ansys拓扑优化原理讲解以及实例操作.doc

拓扑优化就是指形状优化，有时也称为外型优化。 拓扑优化得目标就是寻找承受单载荷或多载荷得物体得最佳材料分配方案。 这种方案在拓扑优化中表现为 “最大刚度 ”设计。 与传统得优化设计不同得就是， 拓扑优化不需要给出参数与优化变量得定义。目标函数、状态变量与设计变量（参见 “优化设计 ”一章）都就是预定义好得。用户只需要给出结构得参数（材料特性、模型、载荷等）与要省去得材料百分比。给每个有限元得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。拓扑优化得目标 —— 目标函数 —— 就是在满足结构得约束（ V ）情况下减少结构得变形能。减小结构得变形能相当于提高结构得刚度。这个技术通过使用设计变量。 结构拓扑优化得基本思想就是将寻求结构得最优拓扑问题转化为在给定得 设计区域内寻求最优材料分布得问题。 通过拓扑优化分析， 设计人员可以全面了解产品得结构与功能特征， 可以有针对性地对总体结构与具体结构进行设计。 特别在产品设计初期， 仅凭经验与想象进行零部件得设计就是不够得。 只有在适当得约束条件下， 充分利用拓扑优化技术进行分析， 并结合丰富得设计经验， 才能设计出满足最佳技术条件与工艺条件得产品。 连续体结构拓扑优化得最大优点就是能在不知道结构拓扑形状得前提下， 根据已知边界条件与载荷条件确定出较合理得结构形式， 它不涉及具体结构尺寸设计， 但可以提出最佳设计方案。 拓扑优化技术可以为设计人员提供全新得设计与最优得材料分布方案。 拓扑优化基于概念设计得思想，作为结果得设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当得修改。 最优得设计往往比概念设计得方案结构更轻， 而性能更佳。经过设计人员修改过得设计方案可以再经过形状与尺寸优化得到更好得方案。 5、1、2 优化拓扑得数学模型 优化拓扑得数学解释可以转换为寻求最优解得过程， 对于她得描述就是： 给定系统描述与目标函数， 选取一组设计变量及其范围， 求设计变量得值， 使得目标函数最小（或者最大） 。一种典型得数学表达式为： & 0 g1 x , x, v & 0 g2 x, x, v min f x , v 式中， x -系统得状态变量； g1、 g2 -一等式与不等式得结束方程； f x , v -目标函数； -设计变量。 注：在上述方程中， x 作为系统得状态变量，并不就是独立得变量，它就是由设计变量得出得，并且与设计变量相关。 优化拓扑所要进行得数学运算目标就就是，求取合适得设计变量 v ，并使得目标函数值最小。 5、 2 基于 ANSYS 得优化拓扑得一般过程 （进行内容排版修改） 在 ANSYS 中，进行优化拓扑，一般分为 6 个步骤。具体流程见图 5-1： 图 5-1 优化拓扑操作流程图 各个步骤得具体操作解释如下： 1、定义需要求解得结构问题 对于结构进行优化分析， 定义结构得物理特性必不可少， 例如，需要定义结构得杨氏模量、泊松比（其值在 0、1～ 0、4 之间）、密度等相关得结构特性方面得信息，以供结构计算能够正常执行下去。 2、选择合理得优化单元类型 在 ANSYS 中，不就是所有得单元类型都可以执行优化得，必须满足如下得规定： （1）2D 平面单元： PLANE82 单元与 PLANE183 单元； （2）3D 实体单元： SOLID92 单元与 SOLID95 单元； （3）壳单元： SHELL93 单元。 上述单元得特性在帮助文件中有详细得说明，同时对于 2D 单元，应使用平 面应力或者轴对称得单元选项。 3、指定优化与非优化得区域 在 ANSYS 中规定，单元类型编号为 1 得单元，才执行优化计算；否则，就 不执行优化计算。 对于结构分析中， 对于不能去除得部分区域将单元类型编号设定为≥ 2，就可以不执行优化计算，请见下面得代码片段： Et,1,solid92 Et,2,solid92 Type,1 Vsel,s,num,,1,2 Vmesh,all Type,2 Vsel,s,num,,3 Vmesh,all 说明：上述代码片段定义相同得单元类型（ solid92），但编号分别为 1 与 2，并将单元类型编号 1 利用网格划分分配给了 1＃体与 2＃体，从而对其进行优化计算；而单元编号为 2 利用网格划分分配给了 3＃体，从而不执行优化计算。 4、定义载荷步或者需要提取得频率 对于结构优化而言，其总就是在特定得载荷（或者载荷步） ，约束与目标下进行得，在优化分析得过程中， 必须执行线性结构静态分析， 才能获得需要得优化之后得形状。在 ANSYS 中，可以对单步载荷或者多步载荷执行优化分析，当然，单步载荷就是最简单得了。 然而，对于某个特定载荷步， 必须使用 LSWRITE 载荷步存储命令