拓扑优化简介及在ansys软件中的实现课件

拓扑优化简介及在ANSYS软件中的实现拓扑优化简介及在ANSYS软件中的实现123拓扑优化概述ANSYS中拓扑优化过程实例讲解主要内容123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拓扑描述方式拓扑优化求解算法均匀化方法有限元法设计变量多，计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)拓扑优化概述可用来解决以下问题：依赖于单元的伪密度来决定材料去留，0(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ANSYS中拓扑优化过程批处理的方式-求解步骤操作方式GU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SOLID95SHELL93定义实常数(壳厚度等)ANSYS中拓扑优化过程建立几何模型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(MPREADwiththeLIBoption,orPreprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary).ANSYS中拓扑优化过程定义材料属性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TYPE2elementsTYPE1elements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中拓扑优化过程划分网格不参与优化的优化的TYPE2TYPE1只对类型施加载荷约束

–

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=0ANSYS中拓扑优化过程施加载荷约束对结果有直接的影响底边铰支UX=UY=0底边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(LSWRITEorSolution>WriteLSFile...)

并指定多载荷步优化求解结果形状为对每一载荷的等刚度ANSYS中拓扑优化过程施加尽可能少的约束；ANSYS中拓扑优化过程求解拓扑优化问题:指定优化控制(TOVAR及TODEF命令)

体积减少量(作为百分比)载荷步数目收敛容差开始优化(TOLOOP

命令)指定循环次数体积减少量对结果影响显著ANSYS中拓扑优化过程求解拓扑优化问题:体积减少量对结果影响显著ANSYS中拓扑优从主菜单选择TopologicalOpt>-SetUp-BasicOpt…然后指定体积减少量；接下来，选择TopologicalOpt>Run…输入迭代数，并开始优化。ANSYS中拓扑优化过程从主菜单选择TopologicalOpt>-Set通用后处理器中查看伪密度等值图

“topoplot”PLNSOL,TOPOorGeneralPostproc>PlotResults>NodalSolution…

红色表示要保留的材料(pseudo-density1.0)；蓝色表示可以去掉的材料(pseudo-density0.0)。ETAB,EDENS,TOPOPLETAB,TOPOPLETAB,EDENSPRETAB,EDENSESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1EPLOT提取保留单元ANSYS中拓扑优化过程通用后处理器中查看伪密度等值图“topoplot”ETA三个有用的图形操作（对所有结果图均适用）：设等值图线数为2:/CONTOUR,,2或UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Contours>UniformContours...关闭位移缩放:/DSCALE,,OFF或UtilityMenu>PlotCtrls>Style>DisplacementScaling...关闭图例栏:/PLOPTS,INFO,OFF或UtilityMenu>PlotCtrls>WindowControls>WindowOptions...GUI操作对应命令流的输出单步查看最终整体输出Helpisveryhelpful！ANSYS中拓扑优化过程三个有用的图形操作（对所有结果图均适用）：Helpisv对一长正方形平板零件，底边中部受到均匀的压力6.5MPa，顶部两侧受到集中载荷3.3KN。本问题的目标是在体积减少70%的条件下，结构的柔顺度最小。

实例一力载荷下的拓扑优化3.3KN6.5MPa长×宽=160×120弹性模量70MPa，泊松比为0.33实例讲解对一长正方形平板零件，底边中部受到均匀的压力6.5MPa，顶1．定义分析类型Preference>Structure2．定义单元类型、平板厚度以及材料属性（1）定义单元类型与参数选项Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>Add（2）定义实常数Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete>Add（3）定义材料属性Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic3.利用尺寸变量建立模型Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions4．划分网格Preprocessor>Meshing>MeshTool

实例讲解1．定义分析类型实例讲解5．施加载荷和边界条件Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C.>OnNodes

Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnNodes

节点集合的建立实例讲解5．施加载荷和边界条件节点集合的建立实例讲解6．求解（1）指定体积减少量TopologicalOpt>-SetUp-BasicOpt（2）开始优化TopologicalOpt>Run（输入迭代数）7．查看求解结果GeneralPostProc>PlotResults>ContourPlot>NodalSoluNodalSolution>TopologicalOptimizationDensitiesTopologicalOpt>PlotDensities实例讲解6．求解实例讲解在实例一中的模型上施加热边界条件如下：实例二力热载荷综合作用下的拓扑优化3.3KN6.5MPa长×宽=160×120位置温度（K）换热系数（Wm-2K）11358.371092.362293105.3336313433实例讲解在实例一中的模型上施加热边界条件如下：实例二力热载荷综合热-结构耦合分析采用顺序耦合分析的方法，即首先进行整机温度场分析，然后利用热分析结果即节点温度作为“体载荷”施加到随后的结构分析中。耦合方法温度场边界条件转换单元转换材料属性转换接触算法设置参考温度清除物理环境设置边界条件分析流程保存温度场物理环境温度场计算包括节点温度！实例讲解热-结构耦合分析采用顺序耦合分析的方法，即首先进行整机温度场二维实体：PLANE55 四节点四边形单元

