拓撲優(yōu)化技術(shù)的案例
拓撲優(yōu)化技術(shù)在整體結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用
因此，也迫切需要通過優(yōu)化設(shè)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(shè)計迭代，同時盡可能降低設(shè)計反復(fù)的概率，拓撲優(yōu)化是方案設(shè)計階段進行傳力材料布置優(yōu)化設(shè)計的妙計良方。
為了提高結(jié)構(gòu)效率，減輕結(jié)構(gòu)重量，提升武器裝備的性能，拓撲優(yōu)化技術(shù)已在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中大型整體承力構(gòu)件和結(jié)構(gòu)功能一體化構(gòu)件中得到越來越廣泛應(yīng)用。比如滑輪架設(shè)計、翼身對接接頭設(shè)計，以及發(fā)動機安裝支架設(shè)計，采用拓撲優(yōu)化技術(shù)和增材制造技術(shù)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(shù)支撐。
圖 1 滑輪架拓撲優(yōu)化設(shè)計
圖 2 翼身對接接頭拓撲優(yōu)化設(shè)計
圖 3 發(fā)動機安裝支架拓撲優(yōu)化設(shè)計
從眾多拓撲優(yōu)化后的方案構(gòu)型來看，經(jīng)過拓撲優(yōu)化后的設(shè)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(fù)制造等要求。而拓撲優(yōu)化技術(shù)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(shè)計出了結(jié)構(gòu)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(shè)計理念的發(fā)展，低成本、大型結(jié)構(gòu)件的制造技術(shù)逐漸成為影響我國裝備能力提升的一項瓶頸技術(shù)。
展開 拓撲優(yōu)化技術(shù)助力尋找高層建筑支撐體系最優(yōu)布置方案
卡塔爾會議中心和上海喜馬拉雅美術(shù)館這兩座運用拓撲優(yōu)化技術(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化方法（ESO法）、水平集法，BESO（雙向漸進法等）。目前，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)在機械及航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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。
?基于有限元技術(shù)的發(fā)動機懸置支架拓撲優(yōu)化設(shè)計研究
結(jié)合預(yù)分析的實際情況，采用變密度法對零件進行了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，通過拓撲優(yōu)化前后的應(yīng)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(xué)性能的改善有著顯著的效果。本文建立的優(yōu)化設(shè)計方法和設(shè)計思路也可用于汽車上其他零部件的設(shè)計。
拓撲優(yōu)化技術(shù)這一新興優(yōu)化設(shè)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(shè)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(yīng)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(guān)研究和應(yīng)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(shù)的使用,從而促進汽車設(shè)計水平與國際接軌。
參考文獻
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展開 丹麥團隊利用HyperWorks證明拓撲優(yōu)化對混凝土建筑結(jié)構(gòu)的價值
行業(yè)：建筑工程
挑戰(zhàn)：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與建造和審美的結(jié)合。
Altair 解決方案：一套軟件集成包，用于形態(tài)建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
優(yōu)點：顯著減少設(shè)計時間和環(huán)境成本。
背景介紹
