ansys拓扑优化pak
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)。
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。
ansys优化概述pak
参数化建模
B. 过程 / 指导
• 一个参数化模型建立和分析的过程，除在在需要的 地方使用参数之外，与通常的 ANSYS 分析没有什 么区别：
1.定义参数； 2.在需要的地方用参数建立模型； 3.在需要的地方使用参数加载并求解； 4.查看结果和参数化提取数据； 5.建立优化分析文件。 最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
... ANSYS的优化特点
• 优化从建立初始设计的参数化模型开始，并创建一 个分析文件。
初始设计
参数模型 及 加载
设计域搜寻 分析文件 进行优化设计
求解 参数化的结果
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
参数化建模
ANSYS TRAINING
对设计进行优化 - 步骤
...定义优化变量
设计变量 (DVs) • 为使体积（或其他目标函数）最小而容许改变 的设计特征。 • 本例中的设计变量为：
– THETAHUB, 30°～90° – THETARIM, 45°～135° – XMID, 0.5～4.5 in
θhub xmid ymin θrim
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
对设计进行优化 - 步骤
定义优化变量
• 指定分析文件 4定义优化变量 • 执行优化 • 查看结果 • 选择适当的参数:
– 设计变量 – 状态变量 – 目标函数
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
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教程二---拓扑优化
第二章拓扑优化什么是拓扑优化？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。
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（ i）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。
例如，给定V=60表示在给定载荷并满足最大刚度准则要求的情况下省去60%的材料。
图2-1表示满足约束和载荷要求的拓扑优化结果。
图2-1a表示载荷和边界条件，图2-2b表示以密度云图形式绘制的拓扑结果。
图2-1 体积减少60%的拓扑优化示例如何做拓扑优化拓扑优化包括如下主要步骤：1．定义拓扑优化问题。
2．选择单元类型。
3．指定要优化和不优化的区域。
4．定义和控制载荷工况。
5．定义和控制优化过程。
6．查看结果。
拓扑优化的细节在下面给出。
关于批处理方式和图形菜单方式不同的做法也同样提及。
定义拓扑优化问题定义拓扑优化问题同定义其他线性，弹性结构问题做法一样。
用户需要定义材料特性（杨氏模量和泊松比），选择合适的单元类型生成有限元模型，施加载荷和边界条件做单载荷步或多载荷步分析。
参见“ANSYS Analysis Procedures Guides”第一、二章。
选择单元类型拓扑优化功能可以使用二维平面单元，三维块单元和壳单元。
要使用这个功能，模型中只能有下列单元类型：二维实体单元：SOLID2和SOLID82三维实体单元：SOLID92和SOLID95壳单元：SHELL93二维单元用于平面应力问题。
《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
ansys拓扑优化
3
November 10, 2022
基于静力学拓扑优化
对于Static Structural and Modal 分析可以定义如下优化目标： •Static Structural: 单个或多个载荷步 •最小柔度；最小体积；最小质量 •Modal: 单个或多个固有频率 •最大频率；最小体积；最小质量
4
November 10, 2022
基于静力学拓扑优化
使用worksheet表，在Static Structural中对不 同载荷步施加权重系数, 或在Modal分析中 对不同振型施加权重系数
5
November 10, 2022
基于静力学拓扑优化
多载荷加载方法：
6
