加工約束的案例
ANSYS Topology Optimization拓撲優(yōu)化技術在輕量化設計應用概述
2、響應約束定義
拓撲優(yōu)化分析自動插入響應約束Response Constraint，可用的響應類型包括：
1) Mass Constraint、Volume Constraint：根據設計需要修改百分比，支持“常值”和“范圍”兩種形式修改優(yōu)化后的保留百分比分數。
2) Global von-Mises Stress Constraint 、Local von-Mises Stress Constraint：指定最大應力值，支持多個局部von-Mises應力約束。
3) Natural Frequency Constraint ：確定模態(tài)階次的定義，確定最小和最大頻率范圍。
4) Reaction Force Constraint：采用指定X/Y/Z分量反力作為約束。
5) Displacement Constraint：指定X/Y/Z位移分量作為約束。
3、 加工約束定義
加工約束包括如下類型：
1) Member Size：最小成員尺寸球內單元激活時滿足條件，默認最小單元尺寸為2.5倍最小網格尺寸；最大成員尺寸球內包括非激活單元時條件滿足，是自定義選項。
2) Extrusion：用于控制整個截面的拉伸方向，保持在這個方向具有完整的拉伸拓撲形狀。
3) Pull Out Direction：用于考慮材料擠出方向，方便基于模具設計零件中開模使用，能夠選擇單方向、兩個方向進行擠出控制。
4) Cyclic：能夠建立基于坐標系的循環(huán)對稱約束。
5) Symmetry：能夠建立基于坐標系的對稱約束。
如圖4所示，這是一個車輪的拓撲設計，其中考慮了5輻輪轂兩方案與10幅輪轂方案兩種循環(huán)對稱約束方法的比對。
展開 TOSCA應用領域及特點
? 疲勞分析軟件接口：FEMFAT、FE-Safe、Falancs、nCode DesignLife、Femsite等
--全面考慮加工約束：
? 拔模、鑄造、沖壓、對稱、最大和最小結構尺寸、空洞控制約束等
--網格自動細化和光順：
? 拓撲優(yōu)化中網格從粗到細自適應，提高優(yōu)化效率
? 形狀優(yōu)化中自動光順內部網格
TOSCA應用領域及特點.pdf
專為高校教學提供專業(yè)仿真工具——COMSOL多物理場仿真軟件
更多亮點
在模型管理器中對報告和 CAD 裝配體進行版本控制
對導入的 ECAD 文件進行自動簡化，以加快網格劃分和求解速度
考慮銑削過程等加工約束的拓撲優(yōu)化
多維插值和逆向不確定性量化
磁流體動力學模擬以及液態(tài)金屬材料庫
包括壓電、結構、聲學和流體流動的流量計仿真分析
模擬由超聲波驅動流體流動的聲流現象
分析燃料電池的性能，包括燃料雜質的影響
靜電放電模擬和預測雷電引起的電子元件損壞
在軌衛(wèi)星的熱分析
白車身備胎坑形貌優(yōu)化(實際案例)
開始優(yōu)化前需要解決下面三個問題，盡可能優(yōu)化出最好的結果：
1.首先對當前的特征形式進行統(tǒng)計，查找其中的設計規(guī)律
2.其次研究鈑金形貌優(yōu)化的邊界條件
3.選取合適的加工約束
2.備胎坑結構統(tǒng)計
以備胎坑為例，對現有車型的備胎坑特征進行了統(tǒng)計，發(fā)現有兩種趨勢，第一種：
1.備胎坑底面為環(huán)裝或者圓臺
2.四周為輻射狀特征
3.備胎坑下方無橫梁支撐
第二種：
1.備胎坑底面特征無特定規(guī)律，左右對稱
2.四周特征較少
3.備胎坑下方有橫梁支撐
對車型的特征尺寸進行了統(tǒng)計，發(fā)現：
備胎坑特征高度一般在5mm-16mm之間
3.備胎坑模態(tài)
