三角板的拓扑优化ANSYS workbench

三角板的拓扑优化

问题描述：

如图1所示三角板，A和B两个圆孔的内表面施加固定约束，另一个圆孔的内表面施加力：FX=15N，FY=5，对其进行拓扑优化分析，使其质量减少45%，并做出拓扑优化分析后的新模型，进行应力的变形分析。

B

图1 三角板模型

解题步骤：

1、打开ANSYS workbench，双击左边工具栏中analysis system下的static structural选项，

左键选中A3（geometry）栏，右键导入三角板模型（Bracket_opt.x_t）；

2、双击A4（model）栏，进入DS模块；

3、材料默认为结构钢，单位选择Metric (mm, kg, N, s, mV, mA)；

4、右键单击mesh，弹出右键菜单选择insert>sizing，单击模型，并单击apply确认该项操

作。在element size栏中填入需要定义的尺寸10mm；

5、右键单击mesh，弹出右键菜单选择insert>method，单击模型，并单击apply确认该项操

作，默认状态为由系统自动判别单元的几何形状，如图2所示；

图2 网格划分

6、单击左侧的static structural，选择A、B表面，鼠标右键选择insert>fixed support，选择

C表面，鼠标右键选择insert>force，在左侧的工具栏中输入如图3所示内容，受力情况如图4所示；

图3施加载荷

图4施加约束和载荷

7、单击solution，添加在弹出的工具条deformation下选择totall查看总变形，stress下选择

equivalent stress查看Von Mises等效应力，；

8、求解：查看位移和应力，如图5、6所示；

图5 三角板应力

图6 三角板X方向的位移

9、插入analysis systems中的shape optimization模块，用鼠标直接拖住toolbox中的shape

optimization至A4栏中，双击B5（model），进入mechanical中；

图7 进行拓扑优化

10、施加载荷和约束和静力分析相同，点击左侧结构树中的shape finder，选择模型，在

target reduction设置为45%，如图8所示；

图8 target reduction设置为45%

11、求解：查看位移、应力目标质量，如图9、10所示；

图9 优化结果

图10 保留后的实体

图11 优化质量结果

12、根据在mechanical中优化的大概形状，进入A3栏，在geometry模块中进行更改设计，

草图如12所示；

图12 更改设计草图

13、拉伸草图，倒圆角（5mm），新模型如图13所示；

图13 更改设计模型

14、进入A4模块，更新网格划分和施加载荷与约束；

15、求解：查看位移和应力，如图14、15所示

图14 新模型在X方向上的位移

图15 新模型应力

分析与结论

1、表一：优化前后模型体积、质量等信息

2、表二: 优化前后模型应力、位移

3、结论

通过以上表格和应力云图对比可知，更改设计后的模型质量（mass）比原来减少了

42.78%（基本达到题目要求，由于更改几何模型的问题，没有达到题目所要求的45%），

但应力和位移都有普遍的增加。

减重优化后的模型强度依然满足要求，可以看出优化设计在逆向设计中也可以起到很好的指导作用，通过减重设计节约了材料，降低了成本。