丹麥的奧胡斯建筑學(xué)院過去一直對拓撲優(yōu)化技術(shù)在混凝土建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)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(yīng)用非常關(guān)注，基于仿真的拓撲優(yōu)化技術(shù)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(shù)用于混凝土建筑結(jié)構(gòu)，并將該技術(shù)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(jié)合了學(xué)術(shù)和工業(yè)團隊，由項目經(jīng)理工程師Per Dombernowsky和Asbj?rnS?ndergaard領(lǐng)導(dǎo)，Asbj?rnS?ndergaard負責(zé)項目設(shè) 計和優(yōu)化方面。
Unikabeton（獨特的混凝土結(jié)構(gòu)），這一項目由丹麥建筑界最大的8家機構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)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(lǐng)域來說是陌生領(lǐng)域。S?ndergaard認為造成這種現(xiàn)象的主要原因是“建筑領(lǐng)域的保守思想阻礙了將CAE作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的工具”，不愿意將設(shè)計控制權(quán)交給優(yōu)化軟件。
Unikabeton項目將是建筑設(shè)計中第一個使用拓撲優(yōu)化的學(xué)術(shù)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(jié)果將意義深遠。
展開 
慣性釋放工況下拓撲優(yōu)化方法探討
01概述
工業(yè)產(chǎn)品在面向DfAM設(shè)計過程中，拓撲優(yōu)化作為底層關(guān)鍵技術(shù)為增材制造提供了無限的可能性，但是拓撲優(yōu)化技術(shù)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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(yīng)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(xué)方法，是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)存在的時間很長，但是由于拓撲優(yōu)化得到的復(fù)雜設(shè)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(yīng)用。但是通過增材制造可以解決拓撲優(yōu)化后復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造問題，因此拓撲優(yōu)化技術(shù)越來越得到重視，開辟了一個全新的工程領(lǐng)域。
02 GENESIS優(yōu)化軟件介紹
GENESIS是一款廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)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(shè)計，使結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，GENESIS涵蓋了工程所需的各類結(jié)構(gòu)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。
展開 ANSYS Topology Optimization拓撲優(yōu)化技術(shù)在輕量化設(shè)計應(yīng)用概述
產(chǎn)品概念設(shè)計初期，單純的憑借經(jīng)驗以及想象對零部件進行設(shè)計往往是不夠的，在適當約束條件下，如果能充分利用“拓撲優(yōu)化技術(shù)”進行分析，并結(jié)合豐富的產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，是有能力設(shè)計出更滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)技術(shù)方案、工藝要求、而且更質(zhì)輕質(zhì)優(yōu)的產(chǎn)品的。
拓撲優(yōu)化主要思想是尋求一種能夠根據(jù)給定負載情況、約束條件和性能指標，在指定區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，對系統(tǒng)材料發(fā)揮最大利用率。
通過將區(qū)域離散成足夠多的子區(qū)域，借助有限元分析技術(shù)對于結(jié)構(gòu)進行強度分析或模態(tài)分析等，按照指定優(yōu)化策略和準則從這些子區(qū)域中刪除一定數(shù)量單元，用保留下來的單元描述結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲。
圖1
ANSYS Topology Optimization拓撲優(yōu)化模塊能夠結(jié)合ANSYS Mechanical進行強度和頻率兩種分析下的拓撲優(yōu)化分析計算，強大的SpaceClaim Direct Modeler能夠繼拓撲優(yōu)化之后對于較為粗陋的刻面片體結(jié)構(gòu)完成光順化處理，STL文件生成直接送入3D增材打印機進行打印滿足輕量化設(shè)計需求。
