ANSYS拓扑优化原理讲解以及实例操作

1、拓扑优化就是指形状优化，有时也称为外型优化。拓扑优化得目标就是寻找承受单载荷或多载荷得物体得最佳材料分配方案。 这种方案在拓扑优化中表现 为最大刚度”设计。与传统得优化设计不同得就是，拓扑优化不需要给出参数与 优化变量得定义。目标函数、状态变量与设计变量（参见优化设计”一章）都就是预定义好得。用户只需要给出结构得参数（材料特性、模型、载荷等）与要省 去得材料百分比。给每个有限元得单元赋予内部伪密度来实现。这些伪密度用 PLNSOL, TOPO命令来绘出。拓扑优化得目标 一一目标函数一一就是在满足结 构得约束（V）情况下减少结构得变形能。减小结构得变形能相当于提高结构得 刚度。这个技术通过使用设

2、计变量。结构拓扑优化得基本思想就是将寻求结构得最优拓扑问题转化为在给定得 设计区域内寻求最优材料分布得问题。 通过拓扑优化分析，设计人员可以全面了 解产品得结构与功能特征，可以有针对性地对总体结构与具体结构进行设计。 特 别在产品设计初期，仅凭经验与想象进行零部件得设计就是不够得。只有在适当 得约束条件下，充分利用拓扑优化技术进行分析， 并结合丰富得设计经验，才能 设计出满足最佳技术条件与工艺条件得产品。连续体结构拓扑优化得最大优点就 是能在不知道结构拓扑形状得前提下，根据已知边界条件与载荷条件确定出较合 理得结构形式，它不涉及具体结构尺寸设计，但可以提出最佳设计方案。拓扑优 化技术可以为设计

3、人员提供全新得设计与最优得材料分布方案。拓扑优化基于概念设计得思想，作为结果得设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当得修改。 最优得设计往往比概念设计得方案结构更轻， 而性能更佳。经过设计人员修改过 得设计方案可以再经过形状与尺寸优化得到更好得方案。5、1、2优化拓扑得数学模型优化拓扑得数学解释可以转换为寻求最优解得过程， 对于她得描述就是：给 定系统描述与目标函数，选取一组设计变量及其范围，求设计变量得值，使得目 标函数最小（或者最大）。一种典型得数学表达式为：gi X,x，v 0g2 X,X,V 0 min f X,Vf x,v -目标函数;式中，X-系统得状态变量； g、g2-一等式与不

4、等式得结束方程;V -设计变量。它就是由设计变注：在上述方程中， X作为系统得状态变量，并不就是独立得变量， 量得出得，并且与设计变量相关。V，并使得目标函数优化拓扑所要进行得数学运算目标就就是，求取合适得设计变量 值最小。5、2基于ANSYS得优化拓扑得一般过程 （进行内容排版修改）在ANSYS中，进行优化拓扑，一般分为 6个步骤。具体流程见图5-1：图5-1优化拓扑操作流程图各个步骤得具体操作解释如下：1、定义需要求解得结构问题对于结构进行优化分析，定义结构得物理特性必不可少，例如，需要定义结 构得杨氏模量、泊松比(其值在0、10、4之间)、密度等相关得结构特性方面 得信息，以供结构计算能

5、够正常执行下去。2、选择合理得优化单元类型2D平面单元：PLANE82单元与PLANE183单元;3D实体单元：SOLID92单元与SOLID95单元； 壳单元：SHELL93单元。在ANSYS中，不就是所有得单元类型都可以执行优化得，必须满足如下得 规定：(1)(2)(3)上述单元得特性在帮助文件中有详细得说明，同时对于2D单元，应使用平面应力或者轴对称得单元选项。3、指定优化与非优化得区域在ANSYS中规定，单元类型编号为1得单元，才执行优化计算；否则，就不执行优化计算。 对于结构分析中， 对于不能去除得部分区域将单元类型编号设定为2,就可以不执行优化计算，请见下面得代码片段：Et,1,s

