拓撲優(yōu)化技術
關注創(chuàng)建者：以詩為碼 創(chuàng)建時間：2015-10-28
拓撲優(yōu)化技術的視頻教程
Optistruct free body 技術，快速局部模型分析，可與拓撲優(yōu)化技術聯(lián)合使用
通過optistruct free body 技術，可以提取整體模型中的物理量，作為邊界條件加入到局部模型中，快速進行局部模型分析。也可和拓撲優(yōu)化技術進行聯(lián)合使用，針對特定的零部件進行優(yōu)化，節(jié)省優(yōu)化迭代時間。
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基于ansys workbench 的拓撲優(yōu)化——梁，支架 受力優(yōu)化
1.學習型仿真工程師； 2.結構仿真工程師初學者； 3.需要對結構降本，縮小體積及及其他方面的優(yōu)化。 基于Ansys workbench 2021R1版本的支架和梁單元的拓撲優(yōu)化操作。（課程內(nèi)包含模型建立及詳細模型設置）
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拓撲優(yōu)化技術的實例教程
因此，也迫切需要通過優(yōu)化設計手段使方案階段也進行海量優(yōu)化，使各階段內(nèi)的優(yōu)化盡量發(fā)揮最大作用，而不是個別方案的人為認知篩選，減少大跨度設計迭代，同時盡可能降低設計反復的概率，拓撲優(yōu)化是方案設計階段進行傳力材料布置優(yōu)化設計的妙計良方。
為了提高結構效率，減輕結構重量，提升武器裝備的性能，拓撲優(yōu)化技術已在飛機結構設計中大型整體承力構件和結構功能一體化構件中得到越來越廣泛應用。比如滑輪架設計、翼身對接接頭設計，以及發(fā)動機安裝支架設計，采用拓撲優(yōu)化技術和增材制造技術可以實現(xiàn) 30%左右的材料、60%左右的制造周期完成生產(chǎn)，成為保障飛機研制進度和性能的重要技術支撐。
圖 1 滑輪架拓撲優(yōu)化設計
圖 2 翼身對接接頭拓撲優(yōu)化設計
圖 3 發(fā)動機安裝支架拓撲優(yōu)化設計
從眾多拓撲優(yōu)化后的方案構型來看，經(jīng)過拓撲優(yōu)化后的設計方案對傳統(tǒng)的制造方式提出新的挑戰(zhàn)。因為傳統(tǒng)的制造方法對產(chǎn)品模型具有對稱性、相對固定尺寸、可重復制造等要求。而拓撲優(yōu)化技術只有在不考慮制造工藝約束時才具有更好的效果。因此，盡管工程師們通過拓撲優(yōu)化方法設計出了結構獨特、高性能的產(chǎn)品模型，但往往因為可制造性問題，只能遵循 “實現(xiàn)性優(yōu)先”的原則，而舍棄掉產(chǎn)品在輕量化、高性能上的優(yōu)勢。隨著輕量化、大型化、 整體化的設計理念的發(fā)展，低成本、大型結構件的制造技術逐漸成為影響我國裝備能力提升的一項瓶頸技術。
展開 卡塔爾會議中心和上海喜馬拉雅美術館這兩座運用拓撲優(yōu)化技術設計的代表性建筑也出自大師之手。
一分鐘了解連續(xù)拓撲優(yōu)化
連續(xù)拓撲優(yōu)化是指滿足一定約束條件下，尋求結構材料空間分布形式，實現(xiàn)置頂目標的最優(yōu)化。主要方法有SIMP法（變密度法）， ICM方法、進化結構優(yōu)化方法（ESO法）、水平集法，BESO（雙向漸進法等）。目前，結構拓撲優(yōu)化技術已經(jīng)在機械及航空航天領域得到了廣泛應用。近些年來，其在土木工程行業(yè)中也得到了一定的發(fā)展。
