ANSYS Mechanical拓扑优化在工业结构设计的应用

1、ANSYS Mechanical 拓扑优化功能在工业产品结构设计中的应用介绍背景功能预览新拓扑优化系统优化功能界面及使用设计验证流程项目流程设置使用SpaceClaim编辑优化后几何模型验证新设计为增材制造输出优化后模型2大纲介绍GE 航空新材料喷嘴:重量减轻25%5 倍寿命提升设计生产效率提高20倍更低成本增材制造优势？在复杂几何结构上的巨大优势!设计时不用考虑包括网状在内复杂机构制造时的难度最小化零件数量减少材料浪费，增强耐久性 3为什么仿真是充分实现增材制造所有潜力的关键?强化物理驱动的自由形式设计优化方法拓扑优化允许优化设计的验证为增材制造检查优化后的零件R18.0 提供新的基于物理设

2、计优化技术针对结构领域的新拓扑优化系统连接到Static Structural or Modal 模块定义优化目标和约束发现优化后的几何模型检查优化后的几何模型设计验证流程原始和优化后的模型可传递到验证系统在SpaceClaim编辑优化后模型对优化后模型进行验证分析为3D打印导出优化后几何格式文件4功能预览工作流程预览建 立 Static Structural (Modal) 分析拓扑优化设计验证原始模型优化后零件设计验证3D打印导出优化后文件最新流程5拓扑优化系统6功能预览7结构分析线性静态结构分析模态分析稳态分析线性绑定接触仅二维或三维实体结构分析优化目标最大刚度单个和多个载荷最大固有频率

3、单个和多个频率最小质量最小体积响应约束质量体积整体(von-Mises) 应力位移(Beta)固有频率制造约束最小元件尺寸最大元件尺寸拉伸方向(Beta)拓扑优化系统通过Static Structural or Modal 模块 将仿真数据传递到拓扑优化模块上NOTE: 在R18.0，仅Static Structural or Modal支持拓扑优化8由于进行数据连接传递，“TopologyOptimization” 模块出现在仿真分析树状图下在Topology Optimization添加默认类型 :Analysis Settings: 多种求解器设置和控制Solution Selectio

4、n:指示上游仿真类型Optimization Region:定义优化区域或排除 优化区域(该区域不移除材料)响应约束: 定义拓扑优化时极限质量或体 积，最大应力等目标: 定义优化目标，例如最小柔度或者 最大固有频率可在Topology Optimization 处插入额外的分 析功能拓扑优化系统9定义优化区域选择优化区域:Geometry可能是整个组装件, 部分组装件, 或者单 个或多个零件Named Selection可能是几何模型或 者网格集合10定义优化设计目标对于Static Structural and Modal 分析 可以定义如下优化目标：Static Structural: 单

5、个或多个载荷 步最小柔度最小体积最小质量Modal: 单个或多个固有频率最大频率最小体积最小质量11定义响应约束对于Static Structural and Modal 分 析可以定义如下优化目标：Static Structural:质量 (默认设置，50%)体积 (默认设置，50%)位移(Beta in R18.0)全局 von-Mises 应力在表格选项中，可以对每个载荷步 施加不同全局应力约束Modal:质量 (默认设置，50%)体积(默认设置，50%)固有频率Natural Frequency对于每阶模态可以添加最小/最大 频率范围12定义制造约束可以定义如下制造约束：最小元件尺寸最

6、大元件尺寸拉伸方向(Beta)最大、最小元件尺寸可以使用系统默认尺寸，也可以 手动修改13拓扑优化设置对于Static Structural or Modal 分析的网格设置 推荐：使用四边形网格(保留中间节点)如果可能，使用网格常数尺寸分析设置可以对收敛精度等进行检查或修改设置系统控制或者默认设置启动拓扑优化右击Topology Optimization下的Solution object并且选择 “Solve”注意: 为了使用到最大数量的物理内核，可以 使用SMP 和DANSYS方式来进行加速设置方法：Tools Solver Process Settings Advanced14Optim

7、ization Solution Monitoring监测优化过程的方法：求解器输出和收敛表格从Solution Information中查 看求解信息从optimization output中查 看objectives and responseconstraints收敛图表信息拓扑密度跟踪器求解过程中，查看外形演 变过程Nodal Averaged (默认) and Elemental Topology Density的结果可以被跟踪使用者可以在任何时刻停 止求解(假如外形优化过程 已经稳定) 并且可以检查可 用的结果信息15优化结构后处理可视化并检查Nodal Averaged (默认)

