ansys拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)理論

1、拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化，有時(shí)也稱為外型優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不同的是，拓?fù)鋬?yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義。目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計(jì)變量（參見(jiàn)“優(yōu)化設(shè)計(jì)”一章）都是預(yù)定義好的。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)（材料特性、模型、載荷等）和要省去的材料百分比。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)——目標(biāo)函數(shù)——是在滿足結(jié)構(gòu)的約束（V）情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能。減小結(jié)

2、構(gòu)的變形能相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。這個(gè)技術(shù)通過(guò)使用設(shè)計(jì)變量（hi）給每個(gè)有限元的單元賦予內(nèi)部偽密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些偽密度用PLNSOL，TOPO命令來(lái)繪出。例如，給定V=60表示在給定載荷并滿足最大剛度準(zhǔn)則要求的情況下省去60%的材料。圖21表示滿足約束和載荷要求的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。圖21a表示載荷和邊界條件，圖22b表示以密度云圖形式繪制的拓?fù)浣Y(jié)果。圖21體積減少60%的拓?fù)鋬?yōu)化示例如何做拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化包括如下主要步驟：1定義拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。2

3、選擇單元類(lèi)型。3指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域。4定義和控制載荷工況。5定義和控制優(yōu)化過(guò)程。6查看結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化的細(xì)節(jié)在下面給出。關(guān)于批處理方式和圖形菜單方式不同的做法也同樣提及。定義拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題定義拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題同定義其他線性，彈性結(jié)構(gòu)問(wèn)題做法一樣。用戶需要定義材料特性（楊氏模量和泊松比），選擇合適的單元類(lèi)型生成有限元模型，施加載荷和邊界條件做單載荷步或多載荷步分析。參見(jiàn)“ANSYSAnalysisProceduresGuides”第一、二章

4、。選擇單元類(lèi)型拓?fù)鋬?yōu)化功能可以使用二維平面單元，三維塊單元和殼單元。要使用這個(gè)功能，模型中只能有下列單元類(lèi)型：二維實(shí)體單元：SOLID2和SOLID82三維實(shí)體單元：SOLID92和SOLID95殼單元：SHELL93二維單元用于平面應(yīng)力問(wèn)題。指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域只有單元類(lèi)型號(hào)為1的單元才能做拓?fù)鋬?yōu)化?？梢允褂眠@種限制控制模型優(yōu)化和不優(yōu)化的部分。例如，如果要保留接近圓孔部分或支架部分的材料，將這部分單元類(lèi)型號(hào)指定為2或更大即可：…E

5、T1SOLID92ET2SOLID92…TYPE1VSELSNUM12！用這些單元?jiǎng)澐值膶?shí)體將被優(yōu)化VMESHALL用TOPDEF命令?！獔?zhí)行單次迭代定義好優(yōu)化參數(shù)以后，可以執(zhí)行一次迭代。迭代后用戶可以查看收斂情況并繪出或列出當(dāng)前的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。可以繼續(xù)做迭代直到滿足要求為止。如果是在GUI方式下執(zhí)行，在TopologicalOptimization對(duì)話框（ITER域）中選擇一次迭代。命令：TOPEXEGUI：MainMenuSolut

6、ionSolveTopologicalopt下面的例子說(shuō)明了如何在拓?fù)鋬?yōu)化中每次執(zhí)行一次迭代：…SOLUTIONTOPDEF251！移去25%體積并處理一個(gè)載荷工況SOLVE！執(zhí)行第一次應(yīng)力分析TOPEXE！執(zhí)行第一次拓?fù)鋬?yōu)化迭代FINISHPOST1！進(jìn)入后處理器PLNSOLTOP0！畫(huà)出優(yōu)化結(jié)果GETTIPSRATTOPOCONV！讀取拓?fù)涫諗繝顟B(tài)STATUSTOPSTAT！列表SOLUTIONSOLVE！執(zhí)行第二次應(yīng)力分析TOPE

7、XE！執(zhí)行第二次拓?fù)鋬?yōu)化迭代FINISHPOST1…TOPEXE的主要優(yōu)點(diǎn)是用戶可以設(shè)計(jì)自己的迭代宏進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化循環(huán)和繪圖。在下一節(jié)，可以看到TOPITER命令是一個(gè)ANSYS的宏，用來(lái)執(zhí)行多次優(yōu)化迭代?！詣?dòng)執(zhí)行多次迭代在定義好優(yōu)化參數(shù)以后，用戶可以自動(dòng)執(zhí)行多次迭代。在迭代完成以后，可以查看收斂情況并繪出或列出當(dāng)前拓?fù)湫螤?。如果需要的話，可以繼續(xù)執(zhí)行求解和迭代。TOPITER命令實(shí)際是一個(gè)ANSYS的宏，可以拷貝和定制（見(jiàn)APDLPr

8、ogrammer’sGuide）。命令：TOPITERGUI：MainMenuSolutionSolveTopologicalopt下面的例子說(shuō)明了如何使用TOPITER宏執(zhí)行多次迭代：…！定義并寫(xiě)第一個(gè)載荷工況LSWRITE…！定義并寫(xiě)第二個(gè)載荷工況LSWRITE…！定義并寫(xiě)第三個(gè)載荷工況LSWRITE…TOPDEF803.001！80%體積減少，3個(gè)載荷工況…0.001為收斂公差DSCALEOFF！關(guān)閉形狀改變CONTOUR3！每次