PLANE77 八节点四边形单元

PLANE35 三节点三角形单元三维实体：Solid70一阶六面体单元（可退化为四面体）

Solid87二阶四面体单元Solid90二阶六面体单元（可退化为四面体）热分析单元热分析单元转换为结构单元Preprocessor>ElementType>SwitchElemType二维实体：PLANE77PLANE183PLANE82三维实体：Solid87Solid187Solid92Solid90Solid186Solid95推荐采用Solid87、Solid90，避免使用六面体单元实例讲解二维实体：PLANE55 四节点四边形单元热分析单元热分析单实例三ANSYSWORKBENCH中的拓扑优化实例讲解一个两端固定支撑，受均布载荷q=100MPa的横梁，其厚度h=100mm，材料的弹性模量E=2×105Mpa，泊松比u=0.3，采用有限元法计算该构件体积减少量为20%时的拓扑结构。实例三ANSYSWORKBENCH中的拓扑优化实例讲解实例讲解1．定义分析类型2．设置材料参数实例讲解1．定义分析类型2．设置材料参数实例讲解3．建立几何模型实例讲解3．建立几何模型4．设置边界条件4．设置边界条件5．计算结果5．计算结果实例讲解耦合计算，加入静力分析与ansys经典数据交换实例讲解耦合计算，加入静力分析与ansys经典数据交换谢谢大家！谢谢大家！知识回顾KnowledgeReview祝您成功！知识回顾KnowledgeReview祝您成功！拓扑优化简介及在ANSYS软件中的实现拓扑优化简介及在ANSYS软件中的实现123拓扑优化概述ANSYS中拓扑优化过程实例讲解主要内容123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拓扑描述方式拓扑优化求解算法均匀化方法有限元法设计变量多，计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)拓扑优化概述可用来解决以下问题：依赖于单元的伪密度来决定材料去留，0(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ANSYS中拓扑优化过程批处理的方式-求解步骤操作方式GU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SOLID95SHELL93定义实常数(壳厚度等)ANSYS中拓扑优化过程建立几何模型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(MPREADwiththeLIBoption,orPreprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary).ANSYS中拓扑优化过程定义材料属性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TYPE2elementsTYPE1elements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中拓扑优化过程划分网格不参与优化的优化的TYPE2TYPE1只对类型施加载荷约束

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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=0ANSYS中拓扑优化过程施加载荷约束对结果有直接的影响底边铰支UX=UY=0底边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(LSWRITEorSolution>WriteLSFile...)

并指定多载荷步优化求解结果形状为对每一载荷的等刚度ANSYS中拓扑优化过程施加尽可能少的约束；ANSYS中拓扑优化过程求解拓扑优化问题:指定优化控制(TOVAR及TODEF命令)

体积减少量(作为百分比)载荷步数目收敛容差开始优化(TOLOOP

命令)指定循环次数体积减少量对结果影响显著ANSYS中拓扑优化过程求解拓扑优化问题:体积减少量对结果影响显著ANSYS中拓扑优从主菜单选择TopologicalOpt>-SetUp-BasicOpt…然后指定体积减少量；接下来，选择TopologicalOpt>Run…输入迭代数，并开始优化。ANSYS中拓扑优化过程从主菜单选择TopologicalOpt>-Set通用后处理器中查看伪密度等值图

“topoplot”PLNSOL,TOPOorGeneralPostproc>PlotResults>NodalSolution…

红色表示要保留的材料(pseudo-density1.0)；蓝色表示可以去掉的材料(pseudo-density0.0)。ETAB,EDENS,TOPOPLETAB,TOPOPLETAB,EDENSPRETAB,EDENSESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1EPLOT提取保留单元ANSYS中拓扑优化过程通用后处理器中查看伪密度等值图“topoplot”ETA三个有用的图形操作（对所有结果图均适用）：设等值图线数为2:/CONTOUR,,2或UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Contours>UniformContours...关闭位移缩放:/DSCALE,,OFF或UtilityMenu>PlotCtrls>Style>DisplacementScaling...关闭图例栏:/PLOPTS,INFO,OFF或UtilityMenu>PlotCtrls>WindowControls>WindowOptions...GUI操作对应命令流的输出单步查看最终整体输出Helpisveryhelpful！ANSYS中拓扑优化过程三个有用的图形操作（对所有结果图均适用）：Helpisv对一长正方形平板零件，底边中部受到均匀的压力6.5MPa，顶部两侧受到集中载荷3.3KN。本问题的目标是在体积减少70%的条件下，结构的柔顺度最小。

实例一力载荷下的拓扑优化3.3KN6.5MPa长×宽=160×120弹性模量70MPa，泊松比为0.33实例讲解对一长正方形平板零件，底边中部受到均匀的压力6.5MPa，顶1．定义分析类型Preference>Structure2．定义单元类型、平板厚度以及材料属性（1）定义单元类型与参数选项Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>Add（2）定义实常数Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete>Add（3）定义材料属性Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic3.利用尺寸变量建立模型Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions4．划分网格Preprocessor>Meshing>MeshTool

实例讲解1．定义分析类型实例讲解5．施加载荷和边界条件Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C.>OnNodes

Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnNodes

节点集合的建立实例讲解5．施加载荷和边界条件节点集合的建立实例讲解6．求解（1）指定体积减少量TopologicalOpt>-SetUp-BasicOpt（2）开始优化TopologicalOpt>Run（输入迭代数）7．查看求解结果GeneralPostProc>PlotResults>ContourPlot>NodalSoluNodalSolution>TopologicalOptimizationDensitiesTopologicalOpt>PlotDensities实例讲解6．求解实例讲解在实例一中的模型上施加热边界条件如下：实例二力热载荷综合作用下的拓扑优化3.3KN6.5MPa长×宽=160×120位置温度（K）换热系数（Wm-2K）11358.371092.362293105.3336313433实例讲解在实例一中的模型上施加热边界条件如下：实例二力热载荷综合热-结构耦合分析采用顺序耦合分析的方法，即首先进行整机温度场分析，然后利用热分析结果即节点温