Topos4.0软件分析MOFs拓扑实例
拓扑优化、设计验证、3D打印-案例讲述“三个火枪手”的故事
拓扑优化（Topology Optimization）是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。
设计验证- 基于高端CAE仿真软件进行产品性能的评估，CAE技术为产品设计提供了保障。
拓扑优化与用于设计验证的仿真软件的结合衍生出了新层次的设计自由度，设计师可以轻松地通过拓扑优化找到材料布局，再考虑更多的设计要求，包括应力、屈服强度等通过晶格进行更精细程度的材料分配，达到设计的最优化。
3D打印适合用来制造非常复杂的产品设计，尤其是那些通过传统制造难以或者无法加工出来的设计。
总体来说，拓扑优化技术寻求获得产品设计最佳材料分布的“物善其用”，设计验证基于产品性能出发为拓扑优化结果“保驾护航”。
“拓扑优化、用于设计验证的仿真、3D打印”三者的联袂，实现以“轻量化、结构一体化、高端复杂化”为导向的产品再设计，是面向增材制造的先进设计与制造的“三个火枪手”。
此外，在3D打印领域，关于工艺控制方面的仿真也尤为重要，随着3D打印产业化的深入，仿真贯穿了设计到制造的方方面面。
拓扑优化，设计验证、3D打印，这三者的结合释放了设计的自由度，拓扑优化与仿真的结合将最优的结构形状与最优的产品性能相结合起来设计，这样的设计通过3D打印技术“输出”出来。
三者相互配合，相互促进，相得益彰。
本期，增材专栏与大家一同感受数字制造界的产品再设计。
通过安世亚太分享的案例讲述“三个火枪手”如何进行材料拓扑最优布局、晶格点阵精细化设计、产品轻量化与结构一体化设计、刻面光顺化与重构设计、仿真设计验证等多种内容。
起点-拓扑优化技术安世中德作为安世亚太与德国CADFEM合资公司，将面向增材制造的先进设计与制造构架分为四个环节：(1) 先进设计(2) 工艺设计与优化(3) 增材制造设备(4) 质量检测其中“先进设计”作为“面向增材先进设计与制造”第一环节涉及三个步骤：(1) 起点-拓扑优化技术(2) 过程-设计与模型处理光顺化与重构(3) 验证-仿真计算与评估拓扑优化技术应用能建立在静力学、屈曲、高级非线性、模态、谐响应、随机振动等多种仿真计算基础上,多款仿真软件均有能力不等的拓扑优化分析模块，其中ANSYS Topology Optimization和ANSYS Genesis均有良好的拓扑优化能力表现。
拓扑教程
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例）
再次点击点击这个笔状（Run IsoCryst ）的图形，仔细查看 配位环境，发现MOF-5为 Zn4O构型，只需断开对苯二 甲酸的C-O键，即可把Zn4O 作为节点断开
Zn4O结构
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例） 再找到C-O键，将 其设置为氢键，点 save即可
把Save Centroid的勾取 消，点击OK即可
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例）
点击Element, 再点击Ti，点 击OK,发现Ti 变黑了，再 点击OK，弹 出了下页的 窗口
点击Run
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例）
简化拓扑后 的键长
拓扑的连 接方式以 及拓扑的 符号
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例）
双击这个，弹 出这个窗口
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例）
再次查看 配位环境
发现结构 已经分为 Zn4O和配 体两部分 了
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例）
点击Run ADS
点击Options， 具体设置如下图 所示
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例）
点击Run
命名为1
点击Whole Molecule,弹出 新的窗口，见 下页PPT
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例）
此处命名 要为：1
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例）
点击这个笔 状（Run IsoCryst ） 的图形，弹 出这个窗口
拓扑软件的使用流程 （MOF-5为例）
点击这个两 个圈（Run AutoCn） 的图形，弹 出这个窗口
可以查看配 位环境
一般都不用重新设置，【重新设置：点 Default键，Matrix(选 Sectors、Solid Ang.、Dist. +Rsds、 Atom) 】
Topos4.0计算MOF拓扑2
