拓扑优化简介及在ansys软件中实现.ppt

连续体结构拓扑优化被公认为是继尺寸优化、形状优化后结构优化领域内最具有挑战性的研究方向 * 基于成熟的有限元理论的拓扑优化格式简单，便于实现，但在优化过程中常因网格的重分和细化导致计算困难，结构中常出现中间密度材料、棋盘格现象和网格依赖性等问题。无网格法是今年发展的一种新型数值求解技术，摆脱了有限元繁琐的网格生成过程，从理论上看比有限元法拥有更广阔的应用前景，但目前尚处于发展和完善中。 在组成拓扑结构的材料中引入细观结构，以宏观解结构单元模型对设计区域进行有限元离散划分，用周期性细观结构来描述宏观单元，优化过程中以细观结构的几何尺寸作为设计变量，把弹性模量、材料密度等参量表示成细观结构几何尺寸变量的函数。以细观结构的消长实现材料的增减。并产生介于由中间尺寸细观结构组成的复合材料，从而实现结构拓扑优化模型与尺寸优化模型的统一。它将复杂的拓扑优化问题挂靠在低层次的尺寸优化变量问题上来求解，但求解过程中均匀化弹性张量计算非常复杂，且微单元的最佳形状和方向难以确定，结构响应函数的密度求解复杂，优化变量过多，计算效率低等缺点，主要用于拓扑优化理论方面的研究。 优化准则法收敛速度快，计算过程不使用导数信息，但其一般适用于单约束条件下的问题优化，且不同的优化问题需要推导不同的优化准则。序列凸规划算法包括序列线性规划方法、序列二次规划算法以及移动近似算法，其中移动近似算法（MMA）是目前使用最为广泛的算法之一，能够广泛应用于多约束情况，其计算过程中要使用前一步或多步的计算信息。 * * * * * * * * * * * * ANSYS TRAINING 拓扑优化简介及在ANSYS软件中的实现 1 2 3 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 设计变量多，计算规模大，目标函数和约束函数一般为设计变量的非线性、非单调函数 经常出现多孔材料、棋盘格现象、网格依赖性和局部极值问题等数值计算问题 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 SOLID95 SHELL93 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 2 elements TYPE 1 elements 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 W