8、or Elemental Topology Densities拓扑密度值范围（01.0）高数值表示材料必须被保留，低数值表 示多余材料可以被去除阈值选项使用者可以改变默认阈值，并使用直觉 来决定”最优”拓扑结果默认值0.5，作为优化拓扑结果参考值彩色云图为决定最终的阈值提供通用的 指导高数值导致更“苗条” 结构(更大胆设计), 低数值导致”矮胖”结构 (更保守设计)根据所选择的阈值可以计算出拓扑优化 后的体积和质量并且和原始的体积和质 量对比，帮助用户进一步确定 “更优化” 拓扑结构16设计验证流程17设计验证流程首先确认输出拓扑（STL文件）选项设置为Yes从拓扑优化系统的结果选项中启动设计

9、验证 系统复制拓扑优化系统前的分析模块并且放 在拓扑优化系统的下游数据传递链接在拓扑优化系统的结果选 项和设计验证系统的几何选项之间建立“更新” 拓扑优化系统的结果选项“更新” 验证系统的几何选项优化后的STL格式文件和原始CAD模型都 被传递到验证系统的几何模块中默认使用SpaceClaim进行几何修正18在优化设计系统中启动SpaceClaim优化后的STL格式文件和原始CAD模型 都被传递到SpaceClaim中重要: 导入的STL文件不适于于进行验 证分析. 它必须被编辑并转化为实体几 何模型在SpaceClaim进行接下来的编辑操作对小平面进行处理可选择性对螺栓孔和接触面进行 添加材

10、料精确捕捉原始CAD模型上施加边 界条件的“棱柱”面转化并编辑STL几何模为实体几何在SpaceClaim编辑STL文件（优化后几何）19在SpaceClaim编辑STL文件（优化后几何）在SpaceClaim使用小平面功能用来编辑 STL几何大量可用的编辑工具重要：使用小平面功能需要额外的许可证根据如下操作激活SpaceClaim 中的小平面 功能：File SpaceClaim Options LicenseCheck STL Prep checkbox20使用最优数量的小平面精确呈现优化后的几何 模型在SpaceClaim里有无数工具可以使用，得到高质 量的小平面来呈现优化后的几何模型S

11、hrinkwrap 工具是实现上述目的的较好工具.它 允许用户:使用粗糙的小平面尺寸捕捉“有机”曲面.使用“Gap size” 来设置需要的粗糙小平面尺 寸使用高精度的小尺寸平面捕捉“棱柱”曲 面和其它重要几何特征使用”Secondary size” 设置需要的小平面尺 寸使用“Select Tight-Fit Faces of Facets” 选项选 择原始CAD模型中的曲面(如图中高亮蓝色 显示)， 这些曲面将会使用小平面尺寸使用“Angle threshold” 设置需要的角度值， 接下来满足此角度值的特征将会被保留在SpaceClaim结构树下仅选择小平面选项，然后点击绿色对号，用于包

12、裹优化后的STL 几何模型在SpaceClaim编辑STL文件（优化后几何）21可选择在优化模型的区域，如螺栓孔，吊耳 等添加材料在模型被收缩包裹前，材料可以被添加到原始STL几何模型上原始CAD模型的曲面可以被选择用来在选择区 域创建材料从CAD模型复制选择曲面，并在小平面模型之 上进行粘贴在SpaceClaim编辑STL文件（优化后几何）22在设计栏下的“Pull”工具被用于在螺栓孔和吊耳处创建实体区域在小平面下“Merge” 工具用于将建立好的实体区域添加到优化后的STL几何中依据角度阈值，间隙和二次尺寸设置，将融合后的几何进行收缩包裹在SpaceClaim编辑STL文件（优化后几何）23转换为实体模型并传递到设计验 证系统在SpaceClaim 模型树下选择Shrinkwrap 模型右键并选择转换为实体 融合表面创建实体为传递数据做准备重点是保证仅是用于验证的几何体传递到设计 验证系统中选择原始几何并进行抑制- 右键并选择“Suppress for physics”退出SpaceClaim24进行设计验证在 System C中双击model，启动验 证系统最新的优化后的几何模型将会替代 原始的CAD模型在进行验证前，需要重新进行设置25第一步建议使用“Generate Virtual Cells”，使 用默认的“Automatic” 设置进行设计验证26