C型夹拓扑优化.

1、C型夹结构的拓扑优化一、 实验目的掌握Hyperworks拓扑优化设计的方法。二、目标本示例学习如何使用OptiStruct进行拓扑优化。通过对C型夹结构进行拓扑优化，为结构创建新的边界并删除多余的材料，并根据每个单元的密度结果进行归一化，帮助用户删除掉低密度的单元。图1 C形夹结构三、建模分析（一）问题描述根据载荷和设计要求为一个C 形夹结构（图1）提出优化的设计概念。优化目标是使用的材料最少。设计要求指出这种C 形夹的开口部分（即图中的A 和B处的节点）在y 方向的位移不能超过0.14mm。目 标： 体积最小化约 束：(1)节点A 在y 轴方向的位移小于0.07mm(2)节点B 在y 轴方

2、向的位移小于0.07mm设计变量： 单元密度（二）建模1、将几何载入HyperMesh（1）启动HyperMesh。（2）从下拉菜单中选择OptiStruct 并点击OK。这一步为OptiStruct 求解器设置HyperMesh 环境。（3）从主菜单的任何页面中选择files 面板。（4）选择retrieve .，找到文件cclip.hm并点击Open（5）点击return返回主页面。2、定义材料属性和component（1）在主菜单的任何页面上选择collectors面板。（2）选择create子面板。（3）点击collector type开关并从弹出菜单中选择mats。（4）点击name

3、 =并输入steel。（5）点击card image =并从弹出菜单中选择MAT1。（6）点击create/edit。这一步将MAT1 的card image 赋给新材料steel。（7）为E 输入2E5。为NU 输入0.30。（8）点击return。（9）点击collector type 开关并从弹出菜单中选择comps。（10）点击name =并输入shells。（11）点击card image =并从弹出菜单中选择PSHELL。（12）点击material =。这一步可以得到所有材料的列表。（13）选择steel。（14）点击color 并选择yellow（15）点击create/edi

4、t。这一步为新的componentshells载入PSHELL的card image（16）为T 输入1.0。（17）点击return 返回collectors 页面。（18）点击return 返回主页面。3、生成有限元网格（1）在2D 页面上选择automesh 面板，或者按下F12。（2）点击选中reset meshing parameters to:左边的复选框。（3）为using size =后面的输入框输入2.5，按下enter 键确认。（4）使用element size 下面的开关将单元类型设为quads。（5）点击模型顶部曲面的任何一条边，即可选择顶部的曲面。（6）点击mesh。

5、曲面上出现网格的密度。（7）再次点击mesh。根据信息栏上的提示，在这个曲面上生成了大约535 个单元，如图2所示。 （8）点击return 将网格保存到shells 这个component 中。（9）点击return 返回主页面。4、创建顶部曲面单元的镜像单元（1）在Tool 页面上选择reflect 面板。（2）点击Reflect 标题下面的选择开关并从弹出菜单中选择elems。（3）点击elems 并从弹出菜单中选择displayed。（4）再次点击elems 并从弹出菜单中选择duplicate，从下一个弹出菜单中选择original comp。（5）点击页面中间的选择开关，从弹出菜单

6、中选择垂直于映射平面的方向，在这个例子中，选择y-axis。（6）点击base 并选择如图3 中的节点。该节点用来定义映射平面。（7）点击reflect。网格会出现在图形的下半部分。（8）点击return。（9）可以在永久菜单中点击p（或在键盘上按下P）来刷新屏幕。5、（1）从Tool 页面中选择edges 面板。（2）使用鼠标左键在屏幕上选择一个单元，这样就将该单元所在的component放到了comps 的缓存区中。（3）点击preview equiv。这一步将会在两次生成的单元之间高亮显示21 个节点，它们代表了单元间的缝隙。（4）点击equivalence。在信息栏中提示“21 nod

7、es were equivalenced”。（5）点击return 返回Tool 页面。6、创建load collector（1）进入BCs （Boundary Conditions）页面。（2）点击collectors。（3）确认create 子面板处于激活状态。（4）点击collector type:右边的选择开关并从弹出菜单中选择loadcols。 （5）点击name =并输入load collector 的名称。 （6）按下enter 键。 （7）点击color 并从弹出菜单中选择相应的颜色。（8）点击create。没有必要为这两个load collector 指定card image