同時SpaceClaim Direct Modeler先進強大的建模技術(shù)、修復(fù)技術(shù)能使工程師根據(jù)光順后的外觀進行建模重構(gòu)獲得三維造型設(shè)計，高級蒙皮功能技術(shù)能夠最大化保留拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)形貌，這些都極大滿足了復(fù)雜裝配體結(jié)構(gòu)安裝、定位、配合、功能等需求。如圖1所示，為某機械手臂結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化與光順化示例。
展開 基于OptiStruct的拓撲優(yōu)化技術(shù)在大跨度桁架結(jié)構(gòu)中的運用
二、研究內(nèi)容
?支座約束形式對桁架拓撲形式的影響
?荷載形式對桁架拓撲形式的影響
?跨高比對桁架拓撲形式形式的影響
三、研究模型
?本桁架跨度30米，桁架跨高比分別為1/5，1/10，1/15；約束條件分別為上部約束，下部約束，上下約束；荷載分別為均布荷載，跨中集中荷載，1/3跨集中荷載。
模型一
模型二
模型三
模型四
模型五等共十八個模型
四、結(jié)論
基于以上分析可以得到:
?拓撲優(yōu)化的形狀較我們平常設(shè)計的桁架形式有較大的區(qū)別。
?支座形式、荷載形式、跨高比都很大程度影響桁架的最優(yōu)拓撲形狀，在具體項目實踐中應(yīng)該根據(jù)實際條件分析最優(yōu)的拓撲形狀。
拓撲優(yōu)化技術(shù)在大跨度桁架結(jié)構(gòu)中的運用.ppt
展開 拓撲優(yōu)化在海洋工程中的應(yīng)用（轉(zhuǎn)自公眾號跨海游龍）
Zbigniew Sekulski通過遺傳算法，對一艘雙體船進行了拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，降低了船舶的總重量。潘彬彬等在同時考慮船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和水動力性能的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化中，使用iSIGHT調(diào)用Ansys實現(xiàn)了基礎(chǔ)有限元的船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化。朱穌驥等將遺傳算法進行了改進，并應(yīng)用到了超大型油船結(jié)構(gòu)優(yōu)化之中，選取近400個設(shè)計變量，所有設(shè)計變量在優(yōu)化的過程中都離散化處理，應(yīng)用規(guī)范作為校核準則，經(jīng)
過計算優(yōu)化后，船中剖面的面積下降了2.6%。Klanac等采用遺傳算法，對一條鋁合金渡船進行了多目標優(yōu)化，設(shè)計降低了多達10%的重量和6.5%的VGC。
Tian等將拓撲優(yōu)化用于導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，與規(guī)則設(shè)計結(jié)果相比較，重量減少13.7%，同時最大應(yīng)力減小46.31%。Lee等分別采用拓撲優(yōu)化與規(guī)則設(shè)計進行5MW海上風(fēng)電導(dǎo)管架平臺設(shè)計，得出拓撲優(yōu)化設(shè)計的平臺在重量和應(yīng)力水平上均具有優(yōu)勢，提高了平臺可靠性。
圖2 導(dǎo)管架平臺
圖3 導(dǎo)管架拓撲優(yōu)化
圖4 導(dǎo)管架平臺局部構(gòu)件應(yīng)力云圖
圖5 船用舷臺框架拓撲優(yōu)化
4.拓撲優(yōu)化在海洋工程中的發(fā)展前景
拓撲優(yōu)化的未來研究方向主要體現(xiàn)在：
1)基于無網(wǎng)格數(shù)值技術(shù)的拓撲優(yōu)化設(shè)計；并行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；雙向拓撲優(yōu)化技術(shù)；復(fù)合形遺傳算法等混合拓撲優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；
2)多目標拓撲優(yōu)化設(shè)計；結(jié)構(gòu)動力學(xué)的拓撲優(yōu)化設(shè)計；非線性的拓撲優(yōu)化設(shè)
計；可變荷載拓撲優(yōu)化設(shè)計；多工況下的拓撲優(yōu)化設(shè)計；
3)路徑規(guī)劃非線性控制柔性機構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計。
隨著“綠色制造”、“信息化與工業(yè)化深度融合”、“制造業(yè)創(chuàng)新”出現(xiàn)在政府工作報告《中國制造2025》。
展開 基于 OptiStruct 的白車身拓撲優(yōu)化研究
摘 要：本文以柔度最小化為目標建立了汽車白車身拓撲優(yōu)化模型，采用的優(yōu)化工具為 OptiStruct， 分析工況包括彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、正面碰撞、后面碰撞和側(cè)面碰撞，目的是考察拓撲優(yōu)化技術(shù)在車 身架構(gòu)前期開發(fā)中應(yīng)用的可行性。
