1、ANSYS TRAINING拓扑优化简介及在拓扑优化简介及在ANSYS软件中的实现软件中的实现ANSYS TRAINING123拓扑优化概述拓扑优化概述ANSYS中拓扑优化过程中拓扑优化过程实例讲解实例讲解主要内容主要内容ANSYS TRAINING拓扑优化概述拓扑优化概述ANSYS TRAINING拓扑优化概述拓扑优化概述工程结构优化工程结构优化尺寸优化：尺寸优化：以几何尺寸以几何尺寸为设为设计变量计变量,而材料的性质而材料的性质,结构结构的拓扑和几何形状保持不变的拓扑和几何形状保持不变形状优化：形状优化：以连续体几何区以连续体几何区域的边界线或边界面为设计域的边界线或边界面为设计变量，拓扑
2、保持不变。变量，拓扑保持不变。拓扑优化：拓扑优化：寻求结构的最优寻求结构的最优拓扑拓扑 在计区域内寻在计区域内寻求材料的最优分布问题。求材料的最优分布问题。ANSYS TRAINING拓扑描述方式拓扑描述方式拓扑优化求解算法拓扑优化求解算法均匀化方法均匀化方法密度法密度法变厚度法变厚度法拓扑函数描述法拓扑函数描述法有限元法有限元法优化准则法优化准则法序列凸规划法序列凸规划法无网格法无网格法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
3、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题等数值计算问题均匀化方法均匀化方法优化准则法优化准则法序列凸规划法序列凸规划法拓扑优化概述拓扑优化概述ANSYS TRAINING可用来解决以下问题：可用来解决以下问题：（1 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；约束函数；（2 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；束函数；（3 3）体积约束下的最大动刚度设计：以体积约束下的最大动刚度设计：以n n阶自振频率为目标函数
4、阶自振频率为目标函数,体积为约束函数；体积为约束函数；（4 4）以上多种工况的组合优化问题；以上多种工况的组合优化问题；依赖于单元的依赖于单元的伪密度伪密度来决定材料来决定材料去留，去留，0(0(去掉去掉)、1(1(保留保留)拓扑优化概述拓扑优化概述ANSYS TRAININGANSYS中拓扑优化过程中拓扑优化过程批处理的方式批处理的方式-APDL APDL语言语言 一一求解步骤求解步骤操作方式操作方式 GUIGUI交互方式交互方式 一般用户一般用户 ANSYS TRAINING 建立几何模型建立几何模型直接在直接在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
5、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*.SOLID92 或或 SOLID95 SHELL93定义实常数定义实常数(壳厚度等壳厚度等)ANSYS中拓扑优化过程中拓扑优化过程ANSYS TRAINING 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；注意泊松比不是缺省的注意泊松比不是缺省的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
6、是使用材料库最方便的是使用材料库(MPREAD with the LIB option,or Preprocessor Material Props Material Library).ANSYS中拓扑优化过程中拓扑优化过程ANSYS TRAINING 划分网格划分网格对清楚的拓扑结果建议采对清楚的拓扑结果建议采用细而均匀的网格。然而用细而均匀的网格。然而优化执行多次优化执行多次,因此网格因此网格过细运行时间也会增加；过细运行时间也会增加；将不优化的单元类型设置将不优化的单元类型设置为为2或更大。或更大。不参与优化的不参与优化的优化的优化的TYPE 2elementsTYPE 1 elemen
7、ts只对类型号为只对类型号为1的单元进的单元进行优化，行优化，若想排除优化的若想排除优化的区域，将该区域单元类型区域，将该区域单元类型设为设为2或更大。或更大。ANSYS中拓扑优化过程中拓扑优化过程ANSYS TRAININGl施加载荷施加载荷约束约束 固定点，对称边界条件等等固定点，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外载荷力、压力、温度及惯性载荷诸如重力及角速度速度约束对结果有直接的影响约束对结果有直接的影响 底边铰支底边铰支UX=UY=0 底边简支底边简支UY=0ANSYS中拓扑优化过程中拓扑优化过程ANSYS TRAINING施加尽可能少的约束；施加尽可能少的约束
8、；多种载荷，选择性施加多种载荷，选择性施加:1.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对所有载荷共同作用提供最大刚度；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。个幅值。2.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为对每一载荷的等刚度结果形状为对每一载荷的等刚度ANSYS中拓扑优化过程中拓扑优化过程ANSYS TRAININ
9、G4求解拓扑优化问题求解拓扑优化问题:指定优化控制指定优化控制(TOVAR 及及TODEF命令命令)体积减少量体积减少量(作为百分比作为百分比)载荷步数目载荷步数目 收敛容差收敛容差开始优化开始优化(TOLOOP 命令命令)指定循环次数指定循环次数体积减少量对体积减少量对结果影响显著结果影响显著ANSYS中拓扑优化过程中拓扑优化过程ANSYS TRAINING 从主菜单选择从主菜单选择 Topological Opt -Set Up-Basic Opt 然后指定体积减少量；然后指定体积减少量；接下来，选择接下来，选择Topological Opt Run 输输入迭代数，并开始优化。入迭代数，并
