結構優化的案例
Ansys Workbench中拓撲優化后結構力學特性之可視化 | 結構優化新功能
產品概念設計初期，單純的憑借經驗以及想象對零部件進行設計往往是不夠的，在適當約束條件下，如果能充分利用“拓撲優化技術”進行分析，并結合豐富的產品設計經驗，可以設計出更能滿足產品結構技術方案、工藝要求以及更質輕質優的產品。
拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，將區域離散成足夠多的子區域，借助FEM分析技術按照指定的優化策略、約束準則、目標等從這些區域中刪除一定數量單元，用保留下來的單元描述結構的最優拓撲，發揮系統材料最大利用率。拓撲優化后，通常需要對其產生的結果模型進行設計驗證，完全復制拓撲優化前的邊界條件進行仿真計算。
以往版本需要在WorkBench中添加后續分析模塊去驗證優化后的模型。拓撲優化后的仿真計算設計驗證過程如下圖所示。先在拓撲結果中生成光順平滑的 STL 模型后，再在 Workbench 中通過“Transfer to Design Validation System”將優化結果傳遞至驗證系統，系統自動生成位于拓撲優化系統上游的相同類型的Mechanical系統，并繼承之前的全部計算載荷和約束。創建該驗證工作流程，分為四步，在創建的驗證系統中去劃分網格運行計算及查看設計結果。
前面版本雖然可以比較方便地把優化后的模型導入到新的靜力學結構仿真中，進行優化模型的驗證，但2022R1版本新增擁有了更便捷的功能，可以直接在結構優化系統中查看優化后的力學特性，即允許用戶直觀可視化最終設計的結果（變形、應力、特征值模態等），更方便快速檢查和驗證力學行為。
展開 結構優化新功能 | 拓撲優化后結構力學特性之可視化
產品概念設計初期，單純的憑借經驗以及想象對零部件進行設計往往是不夠的，在適當約束條件下，如果能充分利用“拓撲優化技術”進行分析，并結合豐富的產品設計經驗，可以設計出更能滿足產品結構技術方案、工藝要求以及更質輕質優的產品。
拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，將區域離散成足夠多的子區域，借助FEM分析技術按照指定的優化策略、約束準則、目標等從這些區域中刪除一定數量單元，用保留下來的單元描述結構的最優拓撲，發揮系統材料最大利用率。拓撲優化后，通常需要對其產生的結果模型進行設計驗證，完全復制拓撲優化前的邊界條件進行仿真計算。
以往版本需要在WorkBench中添加后續分析模塊去驗證優化后的模型。拓撲優化后的仿真計算設計驗證過程如下圖所示。先在拓撲結果中生成光順平滑的 STL 模型后，再在 Workbench 中通過“Transfer to Design Validation System”將優化結果傳遞至驗證系統，系統自動生成位于拓撲優化系統上游的相同類型的Mechanical系統，并繼承之前的全部計算載荷和約束。創建該驗證工作流程，分為四步，在創建的驗證系統中去劃分網格運行計算及查看設計結果。
前面版本雖然可以比較方便地把優化后的模型導入到新的靜力學結構仿真中，進行優化模型的驗證，但2022R1版本新增擁有了更便捷的功能，可以直接在結構優化系統中查看優化后的力學特性，即允許用戶直觀可視化最終設計的結果（變形、應力、特征值模態等），更方便快速檢查和驗證力學行為。
展開 結構優化在車身剛度性能優化中的應用
車身由大量的部件構成，結構復雜，工作條件也十分復雜。主要的工作載荷包括：驅動慣性力，制動慣性力，轉向慣性力，不平路面激勵力和動力結構載荷等等。如果車身結構設計中剛度設計不足，則車身的振動頻率會引起結構共振，進而引起結構連接的強度失效（產生塑性變形），進而導致車門、窗框、背門框等變形過大。最終導致車門卡死、玻璃破碎、密封失效、漏氣漏水等問題。分析車身的剛度，改進車身結構設計，提高車體剛度是非常重要。
