拓撲+形貌組合優化的案例
Optistruct v6.0培訓教程
一、目錄
第一章 C型夾結構的拓撲優化
第二章 汽車控制臂的拓撲優化
第三章 帶有制造工藝約束的拓撲優化
第四章 汽車擋泥板的加強筋設計
第五章 扭轉載荷作用下的平板形貌優化
第六章 硬盤滑塊懸臂系統的拓撲和形貌組合優化
optistruct v6.0培訓教程上.rar
optistruct v6.0培訓教程下.rar
淺析結構優化方法：拓撲、形狀、形貌、自由尺寸、尺寸
拓撲優化：拓撲優化是一種在設計中尋找最佳材料分布的方法。
它通過改變材料在結構中的分布，以最小化結構的質量（或體積分數）并滿足特定的性能要求。在汽車輕量化中，拓撲優化可以用來確定哪些部分需要加強，哪些部分可以減輕以降低整體重量，同時保持結構的強度和剛度。
形狀優化：形狀優化關注的是在給定的幾何形狀內，調整結構的形狀以優化性能。這可能涉及到改變零部件的曲率、截面形狀或其他幾何參數。在汽車輕量化中，形狀優化可以用來改進零部件的空氣動力性能、減少空氣阻力或改善碰撞安全性。
形貌優化：形貌優化通常與曲面設計相關，它著重于調整曲面的形狀以滿足特定的外觀、空氣動力性能或其他要求。在汽車設計中，形貌優化可以用來打造更具吸引力的外觀，同時確保空氣動力學效率。
自由尺寸優化：自由尺寸優化是一種更靈活的方法，它允許在優化過程中改變零部件的尺寸和形狀，而不受固定的幾何約束。這種方法通常需要高級的優化算法來找到最佳解決方案。在汽車輕量化中，自由尺寸優化可以用來創造創新的設計，以滿足復雜的性能目標。
尺寸優化：尺寸優化涉及到優化零部件的尺寸（厚度），以滿足性能要求。這可以包括增加或減小零部件的尺寸，以改善強度、剛度、耐久性等方面的性能。在汽車輕量化中，尺寸優化可以幫助設計更輕、更緊湊的零部件。
拓撲優化通常是優化的第一個階段，因為它確定了結構中哪些部分需要被優化。形狀優化通常在拓撲優化之后進行。拓撲優化確定了哪些區域需要被優化，而形狀優化則在這些區域內進行形狀的調整。形貌優化通常是在形狀優化之后進行的。
形狀優化確定了結構的內部幾何形狀，而形貌優化則在這個基礎上進行外部形貌的調整。尺寸優化可以在拓撲優化和形狀優化這兩個階段之間或之后進行。自由尺寸優化可以在其他優化方法可以在優化過程中的任何時候進行。
展開 ANSYS結構優化模塊的形貌優化 ￥50
ANSYS Workbench 形貌優化主要是針對薄殼結構的強度，改變其表面形貌，如凸起，加強等。
原模型
整體變形為0.87mm。
質量約束為100%
形貌優化后，同質量下，整體變形為0.12mm，結構剛度明顯提升。
ANSYS結構優化模塊的形貌優化功能實例
1）拓撲優化-基于密度；
2）拓撲優化-基于水平集；
3）柵格法；
4）形狀優化；
5）拓撲優化-混合密度法
6）形貌優化
02
導讀
本文通過一個簡單實例，介紹2023R1版本新增的形貌優化功能。形貌優化有什么實用價值，相信讀者看完實例就明白了。
基于optistruct薄壁板件的形貌優化 ￥1
Optistruct是一個強大的優化軟件，包含拓撲、形貌和尺寸優化功能，學習起來十分容易，是一款不可多得的優化利器，本文以此案例介紹OPtistruct進行形貌優化的過程。
原始平板
支架形貌優化設計方法研究.pdf
支架形貌優化設計方法研究.pdf
汽車制動器護罩的固有頻率優化（形貌）
今天給大家帶來的是汽車制動器護罩的固有頻率優化，采用solidThinking Inspire軟件，該軟件分析效率很高，設置過程非常方便，十分人性化，很適合產品設計工程師使用。
數模和分析文件.zip
一、案例標題
二、共分為4大內容（模型、要求、原數據分析、優化分析）
三、模型
四、優化要求，目前行業要求一階頻率大于100HZ，
五、先對原始數據進行摸底分析，分析結果小于100HZ，故需對其進行優化提升
六、采用形貌優化
———以上分析大概用了30分鐘不到，效率很高。
基于形貌優化的洗衣機內筒前法蘭設計
2 形貌優化分析方法及有限元分析
2.1形貌優化設計方法
形貌優化是一種形狀最優化的方法，即在板型結構中尋找最優加強筋分析的概念設計方法，通過指定單元節點在其法向的移動量，不斷調整有限元網格模型的結構形狀，直到得到滿足設計目標最優化的移動節點區域的最佳組合。較多用于設計薄壁結構的強化壓痕，使結構輕量化的同時能夠滿足剛強度和頻率等方面要求，并且生成優化后的最佳形貌。形貌優化尤其適合于板殼結構，可以靈活地設置起筋類型和起筋形狀，已經被廣泛應用于提高各種沖壓板件的性能，如減小變形，提高模態頻率，減小振動等。
