優化設計又叫輕量化設計，稱之為結構優化設計，是指在給定約束條件下，按某種目標(如重量最輕、成本最低、剛度最大等)求出最好的設計方案，曾稱為結構最佳設計或結構最優設計。相對于“結構分析”而言，又稱“結構綜合”；如以結構的重量最小為目標，則稱為最小重量設計。-來源【結構優化設計_百度百科】

   優化 設計的思路改變了傳統的"沉就是好，粗就是強”的誤區。

   輕量化設計的設計思路是“砍結構為主，減材料為輔”的方式，通過改變實現方式省去冗余結構的方式進行主要的減重，并以對個體零件的鏤空、更換低密度材料等方式進行輔助。

拓撲優化

 Topology Optimization

     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，是結構優化的一種。是在給定的3D幾何設計空間內對設計人員設置的定義規則集優化材料的布局及結構的過程。目標是通過對設計范圍內的外力、荷載條件、邊界條件、約束以及材料屬性等因素進行數學建模和優化，從而最大限度的提高零件的性能。

通過拓撲優化可以實現：

降低剛度重量比 

具有更好的應變能重量比 

降低材料體積及安全系數的比例 

自然頻率重量比 

拓撲優化設計變量

?單元形狀密度

?確定成員尺寸及邊界位置

?設計變量變化后網格維持原狀

拓撲優化是針對既定目標（如結構輕量化），確定最適當材料分布的布局優化

密度法應用廣泛，且設計變量固化為單元密度

算法

密度法

確定總體布局

1)對于不應放置材料的部位，單元的密度被設置為0或接近0的較小數值
如果形狀密度為0，單元的體積和剛度也變為0

2)對于應放置材料的部位，單元的密度被設置為1
如果形狀密度為1，單元將保持原有的體積和剛度

3)如果形狀密度為1，該單元將保留，如果為0，將變為不含單元的部分，因此表現為材料隨著形狀密度進行布置

棋盤格

拓撲優化結果的最終密度分布可以0和1不斷重復的形式形成，正如棋盤格里的黑白棋。這是一個避免此類現象的技術，因為這樣的結果無法生成或無法保留任何結構信息。

1)使用相近單元的單元明感度作為平均權重（與距離成反比）

2)包含在每個單元的平均密度里的域是參考最大單元半徑計算 (從單元中心到單元節點)

考慮制造條件

制造實際的產品或結構時，工藝及美學角度的問題都必須進行考慮

鑄造方向

1)單向,雙向

2)單方向：參考鑄造方向，自動選擇頂部單元。

3)雙向：自動選擇參考坐標或中心面周圍的單元。

4)如果參考鑄造方向儲存網格，結果將會更規則。

重復條件 (對稱條件)

1)支持基于參考坐標系的3個對稱面

2)對稱面位置為參考坐標系中心。

3)如果網格不是基于對稱面排列（不對稱），使得單元密度對稱，此時權重參考距離。

4)當對稱條件和鑄造方向同時定義，首先對稱條件生效，然后再適用鑄造方向。換句話說，對稱條件優先鑄造方向

設計組/非設計組

非設計組

1)邊界條件或與其他部分的連接方式已經明確的受載荷部分，或已設計好而不需要優化的部分

2)盡管設計組和非設計組都包括在相關的分析中，非設計組中的單元密度始終為1

3)不受制造條件影響，因為它被排除在優化之外并被固定

小貼士：

非2D或3D單元將自動被考慮為非設計組，即使它們被包含在設計組。

當在優化設計的后處理中創建分析模型時，它們將不會被作為非設計組并可能不包含在已自動重新生成的模型當中

拓撲優化問題的類型組成

midas NFX拓撲優化支持線性靜力、模態、頻率響應

分析流程

應用案例：

NFX拓撲優化支持3D單元和2D單元拓撲優化

吊鉤是起重機中常用的取物裝置，試通過拓撲優化分析，獲得能夠降低材料成本的最佳設計

前處理：

第一步：幾何導入（此處忽略）

第二步：材料定義（此處忽略）

第三步：單元特性定義（此處忽略）

第四步：網格劃分

第五步：邊界條件定義

第六步：荷載定義

分析工況定義

運行分析

后處理（結果查看）