设置为2或更大。或更大。不参与(cny)优化的优化的TYPE 2elementsTYPE 1 elements只对类型(lixng)号为1的单元进行优化，若想排除优化的区域，将该区域单元类型(lixng)设为2或更大。ANSYS中拓

6、扑优化过程第9页/共30页第九页，共30页。l施加载荷施加载荷l约束约束 固定点，对称固定点，对称(duchn)边界条件等等边界条件等等l外载荷力、压力、温度及惯性载荷诸如重力及角速度外载荷力、压力、温度及惯性载荷诸如重力及角速度约束(yush)对结果有直接的影响 底边(d bin)铰支UX=UY=0 底边简支UY=0ANSYS中拓扑优化过程第10页/共30页第十页，共30页。 施加尽可能少的约束；施加尽可能少的约束； 多种载荷，选择性施加多种载荷，选择性施加: 在一个载荷步中施加所有载荷在一个载荷步中施加所有载荷 结果形状结果形状(xngzhun)对所有载荷共同作用提供最大刚度；对所有载荷共

7、同作用提供最大刚度； 产生非保守逼近，因为它假定所有载荷同时作用并为整个幅值。产生非保守逼近，因为它假定所有载荷同时作用并为整个幅值。 在独立的载荷步中分别施加各自的载荷在独立的载荷步中分别施加各自的载荷 (LSWRITE or Solution Write LS File.) 并指定多载荷步优化求解并指定多载荷步优化求解 结果形状结果形状(xngzhun)为对每一载荷的等刚度为对每一载荷的等刚度ANSYS中拓扑(tu p)优化过程第11页/共30页第十一页，共30页。4求解拓扑优化问题求解拓扑优化问题:4指定优化控制指定优化控制 (TOVAR 及及TODEF命令命令) 4体积减少量体积减少量

8、(作为百分比作为百分比)4载荷步数目载荷步数目4收敛容差收敛容差4开始优化开始优化(TOLOOP 命令命令)4指定循环指定循环(xnhun)次数次数体积减少量对结果影响(yngxing)显著ANSYS中拓扑(tu p)优化过程第12页/共30页第十二页，共30页。 从主菜单从主菜单(ci dn)选择选择 Topological Opt -Set Up- Basic Opt 然后指定然后指定体积减少量；体积减少量； 接下来，选择接下来，选择Topological Opt Run 输入迭代数，并开始优化。输入迭代数，并开始优化。ANSYS中拓扑(tu p)优化过程第13页/共30页第十三页，共30

9、页。 通用通用(tngyng)后处理器中查看伪密度等值图后处理器中查看伪密度等值图 “topo plot” PLNSOL,TOPO or General Postproc Plot Results Nodal Solution 红色表示要保留的材料红色表示要保留的材料 (pseudo-density 1.0)； 蓝色表示可以去掉的材料蓝色表示可以去掉的材料 (pseudo-density 0.0)。ETAB,EDENS,TOPO PLETAB,TOPO PLETAB,EDENS PRETAB,EDENSESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1 EPLOT提取(tq)保留单元ANSYS中拓

10、扑(tu p)优化过程第14页/共30页第十四页，共30页。 三个有用的图形操作（对所有结果图均适用）：三个有用的图形操作（对所有结果图均适用）： 设等值图线数为设等值图线数为2: /CONTOUR,2 或或 Utility Menu PlotCtrls Style Contours Uniform Contours. 关闭位移关闭位移(wiy)缩放缩放: /DSCALE,OFF 或或 Utility Menu PlotCtrls Style Displacement Scaling. 关闭图例栏关闭图例栏: /PLOPTS,INFO,OFF或或 Utility Menu PlotCtrls

11、Window Controls Window Options. GUI操作对应命令流的输出操作对应命令流的输出 单步查看单步查看 最终整体输出最终整体输出Help is very helpful！ANSYS中拓扑(tu p)优化过程第15页/共30页第十五页，共30页。对一长正方形平板零件，底边中部受到均匀的压力6.5MPa，顶部两侧受到集中载荷3.3KN。本问题的目标是在体积减少70%的条件下，结构(jigu)的柔顺度最小。 实例实例(shl)(shl)一一 力载荷下的拓扑优化力载荷下的拓扑优化3.3KN6.5MPa长长宽宽=160 120弹性模量(tn xn m lin)70MPa，泊松比