November 10, 2022
目录
基于静力学拓扑优化 基于模态分析拓扑优化
1
November 10, 2022
基于静力学拓扑优化
选择优化区域: •Geometry •可能是整个组装件, 部分组装件, 或者单个或多个零 件 •Named Selection •可能是几何模型或者网格集合
2
November 10, 2022
基于静力学拓扑优化
基于静力学拓扑优化
可以定义如下制造约束： •最小元件尺寸 •最大元件尺寸
最大、最小元件尺寸可以使用系统默认尺寸，也可以 手动修改
10
November 10, 2022
基于静力学拓扑优化
对称制造约束： 通过局部坐标系定义对称中心 用户设置对应的对称轴
11
November 10, 2022
基于静力学拓扑优化
ANSYS拓扑优化实例
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。
ANSYS命令流学习笔记7-多工况下的拓扑优化
!ANSYS命令流学习笔记7!多工况下的拓扑优化!学习重点：!1、何为拓扑优化!区分尺寸优化、形状优化、拓扑优化。
拓扑优化是形状优化的一种特殊形式。
网上资料和ansys help文件都有详细说明。
!2、单一工况载荷下的拓扑优化。
单一工况拓扑操作流程很简单，APDL命令也很简单。
Workbench也可以轻松实现。
!3、多工况下的拓扑优化。
需要apdl用到lswrite 命令。
目前不清楚如何完全由workbench 完成多工况的拓扑优化。
有可能在workbench中借助APDL命令来实现，按下不表，后期再做学习。
!案例如下：!平面应力问题。
一个100*100的平面。
左边固定，分别承受两种工况载荷情况。
两种载荷并不是同时作用，所以要进行多工况下的拓扑优化分析。
首先，对只有向上作用力fy=100时，或者只有向下作用力fy = -100时进行topo分析，结果如下图然后，对fy=100和fy=-100作为同一工况下加载，进行topo分析，结果如下图然后，对多工况进行topo分析，结果如下图上述结果可以证明，下列程序确实可以满足多工况的拓扑优化。
但是处理起来复杂模型，还是多有不便，所以如何将其应用到workbench，是下一次考虑的重点。
!APDL命令：finish/clear/prep7 !进入前处理et,1,plane82 !定义能进行topo分析的单元，将其编号为1，其他编号则不参与优化。
mp,ex,1,2e11mp,prxy,1,0.3 !定义材料属性rectng,0,100,0,100 !画个矩形面esize,2,0amesh,all !划分网格nsel,s,loc,x,0d,all,all !定义fix约束，第一个工况nsel,s,loc,y,100f,all,fy,-100 !施加节点力，第一个工况allsel,alllswrite,1 !写第一个工况文件ddele,allfdele,all !删除所有边界条件，以便于进行第二个工况的读写nsel,s,loc,x,0d,all,all ! 定义fix约束，第二个工况nsel,s,loc,y,0f,all,fy,100 !施加节点力，第二个工况allsel,alllswrite,2 !写第二个工况文件finish/solutocomp,mcomp,multiple,2 !两个工况的作用，定义目标函数名称为mcomp。
如何利用ANSYS进行拓扑优化(转)
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：1.1、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0.1～0.4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。
1.2、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。
1.3、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。
ANSYS结构拓扑优化设计方案