結合預分析的實際情況，采用變密度法對零件進行了結構拓撲優(yōu)化，通過拓撲優(yōu)化前后的應力分布及模態(tài)頻率情況的對比。說明了拓撲優(yōu)化對于變速器懸置的輕量化和力學性能的改善有著顯著的效果。本文建立的優(yōu)化設計方法和設計思路也可用于汽車上其他零部件的設計。
拓撲優(yōu)化技術這一新興優(yōu)化設計方法非常適合于汽車工業(yè)中車身整體和單個零件的設計. 盡管有一些困難,但世界范圍內(nèi)的汽車業(yè)已有大量成功應用的案例,專門的拓撲優(yōu)化軟件現(xiàn)也已相對成熟. 目前國內(nèi)汽車工業(yè)的相關研究和應用還不多,因此需要加強這一方面的研究工作,推廣拓撲優(yōu)化技術的使用,從而促進汽車設計水平與國際接軌。
參考文獻
[1] 楊樹凱，朱啟昕，吳仕賦.基于有限元技術的汽車支架拓撲優(yōu)化設計研究.汽車技術，2006（3）
[2] 顧春祺.拓撲優(yōu)化在汽車控制臂輕量化設計中的應用.2007中國汽車工程學會論文集,568-571
[3] 潘孝勇，柴國鐘，劉飛，徐馳.懸置支架的優(yōu)化設計與疲勞壽命分析.汽車工程，2007（4）
[4] 呂兆平 能量法解耦在動力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設計中的運用。汽車工程，2008（6）
展開 行業(yè)：建筑工程
挑戰(zhàn)：結構優(yōu)化設計與建造和審美的結合。
Altair 解決方案：一套軟件集成包，用于形態(tài)建模和結構優(yōu)化。
優(yōu)點：顯著減少設計時間和環(huán)境成本。
背景介紹
丹麥的奧胡斯建筑學院過去一直對拓撲優(yōu)化技術在混凝土建筑結構中的應用潛力以及它在混凝土澆鑄聚苯乙烯模板的機械制造中的應用非常關注，基于仿真的拓撲優(yōu)化技術已經(jīng)在汽車、航空和造船工業(yè)廣泛使用。現(xiàn)在將拓撲優(yōu)化技術用于混凝土建筑結構，并將該技術與用于混凝土澆筑的聚苯乙烯模板機械化制造相耦合。
UnikabetonPrototype項目結合了學術和工業(yè)團隊，由項目經(jīng)理工程師Per Dombernowsky和Asbj?rnS?ndergaard領導，Asbj?rnS?ndergaard負責項目設 計和優(yōu)化方面。
Unikabeton（獨特的混凝土結構），這一項目由丹麥建筑界最大的8家機構和企業(yè)通力合作，共同開發(fā)一系列的優(yōu)化實驗，以便得到全尺寸混凝土結構的設計和優(yōu)化方法。
挑戰(zhàn)
計算機優(yōu)化工具的使用對于建筑領域來說是陌生領域。S?ndergaard認為造成這種現(xiàn)象的主要原因是“建筑領域的保守思想阻礙了將CAE作為結構設計的工具”，不愿意將設計控制權交給優(yōu)化軟件。
Unikabeton項目將是建筑設計中第一個使用拓撲優(yōu)化的學術研究項目。由于混凝土制造而產(chǎn)生的二氧化碳排放量占全球排放總量的5%，該團隊的實驗結果將意義深遠。
展開 01概述
工業(yè)產(chǎn)品在面向DfAM設計過程中，拓撲優(yōu)化作為底層關鍵技術為增材制造提供了無限的可能性，但是拓撲優(yōu)化技術仍然具有局限性。
根據(jù)目前成熟的拓撲優(yōu)化軟件的功能來看，大部分拓撲優(yōu)化功能依賴特定工況，主要是靜態(tài)和動態(tài)線性結構分析，對于非線性靜態(tài)工況少數(shù)軟件可以進行拓撲優(yōu)化，比如GENESIS所采用等效靜載荷(ESLs)方法。更多的工況問題只能通過工程師進行等效處理和變換，這就對工程師的基礎理論和工程經(jīng)驗有著較高的要求。
