產品概念設計初期，單純的憑借經驗以及想象對零部件進行設計往往是不夠的，在適當約束條件下，如果能充分利用“拓撲優化技術”進行分析，并結合豐富的產品設計經驗，可以設計出更能滿足產品結構技術方案、工藝要求以及更質輕質優的產品。

拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，將區域離散成足夠多的子區域，借助FEM分析技術按照指定的優化策略、約束準則、目標等從這些區域中刪除一定數量單元，用保留下來的單元描述結構的最優拓撲，發揮系統材料最大利用率。拓撲優化后，通常需要對其產生的結果模型進行設計驗證，完全復制拓撲優化前的邊界條件進行仿真計算。

以往版本需要在WorkBench中添加后續分析模塊去驗證優化后的模型。拓撲優化后的仿真計算設計驗證過程如下圖所示。先在拓撲結果中生成光順平滑的 STL 模型后，再在 Workbench 中通過“Transfer to Design Validation System”將優化結果傳遞至驗證系統，系統自動生成位于拓撲優化系統上游的相同類型的Mechanical系統，并繼承之前的全部計算載荷和約束。創建該驗證工作流程，分為四步，在創建的驗證系統中去劃分網格運行計算及查看設計結果。

前面版本雖然可以比較方便地把優化后的模型導入到新的靜力學結構仿真中，進行優化模型的驗證，但2022R1版本新增擁有了更便捷的功能，可以直接在結構優化系統中查看優化后的力學特性，即允許用戶直觀可視化最終設計的結果（變形、應力、特征值模態等），更方便快速檢查和驗證力學行為。

下面我們以基底拓撲的例子來示意說明：基底底部為帶四個沉孔的長方體塊，四個沉孔上環面及柱面固定支持，兩耳板內孔受500 N·m扭矩，如下圖一所示，模型網格劃分如圖二所示。求解后，查看等效應力結果，最大等效應力為112.6MPa。

圖一 邊界與載荷/圖二 網格劃分/圖三 等效應力云圖

拓撲優化以柔度最小化為目標，保留25%的質量，四個沉孔處圓柱體及兩耳板不做拓撲優化，如圖四所示。

圖四 拓撲條件

為了可視化拓撲優化后結構力學特性，我們需要設置Analysis Settings里的Output Controls的屬性：

? Export Design Properties:當上游靜態結構或模態分析系統時，此屬性可用于結構優化分析，可以在與上游分析相對應的結構優化分析中創建變形、應力、應變等結果，能夠檢查優化設計的機械行為，在這里我們選用All Accepted Iterations。

? Export Design Properties File Format:當指定導出Export Design Properties時顯示此屬性。選項包括 HDF5 文件（默認）和 VTK 文件（需要外部Reader），在這里我們選用推薦的HDF5 File，如圖五所示。

圖五 輸出控制

運行求解結構優化模型，完成后，可在Topology Density中查看優化后密度分布模型，如圖六所示。

圖六 拓撲密度

右擊Solution > Insert > Stress > Equivalent (Von-Mises)，快速輸出設計驗證值，查看拓撲優化后結構力學特征。

圖七 提取結果

圖八 輸出設計驗證值

通過以上同一模型在新舊版本中的操作對比，新版本在操作步驟上更簡潔，在計算時間上更經濟，在結果查看上更直觀，小伙伴們不妨一試。

文章來源于上海安世亞太 ，作者陳志梅