拓扑优化简介及在ansys软件中的实现
拓扑优化简介及在ansys软件中的实现
件中的实现
ANSYS TRAINING
主要内容
1
2 3
拓扑优化概述 ANSYS中拓扑优化过程 实例讲解
ANSYS TRAINING
拓扑优化概述
ANSYS TRAINING
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
ANSYS TRAINING
实例讲解
实例二 力热载荷综合作用下的拓扑优化
3.3KN
换热系数 （Wm-2K）
在实例一中的模型上施加热边界条件如下：
位置 温度（K）
长×宽=160 ×120
1 2 3
1358.37 293 363
1092.36 105.3 13433
6.5MPa
ANSYS TRAINING
• GUI操作对应命令流的输出
– 单步查看 – 最终整体输出
Help is very helpful！
ANSYS TRAINING
实例讲解
实例一 力载荷下的拓扑优化
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。 3.3KN
实例讲解
热-结构耦合分析
耦合方法
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。
分析流程
温度场 边界条件 清除 物理环境 转换 单元 保存温度场 物理环境 转换 材料属性 温度场 计算 转换 接触算法 设置 参考温度 设置 边界条件
–PLNSOL,TOPO –or General Postproc > Plot Results > Nodal Solution… –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)。
《Ansys拓扑优化》课件
优化飞机和航天器的结构，在减少重量的同时提高强度和刚度。
汽车工程
改进汽车结构以提高燃油效率和碰撞安全性。
建筑工程
优化建筑结构以提供更好的抗震性能和节能效果。
传统的结构优化与拓扑优化的 区别
• 传统的结构优化方法通常只考虑材料的分布，而拓扑优化还考虑了形 状的优化。
• 拓扑优化可以提供更自由的设计空间，允许非常复杂的结构形态。 • 拓扑优化能够更全面地优化结构的性能指标，如重量、刚度、疲劳寿
Ansys提供了先进的优化算法， 能够高效地进行拓扑优化。
集成的结构分析
Ansys可以直接对结构进行有 限元分析，提供准确的性能评 估。
与CAD软件的无缝集成
Ansys可以导入CAD模型，轻 松进行拓扑优化设计。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ansys拓扑优化的输入数据要求
• 结构的几何形状和边界条件 • 设计的材料特性 • 优化目标和约束条件
命等。
拓扑优化的基本原理
拓扑优化基于有限元分析和优化算法，通过迭代地将材料从刚度较低的区域 转移到刚度较高的区域，以实现结构的最佳形态。
拓扑优化的流程
1
初始设计生成
2
根据设计要求生成初始设计。
3
优化迭代
4
通过重新分配材料进行优化迭代，直 到达到最优解。
设计空间定义
确定可调整材料的区域和边界条件。
有限元分析
使用有限元方法对结构进行力学分析， 评估性能。
拓扑优化在工程设计中的意义
1 降低成本
通过优化材料使用，减少了成本和浪费。
2 提高性能
优化后的结构能够提供更好的性能指标，如强度、刚度和疲劳寿命。
3 实现轻量化设计
基于ANSYS的空间桁架结构拓扑优化设计
( 4) 在 得 到的 拓 扑优 化 结 果基 础 上, 利 用 APDL 命令提取和输出节点的坐标, 得出各节杆的 节距, 可以实现在满足一 定强度条件下杆的截 面 尺寸优化。
2 建模
AN SY S 拓扑 优化 功能 可以 用 于求 得 最 优结 构 , 以获得最大刚度、最小体积或最大 自振频率。拓 扑优化的原理是在满足结构体积减小量的条件 下 使结构的柔度极小化, 极 小化的结构柔度实际 就 是要求结构的刚度最大化, 优化过程是通过自 动 改变设计变量, 即单元伪密度 ( ) 来实现的。单 元伪密度 = 0的材料为可以删除的部分, 单元伪 密度 = 1的材料为保留的部分 [ 1, 2] 。
作 者: 魏文儒 地 址: 大连理工大学机械工程学院 邮 编: 116023
四连杆式带式制动器的结构与计算
中船重工集团第七 & 四研究所 姚化利 上海吴泾化工设计院 刘朝阳
带式制动器有多种结构形式, 本文介绍基本 式四连杆式带式制动器, 其结构原理源于普通 带 式制动器, 另外给出了具有代表 性的 2种动力 配 置结构形式: 螺杆动力式和两段螺 杆式。分析 了 其结构、功能特点和计算方法。