数据来源：/doi/suppl/10.1021/acs.inorgchem.5b00987 CCDC号：1045864ZnL4拓扑分析1. 打开软件，找到CIF文件导入(database菜单下的import)：单击打开，出现如下：单击打开，出现如下：单击Yes,出现如下：在对话框中输入1（即将0改为1），再单击OK,在出现的对话框中单击OK,最终出现导入分子式，如下：2. 读取原子信息：即单击，出现如下界面：选择OPTIONS,按下图设置参数：单击OK，并RUN。
出现如下的原子信息结果：单击新窗口外的任意地方，回到主操作界面，以进行下一步操作：3. 选择氢键模式：双击界面上的操作对象（即图中蓝色选择的分子式），在弹出的下图窗口中选择Adjacency Matrix，出现键联信息。
将所有羰基C原子和苯环C原子设为H键，将吡啶环与苯环间C原子设为H键，将联轮桨中间O-Zn键设为H键(右键单击相应原子，在弹出菜单中选择H-BOND，此例中即C1-C8,C3-C4，C6-C9，O6-Zn2)。
设置结果如下：单击save保存。
(有时候会出现一些不正常即原来没有的键，可以将它们设为非键)4. 计算拓扑。
单击，单击option，选项卡勾选如下，common中增选一下，并单击Yes；Topology中的H bond从None改选为Mol，单击OK单击Run，单击Yes，输入1，右击选择select all，单击Whole Molecule。
再在主程序的单击菜单栏中的Compound下的Auto Determine中的Simplify Adjacency Matrix，不用改动，单击OK，新拓扑已经生成。
5.查看新拓扑, 单击主菜单的，弹出拓扑绘图窗口，再次单击新窗口的，即可看到拓扑图：{可以对其进行操作：为选择原子；为转动图片；为平面转动；按住鼠标左键推拉可以放大缩小图片；为平移；（可以设置原子颜色：用单击某个原子，出现如下对话框, 在选择Cryst.Sort时，单击Change Color可以对一类原子变色；）; 单击可以延伸结构图}。
topsis法案例
TOPSIS 法案例引言在决策过程中，我们经常需要评估不同选项的综合表现，以做出最佳决策。
TOPSIS 法（技术排序法）是一种常用的多准则决策分析方法，通过将各个选项与一个理想解和一个负理想解进行比较，以确定最优选项。
TOPSIS 法的基本原理TOPSIS 法基于以下假设： 1. 列出决策矩阵，包含n 个选项和m 个评价指标。
2. 对每个指标进行标准化处理，以确保它们在相同量级上。
3. 确定理想解和负理想解： - 理想解是指在每个指标上均达到最大值的解； - 负理想解是指在每个指标上均达到最小值的解。
4. 计算每个选项与理想解和负理想解之间的欧氏距离。
5. 计算每个选项与理想解和负理想解之间的相对接近程度。
6. 根据相对接近程度对选项进行排序。
TOPSIS 法案例分析假设我们需要在三个供应商中选择最佳供应商用于采购原材料。
我们使用以下四个评价指标进行评估：价格、质量、交货时间和售后服务。
供应商 价格（万元） 质量（百分比） 交货时间（天数） 售后服务（评分） A 10 95 7 8 B 9 90 5 9 C158537步骤一：标准化处理为了将不同量级的指标进行比较，我们需要对每个指标进行标准化处理。
标准化的表达式如下所示：x′ij =x √∑x ij2n i=1其中，x′ij 是标准化后的值，x ij 是原始值。
我们进行标准化处理后的结果如下：供应商价格（万元）质量（百分比）交货时间（天数）售后服务（评分）A 0.56 0.70 0.66 0.53B 0.51 0.66 0.55 0.58C 0.85 0.61 0.33 0.44步骤二：确定理想解和负理想解理想解是在每个指标上均达到最大值的解，负理想解是在每个指标上均达到最小值的解。
我们可以通过对每个指标的取最大值和最小值来确定理想解和负理想解。
经过计算，我们得到的理想解为：价格（万元）质量（百分比）交货时间（天数）售后服务（评分）0.85 0.70 0.66 0.58负理想解为：价格（万元）质量（百分比）交货时间（天数）售后服务（评分）0.51 0.61 0.33 0.44步骤三：计算与理想解和负理想解之间的欧氏距离欧氏距离的计算公式如下：md(X i,Y)=√∑(x′ij−y′j)2j=1其中，X i是第i个选项，Y是理想解或负理想解。
(完整版)ANSYS拓扑优化原理讲解以及实例操作
拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。
拓扑优化的目标是找寻蒙受单载荷或多载荷的物体的最正确资料分派方案。
这类方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。
与传统的优化设计不一样的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。
目标函数、状态变量和设计变量（拜见“优化设计”一章）都是预约义好的。
用户只要要给出构造的参数（资料特征、模型、载荷等）和要省去的材料百分比。
给每个有限元的单元给予内部伪密度来实现。
这些伪密度用 PLNSOL，TOPO 命令来绘出。
拓扑优化的目标——目标函数——是在知足构造的拘束（V ）状况下减少构造的变形能。
