(完整版)ANSYS拓扑优化原理讲解及实例操作

拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。

拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最正确材料分配方案。

这种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同的是，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〔参见“优化设计〞一章〕都是预定义好的。

用户只需要给出结构的参数〔材料特性、模型、载荷等〕和要省去的材料百分比。

给每个有限元的单元赋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——是在满足结构的约束〔V〕情况下减少结构的变形能。

减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。

这个技术通过使用设计变量。

结构拓扑优化的根本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题。

通过拓扑优化分析，设计人员可以全面了解产品的结构和功能特征，可以有针对性地对总体结构和具体结构进行设计。

特别在产品设计初期，仅凭经验和想象进行零部件的设计是不够的。

只有在适当的约束条件下，充分利用拓扑优化技术进行分析，并结合丰富的设计经验，才能设计出满足最正确技术条件和工艺条件的产品。

连续体结构拓扑优化的最大优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下，根据边界条件和载荷条件确定出较合理的结构形式，它不涉及具体结构尺寸设计，但可以提出最正确设计方案。

拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布方案。

拓扑优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反应给设计人员并做出适当的修改。

最优的设计往往比概念设计的方案结构更轻，而性能更佳。

经过设计人员修改正的设计方案可以再经过形状和尺寸优化得到更好的方案。

5.1.2优化拓扑的数学模型优化拓扑的数学解释可以转换为寻求最优解的过程，对于他的描述是：给定系统描述和目标函数，选取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〔或者最大〕。

一种典型的数学表达式为：&g1x,x,v&g2x,x,vminfx,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；fx,v-目标函数；-设计变量。

注：在上述方程中，x作为系统的状态变量，并不是独立的变量，它是由设计变量得出的，并且与设计变量相关。

优化拓扑所要进行的数学运算目标就是，求取适宜的设计变量v，并使得目标函数值最小。

基于ANSYS的优化拓扑的一般过程〔进行内容排版修改〕在ANSYS中，进行优化拓扑，一般分为6个步骤。

具体流程见图5-1：定义需要求解的结构问题选择合理的优化单元类型设定优化和非优化的区域定义载荷步或者需要提取的频率对优化过程进行定义和控制计算并查看结果5-1优化拓扑操作流程图各个步骤的具体操作解释如下：1、定义需要求解的结构问题对于结构进行优化分析，定义结构的物理特性必不可少，例如，需要定义结构的杨氏模量、泊松比〔其值在～之间〕、密度等相关的结构特性方面的信息，以供结构计算能够正常执行下去。

2、选择合理的优化单元类型在ANSYS中，不是所有的单元类型都可以执行优化的，必须满足如下的规定：〔1〕2D平面单元：PLANE82单元和PLANE183单元；〔2〕3D实体单元：SOLID92单元和SOLID95单元；〔3〕壳单元：SHELL93单元。

上述单元的特性在帮助文件中有详细的说明，同时对于2D单元，应使用平面应力或者轴对称的单元选项。

3、指定优化和非优化的区域在ANSYS中规定，单元类型编号为1的单元，才执行优化计算；否那么，就不行化算。

于构分析中，于不能去除的局部区域将元型号定≥2，就可以不行化算，下面的代片段：⋯⋯⋯⋯Et,1,solid92Et,2,solid92⋯⋯Type,1Vsel,s,num,,1,2Vmesh,all⋯⋯Type,2Vsel,s,num,,3Vmesh,all⋯⋯⋯⋯明：上述代片段定相同的元型〔solid92〕，但号分1和2，并将元型号1利用网格划分分配了1＃体和2＃体，从而其行化算；而元号2利用网格划分分配了3＃体，从而不行化算。

4、定荷步或者需要提取的率于构化而言，其是在特定的荷〔或者荷步〕，束和目下行的，在化分析的程中，必行性构静分析，才能得需要的化之后的形状。

在ANSYS中，可以步荷或者多步荷行化分析，当然，步荷是最的了。

然而，于某个特定荷步，必使用LSWRITE荷步存命令将荷步存起来，再用LSSOLVE命令行求解。

先看看下面的代片段：⋯⋯⋯⋯D,10,all,0,,20,1Nsel,s,loc,y,0Sf,AllselLswrite,1Ddel,Sfdel,Nsel,s,loc,x,0,1D,all,all,0F,212,fx,Lswrit e,2⋯⋯⋯⋯Lswrite,3⋯⋯⋯⋯Finish⋯⋯Tocomp,mcomp,multiple,3Tovar,mcomp,objTovar,volume,con,,10TodefToloop,20⋯⋯⋯⋯明：代片段首先定了3个荷步，并利用LSWRITE命令将荷步存；之后利用Tocomp命令定化任目名称mcomp，并将体减少10％作化的束条件，之后用Todef初始化化程，最后利用Toloop命令行化算，最大算次数20次。