4 汪希萱, 曾胜 电磁式在线自动平衡系统及其动平衡方 法研究 热能动力工程, 2003, 18 ( 103): 53# 57
5 ISO 1925, Ba lanc ing - V ocabu lary, 1981
作 者: 程 峰 地 址: 山西太原中北大学机电工程学院航空宇航工程系 邮 编: 030051
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。
拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。
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。
结构拓扑优化的基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，才能设计出满足最佳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，根据已知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，但可以提出最佳设计方案。
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馈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。
经过设计人员修改过的设计方案可以再经过形状和尺寸优化得到更好的方案。
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：()()()12,,0,,0min ,g x x v g x x v f x v ⎧=⎪⎪≤⎨⎪⎪⎩&& 式中，x -系统的状态变量；12g g 、-一等式和不等式的结束方程；(),f x v -目标函数；v -设计变量。
ANSYS拓扑优化实例-三维块的优化
ANSYS拓扑优化实例如下图所示的长方体，受到一个1000N的集中载荷，四周为固定端，弹性模量为E=2e11，泊松比为0.3。
1.设定分析作业名从实用菜单中选择Utility Menu：File>Change Jobname 命令，将打开Change Jobname对话框，如图所示，输入example of topology单击OK。
2.设定分析标题从实用菜单中选择Utility Menu：File>Change Title 命令，将打开Change Title对话框，如图所示，输入single-load example of topo单击OK。
3.定义单元类型（1）从主菜单中依次选择Main Menu：Preprocessor-Element Type-Add/Edit/Delete命令将打开Element Type（单元类型）对话框。
（2）单击Add，将打开Library of Element Type ，选择Solid95，依次单击Apply、OK。
如下图所示，单元类型对话框将会出现两个单元类型（拓扑优化只优化单元类型为1（Type1）的部分）。
（3）单击Close，完成设置。
4.定义材料属性（1）从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor-Material Props-Material Models将打开Define Material Model Behavior（定义材料属性）窗口，左窗口Material Model Number 1。
（2）依次在右窗口双击Structural>Linear>Elastic>Isotropic,给出弹性模量EX=2e11和泊松比PRXY=0.3。
（3）单击OK回到Define Material Model Behavior（定义材料属性）窗口，关闭窗口完成设置。
5.创建几何模型由于体的一部分不作优化，所以划分网格时，会要求不同部分选择不同的单元类型。
如何利用ANSYS进行拓扑优化
如何利用ANSYS进行拓扑优化前言就目前而言，利用有限元进行优化主要分成两个阶段：（1）进行拓扑优化，明确零件最佳的外形、刚度、体积，或者合理的固有频率，主要目的是确定优化的方向；（2）进行尺寸优化，主要目的是确定优化后的的零件具体尺寸值，通常是在完成拓扑优化之后，再执行尺寸优化。
在ANSYS中，利用拓扑优化，可以完成以下两个目的：（1）在特定载荷和约束的条件下，确定零件的最佳外形，或者最小的体积（或者质量）；（2）利用拓扑优化，使零件达到需要的固有频率，避免在使用过程中产生共振等不利影响。
本文主要就在ANSYS环境中如何执行拓扑优化进行说明。
1、利用ANSYS进行拓扑优化的过程在ANSYS中，执行优化，通常分为以下6个步骤：、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。