减小构造的变形能相当于提升构造的刚度。
这个技术经过使用设计变量。
构造拓扑优化的基本思想是将追求构造的最优拓扑问题转变为在给定的设计地区内追求最优资料散布的问题。
经过拓扑优化剖析，设计人员能够全面认识产品的构造和功能特点，能够有针对性地对整体构造和详细构造进行设计。
特别在产品设计早期，仅凭经验和想象进行零零件的设计是不够的。
只有在适合的拘束条件下，充足利用拓扑优化技术进行剖析，并联合丰富的设计经验，才能设计出知足最正确技术条件和工艺条件的产品。
连续体构造拓扑优化的最大长处是能在不知道构造拓扑形状的前提下，依据已知界限条件和载荷条件确立出较合理的构造形式，它不波及详细构造尺寸设计，但能够提出最正确设计方案。
拓扑优化技术能够为设计人员供给崭新的设计和最优的资料散布方案。
拓扑优化鉴于观点设计的思想，作为结果的设计空间需要被反应给设计人员并做出适合的改正。
最优的设计常常比观点设计的方案构造更轻，而性能更佳。
经过设计人员修悔过的设计方案能够再经过形状和尺寸优化获取更好的方案。
5.1.2 优化拓扑的数学模型优化拓扑的数学解说能够变换为追求最优解的过程，关于他的描绘是：给定系统描绘和目标函数，选用一组设计变量及其范围，求设计变量的值，使得目标函数最小（或许最大）。
一种典型的数学表达式为：&g1 x , x, v&g2 x, x, vmin f x , v式中， x -系统的状态变量；g1、 g2-一等式和不等式的结束方程； f x ,v -目标函数；v-设计变量。
TOPOS4.0检查MOF拓扑简易操作流程
TOPOS4.0检查MOF 拓扑简易操作流程拓扑简易操作流程非澹泊无以明志，非宁静无以致远！1. 下载下载与与安装topos4.0程序可以直接在http://www.topos.ssu.samara.ru 网站上免费注册下载。
除下载主程序之外，可以把网站提供的一些拓扑数据文件和说明帮助文件也同时下载。
下载完成之后解压即可使用。
注意注意：：需要把数据库文件依照扩展名不同分别放入TTD 目录和TTO 目录（若无此目录就新建之），这用于将来MOF 的拓扑是否属于已知的拓扑类型。
2. 设定TTD 和TTO 目录打开topos40.exe ，出现如下界面：点击System 按钮检查TOPOS paramaters ，查看其中的数据库文件的路径是否正确，若不正确，修正之。
3. 检查拓扑检查拓扑类型类型类型的具体流程的具体流程(以HKUST-1为例来说明)(a) 对于HKUST-1这个著名的MOF ，我想大家都应该很熟悉了，这里就不多做介绍了。
从CCDC 数据库中得到HKUST-1的晶体结构，cif 格式或者res 格式都可以(个人比较喜欢res 格式)。
在HKUST-1晶体结构中，均苯三甲酸(BTC)连接paddle-wheel 双核Cu SBU 构成了三维网络结构。
对于它的拓扑，我们可以先做简单的评估，把BTC 看成三连接的结点，同时把双核Cu 看成四连接的结点。
有了这些初步的简化，我们就可以利用topos4.0来检查其具体的拓扑类型了。
(注意注意：：拓扑的类型决定于你简化的方式，不同的简化方式的得到拓扑类型可能完全不同)(b) 直接把原始的cif 或者res 数据导入topos4.0来检查拓扑有时候不太方面，特别是对于以金属簇为结点的结构。
因此我们可以在XP ，或者Xseed 程序中进行一下技术处理。
如图所示，首先删除所有的游离水分子和H 原子，这些对拓扑没影响；然后找到BTC 苯环的中心，将其命名为新的C3，删除原先的C3；同样操作找到双核Cu 的中心，命名为Cu1，删除原先的Cu1和O2；保存修改后的res 文件。
topsis法例题详解
TOPSIS法是一种常用的多属性决策分析方法，下面是详细的例子：
首先，我们假设有4个目标（A、B、C、D）和3个评价指标（指标1、指标2、指标3）。
每个目标在各项指标上的表现如下：
•目标A：指标1（0.5），指标2（0.6），指标3（0.4）
•目标B：指标1（0.4），指标2（0.5），指标3（0.7）
•目标C：指标1（0.6），指标2（0.4），指标3（0.5）
•目标D：指标1（0.7），指标2（0.3），指标3（0.6）
接下来，我们按照TOPSIS法的步骤进行分析：
归一化处理：为了消除不同指标量纲的影响，我们需要对初始矩阵进行归一化处理。
归一化处理的公式为：aij = xij / sqrt(sum(xij^2))，其中xij表示第i个目标的第j项指标值。
归一化后的矩阵如下：
计算加权标准化矩阵Z：在TOPSIS法中，我们需要考虑不同指标的权重。
假设指标1、指标2和指标3的权重分别为w1=0.3、w2=0.4和w3=0.3。
加权标准化矩阵Z的计算公式为：zij = wij * aij，其中wij表示第j个指标的权重，aij表示归一化后的矩阵元素。
计算得到的加权标准化矩阵如下：
接下来，我们需要确定正理想解和负理想解，并计算每个目标与正理想解和负理想解的距离。
最后，根据距离计算每个目标的综合评价值，并进行排序。
由于篇幅限制，这里不再详细展示后续步骤的计算过程。
通过TOPSIS法的分析，我们可以得到每个目标的综合评价值，从而为目标排序提供依据。