對每個車型的備胎坑模態(tài)進行分析
只有備胎坑，厚度均為0.7mm，約束焊點位置：
1.模態(tài)階數在5-10之間
2.基頻在50Hz以上
通過對一個沒有特征的備胎坑進行應變能分析，查找薄弱位置
C、F、I相對其它車型設計更優(yōu)
1.模態(tài)階數在5-6的：D、F、I
2.基頻模態(tài)在70Hz以上的：C、F、I
3.根據應變能分析，薄弱位置位于前側邊緣，以及中間靠前的位置。C、F車型的設計與此相符，可參考其特征設計。
4.備胎坑結構影響因素分析
分析備胎坑深度變化，對模態(tài)性能的影響：
1.使用無特征的備胎坑，模態(tài)變化很小
2.使用有特征的備胎坑，模態(tài)變化很小
分析結構設計，對模態(tài)性能的影響：
1.增加橫梁后，模態(tài)有明顯改善，其中奇駿本無橫梁，使用子模型進行分析，仍然變化不大。
展開 
15款：3D打印性能利器，3D優(yōu)化軟件(收藏)
廣泛應用于概念設計和詳細設計階段，滿足所有行業(yè)的優(yōu)化設計需求——靈活的制造加工約束、廣泛的優(yōu)化響應類型、高度集成的應用環(huán)境
拓撲優(yōu)化
在產品研發(fā)的初始階段，用戶定義產品的設計空間、設計目標、設計約束和加工制造條件等信息，OptiStruct將根據這些信息求解出一個不僅滿足設計約束，而且達到各項性能最優(yōu)的結構拓撲設計方案。
形貌優(yōu)化
許多零件上經常采用加強筋來提高剛度。OptiStruct的形貌優(yōu)化技術可以指導用戶設計出滿足設計要求的最佳加強筋布局，已被成功應用于以提高結構剛度和降低噪聲為目的的概念設計中。
自由尺寸優(yōu)化
形狀優(yōu)化
........
ANSYS
ANSYS工具主要分三塊
1、 workbench 增材分析模塊，這個是為設計者使用的，使用門檻不高。
2、 ANSYS 增材打印模塊，這個是為增材設備操作人員，工藝工程師使用準備的，使用門檻低。
3、 ANSYS 增材研究模塊，這個是為增材材料專家， 工藝專家使用準備的，使用門檻相對偏高。
基于增材進行產品設計時，在工程設計師層面，設計師需要在產品的功能要求，需求方面梳理出來后，基于設計空間，目標，約束條件，利用Workbench搭建分析流程，再使用ANSYS topology優(yōu)化進行拓撲優(yōu)化，再利用SpaceClaim進行表面的光滑光順，然后再利用Mechanical進行性能校核，同時利用workbench 增材分析模塊，快速分析打印后的變形和應力問題，使得在產品設計階段對被打印件的擺放方式，支撐施加方式，如何通過產品的優(yōu)化設計，保證打印工藝的效果。
展開 OptiStruct結構優(yōu)化技術在航空結構設計中的應用
為了得到正確的優(yōu)化結果并方便產品的加工與制造，還添加了最小尺寸與拔模加工工藝約束。
根據優(yōu)化目標，當所有優(yōu)化變量部分的單元均保留時，有限元模型的應變能最小。因此，必須對拓撲優(yōu)化進行約束，以體積比為優(yōu)化約束。
優(yōu)化設計使用的方法為密度法。從優(yōu)化結果來看，原始模型有的部位變薄，有的部位被挖空，而這樣的材料分布也最符合應力的流向。
根據拓撲優(yōu)化結果對支架幾何模型進行修改，改進后的模型如圖9所示。重新對幾何模型進行網格劃分，根據初次分析結果，在應力較大部位進行網格細化，有限元模型如圖10所示。
應用RADIOSS再次進行求解，優(yōu)化后支架整體應力分布情況如圖11-13所示：
結論
應用OptiStruct進行結構優(yōu)化時, 優(yōu)化后的支架應力最大值為15.3MPa， 降低了29.2%；其重量也減少了16.8%，節(jié)約了制造成本。優(yōu)化后的結構應力分布比較均勻，其材料分布與結構中應力流的走向吻合較好，材料得到了充分的利用。