拓撲優(yōu)化（Topology Optimization）是一種根據(jù)給定的工況、約束條件和響應目標，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學方法，是結構優(yōu)化的一種。實踐中往往是在目標保持足夠機械性能的同時從零件中去除盡可能多材料。相比其他結構優(yōu)化方法，拓撲優(yōu)化是效率最高的優(yōu)化方法。
拓撲優(yōu)化技術存在的時間很長，但是由于拓撲優(yōu)化得到的復雜設計無法通過傳統(tǒng)制造方法來實現(xiàn)，因此拓撲優(yōu)化沒有得到廣泛的應用。但是通過增材制造可以解決拓撲優(yōu)化后復雜結構的制造問題，因此拓撲優(yōu)化技術越來越得到重視，開辟了一個全新的工程領域。
02 GENESIS優(yōu)化軟件介紹
GENESIS是一款廣泛應用的結構優(yōu)化軟件，它將有限元求解器和高級優(yōu)化算法集成于一體，工程師可以進行多種類型的優(yōu)化設計，使結構設計方案滿足輕量化要求、增材制造工藝要求等。作為專業(yè)級的結構優(yōu)化軟件，GENESIS涵蓋了工程所需的各類結構優(yōu)化類型，包括拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化，尺寸優(yōu)化，形貌優(yōu)化，自由尺寸優(yōu)化和自由形狀優(yōu)化等，并支持混合優(yōu)化。其主要特點如下：
內(nèi)置快速，可靠，準確的有限元求解器和優(yōu)化求解器，優(yōu)化效率更高。
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概述
汽車控制臂（Control Arm）是懸架系統(tǒng)的關鍵部件，其核心作用是將車輪與車架連接，并在車輛行駛過程中承受并傳遞來自車輪的多方向力和力矩。拓撲優(yōu)化的目標是在給定的設計空間、材料和工況下，找到材料的最優(yōu)分布，使結構在滿足多種性能要求（如剛度、強度、頻率）的同時，實現(xiàn)輕量化。
“多工況加權柔度響應”指的是將結構在多種不同載荷工況下的柔度（Compliance） 進行加權求和，作為拓撲優(yōu)化的目標函數(shù)或約束條件
關鍵詞：COMSOL；U形渡槽；拓撲優(yōu)化；流固耦合
【模型信息】U形過水斷面半徑和設計水深為3m，斷面二維效果圖如下。
圖1 U形渡槽過水斷面
【荷載&邊界設置】耦合接口選擇層流和固體力學，耦合類型為結構上的流體荷載，設置水流速為0.1m/s，在渡槽底面固結。
圖2 流固耦合類型設置
【優(yōu)化目標函數(shù)設置】
關鍵詞：Abaqus；拱橋；拓撲優(yōu)化；三維有限元
拓撲優(yōu)化適合用于對不確定結構進行最優(yōu)設計。一方面，此方法的靈活性要優(yōu)于其他方法，因為它支持將任意形狀輸出作為結果。另一方面，結果并非總是直接可行。因此，拓撲優(yōu)化常用在最初階段，方便指導后續(xù)設計。
實際操作時，我們將人為定義一個密度函數(shù)，幾何內(nèi)各點處的值介于 0 和 1 之間。在結構力學仿真中，我們希望最大化梁的剛度。在結構力學問題中，最大化剛度等同于最小化柔度
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01/簡介