車身性能開發金字塔的最底層是消費者最易感知的性能，即操穩性能，而操穩性能直接相關的就是車身的整體剛度性能。（車身扭轉剛度、區域剛度是和車身操穩性能相關的，因此車身扭轉剛度的性能目標應該滿足操穩性能要求，也應該由操穩性能需求來定義。）
通常更高的車身剛度性能對于操穩、NVH、耐久性能是有益的，那是不是說為了提升上述相關性能可以過度提高剛度性能呢？當然不是，剛度性能提升是要滿足結構最優化設計原則，即通過結構優化設計來提升材料有效利用率，而不是靠粗暴地堆疊材料來提升剛度性能。在提升剛度性能時還要考慮輕量化要求，只有通過結構優化設計才能夠在滿足剛度性能要求時，同時滿足動力經濟性的要求。
結構優化包括拓撲優化、形狀優化等方法在優化車身性能中具有非常重要的作用。拓撲優化可以合理優化材料分布，識別車身結構薄弱點。形狀優化進一步優化零部件結構形狀提升材料效率。
以上包括本田、雷諾、沃爾沃、標志、尼桑、寶馬、雷克薩斯、斯柯達、歐寶等車型開發過程中拓撲優化在結構性能優化中的案例。
實際案例：
拓撲優化：
針對車身后端包括C、D柱、dog leg區域進行拓撲優化分析，識別結構弱區域。
展開 基于HyperWorks的結構優化設計技術
基于HyperWorks的結構優化設計技術
基于HyperWorks的結構優化設計技術-張勝蘭1.zip
基于HyperWorks的結構優化設計技術-張勝蘭2.zip
基于HyperWorks的結構優化設計技術-張勝蘭3.zip
基于HyperWorks的結構優化設計技術-張勝蘭4.zip
基于HyperWorks的結構優化設計技術-張勝蘭5.zip
基于HyperWorks的結構優化設計技術-張勝蘭6.zip
基于HyperWorks的結構優化設計技術-張勝蘭7.zip
基于HyperWorks的結構優化設計技術-張勝蘭8.zip
基于HyperWorks的結構優化設計技術-張勝蘭9.zip
基于HyperWorks的結構優化設計技術-張勝蘭10.zip
展開 
新書推薦(1)——《工程結構優化設計》
《工程結構優化設計》
蔡新 郭興文 張旭明 編著
序
（中國工程院院士吳中如）
由蔡新教授等編著的《工程結構優化設計》一書，即將由中國水利水電出版社出版，我很榮幸能閱讀原稿，并欣然應允為本書寫篇序言。
工程結構設計是建立結構方案的過程。隨著計算機軟硬件的飛速發展，借助于計算機，利用數學、力學等方法對工程結構進行最優化設計得到了廣泛的應用。結構優化設計與傳統結構設計均遵循相似的設計原則和設計過程。所不同的是傳統設計缺乏安全性和經濟性等衡量的標準；而最優設計是在明確結構的經濟性與安全性等指標下，結合計算機輔助設計，很方便地實現分析計算、設計、出圖等全過程的自動化，提高了設計效率和質量。
作者十多年來在水工結構工程、建筑與土木工程、港口航道工程、交通工程等領域做了大量的科研項目和工程項目。在結構優化設計的理論與方法及其應用研究方面取得了一大批成果，在總結研究成果的基礎上，吸收國內外優化理論成果，撰寫成此書。
本書首先詳細闡述了結構最優化設計的理論與方法，包括最優化設計的基本概念，優化準則法，無約束優化方法，線性規劃法，非線性規劃法，結構設計靈敏度分析等，還介紹了現代最新研究的不確定性優化方法，拓撲優化方法的概念，使讀者對“優化”這一概念有較全面的認識和理解。然后著重介紹了優化設計理論在實際工程中的應用。包括土木工程中鋼筋混凝土梁、柱及結構的優化設計；地下埋管結構的優化設計；水利工程中水庫大壩如重力壩、拱壩、土石壩，渡槽結構等的優化設計；港航交通工程中碼頭結構的優化設計等。針對不同的研究對象，建立合適的優化設計數學模型，選擇適當的優化方法，解決了多個工程的實際問題。因此本書既有詳細的理論方法內容，又有豐富的工程應用實例，是典型的理論聯系實際的著作。不僅具有較高的學術水平，而且具有重要的參考應用價值。