對于滾筒洗衣機前法蘭優化區域的形貌優化，其設計流程為：對初設計模型進行網格劃分、施加邊界條件，設定優化設計目標及約束條件，定義起筋區域及起筋參數，如加強筋最小筋寬、起筋角度、加強筋高度及加強筋對稱方式等，如圖2所示，就可以從Topography Optimization模塊中得出加強筋布置方案，如果設計不能滿足要求，則返回重新修改相關參數，重新設計，此種設計思路縮短了改善加強筋分布設計周期，同時優化了設計流程。整個設計流程大致如圖3所示[5]。
展開 基于Optistruct的受扭平板的形貌優化分析
基于Optistruct的受扭平板的形貌優化分析.pdf
眾所周知Optistruct是一款功能很強大的結構優化軟件，覆蓋多種材料，包括金屬和復合材料，適用于靜態和動態，線性和非線性等多種優化應用領域，支持全面的優化類型，包括概念設計階段的拓撲優化、形貌優化和自由尺寸優化，以及詳細設計階段的尺寸優化、形狀優化和自由形狀優化。每種優化模式均有各自的優勢，其中形貌優化技術的設計空間是由大量的節點波動向量組成，這些節點向量按照一定的模式進行組合以滿足設計約束，并最終生成優化后的最佳形貌。本文案例是利用形貌優化分析對受扭平板進行優化，對比分析優化前后目標值的改善情況。
本文案例的模型為金屬平板，尺寸為100×100mm，網格大小為2mm，對比5總形貌優化結果，我們可以得出結論，進行形貌優化時，不同的設置和選擇影響最終的優化結果，不同的設置取決于優化的人想要選擇什么樣的約束。
方案
優化結果
方案一
4.44m
方案二
4.31mm
方案三
31.76mm
方案四
14.65mm
方案五
15.17mm
具體詳細見附件PDF。非常感謝大家能批評指正。
展開 基于OptiStruct的活塞式壓縮機殼體VTF仿真分析及形貌優化
圖5 激勵力及響應點位置
如圖6所示為法向速度響應曲線，VTF分析結果表明上殼體在第一階模態頻率附近出現速度峰值p1，下殼體在第二階模態頻率附近出現速度峰值p2，且速度峰值p2高于目標值23%，殼體面剛度不足，因此需要對殼體進行結構優化，提升殼體模態頻率，減少殼體表面法向速度。
圖6 法向速度響應曲線
2.3 形貌優化
結構優化方法包括拓撲優化、尺寸優化、形貌優化等。封閉式往復壓縮機殼體大都采用薄板結構，通過模具沖壓成型，因此對殼體進行凸出筋肋的形貌優化，在殼體上找出最佳的加強筋肋的位置和形狀。在保證成本基本不增加的前提下，達到提升殼體面剛度、提升模態頻率、降低殼體法向速度的目的。如圖7所示為設計空間圖，其中綠色區域為設計區域，紅色區域為非設計區域。
圖7 設計空間圖
設計參數：起筋高度，H≤5 mm；最小筋寬，G≥5 mm；起筋角度，C=60°。
展開 白車身備胎坑形貌優化(實際案例)
一般情況下可以通過增加鈑金件的厚度和壓制加強筋的方法來提高備胎池剛度和NVH性能：
1.提高基頻，前200Hz內的模態數量最少
2.不同階次間，間隔大(引用)
Optistruct形貌優化尺寸控制：
Optistruct形貌優化特征控制
none:特征尺寸對優化結果的影響：
1.隨著高度尺寸增加，優化后基頻增大，階數減少
2.隨著寬度尺寸增加，優化后基頻減小，階數變化較小
1pln:特征尺寸對優化結果的影響：
1.隨著高度尺寸增加，優化后基頻增大，階數減少
2.隨著寬度尺寸增加，優化后基頻減小，階數變化較小
linear:特征尺寸對優化結果的影響：
1.隨著高度尺寸增加，優化后基頻增大，階數減少
2.隨著寬度尺寸增加，優化后基頻減小，階數變化較小
circular:特征尺寸對優化結果的影響：
1.隨著高度尺寸增加，優化后基頻增大，階數減少
2.隨著寬度尺寸增加，優化后基頻減小，階數變化較小
cyclic+ucyc：
cyclic&1pln+ucyc：
cyclic&lin+ucyc
cyclic&rad+ucyc：
特征尺寸對優化結果的影響：
1.同一類型特征，隨著高度尺寸增加，優化后基頻增大，階數減少
2.同一類型特征，隨著寬度尺寸增加，優化后基頻減小，階數變化較小