图1.微结构的单胞(单位细胞)微结构单胞的密度为（1）均匀化方法的数学模型为：（2）约束条件为：（3）（4）（5）（6）（7）gs8 （8）式中：η--微结构单胞的密度l(u)--结构柔顺度l(v)--结构所受到的等效体积力和边界载荷在虚位移v上所作的虚功p、t--结构所受到的等效体积力和边界载荷u--节点位移v--节点的虚位移εij(u)--由于节点位移u引起的应变εkl(v)--由于节点虚位移v引起的虚应变Eijkl(a)--假设的材料特性，与密度η及实际使用材料的材料特性E0有关E0--实际使用材料的材料特性α--待定系数V--结构初始体积Ω--表示在有体积力作用的体积域上积分Г--表示在有面积力作用的边界域上进行积分在上述模型中，式（2）以结构的总柔顺性最小作为优化目标，以微结构的单胞尺寸a为优化设计变量；约束条件（3）根据虚功原理，以结构的静力平衡作为约束条件；约束条件（4）考虑到优化后的体积一定不大于初始体积，约束条件(5)假设了材料特性与密度的关系。
三、客车车身有限元分析车身骨架作为客车的关键总成，其结构必须有足够的强度和静刚度以保证其疲劳寿命、装配和使用的要求，同时还应有合理的动态特性以达到控制振动与噪声的目的。
应用实践证明[5]，用有限元法对车身结构进行分析，可在设计图纸变成产品前就对其刚度、强度、固有频率及振型等有充分认识，以了解车身的应力和变形情况，对不足之处及时改进，使产品在设计阶段就可保证满足使用要求，从而缩短设计实验周期，节省大量的实验和生产费用，它是提高产品可靠性既经济又适用的方法之一。
3.1有限元模型的生成几何模型是有限元模型的基础。
本文使用Unigraphics软件系统，根据车身骨架结构的AutoCAD二维设计图纸，建立其三维空间几何模型，用自行编制的接口程序将模型导入ANSYS。
导入后的几何模型，还需要做一些必要的修改才能划分网格。
为了对建成的有限元模型进行检查，将该模型在悬架装配部位的节点约束后，分别给三个坐标轴方向以一定加速度，检查梁之间的连接情况，并进行修改。
ansys workbench拓扑优化实例
ansys workbench拓扑优化实例
拓扑优化（Topology Optimization）是一种结构优化的方法，通过在给定的设计空间内寻找最佳材料分布来实现结构的轻量化和性能优化。
在ANSYS Workbench 中，可以通过拓扑优化模块来进行这种优化分析。
以下是一个简单的ANSYS Workbench 拓扑优化实例的步骤：
1. 创建几何模型：首先，在ANSYS Workbench 中创建一个几何模型，可以是一个零件或者一个装配体。
2. 设定材料属性：为模型中的材料定义材料属性，包括弹性模量、泊松比等。
3. 设定加载和约束条件：定义模型的加载和约束条件，包括受力点、受力大小和方向，以及约束点和约束类型。
4. 添加拓扑优化模块：在Workbench 中选择拓扑优化模块，并将模型导入到拓扑优化模块中。
5. 设定优化目标和约束条件：定义优化的目标，比如最小化结构的重量或者最大化结构的刚度，同时设置一些约束条件，比如最大应力、最大变形等。
6. 设定优化参数：定义拓扑优化的参数，比如拓扑优化的迭代次数、网格分辨率等。
7. 运行优化分析：运行拓扑优化分析，软件会根据设定的优化目标和约束条件，在给定的设计空间内寻找最佳的材料分布。
8. 分析结果：分析优化结果，查看优化后的结构形态和性能指标，根据需要对设计进行进一步的调整和优化。
请注意，以上步骤是一个简化的示例，实际的拓扑优化分析可能涉及到更多的参数设定和分析步骤。
在实际应用中，建议根据具体的工程问题和软件版本进行详细的参数设定和分析。
如何利用ANSYS进行拓扑优化(转)教学内容
（3）TODEF：定义优化的初始化条件或者收敛准则；
（4）TOEXE：执行单次优化计算；
（5）TOLOOP：批量执行多次优化分析计算。
说说TOEXE和TOLOOP之间的区别：TOEXE执行单次优化分析计算，其本身不执行结构分析过程，因此，在利用TOEXE命令执行优化计算之前，需要利用SOLVE或者LSSOLVE命令先执行结构静态分析计算；而TOLOOP是一个执行优化计算的宏命令，其中包含了SOLVE和LSSOLVE等命令，因此在上述代码片段中没有出现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命令用户可以创建自己的优化宏命令，各有所长，主要是看用户如何使用这两个命令了。
相关命令：TOCOMP、TOVAR、TODEF、TOEXE、TOLOOP和简要说明。
（1）TOCOMP：定义结构优化任务目标。（如何理解COMPLIANCE：Compliance本意是一致性，统一性，在结构优化分析中，特别是对于多个载荷步，需要在多个载荷步之间取得一致性的结果，才能满足结构优化分析的目标）
……
……
/solution
Antype,modal
Finish
Tofreq,mfreq,reciprocal,3
Tovar,mfreq,obj
Tovar,volume,con,,50
Todef,1.0d-4
Toloop,20
……
……