展開 結構優化發展現狀簡介
結構優化發展現狀（簡）
1854年，Mexwell建立了最佳結構設計的布局理論，其后于1904年由Michell完成了該理論的概念擴充和首次應用。20世紀40年代提出的同時破壞方式理論假定，認為整個結構破壞時每個元件都達到強度極限就是最佳結構，但這里的同時是指單工況的情況，這些工作可見Shanl-ey、Gerard和Cox等人的著作。其后由同時破壞方式理論推廣產生的滿應力設計法并開始在結構優化中得到一些應用。Schmit于1960年提出將結構分析的有限元素法與數學規劃法結合，從而把-數學規劃引進結構設計領域以處理含不等式約束條件的結構優化問題，首次構造了多工況作用下彈性結構優化設計的數學模型并提出了應用數學規劃求解的方法，從此結構-優化設計才較快的發展為一門獨立的學科。隨后，針對應力、位移、頻率等不同約束的結構優化問題，研究者相繼采用線性規劃法、梯度投影法、可行方向法以及罰函數法等各種不同的方法來求解。但這種直接采用-數學規劃方法而不考慮力學特性的算法效率不高，如計算量大、收斂較慢。為此，優化準則法才開始得到大量研究和廣泛應用。準則法是通過力學概念或工程經驗來建立相應的最優設計準則，具有物理意義明確、方法相對簡便、優化中結構重分析-次數少、收斂速度較快等優點。
1968年，Prager等針對簡單連續體問題提出了解析形式的優化準則，后來發展為連續型優化準則。
1969年，Venkayya和Gellatly等開始發展離散型優化準則。
1976年，Schmit等提出了結構優化的近似概念。
1979年，Fleury等首先把對偶理論引入到結構優化問題上來利用可分離問題的對偶規劃進行求解，也取得了與DOC法相近的計算結果。
展開 《基于HyperWorks的結構優化設計技術》示例文件 完整版
基于HyperWorks的結構優化設計技術01.rar
基于HyperWorks的結構優化設計技術02.rar
基于HyperWorks的結構優化設計技術03.rar
基于HyperWorks的結構優化設計技術04.rar
基于HyperWorks的結構優化設計技術05.rar
基于HyperWorks的結構優化設計技術06.rar
基于HyperWorks的結構優化設計技術07.rar
基于HyperWorks的結構優化設計技術08.rar
基于HyperWorks的結構優化設計技術09.rar
基于HyperWorks的結構優化設計技術10.rar
展開 初識結構拓撲優化設計
拓撲優化按研究的結構對象可分為兩大類：離散體結構拓撲優化，如桁架、剛架、加強筋板、膜等骨架結構及它們的組合；連續體結構拓撲優化，如二維板殼、三維實體。
離散結構拓撲優化的歷史可以追溯到1904年由Michell提出的桁架理論，Michell的理論只能用于單工況并依賴于選擇適當的應變場。
其后陸續提出了一些優化方法，其中最有代表性的是Dorn、Gomory和Greenberg等提出的基結構方法（Ground structure approach）。基結構方法克服了Michell桁架理論的不適應性，將數值方法引入結構優化領域，建立由結構節點、載荷作用點和支撐點組成的節點集合，集合中的所有節點之間用桿件連接，形成所謂的基結構，以基結構作為初始設計，以桿件面積作為設計變量，采用優化算法優化桿件面積。
20世紀60年代初Schmit將結構優化問題表述為數學規劃問題，并采用數學規劃算法求解，成為結構優化領域的一個重要里程碑。包括桁架結構優化在內的離散結構拓撲優化已比較成熟，國內外已有很多深入的研究和文獻。