在实际应用中，TOPSIS法可以用于各种多属性决策问题，如项目评估、产品选择等。
topsis法(优劣解距离法)例子源码和拓展资料
topsis法(优劣解距离法)例子源码和拓展资料TOPSIS法（Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution）是一种多属性决策方法，用于评估选择方案的相对优劣。
它基于比较选择方案与理想解和负理想解的接近程度，从而确定最佳选择方案。
TOPSIS法的基本原理是将待选方案与理想解和负理想解进行比较，并计算其与两者的距离。
理想解是指在各属性上都取最高值的方案，而负理想解则是各属性上都取最低值的方案。
根据欧几里得距离或其他距离度量方法，可以计算出每个选择方案与理想解和负理想解的距离。
为了进行计算，首先需要构建一个决策矩阵，其中每行代表一个选择方案，每列表示一个属性。
属性可以是关于选择方案的性能指标，如价格、质量、可靠性等。
然后，通过将矩阵的每个元素标准化，将属性值转化为无量纲的相对值。
标准化可以采用最大最小法或标准差法。
接下来，需要确定每个属性的权重，以反映其在决策中的重要性。
权重可以通过主观评估或数学方法来确定。
一种常用的方法是层次分析法（AHP），通过专家评估或问卷调查获得每个属性的权重。
计算完标准化矩阵和权重后，可以计算每个选择方案与理想解和负理想解之间的距离。
对于每个选择方案，计算其与理想解和负理想解的欧几里得距离或其他距离度量。
然后，根据离理想解的距离与离负理想解的距离之比，计算得到方案的综合得分。
综合得分越接近1，表示选择方案越接近理想情况；越接近0，表示选择方案越接近负理想情况。
根据综合得分的大小，可以确定最佳的选择方案。
下面是一个使用Python实现TOPSIS法的例子源码：```pythonimport numpy as npdef topsis(decision_matrix, weights):# 标准化决策矩阵normalized_matrix = decision_matrix /np.sqrt((decision_matrix**2).sum(axis=0))# 计算理想解和负理想解ideal_solution = np.max(normalized_matrix, axis=1)negative_ideal_solution = np.min(normalized_matrix, axis=1)# 计算与理想解和负理想解的距离distance_from_ideal = np.sqrt(((normalized_matrix - ideal_solution[:,np.newaxis])**2).sum(axis=1))distance_from_negative_ideal =np.sqrt(((normalized_matrix -negative_ideal_solution[:,np.newaxis])**2).sum(axis=1)) # 计算综合得分scores = distance_from_negative_ideal /(distance_from_ideal + distance_from_negative_ideal) return scores示例输入decision_matrix = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]])weights = np.array([0.5, 0.3, 0.2])调用TOPSIS方法计算得分scores = topsis(decision_matrix, weights)print(scores)```通过运行上述源码，可以得到每个选择方案的综合得分。
拓扑优化案例
拓扑优化案例
在数学中，拓扑学是研究空间及其变换的学科。
在实际应用中，拓扑学可以应用于优化问题中。
下面我们将介绍几个拓扑优化的案例。
1. 空气动力学中的拓扑优化
在空气动力学中，拓扑优化可以用来优化飞行器的外形，以减少空气阻力和提高飞行效率。
通过对飞行器外形进行拓扑优化，可以得到一些非常优秀的设计方案，可以显著降低空气阻力，减少能源消耗。
2. 机器人路径规划中的拓扑优化
在机器人路径规划中，拓扑优化可以用来寻找最优路径。
通过对机器人空间进行拓扑分析，可以得到一些关键点和路径，使得机器人在规定的时间内完成任务，同时减少机器人的移动时间和能耗。
3. 计算机网络中的拓扑优化
在计算机网络中，拓扑优化可以用来优化网络的连接方式和带宽分配。
通过对网络拓扑结构进行分析和优化，可以实现更高效的数据传输和更好的网络性能。
总之，拓扑优化在不同领域都有广泛的应用，可以帮助我们寻找最优设计方案，提高效率和降低成本。
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TOPOS操作流程
TOPOS操作流程
TOPOS简易教程
1. 打开TOPOS 4.0 Professional软件→Databas→Import，选择cif文件（随便取名）→点击yes→输入1→一直OK到底，界面显示为Compounds.
