[2018年必威体育精装版整理]2第二讲拓扑优化.ppt

第二讲、拓扑优化 什么是拓扑优化？ 拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。 目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案，从而寻求材料的最佳利用。 这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。 拓扑优化的特点 与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。 目标函数、状态变量和设计变量都是预定义好的，不需要给出优化参数的显式定义。 只需要给出结构的参数（材料特性、模型、载荷等）和要省去的材料百分比。 拓扑优化的目标——目标函数——是在满足结构的约束（V）情况下减少结构的变形能。 如何做拓扑优化 拓扑优化包括如下主要步骤： 1.定义拓扑优化问题。 2.选择单元类型。 3.指定要优化和不优化的区域。 4.定义和控制载荷工况。 5.定义和控制优化过程。 6.查看结果。 定义拓扑优化问题 定义拓扑优化问题同定义其他线性，弹性结构问题做法一样。用户需要定义材料特性（杨氏模量和泊松比），选择合适的单元类型生成有限元模型，施加载荷和边界条件做单载荷步或多载荷步分析。 指定要优化和不优化的区域 只有单元类型号为1的单元才能做拓扑优化。可以使用这种限制控制模型优化和不优化的部分。例如，如果要保留接近圆孔部分或支架部分的材料，将这部分单元类型号指定为2或更大即可： … ET,1,SOLID92 ET,2,SOLID92 … TYPE,1 VSEL,S,NUM,,1,2 ！用这些单元划分的实体将被优化 VMESH,ALL TYPE,2 VSEL,S,NUM,,3 ！用这些单元划分的实体将保持原状 VMESH,ALL … 定义和控制载荷工况 可以在单个载荷工况和多个载荷工况下做拓扑优化。单载荷工况是最简便的。 要在几个独立的载荷工况中得到优化结果时，必须用到写载荷工况和求解功能。在定义完每个载荷工况后，要用LSWRITE命令将数据写入文件，然后用LSSOLVE命令求解载荷工况的集合。 例如，下面的输入演示如何将三个载荷工况联合做一个静力分析拓扑优化分析。 … LSWRITE,1 ！写第一个载荷工况 DDEL, SFDEL, … LSWRITE,2 ！写第二个载荷工况 … LSWRITE,3 ！写第三个载荷工况 … FINISH TOCOMP, MCOMP,MULTIPLE,3 !定义多柔度函数 TOVAR, MCOMP,OBJ !拓扑优化目标 TOVAR,VOLUME,CON,,10 !拓扑约束 TODEF !初始化拓扑优化 LSSOLVE,1,3,1 ！在拓扑优化前做所有三个载荷工况求解 … 定义和控制优化过程 拓扑优化过程包括两部分：定义优化参数和进行拓扑优化。 两种方式运行拓扑优化：控制并执行每一次迭代，或自动进行多次迭代。 a.定义优化函数 TOCOMP , TOFREQ b.定义目标函数和约束条件。 TOVAR c. 求解和优化过程初始化 TOTYPE, TODEF d.执行优化 TOEXE, TOPITER 查看结果 要列出结点解和/或绘出伪密度，使用PRNSOL和PLNSOL命令的TOPO变量。 要列出单元解和/或绘出伪密度，使用PLESOL和PRESOL命令的TOPO变量。 可以使用ANSYS表格功能查看结果：ETABLE,EDENS,TOPO 实例 图2-2表示一个承载的弹性梁。梁两端固定，承受两个载荷工况。梁的一个面是用一号单元划分的，用于拓扑优化，另一个面是用二号单元划分的，不作优化。最后的形状是单元1的体积减少50%。 1.建立模型 /TITLE, TOPO OPTIMIZATION /PREP7 BLC4,0,0,3,1 ET,1,82 ET,2,82 MP,EX,1,118E9 MP,NUXY,1,0.3 ESIZE,0.05 TYPE,1 AMESH,ALL NSEL,S,LOC,X,0,0.4 ESLN TYPE,2 EMODI,ALL ALLSEL 2.定义优化变量和过程 TOCOMP, MCOMP,MULTIPLE,2 !定义多柔度函数 TOVAR,MCOMP,OBJ !将其设为优化目标 TOVAR,VOLUME,CON,,50 ！体积为拓扑约束，50% TOTYPE,OC ！指定求解方法 TODEF ！指定收敛精度 /SHOW, topo,grph ！将图形结果存入文件 /DSCALE,,OFF ！取消结果变形放大 /CONTOUR,,2 ！等高线的数目 TOLOOP,12,1 ！求