拓扑优化简介及在ansys软件中的实现课件.ppt

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1、拓扑优化简介及在ANSYS软件中的实现,拓扑优化概述,ANSYS中拓扑优化过程,实例讲解,主要内容,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。,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。,拓扑描述方式,拓扑优化求解算法,均匀化方法密度法变厚度法拓扑函数描述法,有限元法优化准则法序列凸规划法无网格法,均匀化方法,优化准则法序列凸规划法,拓扑优化概述,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

2、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；,依赖于单元的伪密度来决定材料去留，0 (去掉) 、1 (保留),拓扑优化概述,ANSYS中拓扑优化过程,批处理的方式- APDL语言 一,求解步骤,操作方式,GUI交互方式 一般用户,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 SOLID95SHELL9

3、3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).,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。,不参与优化的,优化的,TYPE 2elements,TYPE 1 ele

4、ments,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。,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UX=UY=0,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: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个幅值。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

5、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)载荷步数目收敛容差开始优化(TOLOOP命令)指定循环次数,体积减少量对结果影响显著,ANSYS中拓扑优化过程,从主菜单选择 Topological Opt -Set Up- Basic 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。,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 Result

6、s 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)。,ETAB,EDENS,TOPO PLETAB,TOPO PLETAB,EDENS PRETAB,EDENSESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1 EPLOT,提取保留单元,ANSYS中拓扑优化过程,三个有用的图形操作（对所有结果图均适用）：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,

7、OFF 或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单步查看最终整体输出,Help is very helpful！,ANSYS中拓扑优化过程,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。,实例一 力载荷下的拓扑优化,3.3KN,6.5MPa,长宽=16

8、0 120,弹性模量70MPa，泊松比为0.33,实例讲解,1定义分析类型Preference Structure2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 （3）定义材料属性PreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic 3. 利用尺寸变量建立模型Preprocessor

9、Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions 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,节点集合的建立,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Topo

10、logical 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 DensitiesTopological Opt Plot Densities,实例讲解,在实例一中的模型上施加热边界条件如下：,实例二 力热载荷综合作用下的拓扑优化,3.3KN,6.5MPa,长宽=160 120,实例讲解,热-结构耦合分析,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

11、构分析中。,耦合方法,温度场边界条件,转换单元,转换材料属性,转换接触算法,设置参考温度,清除物理环境,设置边界条件,分析流程,保存温度场物理环境,温度场计算,包括节点温度！,实例讲解,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）,热分析单元,热分析单元转换为结构单元Preprocessor Element Type Switch Elem Type,二维实体：PLANE77 PLANE183 P

12、LANE82三维实体：Solid87 Solid187 Solid92 Solid90 Solid186 Solid95,推荐采用Solid87、Solid90，避免使用六面体单元,实例讲解,实例三 ANSYS WORKBENCH中的拓扑优化,实例讲解,一个两端固定支撑，受均布载荷q=100MPa的横梁，其厚度h=100mm，材料的弹性模量E=2105Mpa，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。,实例讲解,1定义分析类型,2设置材料参数,实例讲解,3建立几何模型,4设置边界条件,5计算结果,实例讲解,耦合计算，加入静力分析,与ansys经典数据交换,谢谢大家！,