2.点击（Run AutoCN）→点Run→关掉当前窗口→选择yes.
3. 点击（Run IsoCryst），出现图形界面→再点击此小铅笔按钮，出现不完整结构→接着点击（Growing structure）长出完整结构→找出与金属原子配位的原子，记住需要将配位键弱化为氢键的键→双击分子式→在中选择
需要弱化的键，右击→→→点击save保存.
4. （无需弱化为氢键时不需要这一步，如单核）
关掉界面，回到主菜单→点击（Run ADS）→点击Options→Common下选择第3个→Topology下全都不选→H bonds 处记得选择Mol→OK→Run→Yes→1→点击Whole molecule→OK.
5. 回到主菜单，点击C ompound→选择最下方的倒数第二行
→再选择第四行的→OK→OK.
6. 再回到主菜单，点击（Run ADS）→点击Options→Common 下选择第2个
→Topology下选择第3和第5个→H bonds处记得选择None →OK→Run→Yes→全选→OK（出分析结果）。
7. 点击（Run IsoCryst），画拓扑结构（最好用Diamond画）。
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具体流程
• .cif 文件导入，生成.cmp文件；
• 运行“IsoCryst”，点击图标， 查看分 析结构；
• 运行“autoCN”，点击图标， 位数；
分析配
• 运行“ADS”，点击图标，
分析结果。
Zif-8为例分析MOFs拓扑的具体流程
Topos4.0软件 分析MOFs拓扑实例
主要内容
• Topos4.0软件下载
官方网站：
• 软件使用前检查及主要功能简介 • Topos4.0分析MOFs拓扑实例
Topos4.0软件下载
可以直接在 网站上免费注册下载。除主程序之外，网 站还提供说明帮助文件以及使用教程。 为方便大家使用，网站把主程序和ttd，tto等文件集成 在一起，制作成kit文件。我们只需要下载kit文件，解 压即可使用。
AutoCN
IsoCryst
ADS
Simplify adjacent matrix
ADS
No Image
断键型分子筛-LTA 拓扑分析
Hai-Xia Zhang, Jian Zhang*, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 (31), 11884–11887
Import，IsoCryst
AutoCN
Simplify adjacent matrix
IsoCryst
ADS
Isocryst
ADSExport Nhomakorabeadiamond
AutoCN
No Image
ADS
小结
• Topos4.0功能强大。除分析拓扑外， 作图（isocryst）； 分析tilings， 产生3dt软件的输入文件； 导出各种不同格式文件，cif文件可用于diamond作图， systre.cgd文 件可用于systre 软件的输入文件；等等。
谢谢大家！
Topos4.0软件官方网站：
Kit文件下载
软件使用检查
主要功能简介
IsoTest ADS
DiAn (Distances and Angles)
HSite AutoCN
Dirichlet
IsoCryst
主要功能简介
分析MOFs拓扑实例
1. 以ZIF-8 为例，演示topos4.0软件分析 MOF拓扑类型的具体流程
双击此代码， 查看ZIF-8的一些信息。
运行“IsoCryst”
运行auto CN
运行“ADS”
多核金属和簇单元处理-配位键弱化成氢键
Zhong min Su, CrystEngComm. 2012, DOI: 10.1039/c0xx00000x
Import .cif
IsoCryst
• 对简单的化合物，智能化程度较高，如ZIF-8，全部按照默认操作进 行即可。
• 不具备纠错功能。 • 分析拓扑的目的在于简化，便于结构描述和他人的认知，单纯的new
topology 没有任何意义。对同一结构，不同的人进行分析可能会得 到不同的结果，没有对错之分，关键是选取节点要有一定的化学意 义，和结构描述有关联性。因此，做拓扑分析前，需要对化合物的 结构很熟悉，做到心中有数，合理选取节点。