6、olid92Et,2,solid92Type,1Vsel,s,num,1,2Vmesh,allType,2Vsel,s,num,3Vmesh,all说明：上述代码片段定义相同得单元类型（solid92）,但编号分别为1与2, 并将单元类型编号 1 利用网格划分分配给了 1体与 2体，从而对其进行优化 计算；而单元编号为 2 利用网格划分分配给了 3体，从而不执行优化计算。4、定义载荷步或者需要提取得频率 对于结构优化而言，其总就是在特定得载荷（或者载荷步） ，约束与目标下 进行得，在优化分析得过程中， 必须执行线性结构静态分析， 才能获得需要得优 化之后得形状。在 ANSYS 中，可以对单步载

7、荷或者多步载荷执行优化分析，当 然，单步载荷就是最简单得了。 然而，对于某个特定载荷步， 必须使用 LSWRITE 载荷步存储命令将载荷步预存起来，再用 LSSOLVE 命令进行求解。先瞧瞧下面得代码片段：D,10,all,0,20,1 Nsel,s,loc,y,0 Sf,AllselLswrite,1Ddel,Sfdel,Nsel,s,loc,x,0,1D,all,all,0F,212,fx,Lswrite,2Lswrite,3Fi nishToco mp ,mcom p,m ult ip le,3Tovar,mco mp,objTovar,volume,c on ,10TodefToloo

8、 p,20说明：该代码片段首先定义了 3个载荷步，并利用LSWRITE命令将载荷步 预存；之后利用Tocomp命令定义优化任务目标名称 mcomp，并将体积减少10% 作为优化得约束条件，之后用 Todef初始化优化过程，最后利用 Toloop命令执 行优化计算，最大计算次数20次。相关命令：TOCO MP、TOVAR、TODEF、TOEXE、TOLO OP 与简要说明。(1) TOCO MP :定义结构优化任务目标。(如何理解COMP LIANCE : Complianee本意就是一致性，统一性，在结构优化分析中，特别就是 对于多个载荷步，需要在多个载荷步之间取得一致性得结果， 才能满 足结

9、构优化分析得目标)(2) TOVAR:定义优化变量，可以就是目标变量，也可以就是约束 变量等；(3) TODEF:定义优化得初始化条件或者收敛准则；(4) TOEXE:执行单次优化计算；(5) TOLOOP:批量执行多次优化分析计算。对于TOEXE与TOLOOP之间得区别：TOEXE执行单次优化分析计算，其 本身不执行结构分析过程，因此，在利用 TOEXE命令执行优化计算之前，需要 利用SOLVE或者LSSOLVE命令先执行结构静态分析计算；而TOLOOP就是一 个执行优化计算得宏命令，其中包含了 SOLVE与LSSOLVE等命令，因此在上 述代码片段中没有出现 SOLVE或者LSSOLVE命

10、令。就使用得便利性而言，利 用TOLOOP命令可能更方便，但就是利用 TOEXE命令用户可以创建自己得优 化宏命令，各有所长，主要就是瞧用户如何使用这两个命令了。5、3副车架及纵梁优化模型得建立5、3、1创建参数化有限元模型对副车架及纵梁运用ANSYS进行优化拓扑需要创建有限元模型，我们选择 构件有限元参数化模型时，根据研究对象得特性采用 BEAN188梁单元作为基础 得有限元模型，如图5-2所示。孑聋凹电昱弩詢朋3關T期2聖站孚諒壬占e气毋g丄马字弩I茁珊仝1对缸小疋如冷爲器 8* F 刖 一处li%讯删冲7E T詰卿弱搏2悩如空j賢空3埶 竺別用£串E鉀応EE轴'图 5-

11、2 副车架纵梁优化拓扑模型 创建优化拓扑有限元模型得基本流程为：1）初始化设计变量参数 本章节就是对副车架及纵梁进行优化拓扑，需要对其尺寸参数进行初始化。 而且其设计变量得参数就就是车架纵梁得截面尺寸。2）创建材料特性3）添加单元类型 BEAM1884）创建单元得截面形状 对于副车架纵梁得截面形状， 在输入尺寸值时需要输入参数， 而不就是数值。5）创建单元节点与单元6）定义弯曲边界条件 在定义约束得时候，约束后桥在纵梁上得垂直投影节点得X、Y 、Z 三个方向得平动自由度，约束前桥在纵梁上得垂直投影节点得Y 、Z 两个方向得平动自由度。这样， 车架结构就相当于一个简支架结构， 在前后支撑得中点位

