拓扑优化简介及在ANSYS软
件中的实现
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主要内容
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拓扑优化概述 ANSYS中拓扑优化过程 实例讲解
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拓扑优化概述
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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
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实例讲解
实例二 力热载荷综合作用下的拓扑优化
3.3KN
换热系数 （Wm-2K）
在实例一中的模型上施加热边界条件如下：
位置 温度（K）
长×宽=160 ×120
1 2 3
1358.37 293 363
1092.36 105.3 13433
6.5MPa
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• 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！
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实例讲解
实例一 力载荷下的拓扑优化
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。 3.3KN
实例讲解
热-结构耦合分析
耦合方法
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。
分析流程
温度场 边界条件 清除 物理环境 转换 单元 保存温度场 物理环境 转换 材料属性 温度场 计算 转换 接触算法 设置 参考温度 设置 边界条件
–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)。
提取保留单元 ETAB,EDENS,TOPO PLETAB,TOPO PLETAB,EDENS PRETAB,EDENS ESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1 EPLOT
区域，将该区域单元类型
设为2或更大。
优化的 不参与优化的
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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
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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。
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
Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By Dimensions
4．划分网格
Preprocessor > Meshing > Mesh Tool
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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
包括节点温度！
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实例讲解
热分析单元
二维实体：PLANE55 PLANE77 PLANE35 三维实体：Solid70 Solid87 Solid90 四节点四边形单元 八节点四边形单元 三节点三角形单元 一阶六面体单元（可退化为四面体） 二阶四面体单元 二阶六面体单元（可退化为四面体）
热分析单元转换为结构单元 Preprocessor > Element Type >Switch Elem Type
二维实体：PLANE77
三维实体：Solid87 Solid90
PLANE183
Solid187 Solid186
PLANE82
Solid92 Solid95
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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
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寻求材料的最优分布问题。
拓扑优化概述
拓扑描述方式
均匀化方法
拓扑优化求解算法
有限元法
优化准则法 序列凸规划法
密度法变厚度法拓源自函数描述法变量的非线性、非单调函数
GUI交互方式– 一般用户
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ANSYS中拓扑优化过程
• 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
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:
1. 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。
2. 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
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实例讲解
1．定义分析类型
2．设置材料参数
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实例讲解
3．建立几何模型
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4．设置边界条件
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5．计算结果
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实例讲解
耦合计算，加入静力分析 与ansys经典数据交换
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–定义实常数(壳厚度等)
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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).
/DSCALE,,OFF 或 /PLOPTS,INFO,OFF或
Utility Menu > PlotCtrls > Style > Displacement Scaling... Utility Menu > PlotCtrls > Window Controls > Window Options...
–结果形状为对每一载荷的等刚度
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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
体积减少量对
–开始优化(TOLOOP 命令)
• 指定循环次数
结果影响显著
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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
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
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拓扑优化概述
依赖于单元的伪密度来决定材料 去留，0 (去掉) 、1 (保留)
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
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ANSYS中拓扑优化过程
• 从主菜单选择 Topological Opt > -Set UpBasic 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。
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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”
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；
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ANSYS中拓扑优化过程
求解步骤
操作方式
批处理的方式-
APDL语言
一
（2）定义实常数
Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete > Add
（3）定义材料属性
Preprocessor>Material Props>Material Models>Structural>Linear>Elastic>Isotropic
3. 利用尺寸变量建立模型
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