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基于密度的拓扑优化

文摘 2024-12-07 00:10 安徽

上一节简单介绍了ANSYS Workbench中的结构优化方法，后续章节分别介绍讨论。本节讨论基于密度的拓扑优化方法，如前所述，基于密度法的拓扑优化用于根据给定的设计空间、载荷和边界条件，优化材料分布以达到优化结构性能的目的。

1、建立基础模型

打开ANSYS Workbench，添加一个Static Structural模块（静力学分析模块），使用SpaceClaim创建待优化的几何模型。模型沿用疲劳分析中的L型角铁模型，具体尺寸详见下图，厚度5mm，材料采用默认的钢材料。

2、静力学分析

为几何模型生成网格，较细的网格能够提高分析和后续优化的精度，但同时计算时间也会增加。采用面单元尺寸3mm，拐角网格加密，15个单元。

左侧边固定支撑，右侧边受竖直向下450N的力。

在上述有限元模型基础上进行一次静力分析，验证和确保载荷和边界条件定义正确。

3、拓扑优化

1）插入优化分析模块

在静力学分析中，点击Analysis选择Structural Optimization，插入Structural Optimization分析系统。

记得传递下上述静力分析的数据。

还可以从Workbench中直接拖Structural Optimization模型到Static Structural模块上的Solution上。

2）定义优化区域（Optimization Region）

定义优化区域，即优化问题的设计空间。这里默认不包括边界条件位置，采用基于密度的拓扑优化方法。

3）定义目标函数（Objective）

可以右键添加不同的目标函数或多目标组合。这里采用默认的Minimize Compliance（最小化柔度，最大化结构刚度），目标是提高结构的刚度。

4）定义约束条件（Response Constraint）

添加约束条件，这里默认采用保留体积分数（Volume Fraction），设定目标体积比例50%，以达到保证结构刚度的前提下，同时缩减结构体积。

4、拓扑优化分析

执行拓扑优化分析后，通过Topology Density可以查看材料分布，移除的材料区域，边缘区域，以及保留的材料区域。

5、后处理及优化建模

1）使用Export功能，将优化结果导出为几何模型。导出的模型是网格数据，需要进一步优化处理。

2）在Workbench中通过如下操作，导出优化后的模型。

上述两种方法，均需要进行几何修复、平滑处理、优化建模等操作，以便进行有限元分析验证性能。如下为简单修复后的模型。

3）分析验证

将优化后的模型导入静力分析求解，与原始方案对比应力和变形。优化效果较明显。

个人学习、工作经验记录和分享。如果对您有帮助，感谢帮忙关注、转发和宣传。

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