Solidworks 基础及其教程- 1

Solidworkssimulation仿真教程本章主要介绍优化分析的方法、优化分析的设置。着重讲解拓扑优化和尺寸优化，分别对两种不同的分析方法进行案例讲解。有限元分析中的优化设计是现代工程设计的核心技术之一，它通过系统化的方法寻求最佳设计方案，在满足各种约束条件下实现性能目标的最优化。优化技术在机械工程领域的应用极为广泛，贯穿产品设计、制造、控制及运维全生命周期。第7章 优化分析7.1优化分析的应用领域Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析7.1优化分析的应用领域（1）结构轻量化设计。应用目标：在保证强度/刚度的前提下减少材料用量。（2）机械系统动力学优化。应用目标：降低振动噪声、提高运动精度。（3）构与传动系统优化。应用目标：提高传动效率、延长寿命。（4）制造工艺优化。应用目标：提升加工质量、降低成本。（5）热管理与流体系统优化。应用目标：控制温升、提高散热效率。（6）机器人及自动化系统优化。应用目标：提升运动效率与精度。（7）可靠性及寿命优化。应用目标：预防疲劳失效、延长服役周期。（8）数字化与智能优化前沿7.2常见的三种优化方法Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析拓扑优化形状优化尺寸优化7.2常见的三种优化方法在工程设计与制造领域，结构优化是提升产品性能、降低成本的关键技术。其中，拓扑优化、形状优化和尺寸优化是最常用的三种方法。分别在不同层次上优化结构，适用于不同的工程需求。本文将详细介绍这三种优化方法的基本原理、数学建模、优化算法及实际应用案例。1.拓扑优化拓扑优化是一种材料分布优化方法，其目标是在给定的设计空间内，确定最优的材料分布方式，以满足特定的性能指标（如刚度最大化、重量最小化）。与传统的经验设计不同，拓扑优化可以生成全新的结构形式，甚至可能超出工程师的直觉预期。该方法的核心思想是：1） 材料重新分配：决定设计域内哪些区域应有材料（实体），哪些区域应无材料（孔洞）。2） 拓扑自由度高：可改变结构的连通性（如增加/减少孔洞数量）。3） 创新构型发现：常产生传统设计方法难以想到的有机形态。1.拓扑优化拓扑优化通常基于有限元分析，其数学模型可表示为：其中：1） 表示该单元为实体材料。2） 表示该单元为空。3） 表示中间密度（需通过惩罚方法驱使其收敛至0或1）。2.形状优化形状优化是在保持拓扑结构不变的前提下，调整结构的几何形状（如曲率、轮廓）以提高性能（如应力分布、流体阻力）。与拓扑优化不同，形状优化不改变结构的连通性。其核心特点包括：1） 边界演化：优化对象是结构的几何轮廓。2） 拓扑不变性：不改变结构的连通性和孔洞数量。3） 参数控制：通常通过有限的设计变量控制形状变化。4） CAD兼容性：结果可直接用于传统制造工艺。2.形状优化形状优化的变量是几何边界，其数学模型为：其中：1） ：结构边界（设计变量）。2） ：允许形状集合。3） ：目标泛函（如应力积分、阻力等）。3.尺寸优化（1）基本概念尺寸优化是在固定拓扑和形状下，优化结构的尺寸参数（如厚度、直径、截面面积），以最小化重量或最大化刚度。这是最传统的结构优化方法，适用于标准化的工程构件。其主要特征包括：1） 参数调整：优化对象是厚度、截面面积等尺寸参数。2） 构型不变性：保持结构的拓扑和基本形状。3） 变量明确：设计变量通常有明确的物理意义。4） 实现简单：计算成本低，易于工程应用。3.尺寸优化（2）数学建模尺寸优化的设计变量是离散或连续的尺寸参数，其模型为：其中：1）