3.不同特征，相同的尺寸下優化結果近似一致，同時H15：W20組合最好
4.cyclic對應不同的類型時，ucyc=0/1時，基本一致，只有在>=2時，才產生差異
優化方式對結果的影響：
1.使用無特征類型：none
2.使用H15：W20組合
3.優化方法
a.最大化一階模態
b.前六階模態加權最小
c.第一步1階、2階加權最小；第二步2階、3階加權最小
展開 
基于optistruct安全帶固定支架形貌優化 ￥7
本案例是基于optistruct軟件對汽車安全帶固定支架進行形貌優化，生成最佳分布的加強筋，提高鈑金件的力學性能，提高鈑金件的剛度，從而改善其應力分布，減小應力集中。其中，優化變量、約束條件、優化目標見模型文件。
優化前
優化后
其中，紅色區域為生成的加強筋，供設計人員進行參考，從而幾何重構生成最終的模型。
優化前應力分布圖
優化后應力分布圖
優化前位移分布圖
優化后位移分布圖
從優化前與優化后汽車安全帶固定支架應力分布圖、位移分布圖可以看出，優化后的汽車安全帶固定支架強度和剛度均得到明顯的改善。關于本案例的應用，可參考學習《汽車安全帶固定支架的形貌優化設計》這篇文章。
展開 基于Optistruct的受扭平板的形貌優化分析
眾所周知Optistruct是一款功能很強大的結構優化軟件，覆蓋多種材料，包括金屬和復合材料，適用于靜態和動態，線性和非線性等多種優化應用領域，支持全面的優化類型，包括概念設計階段的拓撲優化、形貌優化和自由尺寸優化，以及詳細設計階段的尺寸優化、形狀優化和自由形狀優化。每種優化模式均有各自的優勢，其中形貌優化技術的設計空間是由大量的節點波動向量組成，這些節點向量按照一定的模式進行組合以滿足設計約束，并最終生成優化后的最佳形貌。本文案例是利用形貌優化分析對受扭平板進行優化，對比分析優化前后目標值的改善情況。
本文案例的模型為金屬平板，尺寸為100×100mm，網格大小為2mm，對比5總形貌優化結果，我們可以得出結論，進行形貌優化時，不同的設置和選擇影響最終的優化結果，不同的設置取決于優化的人想要選擇什么樣的約束。
方案
優化結果
方案一
4.44m
方案二
4.31mm
方案三
31.76mm
方案四
14.65mm
方案五
15.17mm
具體詳細見附件PDF。非常感謝大家能批評指正。
基于Optistruct的受扭平板的形貌優化分析.pdf
展開 金屬燃油箱形貌優化設計方法研究
定義形貌優化設計區域和加強筋基本參數后，再設定優化目標——第一階固有頻率最大，就可以提交計算通過形貌優化軟件獲取加強筋的最優布置方案。經過23輪迭代計算后該下殼體的形貌優化分析結果如圖4所示，此時一階模態達到了90.5HZ，而原始去掉加強筋的模型一階模態僅為22HZ,可見存在巨大的優化空間。
圖4 優化結果
3根據形貌優化結果布置加強筋
根據形貌優化的分析結果結合零件功能及工藝可行性，布置燃油箱殼體加強筋，最后設計完成的燃油箱下殼體模型如圖5所示。
圖5 最終設計模型
最后對完成設計的燃油箱進行模態分析，得到整個燃油箱總成的一階固有頻率為82.8Hz（見圖5），其一階模態出現在燃油箱上殼體中間部位，說明下殼體模態應該更高，其分析結果與形貌優化分析結果匹配良好，與最初的設計方案相比，第一階固有頻率提高了42%，達到了設計要求。
圖6 最終模型的一階模態振型圖
4 總結
1) 對于薄壁鈑金件加強筋的設計，在加強筋最大高度確定的前提下，關鍵是找到加強筋對應設計目標（如結構強度、某階固有頻率等）的最佳起筋區域布置方案，只有這樣才能獲得滿足成本及設計要求的最佳結果。
2) 通過形貌優化方法布置燃油箱殼體的加強筋，不但可以有效提高燃油箱的結構強度，而且可以優化設計開發的流程，大幅縮短了產品開發的周期。本文對基于形貌優化方法對燃油箱殼體加強筋進行布局的研究為該方法在鈑金零件設計領域的應用起到了很好的指導作用。
參考文獻：
[1] 呂兆平等 基于有限元技術的發動機懸置支架拓撲優化設計研究 汽車工程，2009（4）
[2]賈維新等，基于形貌優化的低噪聲油底殼設計研究【J]浙江大學學報（工學版）2007,41（5）；770-773.
展開 優化設計之拓撲優化
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）
展開 