相关命令：TOCOMP、TOVAR、TODEF、TOEXE、TOLOOP和要明。

〔1〕TOCOMP：定构化任目。

〔如何理解COMPLIANCE：Compliance本意是一致性，一性，在构化分析中，特是于多个荷步，需要在多个荷步之取得一致性的果，才能足构化分析的目〕〔2〕TOVAR：定化量，可以是目量，也可以是束量等；〔3〕TODEF：定化的初始化条件或者收准；〔4〕TOEXE：行次化算；〔5〕TOLOOP：批量行屡次化分析算。

于TOEXE和TOLOOP之的区：TOEXE行次化分析算，其本身不行构分析程，因此，在利用TOEXE 命令行化算之前，需要利用SOLVE或者LSSOLVE命令先行构静分析算；而TOLOOP是一个行化算的宏命令，其中包含了SOLVE和LSSOLVE等命令，因此在上述代片段中没有出SOLVE或者LSSOLVE 命令。

就使用的便利性而言，利用TOLOOP命令可能更方便，但是利用TOEXE命令用可以建自己的化宏命令，各有所，主要是看用如何使用两个命令了。

副架及梁化模型的建立建参数化有限元模型副架及梁运用ANSYS行化拓扑需要建有限元模型，我构件有限元参数化模型，根据研究象的特性采用BEAN188梁元作基的有限元模型，如5-2所示。

5-2副车架纵梁优化拓扑模型创立优化拓扑有限元模型的根本流程为：1〕初始化设计变量参数本章节是对副车架及纵梁进行优化拓扑，需要对其尺寸参数进行初始化。

而且其设计变量的参数就是车架纵梁的截面尺寸。

2〕创立材料特性3〕添加单元类型BEAM1884〕创立单元的截面形状对于副车架纵梁的截面形状，在输入尺寸值时需要输入参数，而不是数值。

5〕创立单元节点和单元6〕定义弯曲边界条件X、Y、Z三个方在定义约束的时候，约束后桥在纵梁上的垂直投影节点的向的平动自由度，约束前桥在纵梁上的垂直投影节点的Y、Z两个方向的平动自由度。

这样，车架结构就相当于一个简支架结构，在前后支撑的中点位置上的纵梁节点上添加F=1000N的载荷，方向垂直向下。

7〕将建立的参数化有限元模型数据进行保存。

优化拓扑模型各项参数设定1.定义工作文件名和工作标题启动ANSYS，单击翻开按钮，根据路径选择之前保存好的参数化有限元模型文件；选择UtilityMenu>File>ChangeJobname命令，出现ChangeJobname对话框。

在文本框中输入要使用的文件名称EXERCISE，单击OK按钮关闭该对话框；选择UtilityMenu>File>ChangeTitle命令，出现ChangeTitle对话框，在文本框中输入工作标题名称STRUCTURALTOPOLOGICALOPTIMIZATION，单击OK按钮关闭该对话框。

2.定义单元类型选择MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令，出现ElementTypes对话框；单击Add 按钮，出现LibraryofElementTypes对话框，在LibraryofElementTypes列表中选择StructuralSolid，Quad4node82，在Elementtypereferencenumber文本框中输入1，单击Apply按钮，采用默认设置，单击OK按钮关闭该对话框。

3.定义材料性能参数选择MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels命令，出现DefineMaterialModelBehavior对话框；MaterialModelsAvailable一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Istropic选项，出现LinearIsotropicPropetiesforMaterialNumber1对话框，在EX文本框中输入，在PRXY文本框中输入，单击OK按钮关闭该对话框。

4.对创立的有限元模型进行优化网格划分选择MainMenu>Preprocessor>Mesheing>Mesh>Areas>Free命令，出现MeshAreas菜单，在文本框中输入1，单击OK按钮关闭该菜单；选择UtilityMenu>Select>Entities命令，出现SelectEntities对话框，在第一个下拉选项框中选择Nodes，在第二个下拉选项框中选ByLocation，在第三栏中选择Xcoordinates，在Min，Max文本框中输入，在第五栏中选择FormFull，单击OK按钮关闭该菜单；选择UtilityMenu>Select>Entities命令，出现SelectEntities对话框，在第一个下拉选项框中选择Elements，在第二个下拉选项框中选Attachedto，在第三栏中选择Nodes，在第四栏中选择FormFull，单击OK按钮关闭该对话框；选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshAttributes>DefaultAttribs命令，出现MeshAttributes对话框，在[TYPE]Elementtypenumber文本框中输入2PLANE82，单击OK按钮关闭该对话框；选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Move/Modify>Elements>ModefyAttrib命令，出现ModifyElemAttr菜单，单击PickAll按钮，出现ModifyElemAttributes对话框，在STLOCAttributetochange下拉选框中选择ElemtypeTYPE，在I1Newattributenumber文本框中输入2，单击OK按钮关闭该对话框；选择UtilityMenu>Select>Everything命令；选择UtilityMenu>Plot>Elements命令，ANSYS显示窗口显示所生成的对有限元模型进行的网格划分模型。