此次優(yōu)化分析的目的在于減重，僅使用拓撲優(yōu)化技術使材料在設計空間進行重新分布。若能根據結構的特點，綜合OptiStruct其他優(yōu)化技術如形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等，充分發(fā)揮其優(yōu)化功能，相信結構的力學性能會得到更大的改善。
展開 某型飛機復合材料整流罩優(yōu)化設計
第一步，運用自由尺寸優(yōu)化，考慮到鋪層方向，給出材料的總體分布，得到每個角度鋪層的厚度分布；第二步，考慮到所有的制造加工約束和工況載荷，對每個角度鋪層進行尺寸優(yōu)化，得到每個角度鋪層的精確厚度分布和沒有角度的鋪層數量；第三步，進行鋪層順序優(yōu)化，得到滿足制造工藝要求的鋪層順序。這種方法已經在OptiStruct中實現并為眾多航空企業(yè)所應用。
本案例基于OptiStruct軟件通過復合材料三步優(yōu)化方法對某型飛機復合材料整流罩進行了優(yōu)化設計，最終實現了減重目標。
2模型簡介
整流罩模型如圖 1所示，長度為3000mm，寬度為2000mm。模型材料屬性為碳纖維復合材料，初始鋪層為[0/45/-45/90]，單層厚度為2mm，單層板材料屬性如表 1所示。載荷工況包括2個：一個是0.02MPa內部均布壓力載荷工況；另一個是+Z向6.75g過載工況。模型中有2個負載，分別為2kg和3kg，通過RBE3單元施加到整流罩上，另外對模型四邊施加固定約束，如圖 2所示。整流罩的設計中需要考慮兩者關鍵指標：一是一階固有頻率不小于20Hz，二是結構最大應變小于1000微應變。
圖 1 整流罩模型
表 1 單層板材料屬性
圖 2 負載和邊界條件
3優(yōu)化設計
3.1第一步：概念設計-自由尺寸優(yōu)化
在自由尺寸優(yōu)化中，優(yōu)化設置如下：
（1) 目標函數：最小化兩種載荷工況的加權柔度；
（2) 約束：體積分數<0.3；
（3) 設計變量：每個方向鋪層厚度；
（4) 考慮的制造工藝約束包括：
a) 0度鋪層百分比80%；
b) 各個方向鋪層厚度不能小于真實單層板厚度（0.1mm）；
c) +45°/-45°度均衡鋪層。
自由尺寸優(yōu)化目標函數迭代曲線如圖 3所示，從中可以看出，經過9步迭代計算后達到收斂。
展開 基于 solidThinking Inspire 的油缸托架輕量化設計
根據減振器支架的轉配空間及加工制造約束，確定支架最大設計空間如圖5所示。
圖5 油缸托架最大設計空間
油缸托架的拓撲優(yōu)化模型如圖 6 所示。利用布爾運算將螺栓孔及銷軸周圍獨立出來，設置為非設計空間，剩下部分為設計空間； 模擬結構連接、約束，按照結構的受力情況設置工況； 設計目標為最大剛度，經過拓撲優(yōu)化，得到如圖 6 的優(yōu)化結果。對拓撲優(yōu)化后的模型結構利用 CATIA 軟件重新設計，得到新的支架結構如圖 7 所示。
圖6 油缸托架拓撲優(yōu)化結果
圖 7 優(yōu)化后 CAD 模型
在獲取優(yōu)化后的 CAD 模型后，按相同邊界條件對新結構進行靜力分析，得到結果如圖 8所示的應力結果。從分析結果來看，工況一結構最大應力為 329.572 MPa，工況二結構最大應力為 355.982MPa，滿足強度設計要求。
展開 tosca功能及作用介紹
? 網格自適應功能，提高求解效率
? 可以進行基于疲勞的優(yōu)化問題，提高產品的壽命
? 可以定義加工工藝約束，其中可以進行密封性約束、沖壓、鑄造、拔模、鍛造、對稱性約束等。
? 支持并行計算求解Tosca支持調用多個處理器來進行并行計算求解，包括調用多個cpu進行求解器求解、多個求解器進行優(yōu)化、多個求解器進行結果平滑處理等。