關(guān)鍵字：白車身 拓撲優(yōu)化 加權(quán)柔度 OptiStruct 載荷傳遞路徑
1 概述
中國汽車自主品牌經(jīng)過近十多年的發(fā)展，開發(fā)水平從早期的抄襲模仿，逐步轉(zhuǎn)向正向設(shè)計，車型 研發(fā)的領(lǐng)域逐步提前到前期開發(fā)階段。在車身架構(gòu)的前期開發(fā)階段，可以利用拓撲優(yōu)化技術(shù)探索載荷 傳遞路徑，從而為后期的工程開發(fā)提供合理的車身架構(gòu)[1-2]，避免出現(xiàn)重大的設(shè)計失誤，同時降低設(shè) 計成本，提高研發(fā)速度。本文根據(jù)某車型的上一代車身架構(gòu)，在 HyperMesh 中建立拓撲優(yōu)化模型， 利用拓撲優(yōu)技術(shù)獲取前期車身架構(gòu)，拓撲優(yōu)化工具采用 OptiStruct 求解器，目的是考察拓撲優(yōu)化技術(shù) 在車身架構(gòu)前期開發(fā)中應(yīng)用的可行性。
2 模型描述
根據(jù)某車型的上一代白車身有限元模型（如圖 1 所示），建立白車身拓撲模型（如圖 2 所示）， 由于水箱橫梁總成對本次拓撲優(yōu)化分析工況（剛度工況和碰撞工況）的影響較小，該部分總成沒有建 立拓撲模型。考慮到整車在前后碰撞過程中需要縱向剛度比較好，因此將前后縱梁總成直接設(shè)定為非 設(shè)計空間，其余網(wǎng)格均作為設(shè)計空間。為了方便優(yōu)化過程控制，分為若干區(qū)域并分別賦予不同的屬性， 再施加約束和載荷，建立拓撲優(yōu)化的有限元模型，如圖 2 所示。
展開 ANSYS拓撲優(yōu)化
拓撲優(yōu)化是指形狀優(yōu)化，有時也稱為外型優(yōu)化。 拓撲優(yōu)化的目標是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓撲優(yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計。與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計不同的是，拓撲優(yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義。目標函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計變量（參見“優(yōu)化設(shè)計”一章）都是預(yù)定義好的。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)（材料特性、模型、載荷等）和要省去的材料百分比。給每個有限元的單元賦予內(nèi)部偽密度來實現(xiàn)。這些偽密度PLNSOL，TOPO命令來繪出。拓撲優(yōu)化的目標——目標函數(shù)——是在滿足結(jié)構(gòu)的約束（V）情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能。減小結(jié)構(gòu)的變形能相當于提高結(jié)構(gòu)的剛度。這個技術(shù)通過使用設(shè)計變量。
結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲問題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題。通過拓撲優(yōu)化分析，設(shè)計人員可以全面了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特征，可以有針對性地對總體結(jié)構(gòu)和具體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。特別在產(chǎn)品設(shè)計初期，僅憑經(jīng)驗和想象進行零部件的設(shè)計是不夠的。只有在適當?shù)募s束條件下，充分利用拓撲優(yōu)化技術(shù)進行分析，并結(jié)合豐富的設(shè)計經(jīng)驗，才能設(shè)計出滿足最佳技術(shù)條件和工藝條件的產(chǎn)品。連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的最大優(yōu)點是能在不知道結(jié)構(gòu)拓撲形狀的前提下，根據(jù)已知邊界條件和載荷條件確定出較合理的結(jié)構(gòu)形式，它不涉及具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，但可以提出最佳設(shè)計方案。拓撲優(yōu)化技術(shù)可以為設(shè)計人員提供全新的設(shè)計和最優(yōu)的材料分布方案。拓撲優(yōu)化基于概念設(shè)計的思想，作為結(jié)果的設(shè)計空間需要被反饋給設(shè)計人員并做出適當?shù)男薷摹Ｗ顑?yōu)的設(shè)計往往比概念設(shè)計的方案結(jié)構(gòu)更輕，而性能更佳。經(jīng)過設(shè)計人員修改過的設(shè)計方案可以再經(jīng)過形狀和尺寸優(yōu)化得到更好的方案。
