Ansys Workbench结构拓扑优化方法

文摘   科学   2024-07-09 06:30   广东  

拓扑优化以材料分布为优化对象,在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化,具有更多的设计自由度,能够获得更大的设计空间,是结构优化最具发展前景的方面。

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拓扑优化可使工程师脑洞大开,优化目标可以是最小柔度、最大基率、最小质量、最小体积等,约束条件主要有质量、体积、等效应力、位移、固有频率等。Ansys Workbench拓扑优化流程如下所述。
Step 1:创建初始模型

利用Solidworks、UG等三维建模软件构建初始结构,另存为x_t、stp等中间格式。打开Ansys Workbench,创建拓扑优化项目流程图。进入DM界面,导入几何模型。

Ansys Workbench拓扑优化流程图

Step 2:进行静力(模态)分析

拓扑优化在静力或模态分析之后进行,静力学分析可以了解产品的静态性能,而模态分析则可以了解产品的动态性能,如振动特性、疲劳寿命等。具体操作参见前期文章:ANSYS Workbench线性结构静力分析实例操作干货 | ANSYS Workbench模态分析

Ansys Workbench模态分析流程图
Step 3:拓扑优化设置

1) 单击模型树中的Topology Optimization —> Analysis Settings,在下方面板的Definition中分别设置最大迭代次数(Maximum Number of Iterations,如500)、Minimum Normalized Density(如0.001)、Convergence Accuracy(如0.1%)。

2) 依次单击设置Topology Optimization下的优化变量Optimization Region、目标函数Objective(质量Mass、体积Volume、柔度Compliance、固有频率Natural Frequency)、约束条件Response Constraint(质量、体积、应力、位移、固有频率等)以及制造约束Manufacturing Constraint。

Step 4:求解与后处理

右击模型树中的Topology Optimization,选择Solve,进行求解计算。右击Solution—>Insert—>Topology Density,右击Solution选择Equivalent All Results求解计算,点击Topology Density查看优化结果,并通过修改下方列表Definition中的阀值Retained Threshold(数值越小越苗条),获得较为理想的优化模型。


Step 5:重构优化模型

拓扑优化得到的几何模型,一般不能直接用于生产制造,因此通常需要结合加工工艺对其进行重构。具体参见前期文章:Workbench携手Solidworks,轻松搞定拓扑优化模型重构!

Step 6:验证优化模型

对优化模型再次进行静力或模态分析,验证其应力、变形、基频等是否满足性能要求。若不满足,可重新调整“Mass”、“Volume”或“Global Von-Mises Stress”的优化比例,直至优化结果满足要求为止。

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