[资料]ANSYS拓扑优化

[资料]ANSYS拓扑优化 [ANSYS拓扑优化]注意点 结果对载荷情况十分敏感。很小的载荷变化将导致很大的优化结果差异。 结果对网格划分密度敏感。一般来说，很细的网格可以产生“清晰”的拓扑结果，而较粗的网格会生成“混乱”的结果。但是，较大的有限元模型需要更多的收敛时间。, 在一些情况下会得到珩架形状的拓扑结果。这通常在用户指定很大的体积减少值和较细的网格划分时出现。很大的体积减少值如80%或更大(TOPDEF命令)。, 如果有多个载荷工况时，有多种方式将其联合进行拓扑优化求解。例如，考虑有五个载荷工况的情况。可以选择使用五个单独的拓扑优化分析过程，也可以使用包括这五个工况的一次拓扑优化分析。还有，也可以将这五个工况合成为一个工况，然后做一次优化。综合起来，可以有七个不同的拓扑优化求解:, 5 独立的拓扑优化求解(每个工况一次) 1 拓扑优化求解针对五个工况 1 拓扑优化求解针对一个联合工况 附加的结果或结果的组合都是可用的。 结果对泊松比敏感但对杨氏模量不敏感。但是，随泊松比变化的效果不明显。, TOPDEF和TOPITER命令中的指定值并不存储在ANSYS数据库中;因此，用户必须在每次拓扑优化时重新指定优化目标和定义。 [ANSYS拓扑优化]二维多载荷优化设计示例 在本例中，对承受两个载荷工况的梁进行拓扑优化。 问题描述 图2表示一个承载的弹性梁。梁两端固定，承受两个载荷工况。梁的一个面是用一号单元划分的，用于拓扑优化，另一个面是用二号单元划分的，不作优化。最后的形状是单元1的体积减少50%。 图片2 承受两个载荷工况的梁 图片3 拓扑优化结果——50%体积减少 本问题是用下列的ANSYS命令流求解的。两个载荷工况定义并用LSWRITE命令写入文件。使用ANSYS选择功能，单元SOLID82通过类型号1和2分别指定优化和不优化的部分。TOPDEF命令定义问题有两个载荷工况并要求50%体积减少。TOPEXE命令在本例中没有使用，代之以用TOPITER宏命令指定最大迭代次数为12次。 /TITLE,A 2-d,multiple-load example of topological optimization /PREP7 BLC4,0,0,3,1 ～生成实体模型(3X1矩形) ET,1,82 ～二维实体单元，1号为优化 ET,2,82 ～2号不优化 MP,EX,1,118E9 ～线性各项同性材料 MP,NUXY,1,0.3 ESIZE,0.05 ～较细的网格密度 TYPE,1 AMESH,ALL ～自由矩形网格划分 NSEL,S,LOC,X,0,0.4 ～选择不优化的部分 ESLN TYPE,2 EMODI,ALL ～定义2号单元 ALLSEL NSEL,S,LOC,X,0 D,ALL,ALL,0 ～在X=0处固定 NSEL,S,LOC,X,3 D,ALL,ALL,0 ～在X=3处固定 FORCE=1000 ～载荷数值 NSEL,S,LOC,X,1 NSEL,R,LOC,Y,1 F,ALL,FY,FORCE ～定义第一个载荷工况 ALLSEL LSWRITE,1 ～写第一个载荷工况 FDEL,ALL NSEL,S,LOC,X,2 NSEL,R,LOC,Y,0 F,ALL,FY,-FORCE ～定义第二个载荷工况 ALLSEL LSWRITE,2 ～写第二个载荷工况 FDEL,ALL TOPDEF,50,2 ～定义拓扑优化有两个载荷工况 /SHOW,topo,grph ～将图形输出到文件(在交互方式下删 除本命令 /DSCALE,,OFF /CONTOUR,,2 TOPITER,12,1 ～执行不多于12次迭代 FINISH 求解结果 图3表示上例的计算结果。这些结果存入top.grph文件便于后续的显示处理。 如果是交互地运行ANSYS程序，将/SHOW命令删除以观看每次迭代的结果。 [ANSYS拓扑优化]如何做拓扑优化 拓扑优化包括如下主要步骤: 1( 定义拓扑优化问题。 2( 选择单元类型。 3( 指定要优化和不优化的区域。 