展開 拓撲優(yōu)化，讓植入體融入你的身體
圖3義齒支撐金屬橋受力和約束 左：等效壓力 右：點加載
2.5模擬結(jié)果
在均布載荷的加載條件下，保留15%，20%，25%材料的拓撲優(yōu)化結(jié)果被展示在圖4中。拓撲優(yōu)化結(jié)果顯示，去除材料15%左右，可以在保證強度的基礎(chǔ)上，最大程度的減輕義齒支撐金屬橋的重量。
圖4均布載荷條件下的拓撲優(yōu)化結(jié)果
另外，還可以通過以鼠標拖動的方式，對優(yōu)化結(jié)果進行探索。
圖5拓撲優(yōu)化結(jié)果探索設(shè)計
3 結(jié)論
通過solidThinking Inspire對義齒支撐金屬橋的拓撲優(yōu)化，結(jié)果顯示在保留材料10%-20%之間，可以在保證強度的前提下，最大優(yōu)化材料的使用量，即金屬橋的重量。
與傳統(tǒng)拓撲優(yōu)化軟件相比，solidThinking Inspire有著界面簡潔，操作簡便，更快實現(xiàn)探索優(yōu)化設(shè)計等特點。足可以滿足義齒支撐金屬橋結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的需求。特別是Inspire，從建模到拓撲優(yōu)化的流程簡便，速度快。義齒支撐金屬橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從建模到拓撲優(yōu)化，對于一個Inspire新手來 說，僅僅幾個小時就可以實現(xiàn)。并可以根據(jù)個體的情況不同進行設(shè)計修改。使用雙核，四線程8G內(nèi)存筆記本，在64位操作系統(tǒng)平臺上，不到10分鐘做可以跑完一次模擬。這些優(yōu)點，為降低醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計成功率，提供了一條新的道路。
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基于拓撲優(yōu)化方法的支柱布局優(yōu)化設(shè)計 ￥10
如何在確保安全的前提下盡可能布置較少的支柱以提高甲板間空間的利用率，需要通過一種有效的優(yōu)化策略，應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法來確定其優(yōu)化位置。該問題屬于結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題。
目前，拓撲優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空航天、建筑工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而目前大部分關(guān)于拓撲優(yōu)化的研究，多是將精力集中在對結(jié)構(gòu)材料布局的優(yōu)化設(shè)計上，即在給定的邊界條件及工況下，設(shè)計出能達到優(yōu)化目標的結(jié)構(gòu)型式。而將拓撲優(yōu)化方法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化問題的研究尚不多見，盡管如此，現(xiàn)有的些許研究已經(jīng)表明其具備一定的可行性。因此，本文擬采用拓撲優(yōu)化方法，開展支柱布局優(yōu)化設(shè)計的研究工作，為船舶支柱的前期設(shè)計工作提供技術(shù)支撐。
由于帖子中公式、圖片等編輯不是很方便，因此具體內(nèi)容可見附件文檔。該文章為本人于2018年參加Altair技術(shù)大會的演講論文，在此和大家進行分享與交流。
基于拓撲優(yōu)化方法的支柱布局優(yōu)化設(shè)計.pdf
歡迎大家就此問題開展交流探討。以下收費內(nèi)容為文章中懸臂梁算例與支柱布局模型的計算結(jié)果文件，有需要的童鞋可自行獲取，謝謝！
展開 醫(yī)療植入物的拓撲優(yōu)化
隨著拓撲優(yōu)化技術(shù)被應(yīng)用到消費產(chǎn)品和高端工程產(chǎn)品，拓撲優(yōu)化設(shè)計的趨勢更趨向于優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的巨大改變。
但在醫(yī)學(xué)種植體領(lǐng)域，特別是骨骼的替代，大量的外觀形狀被保留，最大優(yōu)化產(chǎn)生于微結(jié)構(gòu)層級。
隨著優(yōu)化技術(shù)在設(shè)計工程類產(chǎn)品時被創(chuàng)造出類似鏤空的形態(tài)，在進行植入體設(shè)計時，高外形還原度才是關(guān)鍵。以微結(jié)構(gòu)層級如實重建出產(chǎn)品意味著患者生命得以延續(xù)，患者能感覺良好并正常步行，在微結(jié)構(gòu)層級對真實骨骼的模仿能夠獲得更好的實現(xiàn)骨整和。允許載荷被轉(zhuǎn)移到正確的方向上。
雖然有時我們期望從創(chuàng)成式設(shè)計獲得新奇設(shè)計，但這其實對于大自然來說并不新奇。
展開 拓撲優(yōu)化在鳥巢式空間結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用
