ANSYS拓扑优化

[ANSYS拓扑优化]注意点

结果对载荷情况十分敏感。很小的载荷变化将导致很大的优化结果差异。

结果对网格划分密度敏感。一般来说，很细的网格可以产生“清晰”的拓扑结果，而较粗的网格会生成“混乱”的结果。但是，较大的有限元模型需要更多的收敛时间。λ

在一些情况下会得到珩架形状的拓扑结果。这通常在用户指定很大的体积减少值和较细的网格划分时出现。很大的体积减少值如80%或更大（TOPDEF命令）。λ

如果有多个载荷工况时，有多种方式将其联合进行拓扑优化求解。例如，考虑有五个载荷工况的情况。可以选择使用五个单独的拓扑优化分析过程，也可以使用包括这五个工况的一次拓扑优化分析。还有，也可以将这五个工况合成为一个工况，然后做一次优化。综合起来，可以有七个不同的拓扑优化求解：λ

5 独立的拓扑优化求解（每个工况一次）

1 拓扑优化求解针对五个工况

1 拓扑优化求解针对一个联合工况

附加的结果或结果的组合都是可用的。

结果对泊松比敏感但对杨氏模量不敏感。但是，随泊松比变化的效果不明显。λ

TOPDEF和TOPITER命令中的指定值并不存储在ANSYS数据库中；因此，用户必须在每次拓扑优化时重新指定优化目标和定义。

[ANSYS拓扑优化]二维多载荷优化设计示例

在本例中，对承受两个载荷工况的梁进行拓扑优化。

问题描述

图2表示一个承载的弹性梁。梁两端固定，承受两个载荷工况。梁的一个面是用一号单元划分的，用于拓扑优化，另一个面是用二号单元划分的，不作优化。最后的形状是单元1的体积减少50%。

图片2 承受两个载荷工况的梁

图片3 拓扑优化结果——50%体积减少

本问题是用下列的ANSYS命令流求解的。两个载荷工况定义并用LSWRITE命令写入文件。使用ANSYS选择功能，单元SOLID82通过类型号1和2分别指定优化和不优化的部分。TOPDEF命令定义问题有两个载荷工况并要求50%体积减少。TOPEXE命令在本例中没有使用，代之以用TOPITER宏命令指定最大迭代次数为12次。

/TITLE,A 2-d,multiple-load example of topological optimization

/PREP7

BLC4,0,0,3,1 ！生成实体模型（3X1矩形）

ET,1,82 ！二维实体单元，1号为优化

ET,2,82 ！2号不优化

MP,EX,1,118E9 ！线性各项同性材料

MP,NUXY,1,0.3

ESIZE,0.05 ！较细的网格密度

TYPE,1

AMESH,ALL ！自由矩形网格划分

NSEL,S,LOC,X,0,0.4 ！选择不优化的部分

ESLN

TYPE,2

EMODI,ALL ！定义2号单元

ALLSEL

NSEL,S,LOC,X,0

D,ALL,ALL,0 ！在X=0处固定

NSEL,S,LOC,X,3

D,ALL,ALL,0 ！在X=3处固定

FORCE=1000 ！载荷数值

NSEL,S,LOC,X,1

NSEL,R,LOC,Y,1

F,ALL,FY,FORCE ！定义第一个载荷工况

ALLSEL

LSWRITE,1 ！写第一个载荷工况

FDEL,ALL

NSEL,S,LOC,X,2

NSEL,R,LOC,Y,0

F,ALL,FY,-FORCE ！定义第二个载荷工况

ALLSEL

LSWRITE,2 ！写第二个载荷工况

FDEL,ALL

TOPDEF,50,2 ！定义拓扑优化有两个载荷工况

/SHOW,topo,grph ！将图形输出到文件（在交互方式下删

除本命令

/DSCALE,,OFF

/CONTOUR,,2

TOPITER,12,1 ！执行不多于12次迭代

FINISH

求解结果

图3表示上例的计算结果。这些结果存入top.grph文件便于后续的显示处理。如果是交互地运行ANSYS程序，将/SHOW命令删除以观看每次迭代的结果。

[ANSYS拓扑优化]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。

指定要优化和不优化的区域

只有单元类型号为1的单元才能做拓扑优化。可以使用这种限制控制模型优化和不优化的部分。例如，如果要保留接近圆孔部分或支架部分的材料，将这部分单元类型号指定为2或更大即可：

…

ET,1,SOLID92

ET,2,SOLID92

…

TYPE,1

VSEL,S,NUM,,1,,2 ！用这些单元划分的实体将被优化

VMESH,ALL

TYPE,2

VSEL,S,NUM,,3 ！用这些单元划分的实体将保持原状

VMESH,ALL

…

用户可以使用ANSYS的选择和修改命令控制单元划分和类型号定义。

定义和控制载荷工况

可以在单个载荷工况和多个载荷工况下做拓扑优化。单载荷工况是最简便的。要在几个独立的载荷工况中得到优化结果时，必须用到写载荷工况和求解功能。在定义完每个载荷工况后，要用LSWRITE命令将数据写入文件，然后用LSSOLVE 命令求解载荷工况的集合。

例如，下面的输入演示如何将三个载荷工况联合做一个拓扑优化分析。

…

D,10,ALL,0,,20,1 ！定义第一个载荷工况的约束和载荷

NSEL,S,LOC,Y,0