4( 定义和控制载荷工况。 5( 定义和控制优化过程。 6( 查看结果。 拓扑优化的细节在下面给出。关于批处理方式和图形菜单方式 不同的做法也同样提及。 定义拓扑优化问题 定义拓扑优化问题同定义其他线性，弹性结构问题做法一样。用户需要定义材料特性(杨氏模量和泊松比)，选择合适的单元类型生成有限元模型，施加载荷和边界条件做单载荷步或多载荷步分析。参见“ANSYS Analysis Procedures Guides”第一、二章。 选择单元类型 拓扑优化功能可以使用二维平面单元，三维块单元和壳单元。要使用这个功能，模型中只能有下列单元类型: 二维实体单元:SOLID2和SOLID82 三维实体单元:SOLID92和SOLID95 壳单元:SHELL93 二维单元用于平面应力问题。 指定要优化和不优化的区域 只有单元类型号为1的单元才能做拓扑优化。可以使用这种限制控制模型优化和不优化的部分。例如，如果要保留接近圆孔部分或支架部分的材料，将这部分单元类型号指定为2或更大即可: „ ET,1,SOLID92 ET,2,SOLID92 „ TYPE,1 VSEL,S,NUM,,1,,2 ～用这些单元划分的实体将被优化 VMESH,ALL TYPE,2 VSEL,S,NUM,,3 ～用这些单元划分的实体将保持原状 VMESH,ALL „ 用户可以使用ANSYS的选择和修改命令控制单元划分和类型号定义。 定义和控制载荷工况 可以在单个载荷工况和多个载荷工况下做拓扑优化。单载荷工况是最简便的。 要在几个独立的载荷工况中得到优化结果时，必须用到写载荷工况和求解功能。在定义完每个载荷工况后，要用LSWRITE命令将数据写入文件，然后用LSSOLVE命令求解载荷工况的集合。 例如，下面的输入演示如何将三个载荷工况联合做一个拓扑优化分析。 „ D,10,ALL,0,,20,1 ～定义第一个载荷工况的约束和载荷 NSEL,S,LOC,Y,0 SF, ALLSEL LSWRITE,1 ～写第一个载荷工况 DDEL, SFDEL, NSEL,S,LOC,X,0,1 D,ALL,ALL,0 NSEL,ALL F,212,FX LSWRITE,2 ～写第二个载荷工况 „ LSWRITE,3 ～写第三个载荷工况 „ FINISH /SOLUTION TOPDEF,10,3 ～定义优化的参数 LSSOLVE,1,3,1 ～在拓扑优化前做所有三个载荷工况求解 „ 定义和控制优化过程 拓扑优化过程包括两部分:定义优化参数和进行拓扑优化。用户可以用两种方式运行拓扑优化:控制并执行每一次迭代，或自动进行多次迭代。 TOPDEFANSYS有三个命令定义和执行拓扑优化:TOPDEF，TOPEXE和TOPITER。命令定义要省去材料的量，要处理载荷工况的数目，收敛的公差。TOPEXE命令执行一次优化迭代。TOPITER命令执行多次优化迭代。 定义优化参数 首先要定义优化参数。用户要定义要省去材料的百分比，要处理载荷工况的数目，收敛的公差。 命令:TOPDEF GUI:Main Menu>Solution>-Solve-Topological opt 注——本步所定义的内容并不存入ANSYS数据库中，因此在下一个拓扑优化中要重新使用TOPDEF命令。 执行单次迭代 定义好优化参数以后，可以执行一次迭代。迭代后用户可以查看收敛情况并绘出或列出当前的拓扑优化结果。可以继续做迭代直到满足要求为止。如果是在GUI方式下执行，在Topological Optimization 对话框(ITER域)中选择一次迭代。 命令:TOPEXE GUI:Main Menu>Solution>-Solve-Topological opt 下面的例子说明了如何在拓扑优化中每次执行一次迭代: „ /SOLUTION TOPDEF,25,1 ～移去25%体积并处理一个载荷工况 SOLVE ～执行第一次应力分析 TOPEXE ～执行第一次拓扑优化迭代 FINISH /POST1 ～进入后处理器 PLNSOL,TOP0 ～画出优化结果 *GET,TIPSRAT,TOPO,,CONV ～读取拓扑收敛状态 *STATUS,TOPSTAT ～列表 /SOLUTION SOLVE ～执行第二次应力分析 TOPEXE ～执行第二次拓扑优化迭代 FINISH /POST1 „ TOPEXE的主要优点是用户可以设计自己的迭代宏进行自动优化循环和绘图。