12、置上得纵 梁节点上添加 F=1000N 得载荷，方向垂直向下。7）将建立得参数化有限元模型数据进行保存。5、3、2 优化拓扑模型各项参数设定1、定义工作文件名与工作标题 启动 ANSYS ，单击打开按钮，根据路径选择之前保存好得参数化有限元模 型文件；选择Utility Me nu> Job name命令，出现 Cha nge Job name对话框。在文本框 中输入要使用得文件名称EXERCISE，单击0K按钮关闭该对话框；选择Utility Menu> Title命令，出现Change Title对话框，在文本框中输入工 作标题名称 STRUCTURAL T0P0L0GICAL

13、 0PTIMIZATI0N ，单击 0K 按钮关 闭该对话框。2、定义单元类型选择 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 命令，出现 Eleme nt Types对话框；单击 Add 按钮，出现 Library of Element Types对话框，在 Library of Element Types列表中选择 Structural Solid ,Quad 4node82 在 Element type referenee number 文本框中输入 1，单击 Apply 按钮，采用默认设置， 单击 0K 按钮

14、关闭该对话框。3、定义材料性能参数选择 Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models 命令，出现 Define Material Model Behavior 对话框；在 Material Models Available 一栏中依次单击 Structural、Linear、Elastic、 Istro pic 选项，出现 Linear Isotro pic Prop eties for Material Number 1 对话框，在 EX 文本框中输入2、2E11,在PRXY文本框中输入0、3,单击OK按钮关闭该

15、对 话框。4、对创建得有限元模型进行优化网格划分选择 Main Menu>Preprocessor>Mesheing>Mesh>Areas>Fre命令，出现 MeshAreas菜单，在文本框中输入1，单击OK按钮关闭该菜单；选择 Utility Menu>Select>Entities 命令，出现 Select Entities对话框，在第一 个下拉选项框中选择 Nodes,在第二个下拉选项框中选 By Location，在第三栏中 选择X coordinates,在Min ,Max文本框中输入0,0、4,在第五栏中选择 Form Full，单击0K按

16、钮关闭该菜单；选择 Utility Menu>Select>Entities 命令，出现 Select Entities对话框，在第一 个下拉选项框中选择 Elements,在第二个下拉选项框中选 Attached to,在第三栏 中选择Nodes,在第四栏中选择Form Full，单击OK按钮关闭该对话框；选择 Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Attnbutes>Default Attribs 命 令，出现 Mesh Attributes 对话框，在TYPE Element type number 文本框中输 入2P

17、LANE82，单击OK按钮关闭该对话框；选择 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Move/Modify>Elements>Modefy Attrib 命令，出现 Modify Elem Attr 菜单，单击 Pick All 按钮，出现 Modify Elem Attributes 对话框，在 STLOC Attribute to change 下拉选框中选择 Elem type TYPE，在11 New attribute number文本框中输入2，单击OK按钮关闭该对话 框；选择 Utility Menu>Select&g

18、t;Everything 命令；选择Utility Menu>Plot>Elements命令，ANSYS显示窗口显示所生成得对有 限元模型进行得网格划分模型。5、4优化拓扑结果及分析对ANSYS操作，让其对创建好得副车架有限元参数模型进行优化分析。在 优化完成后，优化结果与为优化时优化变量得值得变化如表5-1所示。根据副车架体积与最大变形随着迭代过程得变化曲线，我们可以知道不仅在刚度、安全性上整体车架进行了有效得优化，对于副车架体积重量等也进行了很好得优化，具(k1*5)VallieSI图5-3体可见图5-3。优化变量初始值下限值上限值优化结果变化比率toulu0、903838E+080 ' 82186E+08-9、07%deflm0、 98162601、21、 1925+21、5%B80709078、 678-1、65%T86106、 9341-13、3%迭