说明：首先定义模态求解作为分析类型，之后利用tofreq设定频率优化作为优化任务，名称为mfreq（其中reciprocal表示多阶模态频率，本例中为前3阶模态），并利用命令tovar设定了体积减少50％作为优化的约束条件，之后设定优化的收敛准则，最后利用toloop命令执行最多20次优化迭代计算。在本例中，因为toloop是一个宏命令，所以并没有显式的使用modopt和mxpand命令，如果使用toexe命令，则用户必须显式的使用modopt和mxpand命令。
拓扑优化简介和在ansys软件中的实现33页PPT
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
现
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
拓扑优化简介和在ansys软件中的实
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•Hale Waihona Puke 28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
ansys workbench拓扑优化实例
ansys workbench拓扑优化实例摘要：I.引言- 介绍ANSYS Workbench- 介绍拓扑优化II.ANSYS Workbench 拓扑优化实例- 实例一：某汽车零件拓扑优化- 背景介绍- 优化目标- 优化过程- 优化结果- 实例二：某飞机结构拓扑优化- 背景介绍- 优化目标- 优化过程- 优化结果III.拓扑优化在工程中的应用- 提高材料利用率- 减轻结构重量- 提高结构性能IV.总结- 总结ANSYS Workbench 拓扑优化实例- 展望拓扑优化在未来的发展正文：I.引言ANSYS Workbench 是一款集成的多物理场仿真工具，可以帮助工程师进行结构、热、流体、电磁等多种物理场的仿真分析。
在结构设计中，拓扑优化是一种重要的设计方法，可以有效地提高材料利用率、减轻结构重量、提高结构性能。
本文将通过两个实例，介绍如何在ANSYS Workbench 中进行拓扑优化分析。
II.ANSYS Workbench 拓扑优化实例实例一：某汽车零件拓扑优化背景介绍：在汽车制造领域，工程师们经常需要设计轻量化的零件，以提高汽车性能、降低油耗。
针对某汽车零件，我们需要在保持其功能不变的前提下，进行拓扑优化，以减轻其重量。
优化目标：在满足零件强度、刚度、耐疲劳等性能要求的前提下，降低零件重量。
优化过程：1.使用ANSYS DesignModeler 绘制零件的三维模型，并导出为IGS 格式文件。
2.在ANSYS Workbench 中，创建一个新的结构分析项目，并将模型导入到Workbench 中。
3.定义零件的材料属性、边界条件、载荷等。
4.运行拓扑优化分析，设置优化目标（如最小化零件质量）和约束条件（如保持零件的几何形状不变）。
5.查看优化结果，并使用DesignModeler 对优化后的零件进行可视化展示。
优化结果：经过拓扑优化，零件的质量减轻了约20%，同时保持了原有的强度、刚度和耐疲劳性能。
[复习]ansys拓扑优化形状优化实例1
![[复习]ansys拓扑优化形状优化实例1](https://img.taocdn.com/s3/m/48322ed6e109581b6bd97f19227916888486b9e3.png)
[复习]ansys拓扑优化形状优化实例1 ansys拓扑优化形状优化实例1FINISH/CLEAR,START/TRIAD,OFF !关闭整体直角坐标系的三角符号 H=1000 !设置比例尺，采用iso TK16=6.35/H !设置参数变量并附初值 TK27=6.35/HTK38=6.35/HTK49=6.35/HTK50=4/H/PREP7ET,1,PLANE42MP,EX,1,6.89E10MP,NUXY,1,0.3K,1K,5,254/HKFILL ! 在第1至第5个关键点之间生成2,3,4关键点K,6,,TK16K,7,63.5/H,TK27K,8,127/H,TK38K,9,190.5/H,TK49K,10,254/H,TK50SPLINE,6,7,8,9,10L,1,6*REPEAT,5,1,1 !重复L命令，关键点编号自动加1，分别在2,7、3,8、4,9、5,10之间共生成4条线其中包含了、命令已生成的线，共5条LSEL,S,LINE,,5,9 !选择上述生成的5条线 LESIZE,ALL,,,1 !指定线在划分网格前的等分数为1 LSEL,ALLA,1,2,7,6*REPEAT,4,1,1,1,1 !