ABAQUS拓扑优化例题计算指导.pdf

ABAQUS 中 ATOM 模 块的拓扑优化功能 By 姜琛（BravoWa ） HNU QQ ：490135416 ABAQUS 中 ATOM 模块的拓扑优化功能 从 Abaqus6.11 开始，ABAQUS/CAE 新增加了拓扑优化模块，简称 ATOM （Abaqus Topology Optimization Module ），这标志着Abaqus 开始从分析向设计进军。虽然 ABA 非线 性能力十分强大，CAE 的操作也比较人性化，但由于拓扑优化的需要，而转而采用 ANSYS 和 Hyperworks/Optistruct。ATOM 采用了专业拓扑优化软件 TOSCA 的核心，在 ABA 没有拓 扑优化模块的时候，该软件已经能通过像 FE-SAFE 那样，调用 odb 文件进行拓扑优化，但 是显然不如 ANSYS 等模块化的集成度高和操作便捷。如果将 ABA 强大非线性分析能力和 越来越完善的 ATOM 结合起来，非线性问题的拓扑优化难题应该可以得到很好的解决。 本文目的即熟悉 ATOM 的CAE 中的操作。首先将ABAQUS ANALYSIS USER MANUAL 的 Topology Optimization 章节的概论部分翻译成中文，权当本文的概述（取自 SIMWE 的 Songyer 的翻译）。然后将官方提供的算例，做成 Step-by-step 以便操作。也算对本人近几天 对 ATOM 学习的总结。 ATOM 中拓扑优化技术概述 1. 结构优化：概述 ABAQUS 结构优化是一个帮助用户精细化设计的迭代模块。结构优化设计能够使得结 构组件轻量化，并满足刚度和耐久性要求。ABAQUS 提供了两种优化方法——拓扑优化和 形状优化。拓扑优化 （Topology optimization ）通过分析过程中不断修改最初模型中指定优 化区域的单元材料性质，有效地从分析的模型中移走/增加单元而获得最优的设计目标。形 状优化 （Shape optimization ）则是在分析中对指定的优化区域不断移动表面节点从而达到减 小局部应力集中的优化目标。拓扑优化和形状优化均遵从一系列优化目标和约束。 最优化方法 （Optimization ）是一个通过自动化程序增加设计者在经验和直觉从而缩短 研发过程的工具。想要优化模型，必须知道如何去优化，仅仅说要减小应力或者增大特征值 是不够，做优化必须有更专门的描述。比方说，想要降低在两种不同载荷工况下的最大节点 力，类似的还有，想要最大化前五阶特征值之和。这种最优化的目标称之为 目标函数（Object Function ） 。另外，在优化过程中可以同时强制限定某些状态参量。例如，可以指定某节 点的位移不超过一定的数值。这些强制性的指定措施叫做约束 （Constraint ）。 2. 术语（Terminology ） 设计区域（Design area ）: 设计区域即模型需要优化的区域。这个区域可以是整个模型， 也可以是模型的一部分或者数部分。一定的边界条件、载荷及人为约束下，拓扑优化通过增 加/删除区域中单元的材料达到最优化设计，而形状优化通过移动区域内节点来达到优化的 目的。 设计变量（Design variables ）：设计变量即优化设计中需要改变的参数。拓扑优化中， 设计区域中单元密度是设计变量，ABAQUS/CAE 优化分析模块在其优化迭代过程中改变单 元密度并将其耦合到刚度矩阵之中。实际上，拓扑优化将模型中单元移除的方法是将单元的 质量和刚度充分变小从而使其不再参与整体结构响应。对于形状优化而言，设计变量是指设 计区域内表面节点位移。优化时，ABAQUS 或者将节点位置向外移动或者向内移动，抑或 不移动。在此过程中，约束会影响表面节点移动的多少及其方向。优化仅仅直接修改边缘处 的节点，而边缘内侧的节点位移通过边缘处节点插值得到。 设计循环（Design cycle ）: 优化分析是一种不断更新设计变量的迭代过程，执行 ABAQUS 进行模型修改、查看结果以及确定是否达到优化目的。 其中每次迭代叫做一个设 计循环。