12、为0.33实例讲解实例讲解第16页/共30页第十六页，共30页。1定义分析类型定义分析类型Preference Structure2定义单元类型、平板厚度以及材料属性定义单元类型、平板厚度以及材料属性（1）定义单元类型与参数选项）定义单元类型与参数选项Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Add （2）定义实常数）定义实常数Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete Add （3）定义材料属性）定义材料属性PreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructura

13、lLinearElasticIsotropic 3. 利用尺寸变量建立模型利用尺寸变量建立模型Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions 4划分划分(hu fn)网格网格Preprocessor Meshing Mesh Tool 实例实例(shl)讲解讲解第17页/共30页第十七页，共30页。5施加施加(shji)载荷和边界条件载荷和边界条件Solution Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Nodes Solution Define

14、 Loads Apply Structural Pressure On Nodes 节点集合(jh)的建立实例实例(shl)讲解讲解第18页/共30页第十八页，共30页。6求解求解（1）指定体积减少量）指定体积减少量Topological Opt -Set Up- Basic Opt（2）开始优化）开始优化Topological Opt Run （输入迭代数）（输入迭代数）7查看查看(chkn)求解结果求解结果General Post Proc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Nodal Solution Topological Optimizatio

15、n DensitiesTopological Opt Plot Densities实例实例(shl)讲解讲解第19页/共30页第十九页，共30页。在实例(shl)一中的模型上施加热边界条件如下：实例二实例二 力热载荷综合力热载荷综合(zngh)(zngh)作用下的拓扑优化作用下的拓扑优化3.3KN6.5MPa长长宽宽=160 120位置位置 温度（温度（K）换热系数换热系数（Wm-2K）1 11358.371358.371092.361092.362 2293293105.3105.33 33633631343313433实例实例(shl)讲解讲解第20页/共30页第二十页，共30页。n热-结

16、构(jigu)耦合分析采用顺序耦合分析的方法，即首先进行整机温度场分析，然后利用采用顺序耦合分析的方法，即首先进行整机温度场分析，然后利用热分析结果即节点温度作为热分析结果即节点温度作为“体载荷体载荷”施加施加(shji)(shji)到随后的结到随后的结构分析中。构分析中。耦合方法耦合方法(fngf)温度场边界条件转换单元转换材料属性转换接触算法设置参考温度清除物理环境设置边界条件分析流程分析流程保存温度场物理环境温度场计算包括节点温度！包括节点温度！实例讲解实例讲解第21页/共30页第二十一页，共30页。二维实体：二维实体：PLANE55PLANE55四节点四节点(ji din)(ji di

17、n)四边形单元四边形单元 PLANE77 PLANE77八节点八节点(ji din)(ji din)四边形单元四边形单元 PLANE35 PLANE35三节点三节点(ji din)(ji din)三角形单元三角形单元三维实体：三维实体：Solid70 Solid70 一阶六面体单元（可退化为四面体）一阶六面体单元（可退化为四面体） Solid87 Solid87 二阶四面体单元二阶四面体单元 Solid90 Solid90 二阶六面体单元（可退化为四面体）二阶六面体单元（可退化为四面体）热分析(fnx)单元热分析单元(dnyun)转换为结构单元(dnyun)Preprocessor Eleme

18、nt Type Switch Elem Type二维实体：二维实体：PLANE77 PLANE183 PLANE82PLANE77 PLANE183 PLANE82三维实体：三维实体：Solid87 Solid187 Solid92Solid87 Solid187 Solid92 Solid90 Solid186 Solid95 Solid90 Solid186 Solid95推荐采用Solid87、Solid90，避免使用六面体单元实例讲解第22页/共30页第二十二页，共30页。实例实例(shl)(shl)三三 ANSYS WORKBENCH ANSYS WORKBENCH中的拓扑优化中的拓扑优化实例实例(shl)讲解讲解一个两端固定支撑，受均布载荷q=100MPa的横梁，其厚度h=100mm，材料的弹性模量E=2105Mpa，泊松比u=0.3，采用有限元法计算该构件体积(tj)减少量为20%时的拓扑结构。第23页/共30页第二十三页，共30页。实例实例(shl)讲解讲解1