8、。（9）这两个collectors 都创建好以后，点击return 返回BCs 页面。7、（1）在永久菜单中点击global。（2）确认在永久菜单的global 面板中，当前的load collector 是spc。如果不是，则点击loadcols= ， 然后并选择spc。（3）点击return 返回BCs页面。（4）在BCs 页面中选择constraints 面板。（5）选择C 型夹左边的中心节点。被激活的自由度表示该自由度被约束，没有激活则表示该自由度保持自由。（6）确认dof1、dof2 和dof3 前面的复选框被选中。（7）去掉dof4， dof5 和dof6 前面的复选框。（8）点击

9、create 对所选择的节点施加约束。注意到此时在节点上会出现一个三角形符号，它的上边标有每一个被约束自由度的数字。（9）点击C 型夹曲线的中心节点（如图5）。（10）只选择dof2。（11）点击create。（12）选择C 型夹左上角的节点。（13）仅约束其dof3 自由度。（14）点击create。现在图形区的显示类似于图5。（15）点击return。8、施加力边界条件在C 型夹开口的两个端部分别施加两个逆向的力，大小均为100.0 N。如图6。（1）在永久菜单上点击global。（2）点击loadcol =。（3）选择forces 这个load collector。（4）点击return

10、。（5）在BCs 页面上选择forces 面板。（6）选择夹子上边开口端部的节点A，如图6所示。（7）点击magnitude =并输入100.0，然后按下Enter 键。（8）点击N1， N2， N3 左边的开关并从弹出菜单中选择y-axis。（9）点击create。在屏幕上会出现一个指向该节点的箭头。（10）选择夹子下边开口端部的节点B，如图6所示。（11）点击magnitude =，输入-100.0，然后按下Enter 键。（12）确认选择了y-axis。（13）点击create。在屏幕上会出现一个指向该节点的箭头。（14）要对这两个箭头进行区分，选择uniform size =，输入7

11、并按下Enter键。（15）点击return 退出forces 面板，然后返回BCs 页面。9、 创建载荷工况（load case）设定边界条件的最后一步是创建OptiStruct 的子工况，也就是HyperMesh 中的loadstep。（1）在BCs 页面上选择load steps 面板。（2）点击name =并输入opposing forces。（3）点击loadcols 并选择spc 和forces。（4）点击select。（5）点击create。（6）点击return 返回BCs 页面。10、 执行分析计算在定义优化过程之前执行一个线性的静力分析。在优化之前进行这样的分析可以帮助识别

12、结构的响应。这样保证为优化所定义的约束是合理的。（1）在BCs 页面上选择OptiStruct 面板。该面板用来输出求解器输入文件，运行分析或者优化计算，然后当计算完成后将结果文件载入HyperMesh。（2）点击save as.并输入cclip_analysis.fem 作为文件名，然后点击Save。（3）点击Run Options:下面的开关并选择analysis。（4）点击optistruct 运行分析。（5）关闭DOS 窗口。（6）点击return。11、 对分析结果的后处理（1）在Post 页面上选择contour 面板。（2）点击simulation =并选择opposing fo

13、rces。（3）点击data type =并选择Displacements。（4）将total disp 改为y comp。（5）激活min/max titles 和info title 两个选项。（6）点击contour。（7）点击return。12、 拓扑优化问题的设置优化过程如下：（1）定义优化的设计空间和设计变量。（2）为优化定义响应（本示例中，响应是体积分数和位移）。（3）定义C 型夹开口端的节点位移作为约束。（4）定义体积分数作为目标函数。 13、定义拓扑优化的设计变量（1）在BCs 页面上选择optimization 面板。.（2）选择topology 面板。（3）点击creat

14、e。（4）点击comps，选择shells 然后点击select。（5）选择type :将其设为PSHELL。（6）在DESVAR=后面输入名称shells，然后按下Enter。（7）确认base thickness 为0.00。数值0.0 表示某个特定单元的厚度可以为0，于是单元可以为空。（8）点击create。（9）点击return 返回optimization 面板。14、 定义优化的响应（1）将体积分数定义为响应1）点击Responses 进入该子面板。2）在response=中输入数值Vol。3）将response type:设为volumefrac。4）确认response typ