近年來連續體結構拓撲優化理論得到了較快發展，是結構優化領域研究的難點和熱點問題。連續體結構優化按照設計變量的類型和求解問題的難易程度可分為尺寸優化（尺寸變量）、形狀優化（形狀變量）、和拓撲優化（拓撲變量）三個層次，分別對應于三個不同的產品設計階段，即詳細設計、基本設計及概念設計三個階段。
在保持結構的形狀和拓撲結構不變的情況下，尋求結構組件的最佳截面尺寸以及最佳材料性能的組合關系，優化截面的最優面積（如桁架），選擇板的最佳厚度等。其特點是設計變量容易表達，求解理論和方法成熟。
優化結構的結構拓撲關系保持不變，而設計域的形狀和邊界發生變化，尋求結構最理想的邊界和幾何形狀，在骨架結構中表現為優化節點的最優位置，在實體結構中表現為對結構的邊界形狀進行優化。
展開 結構優化設計簡介
拓撲優化按研究的結構對象可分為兩大類：離散體結構拓撲優化，如桁架、剛架、加強筋板、膜等骨架結構及它們的組合；連續體結構拓撲優化，如二維板殼、三維實體。
離散結構拓撲優化的歷史可以追溯到1904年由Michell提出的桁架理論，Michell的理論只能用于單工況并依賴于選擇適當的應變場。其后陸續提出了一些優化方法，其中最有代表性的是Dorn、Gomory和Greenberg等提出的基結構方法（Ground structure approach）。基結構方法克服了Michell桁架理論的不適應性，將數值方法引入結構優化領域，建立由結構節點、載荷作用點和支撐點組成的節點集合，集合中的所有節點之間用桿件連接，形成所謂的基結構，以基結構作為初始設計，以桿件面積作為設計變量，采用優化算法優化桿件面積。20世紀60年代初Schmit將結構優化問題表述為數學規劃問題，并采用數學規劃算法求解，成為結構優化領域的一個重要里程碑。包括桁架結構優化在內的離散結構拓撲優化已比較成熟，國內外已有很多深入的研究和文獻。
近年來連續體結構拓撲優化理論得到了較快發展，是結構優化領域研究的難點和熱點問題。連續體結構優化按照設計變量的類型和求解問題的難易程度可分為尺寸優化（尺寸變量）、形狀優化（形狀變量）、和拓撲優化（拓撲變量）三個層次，分別對應于三個不同的產品設計階段，即詳細設計、基本設計及概念設計三個階段。
結構優化設計簡介.pdf
展開 結構優化仿真計算的最佳利器-UltraLAB圖形工作站、集群配置推薦20230927
以下是結構優化仿真中常用的一些計算方法：
§ 靜態優化：針對結構在靜力作用下的性能進行優化。
§ 動力優化：針對結構在動力作用下的性能進行優化。
§ 非線性優化：針對結構在非線性條件下的性能進行優化。
§ 多尺度優化：針對結構在不同尺度下的性能進行優化。
靜態優化是結構優化仿真的最常見的類型，用于針對結構在靜力作用下的性能進行優化，如結構的強度、剛度等。
動力優化用于針對結構在動力作用下的性能進行優化，如結構的振動、沖擊等。
非線性優化用于針對結構在非線性條件下的性能進行優化，如塑性變形、屈曲等。
多尺度優化用于針對結構在不同尺度下的性能進行優化，如宏觀尺度和微觀尺度等。
主要結構優化仿真軟件：
§ Ansys OptiStruct：用于結構優化，主要用于機械產品、航空航天產品、汽車產品等的設計和分析。
§ ABAQUS/CAE：用于結構優化，主要用于機械產品、航空航天產品、汽車產品等的設計和分析。
§ LS-DYNA：用于結構優化，主要用于復雜結構、碰撞仿真等。
§ COMSOL Multiphysics：用于多物理場仿真，包括結構優化、流體仿真、熱仿真等。
計算的特點：
§ 計算量大：結構優化仿真通常涉及大量的計算量，這對計算機硬件和軟件提出較高的要求。
§ 迭代次數多：結構優化仿真需要進行多次迭代計算，才能找到最優解。
§ 模型復雜：結構優化仿真模型通常比較復雜，這對軟件的功能和性能提出較高的要求。
結構優化仿真是結構設計和制造的重要工具，可以幫助工程師找到最優的結構設計方案，提高結構的性能和可靠性。