s：尺寸变量向量。2） ：尺寸上下限。7.3优化分析属性设置Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析7.3优化分析属性设置在拓扑求解之前，可以进行拓扑分析的属性设置，如图72所示，比如求解器的选择、保留区域设置、高级设置等操作，使拓扑分析与实际需求更加紧密。7.4SOLIDWOKSSimulation优化命令Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析【目标】选项【约束】选项【制造控制】选项高级导出1.【目标】选项【目标】选项是用于规定拓扑约束的最终目的，软件中提供了3个目标类型功能名称功能作用最佳强度重量比（默认）优化算法会根据给定质量生成具有最大刚度的零部件的形状，将从初始最大设计空间中移除该质量。当选择最佳强度重量比时，该算法旨在最小化模型的全局合规性，其为整体柔性（刚度的倒数）的量度。通过所有元素应变能的总和定义合规性最小化最大位移优化算法会生成能够最小化单一节点上的最大位移的形状（从静态算例中算得）。给定了要从零部件中移除的材料百分比，优化会生成最坚固的设计，重量轻于最初设计，最大限度地减小结构在静态载荷下的最大位移用位移约束最小化质量优化算法将生成一个形状，其重量轻于最大尺寸模型，并且不会违背位移约束的给定目标。该算法旨在降低零部件的质量，同时将位移限制在特定限制下（单一节点处零部件或用户定义的观察到的最大值）2.【约束】选项约束选项是用于拓扑约束运算过程中的约束限制，可以从应力、位移、频率等多个角度进行限制功能名称功能作用质量约束质量减少量（百分比）键入目标质量减少百分比指定零件在优化期间将减少的目标质量。优化算法将尝试通过迭代流程为最终形状实现质量减少目标质量减少量（绝对值）键入要从零件的最大设计空间中移除的质量的精确值位移约束指定值为选定位移变量键入目标值，然后在单位中指定所需单位为选定的位移零部件指定上限。在零部件中，选择所需的位移变量

指定因子键入一个因子，用乘以静态算例中算得的最大位移参考订单选择-自动（最大单点）程序默认选择模型中观察到的最大位移的顶点参考订单选择-用户定义在图形区域中为位移约束选择参考顶点

2.【约束】选项约束选项是用于拓扑约束运算过程中的约束限制，可以从应力、位移、频率等多个角度进行限制功能名称功能作用质量约束质量减少量（百分比）键入目标质量减少百分比指定零件在优化期间将减少的目标质量。优化算法将尝试通过迭代流程为最终形状实现质量减少目标应力/安全系数约束应力约束选择指定值以为优化几何图形输入最大允许von-Mises应力。选择指定百分比以输入最大允许von-Mises应力作为材料屈服强度的百分比施加应力/安全系数约束的核心作用是确保优化后的设计在所有工况下均满足强度要求，防止结构发生屈服或破坏。安全系数约束为优化几何图形输入最小安全系数值。默认失败准则是最大von-Mises应力2.【约束】选项约束选项是用于拓扑约束运算过程中的约束限制，可以从应力、位移、频率等多个角度进行限制功能名称功能作用频率约束模式形状添加模式形状数以在优化过程中强制实施频率约束进行拓扑算例之前，使用原始模型（最大设计空间）运行频率算例以评估允许的自然频率范围比较器值（Hz）选择以下三个选项之一：小于输入频率上限，大于输入频率下限，或为选定模式形状输入允许的频率范围（例如10-20）。为每个模式形状输入以Hz为单位的频率值模式跟踪选中此选项时，优化解算器将跟踪在整个优化迭代过程中实施频率约束时从原始几何图形派生的选定模式形状的顺序。清除模式跟踪时，解算器将跟踪为每个优化迭代所派生的当前模式形状顺序。例如，可以在第一个模式形状上实现50%质量缩减和频率约束的优化目标，原始几何图形的第一个模式形状将成为优化几何图形的第二个或第三个模式形状3.【制造控制】选项优化流程将创建可满足优化目标和任何定义的几何约束的材料布局。但是，不能使用标准制造技术进行设计，如铸造和锻造。应用正确的几何控制可防止形成底部相切切和空心零件。制造限制将确保优化形状可从模具提取，或可通过工具和冲模进行戳记。因此，对需要几何控制的几何体进行制造控制，本系统提供4种制造控制选项名称功能保留区域向模型中添加保留区域，该区域不会在拓扑优化过程中被修改脱模控制添加脱模控制以确保优化设计可制造，且能从模具中提取对称控制对称控制强制将设计优化为关于特定基准面对称。