拓扑优化简介及在ANSYS
软件中的实现
ANSYS TRAINING
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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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
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
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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
拓扑函数描述法
变量的非线性、非单调函数
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
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
– 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
– 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
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• 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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• 通用后处理器中查看伪密度等值图 “topo plot”
Utility Menu > PlotCtrls > Style > Displacement Scaling...
– 关闭图例栏: /PLOPTS,INFO,OFF或
• GUI操作对应命令流的输出
– 单步查看 – 最终整体输出
Utility Menu > PlotCtrls > Window Controls > Window Options...
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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求解步骤
操作方式
批处理的方式-
APDL语言
一
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• 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
– – – – 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
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
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
– 定义实常数(壳厚度等)
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• 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).
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=0
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