ABAQUS拓扑优化手册

ABAQUS拓扑优化分析手册/用户手册分析手册：13.

OptimizationTechniques优化技术13.1结构优化：概述13.1.1概述ABAQUS结构优化是一个帮助用户精细化设计的迭代模块。结构优化设计能够使得结构组件轻量化，并满足刚度和耐久性要求。ABAQUS提供了两种优化方法——拓扑优化和形状优化。拓扑优化（Topologyoptimization）通过分析过程中不断修改最初模型中指定优化区域的单元材料性质，有效地从分析的模型中移走/增加单元而获得最优的设计目标。形状优化（Shapeoptimization）则是在分析中对指定的优化区域不断移动表面节点从而达到减小局部应力集中的优化目标。拓扑优化和形状优化均遵从一系列优化目标和约束。最优化方法（Optimization）是一个通过自动化程序增加设计者在经验和直觉从而缩短研发过程的工具。想要优化模型，必须知道如何去优化，仅仅说要减小应力或者增大特征值是不够，做优化必须有更专门的描述。比方说，想要降低在两种不同载荷工况下的最大节点力，类似的还有，想要最大化前五阶特征值之和。这种最优化的目标称之为目标函数（ObjectFunction）。另外，在优化过程中可以同时强制限定某些状态参量。例如，可以指定某节点的位移不超过一定的数值。这些强制性的指定措施叫做约束（Constraint）。ABAQUS/CAE可以创建模型然后定义、配置和执行结构优化。更多信息请参考HYPERLINKFigure13.2.2–1.Figure13.2.2–1Aforgablepart.结构可以从模具的两片中移走,asshowninFigure13.2.2–2.Figure13.2.2–2Amoldablepart.相反的,Figure13.2.2–3说明了孔洞结构或者横切结构适于模压。.Figure13.2.2–3Cavitiesandundercutspreventapartfrombeingmoldable.Abaqus/CAE

Usage:

Optimizationmodule:GeometricRestrictionCreate:Demoldcontrol

维持冲压结构（Maintainingastampablestructure）可以指定结构为冲压过程制造。如果优化过程移走了结构的一个单元，它也同时移走了推进方向前后所有单元。Figure13.2.2–4Astampablestructure.ATOM修改材料的速度在冲压限制的基于刚度的拓扑优化中不能设置的太高，否则会产生独立的结构。Abaqus/CAE

Usage:

Usethefollowingoptiontocreateastampinggeometricrestriction:Optimizationmodule:GeometricRestrictionCreate:StampcontrolUsethefollowingoptiontospecifytherateatwhichtheAbaqus/CAETopologyOptimizationModulemodifiestheelementproperties:Optimizationmodule:TaskCreate:Advanced,Sizeofincrementforvolumemodification指定对称结构（Specifyingasymmetricstructure）在模型中引入对称结构可以显著提高ATOM的优化速度。ATOM中可以采用如对称约束：关于轴线或者平面的对称（投影对称）关于点的对称旋转对称周期性对称拓扑优化中可以应用对称约束到非结构化网格或者四面体网格上。网格必须具有差不多的尺寸，因为那样的话，可以基于非结构网格来优化。另外，ATOM可能会因为网格尺寸差距过大从而导致优化失败。如果定义了形状优化的对称性，则ATOM会集合那些近似对称的节点。ATOM会自动决定对称组中的主点，从而计算出从点位移，通过这种方式达到对称性。如果指定了拓扑优化，优化开始的时候，结构网格不必对称。相反的，形状优化则必须要对称。Abaqus/CAE

Usage:

Optimizationmodule:GeometricRestrictionCreate:Planarsymmetry,Pointsymmetry,Rotationalsymmetry,orCyclicsymmetry应用形状优化的附加约束（Applyingadditionalrestrictionsduringashapeoptimization）形状优化在将表面应力均匀化的同时，满足了目标函数和任何约束。ATOM不能连接相邻节点的位移，每个节点可以独立于其他节点进行移动。例如，优化过程可以将平面区域发展成非平面自由结构表面。通过耦合设计节点，可以强制优化保持平面形状。耦合条件限制了解的范围产生了潜在的优化方向。另外，耦合约束会导致优化非常耗时。为了简化优化，采用越少的限制越好，最好仅在需要的时候才采用这些约束。形状优化过程中可以采用附加约束：优化形状可以被车床或者工具指定的方向进行设计。优化形状可以在指定方向上钻孔制造出来。优化形状可以在选定面上进行滑移而不穿透。限制节点位移:沿着矢量方向在收缩或者膨胀方向的位移沿着指定方向仅仅沿着指定自由度方向仅仅沿着载荷方向。Abaqus/CAE

Usage:

Optimizationmodule:GeometricRestrictionCreate:Turncontrol,Drillcontrol,Penetrationcheck,Slideregioncontrol,orVector.5集合几何约束（Combininggeometricconstraints）每个几何约束都在降低优化结果的可能性。另外，如果你应用了过多几何限制，Abaqus可能不会提供出好的优化结果。因此，优化开始的时候，最好对模型进行少量限制或者不限制。在对没有限制或者少量限制结果的认识基础上，再施加相应的必须的约束。只有少量的几何约束的集合可以应用到优化中，如下：最小成分尺寸（Minimummembersize）对称约束（Symmetryconstraints）制造约束（Manufacturingconstraints）最大成分尺寸（Maximummembersize）应用一个约束会弱化另一个约束的作用，比如不能定义旋转对称约束到一个模具推进方向不平行的方向上。如下制造约束的组合是被允许的：T可以组合关于平面对称的约束和模具中跟这个平面垂直或者平行的推进方向。可以组合旋转约束和对称轴推进方向的模具约束。可以组合关于一个平面的两个对称约束，但是指定平面与之正交。.当第一次利用基于刚度的拓扑优化时，最好不要使用最大成分尺寸和推进方向的组合约束，因为这样可能导致不收敛，除非你能确定这是收敛的。可以指定最小成分尺寸大于最大成分尺寸。Abaqus将会首先运行最小成分尺寸，然后确定其他值。..6停止条件（Stopconditions）停止条件会在每个设计循环中检查最大设计循环是否达到或者是否收敛到了优化的结果。ATOM会提供整体和局部停止条件，然而局部条件很少需要。全局停止条件（Globalstopconditions）全局收敛停止条件定义了设计循环应该达到的最大值。为了限制设计循环的数量，必须为每个优化任务定义一个全局停止条件。ATOM默认值如下表所示：Table13.2.2–1Defaultmaximumnumberofdesigncycles.OptimizationTypeDefaultmaximumnumberofdesigncyclesStiffness-basedtopologyoptimization15Generaltopologyoptimization50Shapeoptimization10Abaqus/CAE

Usage:

Jobmodule:OptimizationCreate:Maximumcycles局部停止条件（Localstopconditions）局部停止条件指出了一个拓扑优化可能收敛的解。局部停止条件应用到模型或者区域中的位移或者应力的优化过程中，来判断优化是否达成。一个局部停止条件对位移或者等效应力或者其和值同其参考值对比。局部停止条件的例子包含如下：如果指定了位移或者应力最小化，局部停止条件可以在优化后位移或者应力增长的时候停止优化过程。当优化过程接近于