拓扑优化简介及在ansys软件中的实现..ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,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 Write LS File.,),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,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,从主菜单选择,Topological Opt -Set Up-Basic Opt,然后指定体积减少量；,接下来，选择,Topological Opt Run,输入迭代数，并开始优化。,ANSYS,中拓扑优化过程,通用后处理器中查看伪密度等值图,“,topo plot,”,PLNSOL,TOPO,or,General Postproc Plot Results Nodal Solution,红色表示要保留的材料,(pseudo-density,1.0)；,蓝色表示可以去掉的材料,(pseudo-density,0.0)。,ETAB,EDENS,TOPO,PLETAB,TOPO,PLETAB,EDENS,PRETAB,EDENS,ESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1,EPLOT,提取保留单元,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）：,设等值图线数为,2:/CONTOUR,2,或,Utility Menu PlotCtrls Style Contours Uniform Contours.,关闭位移缩放,:/DSCALE,OFF,或,Utility Menu PlotCtrls Style Displacement Scaling.,关闭图例栏,:/PLOPTS,INFO,OFF,或,Utility Menu PlotCtrls Window Controls Window Options.,GUI,操作对应命令流的输出,单步查看,最终整体输出,Help is very helpful,！,ANSYS,中拓扑优化过程,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,3.3KN,6.5MPa,长,宽,=160 120,弹性模量,70MPa,，,泊松比为,0.33,实例讲解,1,定义分析类型,Preference Structure,2,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 Element Type Add/Edit/Delete Add,（,2,）定义实常数,Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete Add,（,3,）定义材料属性,PreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic,3.,利用尺寸变量建立模型,Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions,4,划分网格,Preprocessor Meshing Mesh Tool,实例讲解,5,施加载荷和边界条件,Solution Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C.On Nodes,Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Nodes,节点集合的建立,实例讲解,6,求解,（,1,）指定体积减少量,Topological Opt -Set Up-Basic Opt,（,2,）开始优化,Topological Opt Run,（输入迭代数）,7,查看求解结果,General Post Proc Plot Results Contour Plot Nodal Solu,Nodal Solution Topological Optimization Densities,Topological Opt Plot Densities,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,3.3KN,6.5MPa,长,宽,=160 120,位置,温度（,K,）,换热系数（,Wm,-2,K,）,1,1358.37,1092.36,2,293,105.3,3,363,13433,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,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 Element Type Switch Elem Type,二维实体：,PLANE77 PLANE183 PLANE82,三维实体：,Solid87 Solid187 Solid92,Solid90 Solid186 Solid95,推荐采用,Solid87,、,Solid90,，避免使用,六面体单元,实例讲解,实例三,ANSYS WORKBENCH,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=210,5,Mpa,，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,4,设置边界条件,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,谢谢大家！,