15、e 下面的切换开关设为total。5）点击create。（2）将位移定义为响应要将位移设定为响应，需要：提供名称、将响应类型设置为displacement、选择响应位移的目标节点，并选择位移的类型（自由度）。1）在response=中输入名称upperdis。2）将response type:设为displacement。3）点击选择图6 中的A 节点（C 型夹的上端开口）。4）为该节点选择dof2。5）点击create。6）在response=后输入lowerdis。Response type:的设置仍为displacement。7）点击选择图6中的B节点（C 型夹的下端开口）。8）为该节点

16、选择dof2，然后点击create。9）选择review 察看所创建的响应列表。10）点击return 退出该面板。11）点击return 返回optimization 面板。（3）定义约束为优化分析定义约束的上界和下界。1）选择dconstraints 进入设计约束的面板。2）在constraint=后面输入const1。3）激活upper bound=。4）在upper bound=后面输入数值0.07。5）将response=设为upperdis。6）选择loadsteps。7）激活opposing forces。8）点击select。9）点击Create。10）在constraint=

17、后面输入const2。11）去掉对upper bound=的激活。12）激活lower bound=。13）在lower bound=后面输入数值0.07。14）将response=设为lowerdis。15）选择loadsteps。16）激活opposing forces。17）点击select。18）点击Create。19）选择Review 察看新创建的约束的列表。20）点击return。21）点击return 返回optimization setup 面板。（4）定义目标函数1）点击objective 进入Objective 子面板。2）确认objective 被设为min。3）点击re

18、sponse=并选择vol。4）点击create。5）双击return 退出Optimization Setup 面板。（5）提交计算1）在BCs 页面上选择optistruct 面板。2）点击save as 并输入文件名cclip_complete.fem ， 最后点击Save。这一步告诉OptiStruct 对各种输出文件使用的名称，以及将这些文件放置的位置。实际上对这些文件的保存是在优化计算完成以后。3）点击Run Options:下面的切换开关并选择Optimization。4）点击OptiStruct 运行优化计算。从这个面板中运行OptiStruct 计算可以在计算结束后自动将结果

19、文件载入HyperMesh 。点击OptiStruct 按钮后， OptiStruct 会将模型写入OptiStruct 的求解器输入文件，然后进行求解并将结果载入HyperMesh 进行后处理。不再需要使用OptiStruct 模板输出文件，以及手动地设置求解器并导入后处理结果。在计算完成后窗口中会出现.Processing complete”的信息。如果计算过程中出现错误，可以在cclip_complete.out 文件中找到有用的警告和错误信息。这个文件与.fem 文件在相同的目录下。5）关闭DOS 窗口。6）点击Return。4察看结果步骤1: 对结果的后处理OptiStruct 会为

20、所有的迭代提供密度信息。OptiStruct 还会为线性静力分析提供第0 和第29 步迭代的位移和Von Mises 应力结果。本部分描述了如何在HyperMesh 中察看这些结果。（1）察看变形的形状察看模型的变形形状是很有用的，通过该方式可以确定边界条件的加载是否正确，还可以检查模型的变形是否和预期的相符。1）选择Post 页面。2）选择deformed 面板。3）点击simulation =。可以看到有很多模拟。在模拟列表的底部，可以看见：opposing forces -ITER 0 和opposing forces ITER 29。4）选择opposing forces - ITER

21、 0。5）确认datatype =指向displacements。6）将开关从model units =切换到scale factor =。7）在scale factor =后面输入100.000。8）点击deform。这一步在初始的没有变形的网格上叠加显示了模型的变形图，参见图7。9）点击return 返回主菜单。（2）察看密度结果的瞬态动画这一步察看优化过程中材料是如何分布的。1）在永久菜单中选择options 面板。2）选择graphics 子面板。3）将图形驱动模式设为standard。4）点击return。5）从HyperMesh 的Post 页面上选择transient 面板。6）将start with =设为DESIGN - ITER0。7）将end with =设为DESIGN ITER29。8）将data type =设为Element Density。9）点击transient。10）按照下表1设置动画面板上左边的选项。11）如果动画的帧放映过快，使用slower 按钮放慢动画。12）完成察看动画后点击exit。13）点击return。表1 动画面板选项设置Modehidden lineColorcontourlightssmoo