本文利用簡化的鳥巢模型，借助Altair產(chǎn)品的變密度拓撲優(yōu)化技術(shù)，嘗試探索大型空間曲面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖3、圖4所示：
圖3 網(wǎng)狀加強結(jié)構(gòu) 圖4 主桁架結(jié)構(gòu)
2、模型設(shè)置
分別利用體單元模型和殼單元模型進行了優(yōu)化分析，網(wǎng)格模型如下圖所示：
結(jié)構(gòu)載荷包括：自重、風(fēng)載荷、地震載荷；
約束條件：結(jié)構(gòu)接地邊界的自由度。
優(yōu)化變量：所有設(shè)計空間。
約束條件：體積分數(shù)＜0.3。
優(yōu)化目標：加權(quán)應(yīng)變能最小。
3、路徑解讀
將拓撲結(jié)果利用多邊形建模工具進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，具體過程如下所述：
①創(chuàng)建參考平面：在inspire利用草繪工具，創(chuàng)建參考平面，如下圖：
②內(nèi)路徑設(shè)計：利用wrap工具，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計內(nèi)傳力路徑，如下圖：
③主支撐立柱設(shè)計：利用wrap、bridge工具，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計內(nèi)傳力路徑，如下圖：
④生成整體模型：根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，利用鏡像工具，生成整體承載結(jié)構(gòu)，如下圖：
4、課題總結(jié)
本文利用Ispire的先進優(yōu)化工具及高效的拓撲路徑解讀工具，設(shè)計了鳥巢式空間曲面結(jié)構(gòu)。本文中的模型對鳥巢結(jié)構(gòu)及載荷進行了適當簡化，旨在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的交流與探索。
最后附上模型及建模視頻，供交流使用。
cut_mirror.zip
展開 沈航：面向金屬增材制造的拓撲優(yōu)化設(shè)計研究進展
結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計以尋求材料最優(yōu)分布形式與最佳承力路徑為目的，在符合結(jié)構(gòu)材料力學(xué)特性的前提下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。然而拓撲結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實現(xiàn)精準、快速制造。金屬增材制造技術(shù)可實現(xiàn)復(fù)雜零件的快速制造，極大地拓寬了設(shè)計空間。
增材制造技術(shù)前沿注意到，來自沈陽航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院和中國航空工業(yè)集團公司沈陽飛機設(shè)計研究所的研究人員發(fā)表了《面向金屬增材制造的拓撲優(yōu)化設(shè)計研究進展》一文，綜述了面向金屬增材制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計研究進展，從優(yōu)化拓撲算法的角度，歸納了基于單元網(wǎng)格與邊界演化的拓撲優(yōu)化方法在改善結(jié)構(gòu)連續(xù)性與可制造性方面的有效措施；從金屬增材制造約束的角度，總結(jié)了考慮幾何約束、成形約束、材料性能約束的拓撲優(yōu)化方法，并結(jié)合金屬增材制造與拓撲優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。
面向金屬增材制造的拓撲優(yōu)化設(shè)計
隨著我國航空航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，航空結(jié)構(gòu)件需滿足輕質(zhì)高效、長航時、高機動性等要求，因此，進一步降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域面臨的一項嚴峻挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)輕量化設(shè)計大多是基于經(jīng)典結(jié)構(gòu)的等效替換，例如通過新工藝、新材料等精益改善和挖掘結(jié)構(gòu)潛能，現(xiàn)已趨近“天花板”。
拓撲優(yōu)化技術(shù)作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要分支，通過定義材料屬性、載荷工況與約束條件，尋求給定設(shè)計域內(nèi)材料的最優(yōu)分布形式，是結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計、獲得高性能創(chuàng)新構(gòu)型的有效設(shè)計方法，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到航空航天、汽車制造等領(lǐng)域中。
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