在下一节，可以看到TOPITER命令是一个ANSYS的宏，用来执行多次优化迭代。 自动执行多次迭代 在定义好优化参数以后，用户可以自动执行多次迭代。在迭代完成以后，可以查看收敛情况并绘出或列出当前拓扑形状。如果需要的话，可以继续执行求解和迭代。TOPITER命令实际是一个ANSYS的宏，可以拷贝和定制(见APDL Programmer’s Guide)。 命令:TOPITER Solve-Topological opt GUI:Main Menu>Solution>- 下面的例子说明了如何使用TOPITER宏执行多次迭代: „ ～定义并写第一个载荷工况 LSWRITE „ ～定义并写第二个载荷工况 LSWRITE „ ～定义并写第三个载荷工况 LSWRITE „ TOPDEF,80,3,.001 ～80%体积减少，3个载荷工况 „ 0.001为收敛公差 /DSCALE,,OFF ～关闭形状改变 /CONTOUR,,3 ～每次显示3个轮廓数值 TOPITER,20,1 ～最大20次迭代。每次迭代求解并绘出 „ 结果 每次迭代执行一次LSSOLVE命令，一次TOPEXE命令和一次PLNSOL，TOPO显示命令。当收敛公差达到(用TOPDEF定义)或最大迭代次数(用TOPITER定义)达到时优化迭代过程终止。 查看结果。 拓扑优化结束后，ANSYS结果文件(Jobname.RST)将存储优化结果供通用后处理器使用。用户可以使用后面提到的后处理命令。要得到更详细的信息，请查阅ANSYS Commands Reference或ANSYS Basic Analysis Procedures Guide第五章。 要列出结点解和/或绘出伪密度，使用PRNSOL和PLNSOL命令的TOPO变量。 要列出单元解和/或绘出伪密度，使用PLESOL和PRESOL命令的TOPO变量。 可以使用ANSYS表格功能查看结果: ETABLE,EDENS,TOPO PLETAB,EDENS PRETAB,EDENS ESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1.0 EPLOT 要查看最近(最后一次迭代)的收敛情况和结构变形能，使用*GET命令: *GET,TOPCV,TOP0,,CONV ～如果TOPCV=1(收敛) *GET,ECOMP,TP0,,COMP ～ECOMP=变形能 *STAT [ANSYS拓扑优化]什么是拓扑优化 拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。 拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。 与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量(参见“优化设计”一章)都是预定义好的。用户只需要给出结构的参数(材料特性、模型、载荷等)和要省去的材料百分比。 i)给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。这些伪密度用PLNSOL，TOPO命令来绘出。,拓扑优化的目标——目标函数——是在满足结构的约束(V)情况下减少结构的变形能。减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。这个技术通过使用设计变量( 例如，给定V=60表示在给定载荷并满足最大刚度准则要求的情况下省去60%的材料。图1表示满足约束和载荷要求的拓扑优化结果。图1a表示载荷和边界条件，图1b表示以密度云图形式绘制的拓扑结果。 图片1 体积减少60%的拓扑优化示例