重复上述命令，共生成4个面ESIZE,,4AMESH,ALLFINISH/SOLUNSEL,S,LOC,YDSYM,SYMM,X !对选择的节点施加x方向的对称约束NSEL,S,LOC,XDSYM,ASYM,Y !对选择的节点施加x方向的反对称约束NSEL,ALLFK,10,FX,66725*4 !在10号关键点施加集中载荷，实现弯矩DK,1,ALL,0 !在1号关键点施加全约束 SOLVEFINISH/POST1SET,LASTETABLE,EVOL,VOLU !建立单元表，并取出每个单元的体积EVOL=每个单元的体积PRNSOL,S,PRIN !列出节点的主应力 NSORT,S,1NSEL,U,LOC,X,0,230/H !选择介于0到230/H的节点*GET,STRS,SORT,,MAX !取出最大的应力值并赋给strsNSEL,ALLSSUM !体积相加*get,TVOL,ssum,,item,EVOL !取出结构总体积 TVOL=TVOL*2 !由于分析时只计算了结构的一半，总体积要乘2NSEL,U,LOC,X,250/H,265/H !选择介于250/H到265/H的节点PRNSOL,U,Y !列表显示出所选节点在y向的位移值 NSORT,U,Y,,1 !位移值升序排列PRNSOL,U,Y !列出排序后的结果*GET,DEFL,SORT,,MAX !取出最大的位移值赋给defl *STATUS,PARM !显示当前参数变量的状态值 DEFL=ABS(DEFL)DIF1=TK16-TK27 !设置参数值，以保证曲线的光滑性DIF2=TK27-TK38DIF3=TK38-TK49FINISHlgwrite,scratch,lgw/OPTopanl,scratch,lgw !指定分析文件 opvar,TVOL,Obj,,,1/H !定义优化目标函数,收敛误差为1，结构总体积TVOL为目标函数opvar,STRS,sv,,206E6 ! 定义状态变量即优化过程的约束条件opvar,DEFL,sv,,12.5/H opvar,DIF1,sv,,1/Hopvar,DIF2,sv,,1/Hopvar,DIF3,sv,,1/Hopvar,TK16,dv,4/H,7/H !定义第一个设计变量及其变化范围opvar,TK27,dv,4/H,7/Hopvar,TK38,dv,4/H,7/Hopvar,TK49,dv,4/H,7/Hopsave,INITIAL,opt !保存所有的优化数据到文件optp里optype,SUBP !设置优化方式,子问题逼近算法OPSUBP,30 !指定迭代次数opexe ! 执行优化 PARSAV,,RSET1 !将参数的值输出到文件中且文件名为rset1oplist,all,,1 !列表显示所有序列/AXLAB,Y,TVOL !设置曲线输出时y轴的说明 plvaropt,TVOL !绘图显示目标函数随优化次数的变化规律FINISH/POST1PLNSOL,U,SUM,0,1 !显示结构在优化后的总位移分布PLNSOL,S,EQV,0,1 !显示结构在优化后的应力分布 FINISH。
- 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)。
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
…查看结果
• 三个有用的图形操作（对拓扑图）：
– 设等值图线数为2: /CONTOUR,,2 或 Utility Menu > PlotCtrls > Style > Contours > Uniform Contours... – 关闭位移缩放: /DSCALE,,OFF 或 Utility Menu > PlotCtrls > Style > Displacement Scaling... – 关闭图例栏: /PLOPTS,INFO,OFF或 Utility Menu > PlotCtrls > Window Controls > Window Options...
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
施加载荷
1. 所有载荷作用于同一个载荷步:
– 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 个幅值。
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化
D. 下一步该做什么?
• 现在就有了设计形状的想法了，下一步该做什么?