、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。
、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；否则，就不执行优化计算。
例如，对于结构分析中，对于不能去除的部分区域将单元类型编号设定为≥2，就可以不执行优化计算，请见下面的代码片段：…………Et,1,solid92Et,2,solid92……Type,1Vsel,s,num,,1,2Vmesh,all……Type,2Vsel,s,num,,3Vmesh,all……说明：上述代码片段定义相同的单元类型（solid92），但编号分别为1和2，并将单元类型编号1利用网格划分分配给了1＃体和2＃体，从而对其进行优化计算；而单元编号为2利用网格划分分配给了3＃体，从而不执行优化计算。
如何采用ansys workbench对结构进行拓扑优化分析
如何采用ansys workbench对结构进行拓扑优化分析
在ansys workbench中拓扑优化分析流程如下所示。
以下图所示结构为例，演示拓扑优化分析的过程，优化条件如下：
最大应力小于1000PSI；质量去除50%；结构材料为结构钢；结构承受750psi的内压，两端的安装孔固定约束。
拓扑优化的边界条件设置如下，设置对应的优化区域，载荷约束条件区域为非优化区域，设置最大应力和去除质量的约束条件。
优化前后的结果对比，优化后材料质量取出来42%
基于SCDM模块，对优化后的片面模型进行几何处理，并将模型一键转为为实体模型，进行优化后模型的验证分析。
验证分析的流程如下所示，通过workbench的一键传递，自动生成验证分析的静力学模块，按照上图所示的几何模型，完成几何处理，最后进行验证分析。
验证前后的结果对比如下所示，初始模型的变形为0.00032in，优化后模型的变形为
0.00061，初始模型的最大应力为8208psi，优化后模型的最大应力为9636psi，满足优化要求。
《Ansys拓扑优化》课件
REPORTING
• 拓扑优化概述 • ANSYS拓扑优化的基本原理 • ANSYS拓扑优化的操作流程 • 拓扑优化案例分析 • 结论与展望
目录
PART 01
拓扑优化概述
REPORTING
拓扑优化的定义
拓扑优化是在给定设计空间、载荷和约束条件下，通过求解数学优化问题，确定 最优的材料分布方案，以达到结构轻量化、刚度最大化或柔度最小化的目的。
PART 05
结论与展望
REPORTING
拓扑优化在工程设计中的重要性
01
02
03
提高结构效率
通过优化材料的分布，减 少不必要的材料，降低重 量并提高结构的刚度和稳 定性。
降低制造成本
减少材料使用意味着减少 生产成本和资源消耗，同 时优化设计可降低加工难 度。
创新设计
拓扑优化能够发现传统设 计方法无法达到的全新设 计方案，为工程师提供更 多创新选择。
熟悉ANSYS软件
深入了解ANSYS拓扑优化的基本原理、操作 流程和参数设置。
建立合理的模型
根据实际工程问题，建立准确的数学模型， 并选择合适的优化算法。
迭代与调整
在优化过程中，根据收敛情况和结果反馈， 不断调整优化参数和方法。
结果验证与评估
对优化后的设计方案进行实验验证，确保其 在实际应用中的可行性和可靠性。
迭代与收敛
在优化过程中，迭代计算并检查收敛性，直 至达到预设的收敛准则或迭代次数。
结果后处理和评估
评估与验证
根据优化结果，评估设计的可行性和有效性 ，如有需要可进行实验验证。
结果后处理
查看拓扑优化结果，如等效应力、应变分布 等。
设计优化建议
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实例讲解
6．求解
（1）指定体积减少量
Topological Opt > -Set Up- Basic Opt
（2）开始优化
Topological Opt > Run （输入迭代数）
7．查看求解结果
• General Post Proc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu Nodal Solution > Topological Optimization Densities • Topological Opt >Plot Densities
– 定义实常数(壳厚度等)
ANSYS中拓扑优化过程
• 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 (MPREAD with the LIB option,
or Preprocessor > Material Props > Material Library).
