采用拓?fù)鋬?yōu)化可在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本不變的前提下使原有結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，亦可使結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)一步提高，解決傳統(tǒng)方法對(duì)于質(zhì)量降低和剛度提高之間的矛盾。同時(shí)，拓?fù)鋬?yōu)化可為設(shè)計(jì)工程師的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)提供參考，令設(shè)計(jì)人員腦洞大開(kāi)。另外，因質(zhì)量得到降低，所以結(jié)構(gòu)的一階固有頻率也會(huì)有所提高，可以有效改善振動(dòng)噪音問(wèn)題。

下面具體介紹使用ANSYS Workbench進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的流程和分析步驟：

首先建立靜力學(xué)分析（或模態(tài)分析），然后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，最后進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，如圖1所示。

圖1 ANSYS Workbench拓?fù)鋬?yōu)化分析流程

從Workbench界面左側(cè)工具欄中雙擊靜力學(xué)分析模塊（或模態(tài)分析模塊），然后將拓?fù)鋬?yōu)化分析模塊拖至靜力學(xué)分析模塊（或模態(tài)分析模塊）“solution”項(xiàng)，見(jiàn)圖2。

圖2 建立拓?fù)鋬?yōu)化分析模塊

優(yōu)化區(qū)域可通過(guò)“Geometry”和“Named Selection”進(jìn)行定義，也可通過(guò)排除區(qū)域進(jìn)行輔助選擇，如圖3所示。

圖3 定義優(yōu)化區(qū)域

對(duì)于靜力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化，可選擇“Mass”或“Volume”或“Global Von-Mises Stress”中的一種作為優(yōu)化目標(biāo)，如圖4所示。

圖4 定義優(yōu)化目標(biāo)

拓?fù)涿芏戎捣秶鸀?~1.0，高數(shù)值表示材料必須高數(shù)值表示材料必須被保留，低數(shù)值表示多余材料可以被去除。高數(shù)值導(dǎo)致更“苗條”結(jié)構(gòu)(更大膽設(shè)計(jì)), 低數(shù)值導(dǎo)致”矮胖”結(jié)構(gòu)(更保守設(shè)計(jì))。根據(jù)所選擇的閾值可以計(jì)算出拓?fù)鋬?yōu)化后的體積和質(zhì)量并且和原始的體積和質(zhì)量對(duì)比，幫助用戶進(jìn)一步確定“更優(yōu)化”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化后的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下圖。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算結(jié)果

從拓?fù)鋬?yōu)化系統(tǒng)的結(jié)果選項(xiàng)中啟動(dòng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳遞鏈接在拓?fù)鋬?yōu)化系統(tǒng)的結(jié)果選項(xiàng)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證系統(tǒng)的幾何選項(xiàng)之間建立，如圖6和圖7所示。

圖6 啟動(dòng)驗(yàn)證系統(tǒng)方法

圖7 啟動(dòng)完成驗(yàn)證系統(tǒng)

優(yōu)化后的STL格式文件和原始CAD模型都被傳遞到驗(yàn)證系統(tǒng)的幾何模塊中，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后的幾何模型

導(dǎo)入的STL文件不適于于進(jìn)行驗(yàn)證分析. 它必須被編輯并轉(zhuǎn)化為實(shí)體幾何模型，默認(rèn)使用SpaceClaim進(jìn)行幾何修正，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后模型幾何處理

求解并檢查優(yōu)化后的幾何模型是否能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，若不滿足，可重新調(diào)整“Mass”或“Volume”或“Global Von-Mises Stress”的優(yōu)化比例，直至優(yōu)化結(jié)果滿足要求為止。原始模型和優(yōu)化后模型的仿真結(jié)果可以進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。

（a）優(yōu)化前模型位移云圖（b）優(yōu)化前模型應(yīng)力云圖

（c）優(yōu)化前模型位移云圖（d）優(yōu)化前模型應(yīng)力云圖

圖10 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比