拓撲+形貌優化的案例
DfAM專欄丨DfAM底層通用技術之拓撲優化設計
拓撲優化革新了傳統的功能驅動的經驗設計模式，實現了性能驅動的生成式設計，成為真正的
正向設計
模式。
廣義的拓撲優化還包括其它結構優化技術：
形狀（形貌）優化和尺寸優化。
形狀優化以有限元模型節點為對象，節點位置是設計變量，通過節點位置的變化優化結構外形；形貌優化是形狀優化的一個特殊情況，可以生成加強筋。尺寸優化以有限元模型單元為對象進行優化，用于薄壁或者細長結構的優化，其設計變量是單元的截面尺寸，如梁橫截面尺寸或薄殼厚度等。
拓撲優化僅給出材料分布的概念設計，還需要針對拓撲優化結果進行處理。后拓撲結構設計借助于專業的模型處理技術，最大限度地保留拓撲優化的結構特征，考慮美學、力學甚至裝配要求，將其轉換為可用的設計方案并形成有效的CAD模型。
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。
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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
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展開 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。
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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
基于形貌優化的洗衣機內筒前法蘭設計
圖24 形貌優化后內筒前法蘭 圖25 內筒主要位置變形對比
5 結論
本文論述了滾筒式洗衣機內筒前法蘭的一種優化設計方法，通過對其進行形貌優化，設定合理優化區域、加強筋類型及相關尺寸參數，得到了合理的加強筋布局前法蘭結構，通過仿真計算與分析得出以下結論：
1）前法蘭加強筋的合理布局提供了一種全新樣貌，有效地增強了前法蘭的剛度，優化后結構徑向最大變形為2.73mm，相比于優化前減少了13.6%，效果明顯，前法蘭剛度的增強也增大了內筒的剛度，滾筒的兩個與外筒易碰點位置變形得到減小，降低了摩擦碰撞的風險，內外筒逆相位模態安全系數得到提高，內筒系統的振動特性也進一步加強。
2）通過利用HyperWorks中OptiStruct模塊的形貌優化功能實現了內筒前法蘭加強筋的重新布局，不但有效提高了前法蘭和內筒結構的剛度，而且優化了設計開發流程，大幅縮短了產品開發周期，并且為以后洗衣機零部件結構的優化設計提供了新思路。
6 參考文獻
[1] 張勝蘭,鄭冬黎,郝琪等.《基于HyperWorks的結構優化設計技術》. 北京: 機械工業出版社,2007.
[2] 王健. 具有形狀和應力約束的連續體結構拓撲優化及其在框架結構設計中的應用. 工程力學,2002,19（4）:99-103.
[3] 季學榮,丁曉紅. 基于拓撲和形貌優化的汽車發動機罩板設計.機械設計與研究,2011(2):35-38.
[4] 廖芳,王承. 支架形貌優化設計方法研究. 上海汽車,2009（9）:38-40.
[5] 張宇,李映輝,張仲鵬. 轎車白車身零部件形貌優化研究.機械設計與制作,2011,(10):105-106.
[6] 吳言成,范宗文.
展開 形貌優化在動力總成懸置支架設計中的應用
圖 5 優化后模型及其一階模態
6 結論
本文利用hypermesh軟件對懸置支架進行了模態分析，并對利用軟件自帶的OPSTRUCT模塊對支架進行了形貌拓撲優化設計。通過優化前后的模態頻率情況以及靜力學分析結果的對比，說明了利用 HyperWorks提供的優化工具，可以縮短懸置支架設計的周期，提高了零件設計質量。本文建立的優化設計方法和設計思路也可用于汽車上其他零部件的前期設計和改進設計。
參考文獻：
[1]Specification for 261 Powertrain Mounts :Body- Frame-Integral Subsystems GMW14116 [S]. North American Engineering Standards，December 2006.
[2] 呂兆平 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）
[3] Basem Alzahabi. Optimization of Transmission Mount Bracket[J]. SAE paper: 2003-01-1460
[4] 王承 基于形貌優化的鈑金支架加強筋布置方法研究 Altair 2009 HyperWorks 技術大會論文集
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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。
優化技術在汽車設計中的應用
一張圖，了解優化技術在汽車設計中的應用。
應用范圍：車身、底盤、開閉件、動力系統；
應用方法：拓撲優化、形貌優化、尺寸優化、形狀優化，包括多種方法聯合優化。
隨著汽車市場競爭越來越激烈，汽車企業在滿足用戶不斷提高的對可靠性、安全性、NVH等性能指標要求的同時，還希望通過降低成本來創造利潤，同時縮短開發周期以便搶得市場先機。
?? ??相對于中后期的結構優化，早期設計成本更低，設計自由度更高，CAE工程師一直在探索將CAE分析提前，改變對一個不理想模型狀態進行優化的弊端，實現CAE驅動設計。???
?CAE的早期介入，綜合考慮對產品有較大影響的結構設計，通過科學的分析計算，建立較為理想的設計模型，減少設計中后期因為性能提升而進行大量反復的修改，降低成本和縮短開發周期。
展開 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
《HyperMesh從入門到精通》
11.1 C型結構拓撲優化
11.2 連桿形狀優化分析
11.3 焊接支架尺寸優化
11.4 扭轉板形貌優化
11.5 磁盤部件拓撲與形貌優化組合分析
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 基于optistruct平板材料彈性模量大小的優化 ￥12
optistruct軟件優化模塊在結構設計優化領域應用較為廣泛，尤其是這個優化模塊包含的功能如尺寸優化、拓撲優化、形貌優化、靈敏度分析、形狀優化、自由尺寸優化、自由形狀優化等。本案例重點在于介紹如何在optistruct中進行材料彈性模量大小的優化。彈性模量的大小直接影響結構的剛度與模態，通常情況結構的剛度與結構材料彈性模量呈正相關的關系。當結構料厚一定的情況下，如要通過替換材料的方式提高結構的剛度，那么材料彈性模量選擇多大的材料呢？尤其在車身連接接頭處剛度有一定要求的情況下，該優化手段是一個不錯的方法。
優化前（一階模態）
優化后（一階模態）
優化前平板材料的彈性模量大小為2.000E+05Mpa，優化后平板材料的彈性模量大小為3.351E+05Mpa；材料的彈性模量作為設計變量，下限為1.000E+05Mpa，上限為8.000E+05Mpa；響應為第7階模態頻率，平板的整體質量；優化的約束條件為平板的第7階模態頻率不低于20Hz；優化的目標函數為平板的質量最小，詳細設置見附件中的模型文件。凡購買本案例的朋友如對模型中操作設置有疑問可以私信給我或者本案例下方留言。
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