ansys拓撲優(yōu)化設(shè)計理論

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1、拓撲優(yōu)化是指形狀優(yōu)化，有時也稱為外型優(yōu)化。拓撲優(yōu)化的目標是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓撲優(yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計。與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計不同的是，拓撲優(yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義。日標函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計變量（參見“優(yōu)化設(shè)計"一章）都是預(yù)定義好的。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)（材料特性、模型、載荷等）和要省去的材料百分比。拓撲優(yōu)化的目標——目標函數(shù)——是在滿足結(jié)構(gòu)的約束（V）情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能。減小結(jié)構(gòu)的變形能相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。這個技術(shù)通過使用設(shè)計變量（hi）給每個有限元的單元賦予內(nèi)部偽密度來實現(xiàn)。這些偽密度用PLNSOL,TOPO

2、命令來繪出。例如，給定V=60表示在給定載荷并滿足最大剛度準則要求的情況下省去60%的材料。圖2-1表示滿足約束和載荷要求的拓撲優(yōu)化結(jié)果。圖2-la表示載荷和邊界條件，圖2-2b表示以密度云圖形式繪制的拓撲結(jié)果。圖2?1體積減少60%的拓撲優(yōu)化示例如何做拓撲優(yōu)化拓撲優(yōu)化包括如下主要步驟：1.定義拓撲優(yōu)化問題。2.選擇單元類型。3.指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域。4.定義和控制載荷工況。5.定義和控制優(yōu)化過程。6.查看結(jié)果。拓撲優(yōu)化的細節(jié)在下面給出。關(guān)于批處理方式和圖形菜單方式不同的做法也同樣提及。定義拓撲優(yōu)化問題定義拓撲優(yōu)化問題同定義其他線性，彈性結(jié)構(gòu)問題做法一樣。用戶需要定義

3、材料特性（楊氏模量和泊松比），選擇合適的單元類型生成有限元模型，施加載荷和邊界條件做單載荷步或多載荷步分析。參見“ANSYSAnalysisProceduresGuides55第一、二章。選擇單元類型拓撲優(yōu)化功能可以使用二維平面單元，三維塊單元和殼單元。要使用這個功能，模型屮只能有下列單元類型：二維實體單元：SOLID2和SOLID82三維實體單元：SOLID92和SOLID95殼單元：SHELL93二維單元用于平面應(yīng)力問題。指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域只有單元類型號為1的單元才能做拓撲優(yōu)化?？梢允褂眠@種限制控制模型優(yōu)化和不優(yōu)化的部分。例如，如杲要保留接近圓孔部分或支架部分的

4、材料，將這部分單元類型號指定為2或更大即可：???ET,1,SOLID92ET,2,SOLID92???TYPEJVSEL,S,NUM,,1,,2!用這些單元劃分的實體將被優(yōu)化VMESH,ALLTYPE,2VSEL,S,NUM,,3!用這些單元劃分的實體將保持原狀VMESH,ALL???用戶可以使用ANSYS的選擇和修改命令控制單元劃分和類型號定義。定義和控制載荷工況可以在單個載荷工況和多個載荷工況下做拓撲優(yōu)化。單載荷工況是最簡便的。要在幾個獨立的載荷工況中得到優(yōu)化結(jié)果吋，必須用到寫載荷工況和求解功能。在定義完每個載荷工況后，要用LSWRITE命令將數(shù)據(jù)寫入文件，然后用L

5、SSOLVE命令求解載荷工況的集合。例如，下面的輸入演示如何將三個載荷工況聯(lián)合做一個拓撲優(yōu)化分析。???D,10,ALL,0,,20,1!定義第一個載荷工況的約束和載荷NSEL,S,LOC,Y,0SF,ALLSELLSWRITE,1!寫第一個載荷工況DDEL,SFDEL,NSEL,S,LOC,X,0,1D,ALL,ALL,0NSEL,ALLF,212,FXLSWRITE,2!寫第二個載荷工況???LSWRITE,3!寫第三個載荷工況???FINISH/SOLUTIONTOPDEF,10,3!定義優(yōu)化的參數(shù)LSSOLVE,1,3,1!在拓撲優(yōu)化前做所有三個載荷工況求解???

6、定義和控制優(yōu)化過程拓撲優(yōu)化過程包括兩部分：定義優(yōu)化參數(shù)和進行拓撲優(yōu)化。用戶可以用兩種方式運行拓撲優(yōu)化：控制并執(zhí)行每一次迭代，或自動進行多次迭代。ANSYS有三個命令定義和執(zhí)行拓撲優(yōu)化：TOPDEF,TOPEXE和TOPITER。TOPDEF命令定義要省去材料的量，要處理載荷工況的數(shù)目，收斂的公差。TOPEXE命令執(zhí)行一次優(yōu)化迭代。TOPITER命令執(zhí)行多次優(yōu)化迭代?！x優(yōu)化參數(shù)首先耍定義優(yōu)化參數(shù)。用戶要定義要省去材料的百分比，要處理載荷工況的數(shù)冃，收斂的公差。命令：TOPDEFGUI：MainMenu>Solution>-Solve-Topologicalopt注—本步

7、所定義的內(nèi)容并不存入ANSYS數(shù)據(jù)庫中，因此在下一個拓撲優(yōu)化中要重新使用TOPDEF命令。—執(zhí)行單次迭代定義好優(yōu)化參數(shù)以后，可以執(zhí)行一次迭代。迭代后用戶可以查看收斂情況并繪出或列出當(dāng)前的拓撲優(yōu)化結(jié)果?？梢岳^續(xù)做迭代直到滿足要求為止。如果是在GUI方式下執(zhí)行，在TopologicalOptimization對話框(ITER域)中選擇一次迭代。命令：TOPEXEGUI：MainMenu>Solution>-Solve-Topologicalopt下面的例子說明了如何在拓撲優(yōu)化中每次執(zhí)行一次迭代：???/SOLUTIONTOPDEF