? 支持多工況優(yōu)化分析一般而言，只要有限元求解器支持的工況Tosca也都支持，并且對工況數目沒有限制，理論上可以有無限多個工況。
? 支持多目標優(yōu)化分析Toscatigong兩種方式對多目標進行處理：加權和法：Min 或者：Min（Max（兩種方式優(yōu)化結果不一樣，并且都基于Sensitivity算法。
? Tosca Fluid流體優(yōu)化Tosca Fluid大多數應用在管流問題中。通過初始設計空間，Tosca Fluid自動進行管流的優(yōu)化設計。通過CFD求解器，顯著減少壓降或者得到穩(wěn)流。運用Tosca Fluid好處：
1) 運用現有技術和模型，快速得到回報
2) 通過自動布局和廣泛整合大幅提高效率
3) 更短的開發(fā)時間
3，軟件功能模塊
--Tosca.gui——Tosca軟件的前處理模塊
Tosca.gui是非常容易使用的結構優(yōu)化定義、前/后處理的用戶圖形界面程序。如圖11所示Tosca.gui在優(yōu)化流程圖中附加在有限元分析的前后處理過程中。
展開 基于HyperWorks仿真流程化的飛機艙門研發(fā)
這些要求以約束的形式體現，如所選工況下的剛度和應力大小。同時也考慮最大殼厚度和材料類型等加工制造約束。這在系統(tǒng)優(yōu)化或單一結構優(yōu)化時是有效的。
項目進程中，我們開發(fā)了三種有限元模型： （1）包含全部零件的整體有限元模型，它是由飛機生產商提供的簡化的模型； （2）中間有限元模型，主要用來評估工況，這些模型包含了更多的細節(jié)； （3）詳細有限元模型，用于強度分析和局部結構分析。根據組件的構成，我們?yōu)槠涠x連接單元和材料，然后選擇分析類型。利用Altair建模和可視化工具——HyperMesh和HyperView，能夠快速響應設計規(guī)范和負載變動并進行快速修改。傳統(tǒng)的前后處理工具無法實現這種快速響應。
在產品研發(fā)流程中，HyperWorks能夠確保按時完成研發(fā)任務。同時HyperWorks還具備定制功能。比如，在艙門整 體系統(tǒng)創(chuàng)建過程中，應用HyperWorks的腳本語言進行批處理網格劃分，具體分析和求解模型組織過程的自動化。根據工作流程和研發(fā)環(huán)境量身定制的HyperWorks具有多個好處。通過創(chuàng)建專有數據庫，能夠更好地控制材料等模型參數。同時HyperWorks提供統(tǒng)一的前后處理環(huán)境。這些優(yōu)勢為縮短CAE研發(fā)周期做出了重大貢獻。
艙門支撐臂優(yōu)化
歐直公司的工程師團隊還包括優(yōu)化專家，他們的工作是評估艙門和零部件的優(yōu)化設計。一個典型的例子是仙童-道尼爾728型飛機艙門支撐臂設計。通過應用AltairOptiStruct拓撲優(yōu)化技術，工程師們獲得20%的減重設計。工程師能夠在不進行多種CAD設計方案開發(fā)、評估和反復迭代情況下結合產品性能和設計目標完成概念設計。
艙門鉸鏈最初設計由OptiStruct綜合艙門鎖定、緊急開門和敲擊三個工況給出的最大剛度方案。同時，優(yōu)化過程中考慮了支撐臂的拔模約束，以便獲得一個可實際生產的結構。
展開 仿真流程化的飛機艙門研發(fā)
這些要求以約束的形式體現，如所選工況下的剛度和應力大小。同時也考慮最大殼厚度和材料類型等加工制造約束。這在系統(tǒng)優(yōu)化或單一結構優(yōu)化時是有效的。
項目進程中，我們開發(fā)了三種有限元模型（FEMs）：（1）包含全部零件的整體有限元模型，它是由飛機生產商提供的、簡化的模型；（2）中間有限元模型，主要用來評估工況，這些模型包含了更多的細節(jié)；（3）詳細有限元模型，用于強度分析和局部結構分析。
