拓扑优化简介及在ansys软件中的实现

ANSYSTRAINING拓扑优化简介及在ANSYS软件中的实现ANSYSTRAINING123拓扑优化概述ANSYS中拓扑优化过程实例讲解主要内容ANSYSTRAINING拓扑优化概述ANSYSTRAINING拓扑优化概述工程结构优化尺寸优化：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。ANSYSTRAINING拓扑描述方式拓扑优化求解算法均匀化方法密度法变厚度法拓扑函数描述法有限元法优化准则法序列凸规划法无网格法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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ANSYSTRAINING可用来解决以下问题：（1）体积约束下的最大刚度设计：以柔顺度为目标函数，体积为约束函数；（2）刚度约束下的最小体积优化：以体积为目标函数，刚度为约束函数；（3）体积约束下的最大动刚度设计：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，0(去掉)、1(保留)拓扑优化概述ANSYSTRAININGANSYS中拓扑优化过程批处理的方式-APDL语言一求解步骤操作方式GUI交互方式–一般用户ANSYSTRAINING•建立几何模型–直接在ANSYS中建立–导入CAD三维建模软件中中性格式–PRO/E软件与ANSYS软件无缝连接•定义单元类型–拓扑优化的有效单元类型为:•PLANE2*或PLANE82*.•SOLID92或SOLID95•SHELL93–定义实常数(壳厚度等)ANSYS中拓扑优化过程ANSYSTRAINING•定义材料属性–要求输入杨氏模量及泊松比；–注意泊松比不是缺省的0.3，需要定义；–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；–最方便的是使用材料库(MPREADwiththeLIBoption,orPreprocessorMaterialPropsMaterialLibrary).ANSYS中拓扑优化过程ANSYSTRAINING•划分网格–对清楚的拓扑结果建议采用细而均匀的网格。然而优化执行多次,因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2或更大。不参与优化的优化的TYPE2elementsTYPE1elements只对类型号为1的单元进行优化，若想排除优化的区域，将该区域单元类型设为2或更大。ANSYS中拓扑优化过程ANSYSTRAINING施加载荷–约束–固定点，对称边界条件等等–外载荷－力、压力、温度及惯性载荷诸如重力及角速度约束对结果有直接的影响底边铰支UX=UY=0底边简支UY=0ANSYS中拓扑优化过程ANSYSTRAINING施加尽可能少的约束；多种载荷，选择性施加:1.在一个载荷步中施加所有载荷–结果形状对所有载荷共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。2.在独立的载荷步中分别施加各自的载荷(LSWRITEorSolutionWriteLSFile...)并指定多载荷步优化求解–结果形状为对每一载荷的等刚度ANSYS中拓扑优化过程ANSYSTRAINING求解拓扑优化问题:–指定优化控制(TOVAR及TODEF命令)•体积减少量(作为百分比)•载荷步数目•收敛容差–开始优化(TOLOOP命令)•指定循环次数体积减少量对结果影响显著ANSYS中拓扑优化过程ANSYSTRAINING•从主菜单选择TopologicalOpt-SetUp-BasicOpt…然后指定体积减少量；•接下来，选择TopologicalOptRun…输入迭代数，并开始优化。ANSYS中拓扑优化过程ANSYSTRAINING•通用后处理器中查看伪密度等值图“topoplot”–PLNSOL,TOPO–orGeneralPostprocPlotResultsNodalSolution…–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(pseudo-density0.0)。ETAB,EDENS,TOPOPLETAB,TOPOPLETAB,EDENSPRETAB,EDENSESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1EPLOT提取保留单元ANSYS中拓扑优化过程ANSYSTRAINING•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2:/CONTOUR,,2或UtilityMenuPlotCtrlsStyleContoursUniformContours...–关闭位移缩放:/DSCALE,,OFF或UtilityMenuPlotCtrlsStyleDisplacementScaling...–关闭图例栏:/PLOPTS,INFO,OFF或UtilityMenuPlotCtrlsWindowControlsWindowOptions...•GUI操作对应命令流的输出–单步查看–最终整体输出Helpisveryhelpful！ANSYS中拓扑优化过程ANSYSTRAINING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，结构的柔顺度最小。实例一力载荷下的拓扑优化3.3KN6.5MPa长×宽=160×120弹性模量70MPa，泊松比为0.33实例讲解ANSYSTRAINING1．定义分析类型PreferenceStructure2．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PreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteAdd（2）定义实常数PreprocessorRealConstantsAdd/Edit/DeleteAdd（3）定义材料属性PreprocessorMaterialPropsMaterialModelsStructuralLinearElasticIsotropic3.利用尺寸变量建立模型PreprocessorModelingCreateAreasRectangleByDimensions4．划分网格PreprocessorMeshingMeshTool实例讲解ANSYSTRAINING5．施加载荷和边界条件SolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementSymmetryB.C.OnNodesSolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureOnNodes节点集合的建立实例讲解ANSYSTRAINING6．求解（1）指定体积减少量TopologicalOpt-SetUp-BasicOpt（2）开始优化TopologicalOptRun（输入迭代数）7．查看求解结果•GeneralPostProcPlotResultsContourPlotNodalSoluNodalSolutionTopologicalOptimizationDensities•TopologicalOptPlotDensities实例讲解ANSYSTRAINING在实例一中的模型上施加热边界条件如下：实例二力热载荷综合作用下的拓扑优化3.3KN6.5MPa长×宽=160×120位置温度（K）换热系数（Wm-2K）11358.371092.362293105.3336313433实例讲解ANSYSTRAINING热-结构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，然后利用热分析结果即节点温度作为“体载荷”施加到随后的结构分析中。耦合方法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分析流程保存温度场物理环境温度场计算包括节点温度！实例讲解ANSYSTRAINING二维实体：PLANE55四节点四边形单元PLANE77八节点四边形单元PLANE35三节点三角形单元三维实体：Solid70一阶六面体单元（可退化为四面体）Solid87二阶四面体单元Solid90二阶六面体单元（可退化为四面体）热分析单元热分析单元转换为结构单元PreprocessorElementTypeSwitchElemType二维实体：PLANE77PLANE183PLANE82三维实体：Solid87Solid187Solid92Solid90Solid186Solid95推荐采用Solid87、Solid90，避免使用六面体单元实例讲解ANSYSTRAINING实例三ANSYSWORKBENCH中的拓扑优化实例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=2×105Mpa，泊松比u=0.3，采用有限元法计算该构件体积减少量为20%时的拓扑结构。ANSYSTRAINING实例讲解1．定义分析类型2．设置材料参数ANSYSTRAINING实例讲解3．建立几何模型ANSYSTRAINING4．设置边界条件ANSYSTRAINING5．计算结果ANSYSTRAINING实例讲解耦合计算，加入静力分析与ansys经典数据交换ANSYSTRAINING