可以对优化设计强制实施二分、四分或八分平面对称厚度控制可以为拓扑优化应用构件大小约束，可禁止创建很厚或很薄的区域，因为这会导致制造困难4.高级导出在优化结束后，可以将优化好的几何结构导出为网格实体、曲面实体、实体、图像等多种格式，满足后续的操作。名称功能图形实体以轻化、边界几何体展示格式导出光顺网格数据。选择此选项，以将图形实体文档导入到的原始零件或装配体文档中，以便可将其用作帮助修改原始零部件几何体的蓝图实体将光顺网格数据导出为实体（*sldprt文件格式）。为3D打印操作选择此选项。此选项需要更长的计算时间才能完成曲面实体仅导出光顺网格数据的曲面几何体（*.STL文件格式）创建以单个面为边界的网格实体将优化形状（如具有光顺网格的材料质量图解中显示的实体或曲面实体）导出至网格BREP实体。网格实体（也称作网格边界展示或网格BREP实体）由网格分面（三角形）构成。对于实体，网格分面将形成闭环边界曲面（也称作水密网格）。对于曲面实体，网格将形成开环曲面BREP。网格BREP实体独立于在Simulation中展示几何体的有限元素模型的网格将分面分组到面将网格分面收集到可选面中。这些网格面被定义为分面集合且不具有参数展示，因此不能修改其尺寸7.5实例：支架拓扑分析Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析创建分析系统材料设置边界条件和载荷设置目标、约束和制造控制后处理及结果分析1.创建分析系统单击①【材料质量】可以观察到拓扑优化后的几何模型在【制造控制】限制的区域之外是可以进行优化的区域。在优化区域内，材料按照应力值的大小，从大到小依次删除。这样得到最优的、符合应力均匀分布的几何结构。在本次分析中，主要对A区域即中间的支撑板和B区域上部的承载板进行拓扑优化1.创建分析系统在【材料质量1】菜单上单击右键鼠标，单击③【编辑定义】，在弹出的对话框中可以单击④【材料质量】选项，通过左右滑动调节滑块来显示支架材料的多少，单击⑤【计算光顺网格】1.创建分析系统在【材料质量1】菜单上单击右键鼠标，单击③【编辑定义】，在弹出的对话框中可以单击④【材料质量】选项，通过左右滑动调节滑块来显示支架材料的多少，单击⑤【计算光顺网格】1.创建分析系统对于优化后的模型，可以通过选项⑥【导出光顺网格】，可以选择⑦【高级导出】选项，将网格导出为“图形实体”、“实体”和“曲面实体”三种类别，如图8-13所示。7.6实例：尺寸优化分析Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析创建分析系统模型设置后处理及结果分析1.创建分析系统静应力分析的流程前述章节已经进行详细的介绍，本节不做过多解释。只对边界条件、载荷和结果进行讨论。将支架的材料设置为普通碳钢，对四个支架的轴孔施加固定约束，在上端面上施加1000N的轴向力1.创建分析系统在该结构尺寸下，von-Mises最大应力为207.9MPa，位于左上角的孔的内壁，超过材料的屈服强度，因此当前结构尺寸并不是最优解1.创建分析系统单击【新算例】选项，在【设计洞察】选项中，选择①【设计算例】选项，即可进入尺寸优化分析系统，2.模型设置进入系统后，需要设置三个基本选项，分别是①【变量】设置、②【约束】设置和③【目标】，2.模型设置现在对①【变量】进行设置，根据之前拓扑分析的结果，本次模型需要改变中间三角形的大小和受力面的厚度，因此将与其相关的尺寸进行变量命名变量命名AABBCCDD位置三角形左侧尺寸三角形上侧尺寸三角形下侧尺寸承载板厚度值（mm）151020102.模型设置将参数命名好后，将【变量】选项中选择对应的参数，参数的取值范围有【带步长范围】、【离散值】和【范围】三种，本次选【范围】选项，可以取的冗余尺寸多一些，本次取值最小值为5mm，最大值为30mm，2.模型设置本次分析中，约束使用静应力分析得到的von-Mises应力的最大值