根據組件的構成，我們?yōu)槠涠x連接單元和材料，然后選擇分析類型。Altair建模和可視化工具—HyperMesh和HyperView，能幫助我們快速響應設計規(guī)范和負載變動并進行快速修改。
我們先前的前后處理工具無法實現這種快速響應。在產品研發(fā)流程中整合Altair HyperWorks 工具的另一主要驅動力是它能保證我們按時完成研發(fā)任務。
在此過程中，我們還發(fā)現了該軟件的定制功能。比如，在艙門整體系統(tǒng)創(chuàng)建過程中，我們應用HyperWorks的腳本語言進行批處理網格劃分和具體分析和求解模型組織過程的自動化。
根據我們的工作流程和具體研發(fā)環(huán)境量身定制的HyperWorks具有多個好處。比如，通過創(chuàng)建專有數據庫，我們將活動更多的模型控制參數。同時HyperWorks提供統(tǒng)一的前后處理環(huán)境。總之，這些優(yōu)勢為縮短我們的CAE研發(fā)周期做出了重大貢獻。
艙門支撐臂優(yōu)化
除了使用仿真工具的強度工程師，歐直公司的工程師團隊還包括優(yōu)化專家，他們的工作是評估艙門和零部件的優(yōu)化設計。一個典型的例子是最近的仙童-道尼爾728型飛機艙門支撐臂設計。應用Altair結構優(yōu)化軟件，工程師們獲得了約為20%的減重設計。
展開 
CODE?V?優(yōu)化的約束模式:精確、加權和罰函數
CODE V 優(yōu)化引擎 (AUT)，使用像差評價函數來量化性能（成像質量），同時也量化那些設計指標，作為約束條件。優(yōu)化引擎內建有非常多的和光學相關的誤差評價函數和約束，同時也允許你定義。對于約束條件，有一些技巧可以幫助你在優(yōu)化時，如何進行選擇，如何使用控制。
默認的約束是為了 “硬約束” ，必須滿足，不考慮對評價函數的影響效果。CODE V 的優(yōu)化引擎使用拉格朗日乘數法來控制這些“硬的”或者“精確的”約束條件。把評價函數從約束條件中進行有效的分離處理，拉格朗日乘數法對于隨變量改變而線性改變的約束非常有效，比如光學量里面的有效焦距，機械量里面的總長，等等，非常多。對于你明確要求的特定約束，你可以有幾種選項來定義約束方法：相等（=），或者上邊界、下邊界、同時有上下邊界（<，>）。CODE V的默認普通約束，例如保證可加工制造的約束也是使用這種方法進行精確的控制。
加權的約束模式（最小化（權重））和罰函數約束模式把對約束條件的偏離納入評價函數。這種模式使你可以平衡成像質量的相對權重和約束條件對目標值的偏離。這種把約束植入評價函數的方法，當你在處理“軟約束”的時候是很有用的。特別是約束隨著變量在做非線性變化，我們發(fā)現當你試圖平衡諸如畸變或者表面形狀偏離等約束時，加權的約束模式比精確模式更有效果。當精確的約束加入和退出時，優(yōu)化的輸出會顯示出來，如果同樣的約束不斷地加入、退出，就說明如果把此約束放入評價函數會比較好。
對于加權的約束模式，你設置目標和權重：偏離目標，評價函數就會增加。對于罰函數約束模式，你定義一個目標和邊界：邊界內的約束對于評價函數的影響很小，出了邊界范圍，約束對于評價函數的貢獻急劇增加。
下圖比較了最小化約束模式和罰函數約束模式對于評價函數的貢獻，約束內容是要求畸變小于1%。
展開 TOSCA的新模塊SIZING
SIZING模塊針對的模型一般是板件，其主要的優(yōu)化思路是首先指定某一設計區(qū)域，接下來基于指定邊界條件（載荷、約束或者加工工藝等），設定相應的優(yōu)化目標，通過敏感度的優(yōu)化算法，使板件的厚度發(fā)生變化，最終確定一個新的厚度分布。