10、开始优化。ANSYS中拓扑优化过程中拓扑优化过程ANSYS TRAINING 通用后处理器中查看伪密度等值图通用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
11、 EPLOT提取保留单元提取保留单元ANSYS中拓扑优化过程中拓扑优化过程ANSYS TRAINING 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.关闭位移缩放关闭位移缩放:/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 Plo
12、tCtrls 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中拓扑优化过程中拓扑优化过程ANSYS TRAINING对一长正方形平板零件，底边中部受到均匀的压力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，顶部两侧受到集中载荷两侧受到集中载荷3.3KN。本问题的目标是在体积减少。本问题的目标是在体积减少70%的条的条件下，结构的柔顺度最小。件下，结构的柔顺度最小。实例一实例一 力载荷下的拓扑优化力载荷下的拓扑优化3.3K
13、N6.5MPa长长宽宽=160 120弹性模量弹性模量70MPa，泊松比为泊松比为0.33实例讲解实例讲解ANSYS TRAINING1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PreprocessorMater
14、ial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic 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划分网格划分网格Preprocessor Meshing Mesh Tool 实例讲解实例讲解ANSYS TRAINING5施加载荷和边界条件施加载荷和边界条件Solution Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C.On Nodes Solutio
15、n Define Loads Apply Structural Pressure On Nodes 节点集合的建立节点集合的建立实例讲解实例讲解ANSYS TRAINING6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查看求解结果查看求解结果General Post Proc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Nodal Solution Topological Optimization Densi
16、tiesTopological Opt Plot Densities实例讲解实例讲解ANSYS TRAINING在实例一中的模型上施加热边界条件如下：在实例一中的模型上施加热边界条件如下：实例二实例二 力热载荷综合作用下的拓扑优化力热载荷综合作用下的拓扑优化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实例讲解实例讲解ANSYS TRAININGn热热-结构耦合分析结构耦合分析采用采用顺序耦合分析顺序耦
17、合分析的方法，即首先进行整机温度场分析，然的方法，即首先进行整机温度场分析，然后利用热分析结果即后利用热分析结果即节点温度节点温度作为作为“体载荷体载荷”施加到随后的施加到随后的结构分析中。结构分析中。耦合方法耦合方法温度场温度场边界条件边界条件转换转换单元单元转换转换材料属性材料属性转换转换接触算法接触算法设置设置参考温度参考温度清除清除物理环境物理环境设置设置边界条件边界条件分析流程分析流程保存温度场保存温度场物理环境物理环境温度场温度场计算计算包括节点温度！包括节点温度！实例讲解实例讲解ANSYS TRAINING二维实体：二维实体：PLANE55PLANE55四节点四边形单元四节点四边
18、形单元 PLANE77PLANE77八节点四边形单元八节点四边形单元 PLANE35PLANE35三节点三角形单元三节点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）热分析单元热分析单元热分析单元转换为结构单元热分析单元转换为结构单元Preprocessor Element Type Switch Elem Type二维实体：二维实体：PLANE77 PLAN
19、E183 PLANE82PLANE77 PLANE183 PLANE82三维实体：三维实体：Solid87 Solid187 Solid92Solid87 Solid187 Solid92 Solid90 Solid186 Solid95 Solid90 Solid186 Solid95推荐采用推荐采用Solid87、Solid90，避免使用，避免使用六面体单元六面体单元实例讲解实例讲解ANSYS TRAINING实例三实例三 ANSYS WORKBENCHANSYS WORKBENCH中的拓扑优化中的拓扑优化实例讲解实例讲解一个两端固定支撑，受均布载荷一个两端固定支撑，受均布载荷q=100M
20、Pa的横梁，其厚度的横梁，其厚度h=100mm，材料的弹性模量，材料的弹性模量E=2105Mpa，泊松比，泊松比u=0.3，采用，采用有限元法计算该构件体积减少量为有限元法计算该构件体积减少量为20%时的拓扑结构。时的拓扑结构。ANSYS TRAINING实例讲解实例讲解1定义分析类型定义分析类型2设置材料参数设置材料参数ANSYS TRAINING实例讲解实例讲解3建立几何模型建立几何模型ANSYS TRAINING4设置边界条件设置边界条件ANSYS TRAINING5计算结果计算结果ANSYS TRAINING实例讲解实例讲解耦合计算，加入静力分析耦合计算，加入静力分析与与ansys经典数据交换经典数据交换ANSYS TRAININGANSYS TRAINING祝您成功！祝您成功！