个幅值。 2. 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 – 结果形状为对每一载荷的等刚度
ANSYS中拓扑优化过程
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)
ANSYS中拓扑优化过程
• 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 (pseudo-density 1.0)； – 蓝色表示可以去掉的材料 (pseudo-density 0.0)。 提取保留单元 ETAB,EDENS,TOPO PLETAB,TOPO PLETAB,EDENS PRETAB,EDENS ESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1 EPLOT
（3）定义材料属性
Preprocessor>Material Props>Material Models>Structural>Linear>Elastic>Isotropic
3. 利用尺寸变量建立模型
Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By Dimensions
热分析单元转换为结构单元 Preprocessor > Element Type >Switch Elem Type
二维实体：PLANE77 PLANE183 PLANE82
三维实体：Solid87 Solid187 Solid92 Solid90 Solid186 Solid95
推荐采用Solid87、Solid90，避免使用六面体单元
– 单步查看 – 最终整体输出
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实例讲解
实例一 力载荷下的拓扑优化
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。 3.3KN
长×宽=160 ×120
弹性模量 70MPa， 泊松比为0.33
➢分析流程温ຫໍສະໝຸດ 场 边界条件保存温度场 物理环境
温度场 计算
清除 物理环境
转换 单元
转换 材料属性
转换 接触算法
设置
设置
参考温度 边界条件
包括节点温度！
实例讲解
热分析单元
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）
Utility Menu > PlotCtrls > Style > Displacement Scaling...
– 关闭图例栏: /PLOPTS,INFO,OFF或
Utility Menu > PlotCtrls > Window Controls > Window Options...
• GUI操作对应命令流的输出
实例讲解
实例三 ANSYS WORKBENCH中的拓扑优 一个两端固定支撑，受均布载荷化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。
1．定义分析类型
实例讲解
2．设置材料参数
3．建立几何模型
实例讲解
4．设置边界条件
5．计算结果
耦合计算，加入静力分析
实例讲解
与ansys经典数据交换
优化的 不参与优化的
ANSYS中拓扑优化过程
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
底边简支UY=0
ANSYS中拓扑优化过程
➢ 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
• 载荷步数目 • 收敛容差
体积减少量对
– 开始优化(TOLOOP 命令)
• 指定循环次数
结果影响显著
ANSYS中拓扑优化过程
• 从主菜单选择 Topological Opt > -Set UpBasic Opt … 然后指定体积减少量；
• 接下来，选择Topological Opt > Run … 输 入迭代数，并开始优化。
求解步骤
ANSYS中拓扑优化过程
操作方式
批处理的方式APDL语言 一
GUI交互方式– 一般用户
ANSYS中拓扑优化过程
• 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
拓扑优化简介及在ANSYS 软件中的实现
主要内容
1 拓扑优化概述 2 ANSYS中拓扑优化过程 3 实例讲解
拓扑优化概述
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。
6.5MPa
实例讲解
1．定义分析类型
Preference > Structure
2．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
Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete > Add
（2）定义实常数
Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete > Add
拓扑优化概述
依赖于单元的伪密度来决定材料 去留，0 (去掉) 、1 (保留)
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；
4．划分网格
Preprocessor > Meshing > Mesh Tool
实例讲解
5．施加载荷和边界条件
Solution > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > Symmetry B.C. > On Nodes Solution > Define Loads > Apply > Structural > Pressure > On Nodes
ANSYS中拓扑优化过程
• 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。
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。
TYPE 2 elements
TYPE 1 elements
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。
拓扑优化概述
拓扑描述方式
➢均匀化方法 ➢密度法 ➢变厚度法 ➢拓扑函数描述法
拓扑优化求解算法
➢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
实例讲解
实例二 力热载荷综合作用下的拓扑优化
在实例一中的模型上施加热边界条件如下：
3.3KN
长×宽=160 ×120
位置 温度（K）