展開 OptiStruct結構優化技術在航空結構設計中的應用
OptiStruct結構優化技術在航空結構設計中的應用
作者：Simwe 來源：Altair
“我們對某航空產品支架進行靜態分析，并在此基礎上完成拓撲優化分析。根據優化分析結果對原結構進行修改，對改進后的結構進行靜態分析。結果表明，應用OptiStruct結構優化技術，不僅能夠極大地降低產品的重量，而且對于改善產品的力學性能也具有積極的促進作用。” —— 摘自 2010HTC大會用戶論文
簡介
利用Altair HyperWorks結構優化工具OptiStruct對某航空產品支架進行拓撲優化分析，并結合其強大的前處理軟件HyperMesh、后處理軟件HyperView以及通用仿真分析軟件RADIOSS對優化前后的產品進行分析，從應力、變形、重量等方面對計算結果進行比較、總結。結果表明優化創新設計工具OptiStruct在改善機械產品性能、提高設計工作效率方面具有非常重要的作用，對航空產品設計及優化具有借鑒意義。
挑戰
以有限元法為基礎的結構優化設計工具已經被廣泛而深入地應用到各行各業，在航空航天、汽車、機械等領域取得了大量革命性的成功應用。對于航空產品來說，重量是衡量產品性能一個非常重要的指標。如何降低產品重量，同時提高產品性能成為目前航空設計人員關注的重要問題之一。
慶安集團在進行某航空產品支架的設計中，需要對其結構進行優化設計，以降低產品的重量。
首先應用RADIOSS進行求解，得到支架上最大應力為21.6MPa，且僅出現在支架局部區域，而其余部分應力都較小，如圖3-5所示。
根據以上分析可知，其最大應力遠遠小于材料的屈服強度，進行結構減重的潛力很大。
展開 
結構優化設計分析系列（三）：APDL在Workbench中的優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 中國優秀碩士論文全文：基于LevelSet方法的結構優化技術
這是一篇講解優化算法的非常優秀的碩士論文，看后一定受益匪淺講優化算法的好材料
基于LevelSet方法的結構優化技術.part01.rar
基于LevelSet方法的結構優化技術.part02.rar
基于LevelSet方法的結構優化技術.part03.rar
基于LevelSet方法的結構優化技術.part04.rar
基于LevelSet方法的結構優化技術.part05.rar
基于LevelSet方法的結構優化技術.part06.rar
基于LevelSet方法的結構優化技術.part07.rar
展開 連續體結構靜動力拓撲優化 Part1
關鍵詞 連續體結構；結構拓撲優化；靜響應約束；頻率約束；動響應約束
彭細榮 連續體結構靜動力拓撲優化.part1.rar
彭細榮 連續體結構靜動力拓撲優化.part2.rar
論文推薦丨常浩等：基于有限元仿真技術的軌道車輛錐形彈簧的結構優化研究
針對錐形彈簧的初始結構和優化結構，在滿足垂向、橫向剛度和壓縮高度等設計要求的前提下，對垂向極限承載（50. 6 kN）下的錐形彈簧進行了有限元仿真分析，兩種結構錐形彈簧的橡膠部分的應力和應變分布云圖分別如圖7和8所示。
兩種結構錐形彈簧的橡膠部分的最大應力和最大應變對比如表3所示。
從表3可以看出：優化結構錐形彈簧的橡膠部分的最大應力僅相當于初始結構錐形彈簧的橡膠部分的47.9%；優化結構錐形彈簧的橡膠部分的最大應變僅相當于初始結構錐形彈簧的橡膠部分的73.7%；優化結構錐形彈簧的橡膠部分的最大應力和最大應變均有較大程度減小。盡管影響橡膠制品疲勞壽命的原因復雜多樣，且其迄今仍是科研人員研究的重點方向，但實踐表明減小應力和應變有助于延長橡膠制品的疲勞壽命。由此可知，優化結構錐形彈簧的力學性能明顯改善。
展開 