隨著集成電路制程向3nm及以下先進節(jié)點演進，光刻成像系統(tǒng)中的光學衍射、掩模三維效應與光致抗蝕劑非線性響應相互疊加，使光源-掩模協(xié)同優(yōu)化（SMO）成為保障圖形保真度與芯片良率的核心技術。傳統(tǒng)線性壓縮感知（CS）驅(qū)動的SMO技術，因難以精準刻畫掩模與成像之間的強非線性映射關系，在復雜圖形優(yōu)化中常面臨精度不足、工藝窗口收縮等問題
01/簡介
隨著集成電路制程向3nm及以下節(jié)點突破，光刻系統(tǒng)的光學畸變、掩模三維衍射及光致抗蝕劑非線性響應等效應疊加，使光源-掩模協(xié)同優(yōu)化（SMO）成為保障成像精度的核心技術。
傳統(tǒng)線性壓縮感知技術雖在光源單變量優(yōu)化中實現(xiàn)了降維高效求解，但面對SMO場景中掩模-成像的強非線性映射關系，其線性假設難以精準刻畫優(yōu)化變量與成像質(zhì)量的關聯(lián)，導致優(yōu)化精度與可制造性失衡
01/簡介
當前，壓縮感知光源優(yōu)化的仿真技術已實現(xiàn)標準化與精準化雙重突破，為技術落地奠定堅實基礎。仿真條件層面，通過構建統(tǒng)一的光源參數(shù)基準、掩模圖形庫及光學成像模型，建立了可復現(xiàn)的標準化仿真環(huán)境，解決了傳統(tǒng)仿真中參數(shù)離散導致的對比誤差問題。
接下來以豎直線條為目標圖形進行仿真分析，對比分析在不同變量下曝光圖像的情況。
02/仿真條件
01/簡介
隨著集成電路制程向3nm及以下節(jié)點突破，光刻系統(tǒng)面臨的光學畸變（如衍射、偏振效應）愈發(fā)顯著，光源作為光刻成像的“源頭變量”，其圖形優(yōu)化直接決定空間像保真度與芯片制造良率。
傳統(tǒng)光源優(yōu)化方法依賴全像素維度尋優(yōu)，受限于光源像素矩陣規(guī)模龐大（常達數(shù)百甚至數(shù)千維度），存在迭代收斂慢、計算資源消耗高、易陷入局部最優(yōu)等問題，難以適配先進制程對優(yōu)化效率與精度的雙重需求
01/簡介
隨著集成電路制程向3nm及以下節(jié)點突破，光刻系統(tǒng)面臨的光學畸變、分辨率不足等問題愈發(fā)突出，光源-掩模協(xié)同優(yōu)化（SMO）技術成為突破硬件限制的核心手段。矢量SMO憑借對偏振效應、三維掩模衍射等復雜光學現(xiàn)象的精準刻畫，較傳統(tǒng)標量模型實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，其優(yōu)化算法的性能直接決定光刻成像質(zhì)量與制造良率。
梯度計算與變量替換是矢量SMO算法的理論基石，為離散優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為連續(xù)可解問題提供了關鍵路徑
01/簡介
隨著半導體技術節(jié)點向3nm及以下先進制程持續(xù)演進，光刻工藝中的光學鄰近效應（OPE）、偏振依賴效應及三維掩模衍射等復雜現(xiàn)象愈發(fā)顯著，傳統(tǒng)基于標量近似的光學鄰近修正（OPC）技術已難以滿足納米級圖形復刻的精度要求。矢量成像模型憑借對光場偏振態(tài)、矢量傳播及復雜界面相互作用的精準刻畫，成為先進制程OPC技術的核心支撐，而矢量OPC優(yōu)化算法的性能則直接決定了掩模修正的精度
*本文投稿自汽車行業(yè)用戶方永利
本文采用 Altair OptiStruct 求解器在概念設計階段，通過引入拓撲優(yōu)化技術，結合等效靜態(tài)載荷法，將沖擊工況的非線性動態(tài)載荷轉(zhuǎn)化為等效靜態(tài)載荷，與線性靜態(tài)工況結合進行多學科多工況的拓撲優(yōu)化。此方法能夠在設計自由度較高的概念階段確定最優(yōu)的材料分布和形狀，為后續(xù)減重降本設計奠定基礎。