1. 建立一个新的模型类似于建议的形状，牢记制造限制， 例如钻孔比切出某种形状的槽更容易和廉价； 2. 用合适的载荷及边界条件做一个静力分析，并用许用应 力及挠度评估设计； 3. 用参数建立模型，可以探索几个不同的设计形状并用设 计优化细化优化设计。
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
施加载荷
建模 4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
• 求解拓扑优化 • 查看结果
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
ANSYS TRAINING
A.拓扑优化的定义、目的
• 什么是拓扑优化?
– 一种形状优化形式，给出何处可以去掉 材料以减轻重量的建议； – 满足规定的减少材料量的同时最大化结 构刚度； – 依赖于单元的伪密度来决定材料去留， 0 (去掉) 、1 (保留)
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
• 体积减少量(作为百分比) • 载荷步数目 • 收敛容差
– 开始优化(TOLOOP 命令)
• 指定循环次数
• 查看结果
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化 步骤
...执行优化 • 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。
拓扑优化
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化
主要内容： A.拓扑优化的定义、目的及实例 B.它是如何工作的？ C.如何进行拓扑优化 D.拓扑优化之后的处理 E.示例
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
…建立模型
• 建立几何模型 • 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
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
…建立模型
• 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。
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
...拓扑优化的定义、目的
• 设计旋转车轮，开始于实体圆环，利用拓扑优 化确定最佳利用材料的形状为轮辐式转轮。
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
B. 它是如何工作的? • 对给定载荷及边界条件如何最佳利用材料。即确定 导致结构最大刚度（或最小柔度）的材料分布 ； • ANSYS给每一个单元分配一个伪密度η，从0(去掉 材料)到1(保留材料) ，等值图η表明何处可以去掉 材料（蓝色区域）； • 对所有单元设置η=1导致最大刚度设计，但这是尝 试求解，我们通过给定一个希望的体积减少量来约 束设计。
拓扑优化步骤
施加载荷
• 一般来讲，应施加尽可能少的约束； • 对多种载荷，有两个选项:
1. 在一个载荷步中施加所有载荷； 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。
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
...拓扑优化的定义、目的
• 如何应用拓扑优化?
– 对概念设计… 由简单形状诸如块开始，依赖于 载荷获得一个概念真实形状； – 获得改进设计的想法… 发现在现有设计中何处 的材料可以去掉。
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
施加载荷
• 对载荷的建议:
– 约束对结果有直接的影响。例如，桥梁模型对底边的 铰支(UX=UY=0)及简支(UY=0)有不同的形状
Pinned
Simply Supported
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
施加载荷
2. 每个载荷作用于独立的载荷步 (如多载荷步):
– 结果形状为对每一载荷的等刚度。
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化
执行优化
建立模型 施加载荷 4求解拓扑优化问题:
– 指定优化控制 (TOVAR 及TODEF命令)
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
…查看结果
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
…查看结果
建立模型 施加载荷 求解拓扑优化 查看结果
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
...它是如何工作的? • 重新叙述拓扑优化问题:
– 服从体积约束，通过变化单元伪密度从0到1，使刚度最 大化 (或使结构柔度最小化). – ANSYS 使用柔度能作为目标函数 (要减少的)。
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
查看结果
建立模型 施加载荷 求解拓扑优化 4查看结果 • 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)。
TYPE 1 elements
优化的 不参与优化的
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
拓扑优化步骤
…建立模型
• 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).
• 这样就是一个标准的优化问题:
– 柔度能作为目标函数 – 体积（或体积减少量）作为状态变量 – 单元伪密度ηi 作为设计变量, 0<ηi<1.
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TRAINING
C. 拓扑优化的步骤
四个基本步骤: • 建立模型 • 施加载荷 • 求解拓扑优化 • 查看结果
– 定义实常数(壳厚度等)
最新版ANSYS软件+视频教程+资料 /ansys
ANSYS TR模型
– 只对类型号为1的单元进行优化。 因此, 若想排除优化的区域，诸如孔或支撑附近，只需 将该单元类型设为2或更大。
TYPE 2 elements