SIZING模塊可以施加以下的約束和優(yōu)化目標：
?剛度（柔度和位移）；
?特征頻率；
?內力和反作用力；
?動態(tài)位移，速度和加速度；
?重量，體積；
?重心；
?慣性矩；
?聲學特性。
以下是軟件的三個算例：
TOSCA新模塊SIZING.pdf
【2017 ATC 優(yōu)秀論文賞析】OptiStruct在變速器殼體優(yōu)化設計中的應用
主要對其質量、強度、剛度進行分析確認，確保殼體優(yōu)化前后性能不變，同時為優(yōu)化提供目標值與約束值。
通過仿真分析得到，殼體的等效應力為180MPa，大于殼體材料的屈服強度，一階模態(tài)為680Hz小1000Hz，故原模型在性能上不滿足設計要求。
優(yōu)化模型的建立
1.可設計空間的提取
首先對變速器殼體的可設計空間進行提取，盡量使殼體在進行優(yōu)化前的模型最大程度的充滿設計空間，并且保證殼體與內外零部件的動靜態(tài)連接關系，避免發(fā)生干涉，影響到內外零部件的安裝與工作，除此之外拓撲優(yōu)化使用的模型應滿足結構的制造工藝性，避免后期無法加工制造的問題。對原模型進行可設計空間提取，給出優(yōu)化前最大材料可利用空間，具體如圖所示。
2.優(yōu)化模型加載及優(yōu)化設置
與優(yōu)化前殼體模型相同，對優(yōu)化模型進行加載，并在加載后完成變量、優(yōu)化響應、約束和目標值得建立。本次優(yōu)化將殼體優(yōu)化模型根據加工制造工藝可行性問題的要求分為多個子優(yōu)化空間進行變量的設置，使優(yōu)化結果更便于加工制造。
展開 史上最全Abaqus模塊介紹！
與其它優(yōu)化分析軟件相比，其便捷和人性化的操作界面使學習更加的快速，同時其繼承了Abaqus 的算法優(yōu)點，考慮接觸，幾何非線性以及材料非線性以及加工制造的約束，最大程度滿足用戶的需求。
ABAQUS/CM是專業(yè)的復合材料建模工具，可在建模初始階段考慮鋪層的工藝性能，確保復合材料鋪層在工藝上的可行性。避免在后期的研發(fā)周期上因重新設計而增加的成本。
目前，由CMA得到的空間不斷變化的纖維方向和鋪層厚度可直接提供給非線性隱式算法和顯示求解器，實現真實地仿真計算。因而在每個單元產生鋪層角度，真實反映了仿真和實際纖維結構，確保計算中可達到前所未有的真實性。
另外，CMA使復合材料結構的分析、設計和制造完美的結合在一起。使用Abaqus/CAE創(chuàng)建的模型可直接導入CATIA V5中進行細節(jié)設計，也可將CATIA CPD中設計的復合材料以及鋪層直接導入Abaqus/CAE中。通過精確的模型轉換，快速實現設計上的反復，提高了整個研制過程的效率。
Abaqus/WCM纏繞復合材料模塊：
Abaqus的纏繞絲建模器（WCM），用戶可以創(chuàng)建擁有詳細規(guī)范結構外形和纏繞設計參數的模型，可進行沿纖維方向應力和應變的后處理。應用連續(xù)體或殼單元可創(chuàng)建軸對稱或三位模型。用戶可自定義界面來快速定義纏繞外形，進行幾何和網格的創(chuàng)建。
WCM模塊允許用戶定義橢圓形、球形、測地形狀，或通過表建立獨立點。另外，還可通過已有的部件來創(chuàng)建纏繞基體的幾何模型。可選擇生成整體或局部模型、對稱或不對稱壓力容器形狀。
Abaqus/Design設計靈敏度分析模塊：
Abaqus/Design為Abaqus/Standard的補充附加模塊，主要用于設計靈敏度分析（SDA）。設計靈敏度對于理解空間變化及預測設計改變的影響非常有用。設計靈敏度可作為再設計和基于梯度的優(yōu)化提供基礎。
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